专利名称：一种基于新型存储层次结构的电子计算机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于新型存储层次结构的电子计算机设计，属于信息技术领域。
背景技术：
存储层次结构是电子计算机结构设计中广泛应用的一种体系结构优化方法。它的基本原理是在电子计算机内部，使用多种容量与访问速度不同的存储器件，搭配起来构成一个存储层次结构，从而组成电子计算机的整个存储子系统。
在存储层次结构顶端的存储器件将具有最高的存储访问速度、最小的容量与最高的单位存储单元价格；从存储层次结构的顶端往下，构成每一级存储层次的设备在容量上都大于上一级存储层次，而访问速度要低于上一级。此外，构成每一级存储层次的设备都包含有所有上一级存储层次中存储的内容。
在电子计算机系统中客观存在两个关键特性时间与空间局部性访问特性。时间局部性指最近访问的数据与代码将非常有可能在将来一段时间内被重复访问；空间局部性指最近访问的数据与代码的存储空间附近的数据与代码将被很快访问。
在电子计算机系统中应用存储层次结构可以充分利用计算机程序所固有的时间与空间局部性，从而使设计者能够设计出具有更优性能价格比的电子计算机系统。
目前，在所有的电子计算机系统上都应用了存储层次的设计理念。在目前大量使用的个人电子计算机PC上，存储层次的结构是CPU内部寄存器——CPU内部Cache——动态随机易失存储器DRAM——硬磁盘的新型存储层次结构。这种存储层次结构自从IBM公司发明PC以来的二十多年中基本没有改变，但是目前随着DRAM与硬磁盘之间在访问速度与容量上的差距越来越大，使得基于这种传统存储层次结构的电子计算机系统面临许多严重问题，包括性能问题、功耗问题、数据安全性问题等。
根据著名的Amdahl法则，系统整体性能总是受限于最慢的部件，而如今电子计算机系统的整体性能受到了系统中的低速磁存储设备的限制，随着半导体技术的发展，虽然主存储器DRAM的性能得到了很大提高，但访问硬磁盘的速度并没有得到相应的大幅度提高，因此电子计算机系统的整体性能被低速硬磁盘设备所束缚。
随着容量与盘片旋转转速的提高，现代硬磁盘所散发的热量也越来越大，使得电子计算机内部温度不断升高，进一步恶化了系统的运行环境，这对于电子计算机系统稳定性是一个严重的威胁；此外，磁硬盘存储器不断增长的功耗也与绿色节能的主流思想背道而驰。
与易失性半导体存储器，如动态随机半导体存储器DRAM不同，非易失半导体存储器具备硬磁盘设备的一个关键特性非易失特性(Non-Volatile)，保存在其存储单元内的信息将不会随着系统断电而消失，而是能够长期保存。
近年来，随着半导体工艺水平的不断发展，非易失半导体存储器技术得到了很大提高，单块芯片的存储容量不断增长、存储单元访问速度单位也得到了进一步提高，同时存储单元价格在不断下降。因此完全可以预见，未来数年中非易失半导体存储器作为一种重要的存储设备将得到更为广泛的应用。
发明内容
有鉴于此，高速非易失半导体存储器作为一种全新的存储层次，插入到易失性动态随机存储器件与硬磁盘之间，可以使电子计算机系统的性能、可靠性与稳定性得到一个全面的提升；同时此项技术的推广应用将会给电子计算机软硬件厂商带来更多的创新机会。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于新型存储层次结构的电子计算机设计，该设计包括下述步骤(1)用高速非易失半导体存储器作为外部存储主设备，取代硬磁盘选择高速非易失半导体存储器作为外部存储主设备，取代传统硬磁盘；硬磁盘成为高速非易失半导体存储器的下一级后备/辅助存储系统；(2)使应用高速非易失半导体存储器的电子计算机系统与现有电子计算机系统保持硬件兼容性设计者可以将高速非易失半导体存储器与某个标准接口电路封装在一起，该电路负责将主机发送过来的地址/数据请求转换成半导体存储器可识别的地址/数据请求，这样电子计算机上的软件系统就可以根据这个已经存在的标准接口来存取高速非易失半导体存储器中的数据，从而使新系统保持与现有电子计算机系统的硬件兼容性；(3)保持与现有电子计算机系统的软件兼容性管理电子计算机物理设备的软件系统可以通过已存在的标准方式，如文件系统或者线性地址序列来存取本发明中的高速半导体存储器，因此可以使新系统保持与现有电子计算机系统的软件兼容性；本发明提出的这种基于新型存储层次结构的电子计算机设计，将大容量高速非易失半导体存储器加入系统中，在随机动态存储器DRAM与硬磁盘之间增加了一个新的存储层次。通过形成更加合理的存储层次结构，本发明使电子计算机系统的整体性能、稳定性与可靠性得到提高，电子计算机硬件厂商可以根据具体产品需求，采用不同标准接口来将此存储器加入到系统中，同时电子计算机软件厂商可以根据此存储器非易失、快速存取的特点，将重要信息存入此存储器内，进一步提高相关软件系统性能并扩展其现有功能。
