CN104798007A - 用于控制存储设备的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种诸如磁盘驱动器或SSD（固态驱动器）的大容量存储设备采用用于在主机个人电子设备中减少功率消耗的优化逻辑，所述主机个人电子设备通过考虑用户期望、用户存在和应用响应性来对性能和功率权衡进行识别和优先排序。存储设备从主机设备接收指示关于应用调用、数据新鲜度以及使用模式的用户期望的信息和命令，并且在维持由用户期望所要求的性能限制时确定指示用于减少功率消耗的行为设置的操作状态。从主机设备传递到大容量存储设备的性能考虑的粒度被扩展以允许存储设备基于来自用户期望的性能限制来确定适合的和特定的功率减少措施以便维持用户体验。

Description

用于控制存储设备的方法和装置

背景技术

随着对于诸如平板、膝上型计算机和笔记本的个人电子设备的应用和无线支持的持续发展，这类设备正获得普及。此外，智能电话开发中的进步将类似的计算能力带给具有“蜂窝电话”大小的封装的手持设备。这些日益普遍的设备正生成新的使用模型，诸如在用户不存在时，在后台自动更新电子邮件、社交媒体和其他信息。新的使用模型关于什么是有价值的具有不同矢量。例如，在用户不存在时，性能要求可能是最小的，而确保低功率以避免电池耗尽是关键；然而，在用户存在时，性能是关键。

附图说明

从本文所公开的特定实施例的以下描述来看，前述和其他特征将显而易见，如在附图中所图示的，其中贯穿不同视图相似的参考符号指的是相同的部分。附图不一定按比例，而是重点放在说明本发明的原理。

图1是如本文所公开的合并行为管理的个人电子设备的上下文图；

图2是图1的设备中的存储设备行为管理技术的流程图；

图3示出具有按照图2的行为管理方法可操作的大容量存储外围设备的个人电子设备。

图4-5是描绘图3的设备中功率管理方法的示范行为的流程图。

具体实施方式

为了诸如主机个人电子设备中的减少的功率消耗的益处，诸如磁盘驱动器或者SSD（固态驱动器）的大容量存储设备采用优化逻辑用于管理大容量存储设备的行为，主机个人电子设备通过考虑各种使用模型的用户期望来对性能、功率、声音和其他权衡进行识别和优先排序。

存储设备基于所调用的用户模型从主机设备接收命令和信息，所述信息指示性能等级（例如每秒I/O（输入/输出）或者顺序读/写带宽）、最大峰值功率和/或TDP、平均功率、用于满足读或写的恢复等待时间、声音噪声等级（例如分贝等级）和其他属性。功率信息可用来指导存储操作，其中可将高性能操作旁路以有利于较慢但是功能性等同和较少功率消耗的备选。声音信息可用来指导设备操作，例如在低噪声环境中硬驱动器可将它的媒体更慢地旋转加速以将任何可察觉噪声最小化（这是以性能为代价）。通过将此信息传递到存储设备，能够基于使用模型做出系统中端到端的权衡。换言之，驱动器响应来自主机的信息以便满足所提供的信息/命令。在特定的配置中，电子邮件更新的频率通过主机而不是存储设备来确定，然而驱动器可响应于命令提供所推荐的访问模式和/或声级来。

响应于指示所希望行为的主机设备所提供的信息，存储设备又可以信息来响应，该信息使主机能够对存储设备的访问进行优化以便实现所希望的行为。例如，当主机指示对存储设备的功率目标时，存储设备可以信息来响应，该信息告诉主机当满足规定的功率目标时，存储设备能够多久被访问一次。

对于优化功率和性能的常规方法在有利于一个或另一个中倾向于极端。例如，现今的ATA设备的SLEEP模式在能够完成任何命令之前要求设备接口的复位。相反，这里所描述的机制提供具有性能、功率、声音和其他属性的谱的能力以满足正以更快速的速度发明的动态使用模型。

通过采用用于使大容量存储设备操作流线化的优化逻辑来提供较高等级的粒度以便更紧密地与用户期望对齐将是有益的。本文所公开的是更适合不同使用模型的粒度方法，其中存储设备能够参与特定使用模型的系统级优化。常规方法中的存储设备不具有响应于用于调整存储设备的行为的行为命令的优化逻辑，其中存储设备主动地管理诸如存储器使用、功率消耗和噪声等级（仅举几个例子）的内部操作。常规方法可基于系统状态或者其他优化逻辑来修改驱动器行为，但是这样的控制不一直被携带到存储设备。因此，本文的配置基本上克服常规存储设备行为和功率管理方案的缺点，并且实现用于类似噪声的参数的新的优化点。响应于由主机提供的信息简档或其他行为管理信息，优化逻辑识别并实现存储设备上的设置。

