一种新型计算机存储系统及计算机系统的制作方法

一种新型计算机存储系统及计算机系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种新型计算机存储系统及计算机系统，高速缓存模块用于动态存储主存模块中的常用数据；主存模块用于动态存储二级主存模块中的常用数据，二级主存模块用于动态存储外存模块中的常用数据，系统按照高速缓存模块、主存模块、二级主存模块、外存模块优先级由高至低的顺序读取数据。采用本发明可以提高整个存储系统的性能和速度，解决现有技术中主存模块的容量和速度的矛盾问题，此外本发明的二级主存模块如采用非易失性存储介质存放操作系统，则提高操作系统读取的效率，而且本发明的新增的二级主存模块成本低廉。而且本发明在不增加存储系统处理器负荷的情况下提供具有更灵活的可伸缩性的存储装置系统，并提高了存储的性能。
【专利说明】一种新型计算机存储系统及计算机系统

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种新型计算机存储系统及计算机系统，更具体的来讲，本发明还涉及一种分级式计算机存储系统。

【背景技术】
[0002]一般来讲，分级式计算机的存储设备一般包括高速缓存模块、主存模块和外存模块三级结构，其中高速缓存模块主要指CPU的一级缓存、二级缓存，对于高端计算机还设有三级缓存，主存模块(MainMemory)就是常说的内存模块，外存模块(Auxiliary Memory) 一般包括其他外围存储设备。根据概率统计，在90%的时间内CPU只对10%的存储内容进行访问，为了提高速度，增加容量，降低成本，目前各类计算机中都广泛采用多层次存储器结构，同时存储体系中各层次之间的数据传输的管理也是分层进行的。在这种分层结构下，存储设备一般分为三级，即高速缓存模块、主存模块、外存模块，其CPU访问的优先级别依次降低。同时，各存储设备的访问速度与价格也是依次降低，存储容晕依次升高；数据传输一般分为两级，即高速缓存模块与主存模块之间，以及主存模块与外存模块之间。高速缓存模块其作用主要是为了匹配CPU的高速运算，给CPU缓存指令和数据，其工作频率跟CPU同频或者是分频，现在市面流行昀PC机中的高速缓存模块频率一般都是2GHz以上，存储容量很小一般最大只有几个MByte，价格昂贵；主存模块其主要作用是用来存放计算机正在执行的或经常使用的程序和数据，CPU可以直接对它进行访问，其频率比高速缓存模块低一些，现在流行配置一。般是600MHz到IGHz之间，其存储容量相对比高速缓存模块较大，一般有几百MByte到1GByte，价格相对高速缓存模块比较低一世，但是也是比较昂贵的；外存模块其主要目的是用作大量的数据存储，其频率一般很低，存储容量很大，价格相对也很低廉。
[0003]随着计算机软硬件技术的不断发展，CPU的处理速度越来越快，对数据量的要求也越来越大，同时外存模块存储设备容量也逐渐增人，因此对主存模块的速度以及存储容量的要求也越来越高。但是，大容量的主存模块也是不现实的，首先主存模块的价格相对也是非常昂贵的，其次大容量主存模块对工艺要求也很高，很难实现。因此现有技术中出现了两种解决这个问题的办法:虚拟主存模块和扩展主存模块。采用虚拟主存模块来实现主存模块的存储容量，这种方法一般应用在硬盘作为外存模块的情况，划出一块区域，作为虚拟主存模块区，把一些不常用的数据放在这里。但是，一般硬盘的接口频率比较低，速度很慢，一般接口带宽只能达到100MByte/s左右，特别是在随机读取过程中，速率会更慢，所以当主存模块需要读写虚拟主存模块中的数据时，对硬盘的读写就会成为存储系统的瓶颈。这种存储结构，外存模块中如硬盘需要担任多个角色，当主存模块需要维护的数据量超出它的存储容量时，系统的处理方法是把主存模块中一部分不常用的数据放在外设硬盘的虚拟主存模块中，换句话说也就是把硬盘当作部分主存模块来使用，这时，硬盘既是外存模块又是主存模块的扩展，然而，硬盘带宽一般只能达到133MByte/s左右，当主存模块需要用到度拟主存模块中的数据时，就需要到硬盘中读取，然后再传给CPU，这个过程中硬盘的接口速率会成为整个存储系统的瓶颈，整个传输的速率会因此而降低，特别是在需要对硬盘进行随机读写情况下，带宽会降到只有几个MByte/s，这将会大大降低CPU的利用率，白白浪费很多时间。因此这种方法虽然从原理上适当的增加了主存模块存储容量，但是其代价是牺牲了主存模块到高速缓存模块的传输速率，极大地降低了 CPU的利用率。扩展主存模块主要是将外接闪存作为主存模块的另一个存储空间，以扩展主存模块的容量。例如最近微软发布的新一代操作系统Vista中，有一项新的功能，ReadyBoost加速系统性能，其主要是将外接闪存作为扩展主存模块，增加主存模块的容量。这么做虽然可以增加主存模块的容量，从一定程度上增加系统主存模块，但是，Vista系统是通过外接USB接口的闪存来实现这一目的，USB的接口速率很低，只有480Mbps，远远低于主存模块与CPU之间的带宽，因此，这种做法也只能是适当的改善主存模块空间不够用的状况，而不能够解决存储结构操作瓶颈的本质问题。


