CN1601484A - 磁盘数据备份***及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数据的备份技术，公开了一种磁盘数据备份***及其方法，使得数据备份独立于主机的操作***，只用一个ATA接口就实现了基于多个镜像硬盘的数据备份功能。这种磁盘数据备份***包含普通硬盘控制器和若干块规格完全相同的硬盘，还包含：数据备份电路模块；所述普通硬盘控制器用于提供一个高级技术附件接口并通过所述高级技术附件接口和所述数据备份电路模块连接；所述数据备份电路模块用于将一个高级技术附件接口扩展为若干个完全相同的高级技术附件接口，在从若干个所述硬盘读取数据的时候判断读出数据的正确性并选择数据输出；其中，每个扩展出来的高级技术附件接口和一个所述硬盘连接。

Description

磁盘数据备份***及其方法

技术领域

本发明涉及数据的备份技术，特别涉及使用磁盘进行数据备份的技术。

背景技术

近十几年来，随着计算机技术的发展，中央处理器(Central ProcessingUnit，简称“CPU”)的处理速度增加了许多倍，CPU的速度进入GHz时代；内存(memory)的存取速度亦大幅增加，内存的工作频率由66MHz发展到100MHz甚至133MHz，制造技术上出现了动态随机存取寄存器(Dynamic Random Access Memory，简称“DRAM”)到双速率动态随机存取存储器(Double Data Rate DRAM，简称“DDR DRAM”)的飞跃，不需提高工作频率就能成倍提高DRAM的存取速度。

而数据储存装置，主要是硬盘(hard disk)，存取速度只增加了几倍，形成电脑***的瓶颈，拉低了电脑***的整体性能，若不能有效的提升硬盘的存取速度，CPU、内存及硬盘间的不平衡将使CPU及内存的改进形成巨大浪费。由于硬盘速度很大程度上依赖于机械部分，因此基于现在的硬盘技术，要想大幅提速非常困难。

另一方面，信息安全越来越重要，一旦硬盘的数据损坏，重要的资料就可能毁于一旦，因此在金融、证券和电信话单备份等领域数据需要双备份或者多备份，即要求数据具有冗余性，要求提供不间断、可靠而又实时的数据备份。

现在个人计算机(Personal Computer，简称“PC”)使用的硬盘大多数都是集成驱动电子设备(Integrated Drive Electronics，简称“IDE”)兼容的，只需用一根电缆将它们与主板或接口卡连起来就可以了。IDE实际上是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器，这样减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性得到了增强，硬盘制造起来变得更容易，对用户而言，硬盘安装起来也更为方便。IDE接口也叫高级技术附件(AdvancedTechnology Attachment，简称“ATA”)接口。

为了提高数据存储***容量和传输数据的速度，保证数据的冗余性以备份数据，现有的解决方案一般采用了独立冗余磁盘阵列(Redundant Array ofIndependent Disks，简称“RAID”)技术。

根据磁盘阵列应用的不同，相应采用不同的技术。RAID技术主要分为RAID0，RAID1，RAID3，RAID4和RAID5。其中，RAID0用于提高存取速度，RAID1用于数据的备份。

RAID0的实现需要有两个以上硬盘驱动器，RAID0中数据并不是保存在一个硬盘上，而是分成数据块保存在不同驱动器上。因为将数据分布在不同驱动器上，所以数据吞吐率大大提高，驱动器的负载也比较平衡。如果刚好所需要的数据在不同的驱动器上效率最好。它不需要计算校验码，实现容易。它的缺点是它没有数据差错控制，如果一个驱动器中的数据发生错误，即使其它盘上的数据正确也无济于事了。同时，RAID0可以提高数据传输速率，比如所需读取的文件分布在两个硬盘上，这两个硬盘可以同时读取。那么原来读取同样文件的时间被缩短为1/2。

