[发明专利]以最大带宽工作的硬盘作高速缓存的串联式外存储器加速卡

说明书

本发明涉及计算机系统外存储器加速卡技术。具体地说，这种以最大带宽工作的硬盘作高速缓存的串联式外存储器加速卡，以SCSI电缆总线串联于SCSI适配器(即SCSI卡和RAID卡)与所有SCSI设备之间，作用是缩短可写入式外存储器读写响应时间，特别是缩短小写时间。

在本发明提出之前，为了提高计算机的整体计算性能，几代科学家进行了艰苦的探索，70年代的计算瓶颈在中央处理器(CPU)，80年代的计算瓶颈在内存和系统总线，90年代的计算瓶颈在网络带宽。到90年代未，随着Internet的高速普及，企业内部网络的快速发展，以及电子商务、Web服务和E-mail服务的兴起，计算机的计算瓶颈已经转移到计算机的外存储系统上。随着应用程序的扩大，网上服务请求的急剧增加，工作站和网络服务器的存储系统越来越难以满足用户需求。目前，解决这一瓶颈的方法有以下几种：

其一，采用磁盘阵列技术(RAID)，此方法虽能加快大块数据的传输，但对频繁小写操作则性能不理想。

其二，采用加大半导体高速缓存量的技术(Cache)，此方法虽能大大提高存储系统的速度性能，但所用半导体器件---防掉电高速缓存NVRAM，其价格昂贵，除了企业级服务器存储系统采用外，大量的中小规模服务器难以承受其价格。

本发明的目的是，提供一种通过SCSI总线电缆，串联于SCSI适配器与所有SCSI设备之间的外存储器加速卡设计方案，主要解决目前计算机外存储系统对频繁读写响应慢的问题，提高服务器和工作站存储系统的速度性能，缩短可写入式外存储器读/写响应时间，特别是缩短小写响应时间之目的。

实现本发明的具体技术措施及方案是，这种以最大带宽工作的硬盘作高速缓存的串联式外存储器加速卡，它使用少量RAM收集不连续的I/O请求，然后以连续方式整体转存入硬盘缓存区，即高速缓存Cache盘，并在系统空闲时，将数据分散转存到数据盘的目标地址，它至少包括：一个具有PCI规范引脚的嵌入式微处理器(CPU)；一个程序存储器(ROM)；一个防掉电数据存储器(RAM)；两个SCSI-PCI总线接口芯片；一个供CPU执行的控制软件包。

本发明所述的数据盘中，设有一个逻辑盘区作高速缓存Cache盘。

本发明所述的防掉电数据存储器(RAM)，它的一部分用作RAM缓存器，其余部分存放CPU工作中生成的一些数据，并且在防掉电保护措施上，该存储器采用局部后备蓄电池供电方法，或者采用非易失性器件(nvRAM)作随机读写存储器。

本发明所述的两个SCSI-PCI总线接口芯片，以串联方式一个连接于主计算机系统的SCSI总线适配器，另一个连接所有带SCSI接口的外存储器。

本发明所述的CPU的控制软件包，执行模拟SCSI总线适配器与其它SCSI外部设备接口的操作，它分析主机通过SCSI总线适配器对外部设备发出的所有命令，将大写命令和数据直接转发到数据盘，而将小写数据和地址改写到防掉电数据存储器中的RAM缓存器中。

本发明所述的CPU控制软件包，在没有新的I/O请求并且Cache盘空闲之时，将RAM缓存器中的全部数据整体转存到Cache盘中，在检测到外存储系统处于较长空闲期时，启动从Cache盘到数据盘的数据分散转存，其间遇到新的I/O请求则暂停。

本发明所述的防掉电数据存储器(RAM)，遇到关机时，能使尚未存盘的小写数据全部安全地保留，直至下一次开机后的适当时机再转移到Cache盘中。

本发明在实际操作过程中，显示出了突出的优越性，由于小写数据首先写入RAM器件，所需时间远短于写入磁盘，所以操作系统等待写入完成的时间较常规写盘操作大大缩短，同时由于RAM缓存区中的大量小写数据块转存到高速缓存(Cache)盘时，采取连续写入方法，因此全过程只有一次寻道和一次道上等待操作，所以耗时比各个小写数据块单独写入要少得多，另外，高速缓存(Cache)盘向数据盘的分散转存操作是在主机空闲时进行，有相当长的间歇期和灵活度，不成为主机繁忙的负荷。经模拟实验证明，在频繁小读小写的情况下，本加速卡可提高写盘操作速度，与现有的写盘速度相比，可提高写速度性能4-8倍。有效地解决了目前计算机速度瓶颈在存储系统上的问题。

下面进一步通过本发明附图描述其原理结构及实现方式。

附图1是SCSI总线串联式方案总体框图。

附图2是外存储器加速卡硬件组成框图。

附图3是控制软件包主程序流程框图。

附图4是测试空闲时间判断逻辑框图。