УСТРОЙСТВО МАССОВОЙ ПАМЯТИ И СИСТЕМА ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ
MASS STORAGE DEVICE AND DATA STORAGE SYSTEM

Изобретение относится к компьютерным устройствам массовой памяти, и, в частности, к их архитектуре.
Внутренняя архитектура устройства массовой памяти, такого как диск на компоненте памяти SSD (твердотельный накопитель), показана на фиг.1. Эта архитектура получена из архитектуры жестких дисков и воспроизводит их основные возможности. Диск на компоненте 1.1. памяти состоит из модуля 1.2 физической массовой памяти, в этом случае банк компонентов памяти содержит собственно компоненты памяти. Компоненты памяти обычно относятся к типу флэш-памяти. Модуль 1.3 физического управления массовой памятью управляет чтением и записью данных на модуль 1.2 физической памяти. Этот модуль физического управления, содержащий, например, программируемый компонент, соединен с модулем 1.4 управления, который обеспечивает высокоуровневые команды управления устройством памяти. Эти команды содержат команды прямого доступа к памяти DMA (прямой доступ к памяти), управление пакетным чтением и записью и другие. Указанный модуль управления содержит процессор и память для выполнения встроенного программного обеспечения, управляющего устройством памяти. Обмен информацией между модулем 1.4 управления и модулем физического управления 1.3 банка компонентов памяти осуществляется посредством специализированной шины 1.7 связи. Модуль 1.4 управления соединен с помощью той же шины 1.7 с модулем 1.5 адаптации к линии связи, для управления внешним интерфейсом связи 1.6 устройства массовой памяти. Этот интерфейс сейчас обычно соответствует стандарту S-ATA (последовательный интерфейс передовой технологии), который является текущей разработкой стандарта IDE (встроенный интерфейс накопителей). Эти стандарты с помощью определения интерфейса между компьютером и устройством массовой памяти предоставляют возможность совместимости между различными производителями устройств массовой памяти. Устройства, описанные здесь, являются устройствами на базе компонентов памяти, однако могут быть использованы любые другие модули физической массовой памяти, например магнитный жесткий диск и т.д.
Иногда возможность размещения этих устройств массовой памяти на некотором удалении от устройств, управляющих ими, является преимуществом. Это удаление невозможно с использованием связи IDE, ограниченной расстоянием 50 см. Некоторые устройства массовой памяти содержат модуль управления шиной, например USB (универсальная последовательная шина). Эти устройства массовой памяти позволяют осуществлять внешнее соединение с информационной системой, однако максимальное удаление остается ограниченным расстоянием около 5 м.
Для решения этой проблемы существуют устройства массовой памяти, доступные посредством сети или системы NAS (Network Attached Storage, сетевая система хранения данных). Эти системы NAS разработаны путем добавления к диску хост-системы, содержащей центральный узел, интерфейс S-ATA на одной стороне и сетевой интерфейс, как показано на фиг.1. Указанный центральный узел управляет диском таким же образом, как обычная информационная система компьютерного типа, и предоставляет в сеть систему файлов, которые могут быть использованы совместно в соответствии с обычными протоколами совместного использования файловой системы. Эти системы, таким образом, содержат реализацию сложного хоста для управления устройством массовой памяти. Такой хост должен включать сложную операционную систему для управления полным набором сетевых протоколов связи. С другой стороны, эти системы предлагают преимущество произвольно удаленного доступа, обеспечиваемого соединением системы доступа и устройства массовой памяти с сетью связи.
Настоящее изобретение предлагает устройство массовой памяти, которое может быть удаленным и одновременно имеет простую конструкцию. Это устройство имеет шину семейства MII (Media Independent Interface, независимый от среды интерфейс), соединенную с программируемым компонентом, управляющим чтением из памяти и записью в память. Эта архитектура делает возможной реализацию дистанционного модуля управления устройством, при этом связь между контроллером и программируемым компонентом может быть дистанционной по каналу Ethernet непосредственно в шине семейства MII. Эту архитектуру легко применить для создания устройств массовой памяти, содержащих модуль управления, а также устройств, где устройство управления является удаленным, и устройств массовой памяти NAS-типа с упрощенной архитектурой. Эти устройства, имея простую архитектуру, обеспечивают усовершенствованную безопасность с более простой сертификацией.
