细胞阵列文件存储系统及其文件存储设备与文件存储方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及计算机及计算机应用技术领域，特别涉及一种细胞阵列文件存储系统及其文件存储设备与文件存储方法。
【背景技术】
[0002]通常来说，一台计算机主要包括三个核心部分:中央处理器(CPU , CentralProcessing Unit)、内存和存储。
[0003]经过一些世界顶级公司的不懈努力，CPU已经演变成极度复杂的半导体芯片。顶级的CHJ内核内部的MOS管数目可以超过一亿个。目前的产业趋势是受制于功耗，CPU的运行频率已经很难再提高。已经极度复杂的现代CPU，运行效率同样很难再提高。新的CPU产品，越来越多地朝多核方向演进。
[0004]在内存方面，目前居于统治地位的是动态随机存取存储器(DRAM，Dynamic RandomAccess Memory)技术。DRAM可以快速随机读写，但却不能在断电的情况下保持内容。实际上，即使在通电的情况下，它也会由于内部用于储存信息的电容器的漏电而丢失信息，必须周期性地自刷新。
[0005]在存储方面，NAM)闪存技术正在逐步取代传统硬盘。闪存所依赖的浮置栅极(floating gate)技术，虽然能够在断电的情况下保持内容，但写入(将‘ I’改写为‘0’)的速度很慢，擦除(将‘ O ’改写为‘ I’)的速度更慢，无法像DRAM那样用于对计算的直接支持。它被制作成块设备(block device)，必须整块一起擦除，一个块(block)包含很多页(page)，擦除后每页可以进行写入操作。NAND的另外一个问题是具有有限的寿命。
[0006]DRAM和NAND闪存，以及CPU的逻辑电路，虽然都是基于CMOS半导体工艺生产的，但这三者的工艺彼此并不兼容。于是，计算机的三个核心部分无法在一个芯片上共存，这深刻地影响了现代计算机的架构。
[0007]现有技术中的计算机架构如图1所示，图1中示出多个CPU内核，分别为CPU1、CPU2、CPU3、……、CPUn，每个CPU内核一般具有相应的一级缓存(LlCache)，根据需要还可以进一步为每个CPU内核配备相应的二级缓存(L2 Cache)、三级缓存(L3 Cache) ARAM与各个CPU内核之间通过双倍速率(DDR，Double Data Rate)接口进行通信，硬盘(HD，Hard Disk)或固态硬盘(SSD，Solid State Drives)与各个CPU内核之间则通过外围设备接口进行通信。
[0008]一方面，CPU在向多核的方向发展，但内存和存储都在另外的芯片里。多核CPU吞吐信息量成比例增加，与内存、存储的通信就越来越成为系统性能的瓶颈，所以无论计算系统的CPU多么强大，文件存储系统中处理文件的速度受制于存储设备的接口速度，这使得文件存储系统的文件处理速度大大降低。为了缓解通信瓶颈，CPU不得不采用越来越大的多级缓存。缓存是把内存中的内容复制，通常是用成本比DRAM高得多但速度更快的静态随机存取存储器(SRAM,Static Random Access Memory)设计的。这样的架构，费效比非常的差。半导体芯片的成本由其硅片的面积决定，而传统计算机架构带来的性能提升与其硅片面积的增加远远不成比例。
[0009]另一方面，互联网促进了大数据的应用，大型数据中心的耗电成为运营成本的一个重要部分。高速数据的传输距离越长，其功耗就越高，大量数据从存储设备被转移到内存中由CPU处理，消耗了很多能量，而绝大部分的数据处理都是查询、搜索一类的简单处理，并不需要高端的CPU。
[0010]因此，现有技术中的计算机架构因CPU与内存、存储之间存在的通信瓶颈，严重降低了文件存储系统的文件处理速度以及增大了文件存储系统的功耗。
【发明内容】
[0011]本发明要解决的问题是现有技术中的计算机架构因CPU与内存、存储之间存在的通信瓶颈而严重降低了文件存储系统的文件处理速度以及增大了文件存储系统的功耗。
[0012]为解决上述问题，本发明技术方案提供一种细胞阵列文件存储设备，包括:内控CPU、细胞阵列、细胞阵列总线以及至少一个第一存储器;所述第一存储器为采用整块读写的非易失性存储器;所述细胞阵列是由一个以上兼具计算和存储功能的细胞组成的二维阵列或三维阵列，其中每一个细胞包括微处理器(MPU，Micro Processing Unit)和第二存储器，所述第二存储器为非易失(NV，Not Volatile)随机存储器，用于所述微处理器计算时所涉及数据的随机存取，还用于存储软件的指令代码和需要永久保存的数据;每一个细胞中还包括与所述微处理器相连的存储控制器，用于对与本细胞相连的所述第一存储器进行数据存储访问控制；每一个细胞储存各自在所述细胞阵列中的位置作为身份识别号(ID，identificat1n)以供细胞中的软件或硬件读取;所述内控CPU通过所述细胞阵列总线与所述细胞阵列中的每一个细胞进行通信;所述细胞阵列中的相邻细胞之间有通信接口，能相互发送数据。