RAID1采用***器件互连(Peripheral Component Interconnect，简称“PCI”)总线或者小型计算机***接口(Small Computer System Interface，简称“SCSI”)总线或者本地总线(Local BUS)产生磁盘阵列的读写控制，如图1所示。其中两块硬盘规格完全相同，互为镜相，当主硬盘损坏时，镜像硬盘就可以代替主硬盘工作，镜像硬盘相当于一个备份盘。中央处理器读写硬盘时，如同读写一个硬盘，写数据的速度与一个硬盘时相同，但是读数据的时候，两个硬盘同时读出，速度提高了一倍。RAID1能够在不影响性能的情况下最大限度地保证***的可靠性和可修复性，提高***的安全性和容错能力。在RAID1下，任何一块硬盘的故障都不会影响到***的正常运行，甚至可以在一半数量的硬盘出现问题时不间断地工作。当一块硬盘失效时，***会忽略该硬盘，继续保持***的正常运行。

其中采用SCSI总线的独立冗余磁盘阵列技术一般用于较大型***，成本比较高，平时较少采用。日常使用大多是IDE硬盘，所以跟我们最贴近的是IDE RAID，限于应用级别很低，IDE RAID多数只支持RAID0，RAID1等少数几个RAID技术。

在实际应用中，上述方案存在以下问题：RAID技术存在软硬件兼容性问题并潜在地增加了***的不安定因素，并且在某些特定的***中无法采用RAID技术以实现数据备份。

造成这种情况的一个主要原因在于，首先RAID技术采用PCI总线、SCSI总线或者本地总线产生磁盘阵列的读写控制，其驱动程序与主机、主机所用的操作***都有关系，因此会存在软硬件兼容性问题并潜在地增加了***的不安定因素；其次，在一些数据存储***中，本地总线是不开放的，***没有提供PCI扩展口，也没有提供SCSI扩展口，只有在一个ATA接口上，挂一个硬盘，此时该***无法采用RAID技术以实现磁盘数据备份。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种磁盘数据备份***及其方法，使得数据备份独立于主机的操作***，只用一个ATA接口就实现了基于多个镜像硬盘的数据备份功能。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种磁盘数据备份***，包含普通硬盘控制器和若干块规格完全相同的硬盘，还包含：数据备份电路模块；

所述普通硬盘控制器用于提供一个高级技术附件接口并通过所述高级技术附件接口和所述数据备份电路模块连接；

所述数据备份电路模块用于将一个高级技术附件接口扩展为至少两个完全相同的高级技术附件接口，每个扩展出来的所述高级技术附件接口和一个所述硬盘连接，当写入数据时，向每个硬盘写入相同的数据，当读取数据的时，判断每一路读出数据的正确性并选择其中一路输出。

其中，还包含通过***总线和所述普通硬盘控制器连接的中央处理器，用于控制所述普通硬盘控制器。

所述数据备份电路模块在有错误发生的时候发出报警信号。

将其他类型的接口转换为高级技术附件接口，再利用所述数据备份电路模块进行数据备份。

所述数据备份电路模块包含：第一复制器，第二复制器，第一选择器，第二选择器，比较器和控制信号发生器；

所述第一复制器和所述第二复制器将所述普通硬盘控制器输出的高级技术附件接口的地址/片选总线和数据总线的信号分别复制为至少两路完全相同的高级技术附件接口的地址/片选总线和数据总线信号，并将输出的每路高级技术附件接口的地址/片选总线和数据总线信号通过总线分别输出到一个所述硬盘的高级技术附件接口的地址/片选总线和数据总线的输入端；

所述第一选择器和所述第二选择器用于根据其各自的控制端信号，分别从至少两路所述硬盘的高级技术附件接口的数据总线上的数据信号和控制总线上的控制信号中各选择一路，通过总线分别连接到所述普通硬盘控制器的高级技术附件接口的数据总线输入/输出端和控制总线输入端；其中，所述第一选择器和所述第二选择器的控制端信号均由所述控制信号发生器产生并输出到所述第一选择器和第二选择器的控制端；