Настоящее изобретение касается устройства массовой памяти, содержащего модуль физической массовой памяти, модуль физического управления памятью, управляемый модулем управления, при этом указанный модуль физического управления памятью имеет соединение с шиной семейства МП для связи с указанным модулем управления.
В предпочтительном случае это устройство также содержит указанный модуль управления, интегрированный в устройство и непосредственно соединенный с модулем физического управления памятью посредством указанной шины семейства МП.
В предпочтительном случае это устройство также содержит модуль адаптации к линии связи, управляющий интерфейсом связи с хост-системой под управлением указанного модуля управления.
В предпочтительном случае это устройство также содержит сокет Ethernet и модуль физического управления Ethernet для управления этим сокетом, который непосредственно соединен с шиной семейства МП, соединенной с модулем физического управления памятью.
Данное изобретение также описывает систему хранения, содержащую хост-систему, в свою очередь содержащую сокет Ethernet, модуль физического управления Ethernet для управления указанным сокетом и модуль управления, содержащий процессор, при этом система содержит по меньшей мере одно устройство массовой памяти, описанное выше, соединенное каналом Ethernet с указанным сокетом Ethernet хост-системы, и при этом указанный модуль управления соединен с модулем физического управления Ethernet хост-системы посредством шины семейства МП, что позволяет указанному модулю управления управлять модулем физического управления памятью устройства массовой памяти, соединенного посредством канала Ethernet.
В предпочтительном случае модуль, управляющий хостом, с одной стороны, и модуль физического управления памятью, с другой стороны, имеют средства управления протоколом команд по каналу Ethernet, передаваемых в пакетах данных в соответствии со стандартом Ethernet.
В предпочтительном случае модуль управления хостом, с одной стороны, и модуль физического управления памятью, с другой стороны, также имеют средства управления указанным протоколом команд в UDP-пакетах данных, инкапсулированных в IP-пакеты данных, которые передаются в Ethernet-пакетах, это управление протокола IP делает возможным передачу команд указанного протокола по IP-сети между хост-системой и устройством массовой памяти.
В предпочтительном случае хост-система также содержит по меньше мере второй сокет Ethernet для соединения хост-системы с сетью связи и средства управления полным стеком сетевых протоколов с помощью модуля управления хост-системы, что позволяет сделать видимым устройство массовой памяти в сети связи, формируя тем самым устройство массовой памяти, доступное посредством сети.
Вышеуказанные и другие признаки данного изобретения станут более понятными после прочтения следующего описания варианта осуществления изобретения со ссылками на соответствующие чертежи:
На фиг.1 показан пример известной архитектуры устройств массовой памяти.
На фиг.2 показано использование шины семейства МП в рамках интерфейса Ethernet.
На фиг.3 представлена архитектура устройства массовой памяти в соответствии с первым вариантом осуществления данного изобретения.
На фиг.4 представлена архитектура устройства массовой памяти в соответствии со вторым вариантом осуществления данного изобретения.
На фиг.5 представлена архитектура системы, использующей удаленное управление устройством массовой памяти в соответствии со вторым вариантом осуществления данного изобретения.
На фиг.6 показан пример протокола, который может быть использован между модулем управления и устройством массовой памяти.
На фиг.7 показан пример логической архитектуры модуля физического управления модулем физической памяти в соответствии с данным изобретением.
На фиг.8 представлена архитектура устройства массовой памяти, доступного посредством сети, в соответствии со вторым вариантом осуществления данного изобретения.