【发明内容】

[0004]本发明解决的技术问题是提出一种分级式计算机存储系统，有效地解决现有存储系统中对主存模块速度和容量要求的技术瓶颈。
[0005]为解决上述问题，本发明所采用的的技术方案是:一种新型计算机存储系统及计算机系统，所述计算机存储系统包括包括:高速缓存模块、主存模块、二级主存模块、外存模块、电源、继电保护器、USB接口，所述高速缓存模块用于动态存储主存模块中的常用数据；所述主存模块用于动态存储二级主存模块中的常用数据，所述二级主存模块用于动态存储外存模块中的常用数据，系统按照高速缓存模块、主存模块、二级主存模块、外存模块优先级由高至低的顺序读取数据。
[0006]进一步，所述的计算机存储系统按照高速缓存模块、主存模块、二级主存模块、夕卜存模块优先级由高至低的顺序进行寻址，高速缓存模块、主存模块中存储的数据直接被系统读取，二级主存模块、外存模块中存储的数据转发到主存模块被系统间接读取。
[0007]进一步，所述的外存模块中存储的数据转发到主存模块的同时，该数据被转发到二级主存模块进行动态存储；所述二级主存模块中存储的数据转发到主存模块的同时，主存模块将动态存储该数据。
[0008]进一步，所述的二级主存模块中还动态存储主存模块中被淘汰的不常用数据。
[0009]进一步，所述的二级主存模块采用非易失性存储介质，其存储的数据信息还包括计算机操作系统。
[0010]进一步，所述的二级主存模块连接在计算机系统的南桥芯片或北桥芯片上。
[0011]进一步，所述的二级主存模块包括:设备接口、控制器和存储介质，设备接口与南桥芯片或北桥芯片相连，控制器接收设备接口发来的控制信号并对存储介质进行控制，并向设备接口反馈存储介质的中断信号。
[0012]进一步，所述的二级主存模块通过PCI Express接口、SCSI接口、PCI接口或者PC1-X接口中任一种接口连接在所述南桥芯片上。
[0013]进一步，所述的二级主存模块通过PCI Express接口连接在计算机系统的北桥芯片上。
[0014]进一步，所述的二级主存模块还作为显示卡的辅助存储模块。
[0015]进一步，所述的USB接口可以连接移动存储设备。
[0016]进一步，继电保护器包括用于接收(时间乘子值的装置；用于利用所接收的时间乘子值计算具有指数函数的逆有限时间依存关系的装置，其中依存关系定义所述继电器的输入信号的励磁水平与所述继电器的操作时间之间的关系。
[0017]本发明具有的优点和积极效果是:
[0018]本发明采用四层的存储模块比现在的存储系统相比多了一层即二级主存模块，夕卜存模块的10%左右的常用数据放在二级主存模块中，次级存储单元的10%左右的常用数据放在主存模块中，主存模块的10%常用数据放在高速缓存模块中。由于二级主存模块作为一个独立的设备，用来存放外存模块的常用数据，其接口带宽在外存模块的带宽之上，读写速率大于外存模块的读写速率，特别是在随机读写情况下，会远远大于外存模块相同情况下的带宽。在这种新存储系统之下，当主存模块在读取二级主存模块中信息时，效率将会远大于原系统下的效率，大幅度提高了 CPU的使用率，同时，主存模块中的大部分内容可以放在二级主存模块中，可以节约很多宝贵的主存模块空间。因此这种新的存储系统能够更好的把存储设备的功能划分得更清晰，有助于提高整个存储系统的性能和速度，解决现有技术中主存模块的容量和速度的矛盾问题。本发明增加的二级主存模块采用非易失性存储介质，能在掉电的情况下保存部分主存模块需要保留的信息，同时，由于其非易失特性可以划分部分空间把操作系统放在这里，将其用作系统楹，这样既可卧提高操作系统读取的效率，又可以把外存模块的角色变为一个像移动存储一样方便的可插拔外设。在成本上由于二级主存模块的价格远远低于主存模块价格，拥有与外存模块差不多的价格，因此各级存储模块的容量可以灵活设置成合适比例，以提高存储数据的读写速率。