本发明设计构思巧妙，具有简单、可靠、实用的特点，具有很好的应用前景；它的推广应用可以给广大电子计算机用户带来更快的系统，同时也将会给电子计算机软硬件厂商带来更多技术革新的机会，从而能在一定程度上避免产品同质化问题。
图1是本发明的新型存储层次结构框2是本发明所针对的传统存储层次结构框3是本发明各步骤的流程框4是本发明的硬件结构示意框图(1)图5是本发明的硬件结构示意框图(2)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，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
参见图1，本发明是一种基于新型存储层次结构的电子计算机设计，在具体实施时包括下述步骤(1)将高速非易失半导体存储器作为外部存储主设备选择高速非易失半导体存储器作为外部存储主设备，取代传统硬磁盘；硬磁盘成为高速非易失半导体存储器的后备或辅助存储系统；(2)保持与现有电子计算机系统的硬件兼容性无需对现有电子计算机硬件结构进行改动，微处理器发出的对存储在非易失半导体存储器上的数据的读写请求能顺利到达非易失半导体存储器上；(3)保持与现有电子计算机系统的软件兼容性管理电子计算机物理设备的软件系统无需修改就可以存取本发明中的高速半导体存储器；以下将对上述三个操作步骤中的(2)、(3)作进一步详细说明(2)保持与现有电子计算机系统的硬件兼容性电子计算机硬件厂商将高速非易失半导体存储器封装在电子计算机内、且保持与现有电子计算机系统的硬件兼容性的具体实现包含，但不仅限于如下两种方式(a)主机通过磁硬盘接口存取高速非易失半导体存储器高速非易失半导体与一个专用接口电路封装在一起。此专用接口电路具有一个磁硬盘接口电路，它与电子计算机主板上的磁硬盘接口通过标准I/O接口总线进行连接，将主机发来的磁硬盘I/O请求转化为对非易失半导体存储器内某些存储单元的读写请求，并将主机发来的磁硬盘I/O请求执行结果返回主机。此接口电路与主机间的I/O总线联结可通过，但不限于以下列举出的各种串/并行总线规范来实现，如串行/并行ATA、串行/并行SCSI、光纤通道、HIPPI、SCA等。
(b)主机通过微处理器的地址/数据总线存取高速非易失半导体存储器非易失半导体存储器可被主机内的微处理器直接或间接寻址，而无需添加额外外围的I/O接口电路与非易失半导体存储器封装在一起。
(3)保持与现有电子计算机系统的软件兼容性电子计算机软件厂商使基于本文新设计的电子计算机系统与现有电子计算机系统保持软件兼容性的具体实现包含，但不仅限于以下内容(a)通过块设备驱动来直接管理非易失半导体存储器在通用操作系统中，操作系统块设备驱动负责具体的存储介质管理，而文件系统负责提供用户数据读写界面。
在(2)中的硬件实现方案(a)实现方式中，主机将使用此种实现方式的非易失半导体存储器视为普通磁硬盘，因此通过以块设备驱动直接管理非易失半导体存储器与现有方式完全一致。
在(2)的硬件实现方案(b)实现方式中，可以实现一个驱动软件模拟的块设备，负责将高层文件系统发来的块读写请求转化为对某个存储单元的请求。这种实现只需实现一个特殊的操作系统设备驱动即可，与现有软件系统完全兼容。
(b)通过文件系统来管理非易失半导体存储器上的数据在通用操作系统中，由于(a)中块设备驱动已经完全屏蔽了底层存储介质的差别，因此操作系统中的文件系统部分无需改动。
如上所述，本发明能保持与现有电子计算机系统的硬件与软件兼容性，极大的节省了技术改进所需的资源。
权利要求