Шина MII (Media Independent Interface, независимый от среды интерфейс) стандартизована организацией IEEE (институт инженеров по электричеству и электронике) как IEEE 802.3u. Эта шина используется для соединений в соответствии со стандартом Ethernet, определенным организацией IEEE как 802.3. Данная шина была разработана для управления связью между физическим модулем Ethernet и МАС-модулем (Media Access Control, управление доступом к среде) Ethernet. Эта архитектура показана на фиг.2. На фиг.2 модуль 2.10 управления MAC Ethernet соединен с модулем 2.11 физического управления с помощью шины 2.12 МП. Эта шина обеспечивает двусторонний обмен 4-х битными словами на частоте 25 МГц. Модуль 2.11 физического управления управляет передачей и приемом сигналов, несущих пакеты данных Ethernet по физической среде. Модуль 2.10 управления MAC осуществляет управление этими пакетами и их сборку. Этот процесс управляется верхними уровнями стека используемых сетевых протоколов, обычно IP-уровнем (Интернет-протокол, описанный в RFC 791). Эта шина была разработана с учетом соответствия различным версиям протокола Ethernet. Могут быть упомянуты стандарты RMII (Reduced Media Independent Interface, сокращенный независимый от среды интерфейс), GMII (Gigabit Media Independent Interface, гигабитный независимый от среды интерфейс), RGMII (Reduced Gigabit Media Independent Interface, сокращенный гигабитный независимый от среды интерфейс), XGMII (10 Gigabit Media Independent, 10-гигабитный независимый от среды интерфейс) и SGMII (Serial Gigabit Media Independent Interface, последовательный гигабитный независимый от среды интерфейс). Все эти шины образуют семейство шин, обозначенное в этом документе как семейство шин МП, которое нужно расширять в будущем.
Настоящее изобретение предлагает использование шины семейства МП для связи между модулем физического управления, управляющим модулем физической памяти, и модулем управления. На фиг.3 показана архитектура устройства 3.1 массовой памяти, использующего такую шину. На фиг.3 можно видеть модуль 3.2 физической памяти, управляемый модулем 3.3 физического управления. Устройство 3.1 массовой памяти управляется модулем 3.4 управления. В отличие от известного уровня техники, связь между модулем 3.4 управления и модулем 3.3 физического управления осуществляется посредством шины 3.9 семейства МП. Модуль 3.4 управления далее содержит модуль MAC Ethernet, соединенный с шиной семейства МП. Эта архитектура делает возможным, кроме прочего, объединение в одном процессоре функциональности модуля управления и функциональности центрального процессора хоста, использующего диск. Диск, таким образом, может быть соединен непосредственно с центральным процессором посредством шины семейства МП. На базе этой архитектуры также становится возможным легко разработать целое семейство устройств массовой памяти.
В силу естественного соединения шин семейства МП с физическим компонентом Ethernet становится возможной связь Ethernet между модулем 3.4 управления и модулем 3.3 физического управления. Указанная связь Ethernet сделает возможным удаление физической части устройства массовой памяти на расстояние около сотни метров. На фиг.4 показано устройство 4.1 массовой памяти, которое может быть использовано в таком решении. В этом варианте осуществления модуль 4.3 физического управления соединен с шиной 4.9 семейства МП. Эта шина непосредственно соединена с физическим модулем 4.15 Ethernet, управляющим непосредственно сокетом 4.16 Ethernet. Предпочтительно используются GMII-версия шины семейства MII и гигабитный канал Ethernet. В этом случае достигаются высокие скорости.
Этот вариант осуществления позволяет создать систему хранения, подобную изображенной на фиг.5. В этой системе хранения устройство 5.1 массовой памяти, подобное изображенному на фиг.4, соединено посредством канала 5.21 Ethernet (соединенного с сокетом Ethernet) с удаленной хост-системой 5.20. Эта удаленная хост-система также содержит сокет Ethernet 5.17, управляемый физическим модулем 5.18, соединенным с модулем 5.19 управления, который имеет процессор и модуль MAC Ethernet, управляющий соединением с шиной 5.22 семейства MII для связи с физическим модулем 5.18 Ethernet. Поскольку связь посредством канала Ethernet может достигать сотни метров, становится возможным удаление на это расстояние модуля физической памяти от хоста, содержащего контроллер. Использование маршрутизаторов Ethernet или оптоволоконных маршрутизаторов делает возможным увеличение требуемого расстояния между хостом, выполняющим управление, и устройством массовой памяти. Также можно увеличить емкость хранения до требуемых значений путем подсоединения к сети Ethernet необходимого числа таких устройств массовой памяти. Все эти устройства могут управляться одним хостом, содержащим модуль управления.