【专利附图】

【附图说明】
[0019]图1为本发明存储系统层次结构原理图:
[0020]图2为本发明存储系统优选实施例存储模块设备结构示意图:
[0021]图3为本发明存储系统中二级主存模块结构示意图；
[0022]图4为本发明存储系统结构示意图。

【具体实施方式】
[0023]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0024]结合附图对本案例进行说明，本发明实施例是这样实现的，一种新型计算机存储系统及计算机系统，所述计算机存储系统包括包括:高速缓存模块、主存模块、二级主存模块、外存模块、电源、继电保护器、USB接口，所述高速缓存模块用于动态存储主存模块中的常用数据；所述主存模块用于动态存储二级主存模块中的常用数据，所述二级主存模块用于动态存储外存模块中的常用数据，系统按照高速缓存模块、主存模块、二级主存模块、夕卜存模块优先级由高至低的顺序读取数据。
[0025]如附图1所示为本发明计算机存储系统的层次结构示意图，整个结构呈金字塔式分布，由上至下，存储器的速度逐渐降低，存储容量逐渐升高，价格逐渐降低。其中高速缓存模块在整个存储系统中，速度是最快的，其主要用来与CPU同频或者分频工作，将主存模块中常用的数据保存于此；主存模块其结构层次仅次于高速缓存模块，其可以直接跟CPU进行数据或者缓存指令的传输，速度略低于高速缓存模块；二级主存模块在存储结构中的位置在主存模块与外存模块之间，二级主存模块主要存储外存模块中的常用数据。它的存在一方面可以为主存模块节约存储空间，另一方面，还可以提高整个存储系统数据读写的速率，提高CPU的利用率，同时，不再让外存模块充当扩展主存模块的角色，有效的解决了存储系统中出现的瓶颈问题。综合来看，整个存储结构可以归纳为:外存模块中的10%左右的常用数据存放于二级主存模块，二级主存模块中的10%左右的常用数据存放于主存模块，主存模块中的10%左右常用数据存放于高速缓存模块。继电保护器包括用于接收(时间乘子值的装置；用于利用所接收的时间乘子值计算具有指数函数的逆有限时间依存关系的装置，其中依存关系定义所述继电器的输入信号的励磁水平与所述继电器的操作时间之间的关系。
[0026]如附图2所示为本发明存储系统优选实施例存储模块设备设置示意图，现在芯片组结构总线上只有南桥芯片和北桥芯片，一般不再把其他的外设接口接入总线。北桥芯片上的结构相对简单，主要接有中央处理器，其是整个PC机的运算和命令中心，用来控制整个PC机的操作，其中CPU的一级缓存集成在CPU芯片内，二级缓存有一些厂商做法是集成在CPU内，也有一些是外接于CPU ;其次，接有主存模块，其主要作用是为CPU提供数据，目前存储结构下，当用户发出一次操作请求，CPU首先会在高速缓存模块和主存模块中寻找曰标数据，如果不能找到，才会到外围存储设备中搜索，当找到数据时，先把数据读到主存模块中，然后出主存模块向CPU提供数据，主存模块的主要目的就是为了有效地缓冲外围存储设备在数据传输过程中产生的瓶颈，减少CPU在操作中的等待时间，从而提高CPU的利用率；还有显卡接口 3其主要作用是为显卡提供接口，如果外接液晶或者数字显示器则为DVO接口，或者用高速PClExprcss 16倍速接口做为外接显卡的接口。南桥芯片的外接结构相比之下要复杂一些，很多外设接口都是接在南桥下，其中包括USB接口(通用串行接口)，常用硬盘的ATA接口或者SATA接口、Ethernet接口(以太网接口)、PCI接口 Il或者PC1-X或者PCI Express接口等等。
[0027]如附图2所示，本发明所涉及的二级主存模块可以外接在南桥芯片上，也可以外接在北桥芯片上。二级主存模块外接在南桥芯片上时，二级主存模块9可以通过PCIExpress接口、SCSI接口、PCI接口或者PC1-X接口中任一种接口连接在南桥芯片上。当二级主存模块外接在北桥芯片时通过PCIExpress接口连接在计算机系统的北桥芯片上。二级主存模块通过PCI Express接口连接在北桥芯片时，还可以作为显示卡的辅助存储模块使用。