如本文所公开的存储设备行为和功率管理通过主动地管理诸如功率保存或最大性能的属性或特性的存储设备行为的功能来实现存储设备的主动行为管理用于诸如与用户期望相称的功率优化的特征。此类功率优化可通过诸如功率的使用率和持续时间的电池寿命以及诸如在预确定时间量内甚至在待机状态中用数据更新维持某些应用更新或者“新鲜”或者恢复主动的或完全性能状态的设备性能的工业标准来驱动。功率优化将性能的计算的需要与电池寿命的期望进行平衡。例如，新兴的标准可要求诸如16小时上5％的性能基准。通过存储设备采用的优化逻辑可关闭功能、开启功能或者基于相应存储器的功率消耗率和性能（速度）将功能从存储器的一个类型转移到存储器的另一个类型。这种细粒度控制不被常规设备所支持，常规设备仅将诸如旋转媒体的某些子系统和主机接口断电来被动地响应于功率事件，并且在它们的待机状态和活动状态之间要求大量的上下文切换时间。应注意，存储设备在驱动器本身内确定和控制这类功能，一般将内部子系统而不是全部的磁盘或外部监视器断电。

响应于由主机发送的行为或者提示命令，如下面所公开的存储设备的主动行为管理允许存储设备修改存储设备的行为。行为命令调用存储设备中的优化逻辑使得存储设备本身修改功能和操作来实现命令所期望的结果。例如，可存在对应于主机设备的用户期望和用户存在的多个操作状态。每个操作状态包含对应于诸如禁用高速缓存、将功能移到不同存储器结构或者修改驱动器速度以实现声级的存储设备操作的一个或多个行为设置。行为设置通过存储设备中的优化逻辑主动地识别和实行而不是由主机设备强加，诸如通过简单地切断驱动器的功率的常规驱动器旋转减速。

图1是如本文所公开的合并主动行为管理的个人电子设备的上下文图。参考图1，在计算环境100中，用户102一般采用诸如智能电话110-1、膝上型计算机或者笔记本110-2、平板110-3或者其他适合的设备110的个人电子设备110。个人电子设备110采用诸如固态驱动器120’（SSD）的大容量设备120；然而也可采用常规磁盘驱动器和具有旋转和固态部件的混合驱动器，下文进一步讨论。

大容量存储设备（存储设备）120通过提供非易失性数据存储和检索支持来支持个人电子设备或者主机设备110。存储设备120采用存储存储器（storage memory）130用于主存储。存储存储器130包括NAND闪速存储器，虽然可采用任何适合的非易失性存储器，例如3D交叉点存储器，诸如相变存储器（PCM），或旋转磁媒体，仅举一些例子。固件140通常响应于主机设备110上的设备驱动器来执行存储存储器130的管理以便支持来自主机设备110的存储和检索请求。固件140包含用于响应于来自主机设备110的行为命令计算对应于其他行为功能的待机等级或操作状态的优化逻辑142，并且因此调整功率消耗和其他行为设置。存储存储器130储存包括可执行代码、操作系统、配置信息的数据以及用于诸如邮件132-1、蜂窝电话132-2、游戏132-3和视频渲染132-4的应用132-1…132-4（一般地132）的内容。可按照用户102的优选采用其他应用。存储设备120也可包含支持存储器124以便增强性能，通常采用易失性存储器用于诸如高速缓存、寻呼和编索引的功能。支持存储器124可包含诸如DRAM（动态随机存取存储器）、SRAM（静态随机存取存储器）或者其它高速易失性存储器的任何适合的易失性存储器。主机设备110通常维持到外部网络152的连接150用于接收诸如邮件和视频的外部服务154，连同应用132之一。

图2是图1的设备中的存储设备行为管理技术的流程图。参考图1和图2，如本文所公开的控制存储设备的方法包含接收基于存储设备性能的当前用户期望的行为命令，如步骤200处所描绘的。常规方法不主动地监视或者控制诸如计算或者确定行为命令的存储设备行为，而是可在超时之后例如通过允许磁盘驱动器旋转减速来接通或者断开外围设备。这类非粒度方法要求大量时间来将驱动器旋转加速回来以便恢复用户存在状态。此外，常规方法不计算或识别存储设备处的功率节约设置，而是响应来自主机设备110的“关闭”或者“待机”命令。优化逻辑142计算对应于所接收的行为命令的操作状态，如在步骤201所公开的，以及基于所计算的操作状态来计算存储设备120行为设置，其中如步骤202处所描绘的存储设备具有指示内部操作的主动管理的行为设置。各种行为设置可通过调用操作状态的各种集合来实现。在示例配置中，行为设置可包含声音噪声等级、每秒I/O（输入/输出）、顺序读/写带宽、最大峰值功率、平均功率以及用于满足I/O的恢复等待时间。操作状态可为由那个操作状态要应用的行为设置中的一个或者多个指派值，使得存储设备的主动管理进一步包括执行存储在优化逻辑中的指令以便实现所指派的值。