所述比较器用于比较若干路输入的所述硬盘的高级技术附件接口的数据总线上的数据信号并将比较结果输出到所述控制信号发生器的输入端；

所述控制信号发生器用于按照相关协议判断若干路数据/状态的正确性，并产生控制信号。

只要有一个所述硬盘的控制信号指示所述硬盘尚未准备好，则所述第二选择器就输出一个控制信号表示所述硬盘尚未准备好。

所述数据备份电路模块还包含：与所述控制信号发生器相连接的告警产生器；所述告警产生器用于在一个所述硬盘发生错误时，产生告警信号。

所述告警产生器产生告警信号时，用指示灯来指示所述硬盘的工作状态，并通过其他接口通知所述中央处理器。

本发明还提供了一种磁盘数据备份***读写数据的方法，包含以下步骤：

A当高级技术附件接口写数据/参数到硬盘时，将数据/参数复制为完全相同的两路分别写入两个硬盘；

B当高级技术附件接口从硬盘读数据/状态时，首先判断两个硬盘的数据/状态是否一致，如果一致，任选一个硬盘的数据/状态读取即可，否则进入步骤C；

C判断是否两路都出错，如果是任选一路给高级技术附件接口数据总线并由中央处理器发起重新读写或者进行硬盘诊断处理，否则选择一路正确的数据/状态送给高级技术附件接口数据总线。

通过比较可以发现，本发明的技术方案与现有技术的区别在于，增加了一个数据备份模块，直接将一路ATA接口转换成多路ATA接口，每个ATA接口各子连接一个规格相同的硬盘，各硬盘互为镜像。

这种技术方案上的区别，带来了较为明显的有益效果，即本发明提出的磁盘数据备份方案独立于主机和主机所用的操作***，不需要对主机和主机操作***进行改动即可直接使用，实现了和现有***的无缝连接，使磁盘数据备份的操作更简便，而且对于现有的一些不提供总线扩展口因而无法实现数据备份的***，不需要进行***的改动或升级也可以实现磁盘数据备份，从而节省了改动或升级***的复杂操作，节省了成本，因此本发明方案可以广泛应用于重要信息存储***，在通信设备中可以用于电话话单的存储，在电信、金融、证券、银行等流域有重要的使用价值。

附图说明

图1为现有的独立冗余磁盘阵列技术1的***结构图；

图2为根据本发明的一个具体实施例的磁盘数据备份***的结构图；

图3为根据本发明的一个具体实施例的磁盘数据备份***中数据备份电路模块的原理图；

图4为根据本发明的一个具体实施例的磁盘数据备份***硬盘读写时序图

图5为根据本发明的一个具体实施例的磁盘数据备份***读写数据时的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

通常CPU通过ATA接口与硬盘相连接，实现数据的存取，本发明方案通过增加数据备份电路实现一个ATA接口到若干个ATA接口的扩展，从而利用扩展出的ATA接口实现数据的备份。

下面结合本发明的一个具体实施例说明本发明方案。该具体实施例将一个ATA接口扩展到两个ATA接口并实现数据的备份。

本发明方案的一个具体实施例的磁盘数据备份***的结构如图2。

该磁盘数据备份***包含：中央处理器10，普通硬盘控制器20，数据备份电路模块30和硬盘40。

其中，中央处理器10通过PCI总线和普通硬盘控制器20相连，普通硬盘控制器20用于提供一个ATA接口和数据备份电路模块30相连，数据备份电路模块30将一个ATA接口扩展成为两个ATA接口，每个扩展出来的ATA接口和一个硬盘40相连，存取相同的数据实现数据的备份，硬盘40有两个，它们互为镜相。

数据备份电路模块30为本发明新增的模块，它用于将ATA接口的地址/片选总线、数据总线和控制总线分别扩展为两部分完全相同的ATA接口的地址/片选总线、数据总线和控制总线，在从两个硬盘读取数据的时候判断读出数据的正确性并选择数据输出，在有错误发生的时候发出相应的报警信号。数据备份电路模块30可以有很多种实现方式，例如利用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称“FPGA”)实现，或者利用印刷电路板(Printed Circuit Board，简称“PCB”)实现，或者部分电路由数字信号处理器(Digital Signal Processing，简称“DSP”)实现，部分由FPGA实现。熟悉本领域的技术人员可以理解，根据相同的原理，数据备份电路可以将一个ATA接口扩展为多个ATA接口，每个扩展的ATA接口连接一个硬盘40，同样可以实现数据的备份，此时，所有的硬盘存取相同的数据。需要说明的是，图2中两个硬盘40的规格完全相同。