1.一种基于新型存储层次结构的电子计算机设计，包括以下内容(1)高速非易失半导体存储器作为一个独立的存储层次加入到现有电子计算机内部动态随机易失存储器DRAM与硬磁盘之间，形成一种新型存储层次结构；(2)将(1)中的存储层次结构应用到电子计算机设计中，高速非易失半导体存储器代替传统的硬磁盘，成为电子计算机外部存储主设备，硬磁盘则成为高速非易失半导体存储器的后备/辅助存储系统；(3)保持与现有电子计算机系统的硬件兼容性高速非易失半导体存储器与接口电路封装在一起，接口电路负责将主机微处理器发来的数据访问请求转换成高速非易失半导体存储器可识别的地址/数据请求信号。此接口电路可以利用电子计算机内已经存在的标准硬磁盘接口，或者相关存储总线，来接受主机微处理器的数据访问请求，从而保持与现有电子计算机系统的硬件兼容性；(4)保持与现有电子计算机系统的软件兼容性管理电子计算机物理设备的系统软件，如文件系统与数据库等，可以采用完全相同的方式存取本发明中的高速半导体存储器与传统硬磁盘，因此可以将现在基于硬磁盘的所有软件与文档都存放在这个非易失半导体外部存储主设备上；
2.根据权利要求1所述的基于新型存储层次结构的电子计算机的实现方法，其特征在于所述步骤(1)中将高速非易失半导体存储器作为一个新的存储层次加入到电子计算机中时，此半导体存储器类型包括但不限于各种已经存在的形式，如NOR、NAND等各种flash存储器以及新型铁电存储器FRAM等；
3.根据权利要求1所述的基于新型存储层次结构的电子计算机的实现方法，其特征在于所述步骤(1)中将高速非易失半导体存储器作为一个新的存储层次加入到电子计算机中时，此器件与电子计算机的接口实现包括但不限于各种已存在的串行、并行硬磁盘设备接口，如串行ATA、并行ATA、串行SCSI、并行SCSI、SCA与光纤通道等；
4.根据权利要求1所述的基于新型存储层次结构的电子计算机的实现方法，其特征在于所述步骤(1)中将高速非易失半导体存储器作为一个新的存储层次加入到电子计算机中时，此器件可以位于微处理器可直接寻址的存储地址空间中，此半导体存储器与处理器间的连接可通过但不限于8、16位、32位与64位地址/数据总线。
5.根据权利要求1所述的基于新型存储层次结构的电子计算机的实现方法，其特征在于所述步骤(2)中将高速非易失半导体存储器作为一个新的存储层次加入到电子计算机中时，它将取代硬磁盘先前在电子计算机内部所占据的位置，但是本发明并不限制硬磁盘与高速非易失半导体存储器共存于同一个电子计算机内部的设计，硬磁盘仍可以作为非易失半导体存储设备的辅助/后备存储系统，与非易失半导体存储器存在于同一个电子计算机中。
6.根据权利要求1所述的基于新型存储层次结构的电子计算机的实现方法，其特征在于所述步骤(2)中将高速非易失半导体存储器作为一个新的存储层次加入到电子计算机中时，整个电子计算机系统散热系统的设计变动包括但不限于使用低转速低噪音风扇，甚至直接去除风扇；
7.根据权利要求1所述的基于新型存储层次结构的电子计算机的实现方法，其特征在于所述步骤(3)中将高速非易失半导体存储器作为一个新的存储层次加入到电子计算机中时，电子计算机上的软件系统包括但不限于具有如下能力自动识别出此系统使用了非磁介质的半导体存储器，从而根据其半导体存储器可决定访问时延的特性进行系统优化配置，从而充分发挥存储子系统的性能。
8.根据权利要求1所述的基于新型存储层次结构的电子计算机的实现方法，其特征在于所述步骤(3)中将高速非易失半导体存储器作为一个新的存储层次加入到电子计算机中时，硬磁盘作为辅助存储设备时，电子计算机上的软件系统包括但不限于具有如下能力在非易失半导体存储器上划出一块专用空间，作为硬磁盘上文件系统或者其他系统软件作为存放各种用途的日志文件之用，以提高日志访问效率。
全文摘要
本发明是一种基于新型存储层次结构的电子计算机设计，它包括(1)一种电子计算机中的新型存储层次结构设计，非易失半导体存储器将作为一个独立的存储层次加入到电子计算机系统中，从而形成电子计算机内部全新的存储层次结构；(2)应用此存储层次结构设计，用高速非易失半导体存储器代替传统硬磁盘作为电子计算机的标准大容量外部存储设备，硬磁盘成为高速非易失半导体存储器的后备辅助存储设备；(3)基于此发明而改进的电子计算机系统与现有电子计算机系统保持硬件兼容性；(4)基于此发明而改进的电子计算机系统与现有电子计算机系统保持软件兼容性。本发明构思巧妙，实现简易、可靠、实用，具有很好的市场前景。
文档编号G06F12/08GK1908916SQ20051008866
公开日2007年2月7日 申请日期2005年8月1日 优先权日2005年8月1日
发明者贺劲 申请人:贺劲