例如，在特定配置中，可实现各种功率节约或行为设置；通常，功率节约设置将响应于所检测到的用户的不存在而受影响，并且一旦再次确立用户存在，则制定行为设置以将设备返回到完全性能。在功率节约行为的情况下，功率节约和性能设置一般互斥——当偏好性能时，要求更多的功率并且因此功率节约被减少。

图3示出具有按照图2的行为管理方法可操作的大容量存储外围设备的个人电子设备。参考图1和3，主机设备110（平板110-3用作示例）采用混合存储设备120，其包含诸如NAND的非易失性固态存储器130-1以及包含旋转磁媒体的磁盘存储器130-2。电池112总体上为存储设备120 和主机设备110提供功率，并且通常是用于便携式电子设备的主电源。固件140还包含处理器144以及高速存储器146（通常是DRAM）用于计算和实现如现在进一步详细地讨论的行为设置。例如，当优化逻辑142执行用于功率保存和性能改进的调整时，一般来说这些目的是互补的，因为功率保存设置降低性能，而性能限制保存功率。

在操作中，主机设备110经由接口116发送行为命令160到存储设备120。备选地，类似的行为命令可被发送到其他外围设备用于类似的功率保存措施。响应于来自主机设备110的行为命令160，常规方法不采用固件140 的接口116。固件140接收行为命令160并且采用优化逻辑142用于计算操作状态以便实现所希望的功率/性能平衡。优化逻辑142然后发送行为设置126到存储设备120的子系统中的一个或多个（诸如NAND存储存储器130-1、磁盘存储器130-2和支持存储器124），以便实现功率保存（或者性能增强，如果返回到完全功率/性能）的合适的等级。优化逻辑142可执行诸如将功能从支持存储器124移动到存储存储器130-1的动作，从而允许支持存储器124的关闭。诸如映射和高速缓存功能的某些速度增强功能可一起被禁用，从而允许类似的能力但是通过更耗时的访问操作。

例如，优化逻辑可改变非易失性存储器（NVM）管理算法来对功率而不是性能进行优化。例如，现今许多当前SSD实现利用DRAM 124来帮助数据结构的快速查找来满足读与写命令。当处于“功率优化”模式中时，SSD能够关闭DRAM并且使用更低性能的NVM管理算法，其仅使用SSD固件140内部的SRAM。

通过优化逻辑142所修改的其他设置可改变请求睡眠状态的速度，诸如由串行 ATA（SATA）国际组织所定义的。在典型的实现中，主动功率状态平均是400mW或更多。在睡眠中，设备常常<50mW平均功率，因此在功率优化模式中快速恢复是显著的。一旦接收这种提示或者设置，SSD可在1到5ms的空闲之后宣称睡眠（与常规方法中25到100ms的空闲相对）。

图4-5是包含图3的设备中功率管理方法的示范行为控制交换的流程图。可采用各种与功率管理有关的操作状态（即活动、待机、休眠、高性能等）以及定义存储设置的其他行为设置的操作状态。作为示例，这类操作状态可由通过诸如上面引用的SATA组织的标准发布的命令以及由加利福尼亚圣克拉拉的Intel®公司发布的NVM快速（NVMe）工作组规范产生。本文的配置可在此类标准的实现中被采用。功率管理被采用作为说明性用例并且不应理解为限制本文定义的方法。存储设备的各种行为属性可响应于来自主机的行为命令160而受控制。应该强调的是与常规休眠/唤醒控制相比，预见到高粒度的性能和功率权衡，通常以主/从关系。一般来说，支持操作能力的多层，范围从有利于功率节约措施的完全性能到考虑到性能让步的最大功率保存。本文的配置一般已将完全性能的角度看作“正常”或“默认”状态，其然后通过不同程度的待机状态中的功率节约措施来增大。然而，备选布置可采用任何性能/功率状态作为“正常”状态并且沿着功率节约措施的连续性来增大功率和性能。