熟悉本领域的技术人员可以理解，如果是其他类型的接口进行数据备份，可以先将其转换为ATA接口，再利用本发明的数据备份电路进行数据备份。

数据备份电路模块30的内部电路原理图如图3。

数据备份电路模块30包含：复制器31，复制器32，选择器33，选择器34，比较器35，控制信号发生器36和告警产生器37。

复制器31用于在读写硬盘40时，将普通硬盘控制器20输出的ATA地址/片选总线的信号复制为两路完全相同的ATA地址/片选总线信号，并将输出的每路ATA地址/片选总线信号通过总线分别连接一个硬盘40的ATA地址/片选总线输入端。例如，在本发明的一个较佳实施例中，在从硬盘的某个地址开始读数据的时候，普通硬盘控制器20在ATA地址/片选总线上输出地址/片选的信号，复制器31将地址/片选信号复制为完全相同的两路地址/片选信号并通过总线输入到两个规格完全相同的硬盘40中。

复制器32用于在向硬盘40写入数据时，将从普通硬盘控制器20的ATA数据总线输入/输出端接收到的ATA数据总线信号复制为两路完全相同的ATA数据总线信号，并将输出的每路ATA数据总线信号通过总线连接到一个硬盘40的ATA数据总线输入/输出端。例如，在本发明的一个较佳实施例中，当需要向硬盘40写入数据的时候，在普通硬盘控制器20的ATA数据总线上产生需要写入的数据信号，复制器32将该信号复制为完全相同的两路ATA数据总线信号并分别输入到两个硬盘40的数据总线输入/输出端。

选择器33用于在从硬盘40读取数据的时候，根据选择器33的控制端信号，选择输入的两路硬盘40的数据总线上的数据信号通过总线输出到普通硬盘控制器20的ATA数据总线输入/输出端。其中，选择器33的控制端信号由控制信号发生器36产生。例如，在本发明的一个较佳实施例中，当需要从硬盘40读取数据的时候，两个硬盘40分别读取数据输出到选择器33的输入端，选择器33根据控制端信号选择其中一路数据输出。

选择器34用于在硬盘40读写数据的时候，根据选择器34的控制端信号，选择输入的两路硬盘40的ATA控制总线上的控制信号通过总线输出到普通硬盘控制器20的ATA控制总线输入端。例如，在本发明的一个较佳实施例中，读写数据的时候，选择器34根据控制端信号选择两个硬盘40的ATA控制信号输出，输出的信号可以是输入/输入准备好信号(IORDY)等控制信号。

比较器35用于在从硬盘40读取数据的时候，比较输入的两路硬盘40的数据总线上的数据信号并将比较结果输出到控制信号发生器36的一个输入端。例如，在本发明的一个较佳实施例中，比较器35将输入的两路数据信号进行比较，如果一致，输出为0，不一致输出为1。

控制信号发生器36用于按照相关协议判断两路数据/状态哪一路为正确，并据此产生两路控制信号分别控制选择器33选择数据和选择器34选择状态输出。具体的协议可以参照《T13 1321D Information Technology-ATAttachment with Packet Interface-5(ATA/ATAPI-5)》，中文可以翻译为《T131321D信息技术-具有分组接口的高级技术附件接口-5，简称为ATA/ATAPI-5》。

告警产生器37用于在一个硬盘40发生错误时，产生告警信号。告警信号可以用指示灯来指示硬盘的工作状态，也可以通过其他接口告诉给CPU。例如，在本发明的一个较佳实施例中，当有一个硬盘40发生错误时，点亮告警指示灯并发出告警蜂鸣。