[0013]可选的，所述内控CPU通过所述细胞阵列总线与所述细胞阵列中的每一个细胞进行的通信包括以下情况中的至少一种:
[0014]按地址读写所述细胞阵列中任一细胞的第二存储器；
[0015]将数据广播到所述细胞阵列中目标区域内每一个细胞的第二存储器，并写入所述目标区域内每一个细胞的第二存储器中相同的相对地址；
[0016]给所述细胞阵列中任一细胞的微处理器发送指令、发送数据或读取状态；
[0017]给所述目标区域内所有细胞的微处理器广播指令。
[0018]可选的，所述细胞阵列中的细胞还包括总线控制器和细胞内部总线，所述总线控制器与所述细胞阵列总线、微处理器以及细胞内部总线相连，所述总线控制器用于识别所述内控CPU与本细胞之间进行的通信，连接所述微处理器以传递所述内控CPU发送的指令或数据、状态读取，或者通过所述细胞内部总线连接所述第二存储器进行数据的读写操作。
[0019]可选的，所述存储控制器通过连接访问通道与相应的第一存储器相连，每一个第一存储器支持一个或一个以上访问通道。
[0020]可选的，所述细胞阵列文件存储设备还包括与所述内控CPU相连的至少一个第三存储器，用于所述内控CPU计算时所涉及数据的随机存取。
[0021]可选的，所述第二存储器为磁性随机存储器(MRAM，Magnetic Random AccessMemory)，所述第一存储器为NAND0
[0022]可选的，所述细胞阵列、所述细胞阵列总线以及由所述细胞阵列内各个能相互通信的相邻细胞所形成的通信网络集成于一个数据处理芯片中。
[0023]可选的，所述内控CPU与所述数据处理芯片集成于一个主控芯片中。
[0024]可选的，所述内控CPU作为独立的芯片，通过标准的内存接口与所述数据处理芯片进行通?目。
[0025]为解决上述问题，本发明技术方案还提供一种细胞阵列文件存储系统，包括:外部访问设备、外部接口以及上述细胞阵列文件存储设备;所述外部访问设备通过所述外部接口控制所述细胞阵列文件存储设备执行文件处理操作，所述文件处理操作包括创建、删除文件或文件目录、打开或关闭文件、读写文件以及调用所述细胞阵列文件存储设备内的程序完成文件的检索、查询及其他处理操作。
[0026]可选的，所述外部访问设备包括主CPU、直接存储访问(DMA，Direct MemoryAccess)控制器和其他外部设备中的至少一种。
[0027]为解决上述问题，本发明技术方案还提供一种上述细胞阵列文件存储系统的文件存储方法，包括:所述外部访问设备通过所述细胞阵列文件存储设备执行目标文件的创建或写入操作时，由所述内控CHJ选择所述细胞阵列中全部或一个目标区域内的细胞，并将所述目标文件通过所选择的每一个细胞相连接的访问通道存储至相应的第一存储器。
[0028]可选的，若所述目标文件的存储所需的所述第一存储器中存储块的数量大于预设阈值，则将所述目标文件所包含的不同文件块分别通过不同细胞所连接的访问通道存储至相应的第一存储器;所述文件块按所述存储块的容量进行划分。
[0029]可选的，所述目标文件所包含的相邻文件块通过相邻的细胞所连接的访问通道存储至相应的第一存储器。
[0030]可选的，将位于同一文件目录下的不同文件分别存储在不同的细胞所连接的第一存储器之中。
[0031]与现有技术相比，本发明的技术方案至少具有以下优点:
[0032]通过将一个以上兼具独立计算和存储功能的单元(称为“细胞”)组成二维或三维阵列(称为“细胞阵列”)，其中每一个细胞包括微处理器和非易失随机存储器，所述非易失随机存储器既能支持所述微处理器进行计算时所涉及数据的随机存取，也能支持存储软件的指令代码和需要永久保存的数据，使内存、存储、计算三个功能集成到每个细胞中，并使各细胞之间形成密集的通信网络，一方面，内控CPU能通过细胞阵列总线与细胞阵列中的每一个细胞进行通信，另一方面，细胞阵列中的相邻细胞之间也能相互发送数据，由此能通过数据群发和内部网络，克服现有计算机架构因CPU与内存、存储之间存在的通信瓶颈，而基于上述细胞阵列、细胞阵列总线以及通信网络的计算架构所形成的文件存储设备，每个细胞中与微处理器相连的存储控制器能够对与本细胞相连的采用整块读写的非易失性存储器进行数据存储访问控制，由此实现在文件存储设备内部增加数据处理功能，从而能够在文件存储设备内就完成很多文件的检索、分析和处理，还能够有效地利用多个细胞的平行计算加快处理文件的速度，相比传统的文件存储处理方式，本发明技术方案的细胞阵列文件存储系统大幅度地降低了功耗，同时大幅度地提高了文件处理速度。
[0033]关于本发明技术方案提供的细胞阵列文件存储系统及其文件存储设备与文件存储方法所体现的优势，具体分析如下:
[0034]1.省电:在大数据的时代，大部分文件或数据的使用是查询和检索一类的工作，这些虽然是相对简单的处理，但却需要把大量的数据传送到系统主CPU上进行，然而高速数据的传输，距离越远，耗电越大，大型数据中心的耗电，已经成为其运营成本的主要部分;