参考图3-5，用于个人电子设备110的功率管理的方法包含在步骤300，在主机设备110处识别对应于主机设备110的用户102期望的操作限制。用户期望包含但不限制于所希望的性能等级、响应性、预期电池寿命以及声音噪声，如步骤301所描绘的。主机设备110通常在操作系统下操作，其可为功率管理强加特定的标准或惯例。操作系统基于多个准则确定用户期望，例如标识符用户存在、当前运行的应用以及指示所运行应用的响应性和计算强度的应用活动历史。

选择操作限制以使主机设备能够满足当前用户期望。例如，当存储系统在规定的操作限制下操作时，可要求主机系统维持外部来源的交互应用132的后台更新，其中后台更新使得交互应用恢复在更新状态中。一旦从空闲期开始使用，通过主机设备的用户存在的确定将返回具有新鲜数据的实况屏幕，所述新鲜数据用于正在进行的应用，诸如邮件和实时媒体（即社交媒体应用）。用户期望可因此延伸到指示用于返回到完全性能的预确定间隔的准备设置以及表示接收实时数据的新鲜更新的应用的维持设置。功率设置可确定耗用功率的最大速率，如在上述示例中。

如步骤302所描绘的，主机110将所识别的操作限制作为行为命令160传送到响应于主机设备110的存储设备120。这包含从独立于存储设备120的主机设备110发送操作限制，使得存储设备120响应于来自主机设备110的数据存储和检索命令，如步骤303所描绘的，但是以另外的方式维持单独的固件用于执行与所接收的行为命令160一致的功率优化。

在步骤304，存储设备120接收基于存储设备性能的当前用户期望的行为命令160。用户期望包含当前性能等级和在预确定时间量内返回到较高性能等级的能力，如步骤305处所描绘的。在示例布置中，存储设备120可以是具有包含磁媒体和固态存储器的存储器部分的混合设备，使得固态存储器进一步包括易失性部分和非易失性部分。调整功率消耗和行为设置可包含在存储器部分之间转移检索操作，诸如关闭非易失性支持存储器124以有利于功率节约但是更长的寻址或查找操作。通常，选择操作限制以使主机设备能够满足当前用户期望，如步骤306处所描绘的。

因此，存储设备120调用优化逻辑142以确定满足所接收的行为命令160中指示的操作限制的操作状态，如在步骤307处所描绘的。

基于优化逻辑142所确定的操作状态，存储设备应用从改变诸如I/O速率、最大带宽、访问等待时间、功率消耗以及声级的内部存储设备操作的一个或多个方面的多个行为设置中所选择的行为设置，如步骤308处所描绘的。

如步骤309处所示出的，新更新的行为设置使驱动器能够满足规定的操作限制，其又使主机设备能够满足如步骤300和301中所确定的当前用户期望。通过应用所选择的行为设置，使存储设备能够满足规定的操作限制，如步骤309处所描绘的。因此，由于存储设备行为使主机设备110能够满足当前用户期望，主机设备110继续操作，如步骤310处所示出的。

本领域的技术人员应容易地理解，本文所定义的程序和方法可以许多形式递送到计算机处理和渲染设备，包含但不限于a）永久存储在诸如ROM设备的非可写存储媒体上的信息，b）可变地存储在诸如软盘、磁带、CD、RAM设备和其他磁和光媒体的可写非暂时性存储媒体上的信息，或者c）通过通信媒体（如在诸如因特网或电话调制解调器线的电子网络中）输送到计算机的信息。操作和方法可在软件可执行对象中实现或者作为编码指令的集合实现，所述指令由响应于指令的处理器执行。备选地，本文所公开的操作和方法可整体或部分使用诸如专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）、状态机、控制器或其他硬件部件或者设备，或者硬件、软件和固件部件的组合的硬件部件实施。

虽然本文所定义的系统和方法已参考其实施例具体地示出和描述，但是本领域技术人员将理解，可在其中做出形式和细节中的各种改变，而不脱离由所附权利要求涵盖的本发明的范围。

Claims (22)