Возможность передачи полезной мощности через канал Ethernet, например, в соответствии с IEEE 802.3af, делает возможным создавать упрощенные устройства с автономным питанием. Эти устройства могут иметь небольшой размер и обеспечивать те же преимущества, что и устройства памяти с шиной USB, известные как "ключи" USB. Разница заключается в том, что устройства, выполненные в соответствии с данным изобретением, могут быть соединены удаленно с управляющими ими хостами посредством сети Ethernet.
Предпочтительно, связь между модулем управления и модулем физического управления осуществляется с использованием протокола Ethernet. Это обусловлено большой гибкостью в реализации модуля управления при использовании этого протокола для обмена командами и данными между указанными двумя модулями. В связи с этим можно представить модуль управления, реализованный программно на обычных информационных системах, например на персональном компьютере. Это возможно по причине того, что любая система, имеющая связь по протоколу Ethernet, может реализовать управление устройством массовой памяти. Также по причине использования протокола Ethernet и его возможностей адресации существует возможность соединять множество устройств массовой памяти в одной сети Ethernet в соответствии с данным изобретением. Эти устройства могут управляться одним модулем управления, который способен управлять различными адресами Ethernet различных устройств для передачи предназначенных им команд.
Дополнительно, эти команды могут также передаваться с использованием протокола UDP (протокол датаграмм пользователя, определенный в RFC 768), с инкапсулированием в IP-протокол и передачей по Ethernet. В этом варианте осуществления изобретения добавляются заголовки указанных соответствующих протоколов к передаваемым командам, что может иметь отрицательное влияние на использование полосы пропускания канала между модулем управления и устройством памяти. Преимущество этого варианта осуществления в свободе реализации. Это обусловлено тем, что IP-протокол маршрутируется по сложной сети, состоящей из связанных гетерогенных сетей (например, Интернет), что делает возможным произвольно увеличить расстояние между модулем управления и устройством массовой памяти. Для этого достаточно, чтобы модуль управления и устройство массовой памяти были соединены к одной сети связи с IP-маршрутизацией.
На фиг.6 показан пример протокола связи между модулем управления и модулем физического управления массовой памятью. Данный протокол основан на отправке и приеме пакетов данных. Эти пакеты данных имеют первое поле с адресом 0×0 и размером два байта, содержащее идентификатор используемого протокола и номер его версии. Второе поле с адресом 0×2 и размером два байта содержит последовательный номер, который делает возможным обнаруживать дублирование или потерю пакетов. Третье поле с адресом 0×4 и размером два байта зарезервировано. Четвертое поле с адресом 0×6 и размером два байта содержит команду для модуля физического управления модулем физической памяти. Пятое поле с адресом 0×8 и размером два байта содержит команду памяти, которая может являться командным словом, предназначенным для компонентов памяти в направлении «от управления к памяти», и статусом в направлении «от памяти к управлению». Шестое поле с адресом 0×10 и размером шесть байт содержит адрес сектора. Седьмое поле с адресом 0×16 и размером два байта содержит размер «n» (в байтах) данных. Восьмое поле с адресом 0×18 и размером два байта содержит резервное пространство или контрольную сумму для проверки целостности заголовка или данных. Девятое поле с адресом 0×20 и изменяемым размером «n» байт, определенном в седьмом поле, содержит любые данные, относящиеся к команде. Десятое поле с адресом (0×20+n) и размером четыре байта содержит контрольную сумму пакета, позволяющую обнаруживать целостность пакета. Очевидно, то этот протокол является только примером, и существует возможность определять на этом уровне любой протокол для управления модулем физического управления памятью. Этот протокол должен обеспечивать передачу команд чтения, записи и управления модулю физической памяти, как определено модулем физического управления этой памятью. Такой протокол является двунаправленным и делает возможным передавать команды модулю физического управления, а также передавать от модуля физического управления ответы на команды, например, считанные данные.
Пакеты этого протокола команд передаются в пакетах Ethernet в поле данных (полезной информации) пакетов. Модуль управления, следовательно, реализует высокоуровневые функции управления устройством массовой памяти путем декомпозиции каждой высокоуровневой функции во множество команд физического управления, которые затем посылаются в модуль физического управления посредством отправки пакетов Ethernet.