[0028]如附图3所示为本发明所涉及的二级主存模块功能示意图，如图中2-1所示为设备接口，此接口采用高速接口。当其与南桥芯片相连时，采用PC1-Express接口、SCSI接口、PCI接口或者PC1-X接口中任一种接口:当其与北桥芯片相连时，采用PCI Express接口.，接口带宽一般在现有外围存储设备带宽之一。图中2-2所示为设备的接口控制器，其中包括MCU (微处理模块)和Firmware (固件)。图中2_3所示为设备中的存储介质控制器，其主要作用是根据接口控制器发来的指令对存储介质进行控制，同时，根据存储介质的状态产生中断信号反馈给接口控制器。图中2-4为存储设备的最底层结构存储介质，其主要作用是存储数据。
[0029]如附图4所示为本发明存储系统结构示意图，当CPU对高速缓存模块进行寻址，如果可以找到数据，则对高速缓存模块发指令，同时，读取数据；如果不能命中目标数据，则对主存模块寻址，如果命中，则CPU对主存模块发指令，读取数据，同时，这些也会数据被标志为最近被操作过，存人高速缓存模块；如果不能命中，则对二级主存模块寻址，如果命中，CPU向其发出指令，将数据读入主存模块，再由主存模块将数据读入CPU ;如果不能命中，则对外存模块寻址，如果命中，CPU向其发出指令，将数据读入主存模块，同时，这些数据将被标志为最近操作过，存入次级存储模块，然后，主存模块把数据传给CPU。此外主存模块中不常用的数据还可以被动态调整存入二级主存模块中，二级主存模块中的不常用数据被动态调整到外存模块中。
[0030]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种新型计算机存储系统及计算机系统，计算机存储系统包括:高速缓存模块、主存模块、二级主存模块、外存模块、电源、继电保护器、旧8接口 ； 高速缓存模块，用于动态存储主存模块中的常用数据； 主存模块，用于动态存储二级主存模块中的常用数据； 二级主存模块，与主存模块连接用于动态存储外存模块中的常用数据； 电源，与高速缓存模块、主存模块、二级主存模块、外存模块连接，用于提供稳定的电源； 继电保护器，与电源连接，用于保证电源正常的工作； 外存模块，与主存模块、二级主存模块连接，用于实现外部设备的连接； ^88接口，与外存模块连接，用于实现与旧8设备的连接。
2.根据权利要求1所述的新型计算机存储系统及计算机系统，其特征在于，计算机存储系统按照高速缓存模块、主存模块、二级主存模块、外存模块优先级由高至低的顺序进行寻址，高速缓存模块、主存模块中存储的数据直接被系统读取，二级主存模块、外存模块中存储的数据转发到主存模块被系统间接读取。
3.根据权利要求2所述的新型计算机存储系统及计算机系统，其特征在于，外存模块中存储的数据转发到主存模块的同时，该数据被转发到二级主存模块进行动态存储；二级主存模块中存储的数据转发到主存模块的同时，主存模块将动态存储该数据。
4.根据权利要求2所述的新型计算机存储系统及计算机系统，其特征在于，二级主存模块中还动态存储主存模块中被淘汰的不常用数据。
5.根据权利要求1-4任一项所述的新型计算机存储系统及计算机系统，其特征在于，二级主存模块采用非易失性存储介质，存储的数据信息还包括计算机操作系统。
6.根据权利要求1-4任一项所述的新型计算机存储系统及计算机系统，其特征在于，所述的二级主存模块连接在计算机系统的南桥芯片或北桥芯片上。
7.根据权利要求6所述的新型计算机存储系统及计算机系统，其特征在于，所述的二级主存模块包括:设备接口、控制器和存储介质，设备接口与南桥芯片或北桥芯片相连，控制器接收设备接口发来的控制信号并对存储介质进行控制，并向设备接口反馈存储介质的中断信号。
8.根据权利要求7所述的新型计算机存储系统及计算机系统，其特征在于，所述的二级主存模块通过2x^688接口、接口、？01接口或者接口中任一种接口连接在所述南桥芯片上； 二级主存模块通过？2x1)1*688接口连接在计算机系统的北桥芯片上； 二级主存模块还作为显示卡的辅助存储模块； ^88接口连接移动存储设备。
9.根据权利要求1所述的新型计算机存储系统及计算机系统，其特征在于，继电保护器包括用于接收(时间乘子值的装置；用于利用所接收的时间乘子值计算具有指数函数的逆有限时间依存关系的装置，其中依存关系定义所述继电器的输入信号的励磁水平与所述继电器的操作时间之间的关系。
【文档编号】G06F3/06GK104461395SQ201410776291
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月15日 优先权日:2014年12月15日
【发明者】任帅, 张弢, 赵祥模, 慕德俊, 张卫钢, 娄棕棕, 雷敬祥 申请人:长安大学