熟悉本领域的技术人员可以理解，按照同样的原理可以将一个ATA接口扩展到两个以上ATA接口并实现数据的备份。此时，只需将复制器31、复制器32的复制输出路数增加；将选择器33、选择器34的由双路输入选择器改进为多路输入选择器；将比较器35由双路输入比较器改为多路输入比较器；控制信号发生器36内部的比较判断协议不变，输出的控制信号稍加改动即可实现。

由上述的本发明的原理可以看出，本发明是将一个ATA接口复制为完全相同的若干个ATA接口从而实现数据备份，和ATA接口的信号无关，因此本发明不仅适合于硬盘的ATA可编程输入输出(ProgrammableInput/Output，简称“PIO”)模式读写数据，也适合于直接存储器存取(DirectMemory Access，简称“DMA”)模式读写数据。

可编程输入/输出(PIO)方式下的硬盘读写时序如图4所示。图4中，长条空心框代表有效状态，相应的单条横线代表无效状态即高阻态。

其中，片选/地址信号即CS(1:0)和DA(2:0)，CS(1:0)中CS指Chip select，用来选中硬盘40的命令块或者控制块寄存器，DA(2:0)中DA指Deviceaddress，用来指定硬盘40的寄存器或者数据口。在本发明的一个较佳实施例中，两个互为镜相的硬盘40得到相同的片选/地址信号。

数据输入/输出读信号即DIOR-，指Device I/O read，是读硬盘40的寄存器或者数据输入/输出口的选通信号，低电平有效；数据输入/输出写信号即DIOW-，指Device I/O write，是写硬盘40的寄存器或者数据输入/输出口的选通信号，低电平有效。

写数据或者读数据信号即DD(15:0)，DD(15:0)中DD指Device Data，是硬盘40和主机之间的传递的数据，可以是8比特或者16比特宽度。在本发明的一个较佳实施例中，当从硬盘读出数据的时候，读数据信号DD(15:0)可能不同，这时需要判断选择一路输出。

输入/输出准备好信号即IORDY，指I/O channel ready，当低电平时表示硬盘40还没有准备好输入或输出数据，需要主机增加等待状态。该信号由选择器34产生，只要有一个硬盘40尚未准备好，该信号即为低电平。例如，在本发明的一个较佳实施例中，只要有一个硬盘的IORDY信号为低电平，就通知主机增加等待状态，即向普通硬盘控制器20输出IORDY为低电平的信号。

输入输出时的信号和时序具体可以参照《T13 1321D InformationTechnology-AT Attachment with Packet Interface-5(ATA/ATAPI-5)》。

本发明的一个具体实施例磁盘数据备份***读写数据时的工作流程如图5。

首先进入步骤110，判断ATA是否在写数据/参数，如果是则进入步骤120，否则进入步骤130。在具体的实施时，通过判断DIOW-的状态来判断ATA是否在写数据/参数。

在步骤120中，将数据/参数分成相同的两路并分别写入两个硬盘。在该步骤中，就完成了数据的备份，形成了互为镜相的存储数据。

在步骤130中，判断ATA是否在读数据/状态，如果是则进入步骤140，否则该流程结束。在具体的实施时，通过判断DIOR-的状态来判断ATA是否在读数据/状态。

在步骤140中，判断两个硬盘的数据/状态是否一致，如果是则进入步骤150，否则进入步骤160。之所以需要这一个步骤是为了增加数据读取的可靠性，以防止存储的时候数据发生变化导致读取错误的数据。

在步骤150中，任选一个硬盘的数据/状态读取。此时，两个硬盘输出的数据/状态一致说明任何一个硬盘的数据/状态都是正确的，因此任选一路输出即可。

在步骤160中，判断两个硬盘的数据/状态是否全错，如果是则进入步骤180，否则进入步骤170。该步骤根据相关的协议来进行判断，具体可以参见《T13 1321D Information Technology-AT Attachment with PacketInterface-5(ATA/ATAPI-5)》。