1. 一种控制存储设备的方法，包括：

接收基于存储设备性能的用户期望的行为命令；

计算对应于所述接收的行为命令的操作状态；以及

基于所述计算的操作状态来调整行为设置，所述存储设备具有指示内部操作的主动管理的行为设置。

2. 如权利要求1所述的方法，其中所述行为设置包含声音噪声等级、每秒I/O、顺序读/写带宽、最大峰值功率、平均功率以及用于满足I/O的恢复等待时间中的至少一个。

3. 如权利要求1所述的方法，其中所述操作状态为所述行为设置的至少一个指派值，其中主动管理进一步包括执行指令以便实现所述指派的值。

4. 如权利要求1所述的方法，进一步包括：

接收基于存储设备性能的当前用户期望的行为命令；

计算对应于所述接收的行为命令的操作状态；以及

基于所述计算的操作状态来调整功率消耗和性能设置。

5. 如权利要求1所述的方法，其中所述操作状态强加性能限制用于：

维持至少一个外部来源的交互应用的后台更新，所述后台更新使得所述交互应用恢复在更新状态中；以及

根据预确定速率限制电池耗尽。

6. 如权利要求1所述的方法，其中所述用户期望包含当前性能等级以及在预确定时间量内返回到较高性能等级的能力。

7. 如权利要求6所述的方法，进一步包括：

有选择地降低性能以减少功率消耗并且在以减少的用户交互操作时维持可接受性能等级；以及

恢复具有活动用户交互的完全功率操作使得应用保持运行和更新。

8. 如权利要求1所述的方法，进一步包括：

从独立于所述存储设备的主机设备发送所述行为命令，所述存储设备响应于来自所述主机设备的数据存储和检索命令。

9. 如权利要求5所述的方法，其中所述存储设备是具有包含磁媒体和固态存储器的存储器部分的混合设备，所述固态存储器具有易失性部分和非易失性部分，其中调整所述功率消耗和行为设置进一步包括在所述存储器部分之间转移检索操作。

10. 如权利要求1所述的方法，其中计算所述操作状态进一步包括识别性能简档，所述性能简档指示下列至少一个：

处理速度，

访问等待时间，

功率消耗以及

声级，

所述识别的性能简档从多个性能简档选择，响应于特定行为命令可调用所述性能简档中的每个性能简档。

11. 如权利要求7所述的方法，其中所述用户期望对应于：

指示用于返回到完全性能的预确定间隔的准备设置；

表示接收实时数据的新鲜更新的应用的维持设置；以及

确定耗用功率的最大速率的功率设置。

12. 如权利要求1所述的方法，进一步包括从所述行为命令确定所述存储设备将指向性能还是功率保存措施。

13. 一种用于个人电子设备的功率管理的方法，包括：

在主机设备识别对应于所述主机设备的用户期望的性能限制；

传送所述识别的性能限制到响应于所述主机设备的存储设备；以及

在所述存储设备处计算功率消耗以及行为设置以便实现所述识别的性能限制。

14. 如权利要求13所述的方法，进一步包括调用优化逻辑以便计算所述性能限制，所述用户期望基于标识符用户存在、当前运行的应用以及指示所述运行的应用的计算强度和响应性的应用活动的历史。

15. 如权利要求13所述的方法，进一步包括：

有选择地降低性能以减少功率消耗并且在以减少的用户交互操作时维持可接受的性能等级；以及

恢复具有活动用户交互的完全功率操作使得应用保持运行和更新。

16. 如权利要求13所述的方法，其中所述性能限制维持外部来源的交互应用的后台更新，所述后台更新使得所述交互应用恢复在更新状态中。

17. 如权利要求16所述的方法，其中所述用户期望包含当前性能等级以及在预确定时间量内返回到较高性能等级的能力。

18. 如权利要求13所述的方法，进一步包括从独立于所述存储设备的主机设备发送所述性能限制，所述存储设备响应于来自所述主机设备的数据存储和检索命令。

19. 一种用于主动功率管理的个人电子设备，包括：

主机设备，适于识别对应于所述主机设备的用户期望的性能限制；

到响应于所述主机设备的存储设备的接口，并且配置用于传送所述识别的性能限制到所述存储设备；

所述存储设备可操作用于计算功率消耗和行为设置以便实现所述识别的性能限制；以及

所述主机设备上的显示屏，所述显示屏用于基于所述用户期望渲染输出。

20. 如权利要求19所述的设备，其中所述存储设备进一步包含优化逻辑，所述优化逻辑用于：

有选择地降低性能以减少功率消耗并且在以减少的用户交互操作时维持可接受性能等级；以及

恢复具有活动用户交互的完全功率操作使得应用保持运行和更新。

21. 如权利要求20所述的设备，其中所述存储设备进一步包括存储存储器122中的至少一个（列），所述存储存储器包括NAND闪速存储器、3D交叉点存储器、只读存储器（ROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、DRAM（动态随机存取存储器）、同步动态随机存取存储器（SDRAM）或者RAMBUS动态随机存取存储器（RDRAM）。

22. 一种计算机程序产品，具有在非暂时性计算机可读存储媒体上编码的指令，所述指令在由处理器运行时执行用于个人电子设备的功率管理的方法，所述方法包括：

接收基于存储设备性能的当前用户期望的行为命令；

计算对应于所述接收的行为命令的操作状态；以及

基于所述计算的操作状态来调整功率消耗和性能设置。