Как показано выше, если есть необходимость в том, чтобы эти пакеты могли перенаправляться на IP-уровне, то имеется возможность передавать эти пакеты внутри пакетов UDP, которые пересылаются в пакетах IP. Команды между модулем управления и модулем физического управления могут затем передаваться посредством сложной гетерогенной IP-сети, например сети Интернет.
Для возможности обеспечения своей роли в такой архитектуре модуль 7.1 физического управления памятью может, например, иметь функциональную архитектуру, показанную на фиг.7. Модуль 7.2 совместимости с шиной 7.10 семейства МП обеспечивает соединение с шиной. Данный модуль также обеспечивает интерпретацию и инкапсуляцию пакетов Ethernet и, дополнительно, пакетов UDP/IP. Модуль 7.3 управляет очередями принятых и отправляемых пакетов. Эти очереди имеют организацию FIFO (первый вошел - первый вышел). Модуль 7.4 осуществляет анализ принятых команд. Данные команды содержат команды чтения, записи, удаления, инициализации и т.д. Модуль 7.5 служит для выполнения этих команд, он управляет компонентами памяти банка в соответствии с командами. Модуль 7.8 служит для совместимости с компонентами, в действительности используемыми в модуле физической памяти. Этот модуль обеспечивает свойство переносимости. Если тип компонента меняется, обычно достаточно модифицировать этот модуль, чтобы адаптировать модуль физического управления. Связи 7.9 осуществляют соединение модуля физического управления с компонентами банка. Модуль 7.6 осуществляет в потоковом режиме верификацию корректности данных, записанных или считанных из памяти. Ошибки как корректируемые, так и некорректируемые, передаются в регистр состояния, который затем может быть возвращен в каждом пакете в поле статуса (фиг.6). Модуль 7.7 обеспечивает целостность данных в памяти. Этот модуль обеспечивает правильность выполнения операций записи. Он управляет приостановкой и возобновлением подачи питания. Например, при перемещении блока данных этот модуль обеспечивает, что блок записан корректно перед разрешением удаления исходного блока.
На основе такого устройства массовой памяти становится легко представить устройства массовой памяти, доступные посредством сети или системы NAS. Один пример подобной системы NAS показан на фиг.8. Система NAS основана на устройстве 8.1 памяти такого же типа, как устройство на фиг.4. Это устройство соединено каналом 8.21 Ethernet с хостом 8.20, который обеспечивает управление устройством. Данный хост содержит сокет 8.17 Ethernet, позволяющий осуществить соединение с устройством 8.1. Этот сокет управляется модулем 8.18 физического управления Ethernet. Управление осуществляется процессором 8.19, соединенным с модулем физического управления шиной семейства МП. Этот процессор, таким образом, отвечает за управление устройством 8.1 массовой памяти. Процессор 8.19 хоста 8.20 также соединен с помощью другой шины семейства МП с другим модулем 8.22 физического управления Ethernet, управляющим новым сокетом 8.23 Ethernet. Данный новый сокет делает возможным соединение хоста с сетью связи каналом 8.24. Простой поддержкой процессором 8.19 стека сетевых протоколов и протоколов для подключения устройства памяти к сети достигается эквивалентная традиционным системам NAS функциональность. Однако, эта архитектура проще, потому что содержит только один процессор - процессор хоста. Основной процессор этой системы NAS также обеспечивает функции управления без требования иметь в массовой памяти специализированный процессор управления. Таким образом, получается система NAS, цена которой меньше, чем обычной системы NAS. Более того, упрощается сертификация такой системы NAS с точки зрения безопасности.
Таким образом, архитектура устройства массовой памяти на основе шины семейства MII в качестве канала связи с модулем физического управления памятью позволяет разработать набор простых эффективных устройств. Поэтому становится легко размещать эти устройства с удалением на большие расстояния от их модулей управления. Также легко нарастить емкость путем добавления таких устройств, управляемых одним контроллером, в сеть Ethernet или даже в IP-сеть в некоторых вариантах осуществления изобретения. Возможно, например, использовать такие устройства для реализации распределенной памяти, в которую записываются параметры полета самолета в различных точках, что соответственно увеличивает шансы восстановления этой информации при аварии. Из-за простоты конструкции такого устройства массовой памяти упрощается его сертификация с точки зрения безопасности.