在步骤170中，将正确的数据/状态送给ATA数据总线。

在步骤180中，任选一路数据/状态传给ATA数据总线。此时因为两路数据/状态均错，因此不必要做出选择，任选一路输出。接着进入步骤190。

在步骤190中，CPU发起重新读写或者进行硬盘诊断处理。

至此，完成一次读/写硬盘的流程。

通过上面读写的流程，熟悉本领域的技术人员可以理解，两个硬盘同时出错的几率很小，因此本发明大大提高了保存数据的安全程度。

虽然通过参照本发明的某些优选实施例，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种磁盘数据备份***，包含普通硬盘控制器和若干块规格完全相同的硬盘，其特征在于所述***还包含数据备份电路模块，其中，

所述普通硬盘控制器用于提供一个高级技术附件接口，并通过所述高级技术附件接口和所述数据备份电路模块连接；

所述数据备份电路模块用于将一个高级技术附件接口扩展为至少两个完全相同的高级技术附件接口，每个扩展出来的所述高级技术附件接口和一个所述硬盘连接，并且

当写入数据时，向每个硬盘写入相同的数据；当读取数据的时，判断每一路读出数据的正确性并选择其中一路输出。

2.根据权利要求1所述的磁盘数据备份***，其特征在于，还包含通过***总线和所述普通硬盘控制器连接的中央处理器，用于控制所述普通硬盘控制器。

3.根据权利要求1所述的磁盘数据备份***，其特征在于，所述数据备份电路模块在有错误发生的时候发出报警信号。

4.根据权利要求2所述的磁盘数据备份***，其特征在于，所述数据备份电路模块包含：第一复制器，第二复制器，第一选择器，第二选择器，比较器和控制信号发生器；其中，

所述第一复制器和所述第二复制器用于将所述普通硬盘控制器输出的高级技术附件接口的地址/片选总线和数据总线的信号分别复制为至少两路完全相同的高级技术附件接口的地址/片选总线和数据总线信号，并将输出的每路高级技术附件接口的地址/片选总线和数据总线信号通过总线分别输出到一个所述硬盘的高级技术附件接口的地址/片选总线和数据总线的输入端；

所述第一选择器和所述第二选择器用于根据其各自的控制端信号，分别从至少两路所述硬盘的高级技术附件接口的数据总线上的数据信号和控制总线上的控制信号中各选择一路，通过总线分别连接到所述普通硬盘控制器的高级技术附件接口的数据总线输入/输出端和控制总线输入端；其中，所述第一选择器和所述第二选择器的控制端信号均由所述控制信号发生器产生并输出到所述第一选择器和第二选择器的控制端；

所述比较器用于比较若干路输入的所述硬盘的高级技术附件接口的数据总线上的数据信号，并将比较结果输出到所述控制信号发生器的输入端；

所述控制信号发生器用于按照相关协议判断若干路数据/状态的正确性，并产生控制信号。

5.根据权利要求4所述的磁盘数据备份***，其特征在于，当至少一个所述硬盘的控制信号指示所述硬盘尚未准备好，则所述第二选择器就输出一个控制信号表示所述硬盘尚未准备好。

6.根据权利要求4所述的磁盘数据备份***，其特征在于，所述数据备份电路模块还包含与所述控制信号发生器相连接的告警产生器，其中，所述告警产生器用于在一个所述硬盘发生错误时，产生告警信号。

7.根据权利要求6所述的磁盘数据备份***，其特征在于，所述告警产生器产生告警信号时，用指示灯来指示所述硬盘的工作状态，并通过其他接口通知所述中央处理器。

8.一种磁盘数据备份***读写数据的方法，其特征在于，包含以下步骤：

A当高级技术附件接口写数据/参数到硬盘时，将数据/参数复制为完全相同的两路分别写入两个硬盘；

B当高级技术附件接口从硬盘读数据/状态时，首先判断两个硬盘的数据/状态是否一致，如果一致，任选一个硬盘的数据/状态读取即可，否则进入步骤C；

C判断是否两路都出错，如果是任选一路给高级技术附件接口数据总线并由中央处理器发起重新读写或者进行硬盘诊断处理，否则选择一路正确的数据/状态送给高级技术附件接口数据总线。

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