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CN111158456A - 大规模硬盘组低能耗管理系统及其管理方法 - Google Patents

大规模硬盘组低能耗管理系统及其管理方法 Download PDF

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CN111158456A
CN111158456A CN201911194464.XA CN201911194464A CN111158456A CN 111158456 A CN111158456 A CN 111158456A CN 201911194464 A CN201911194464 A CN 201911194464A CN 111158456 A CN111158456 A CN 111158456A
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central control
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control unit
shift register
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车明
刘怡城
吕军超
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Tianjin University
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Abstract

本发明公开了一种大规模硬盘组低能耗管理系统及其管理方法,包括中央控制单元、通信单元、多个移位寄存器扩展单元和多个硬盘开关执行单元;通信单元,接收上位机传过来的数据,并将数据传送给中央控制单元;中央控制单元,对上位机的数据进行处理,解析出需要控制的硬盘电源的通断控制要求,并根据解析出的控制要求生成对硬盘开关执行单元的控制指令,并将控制指令存入至相应的移位寄存器扩展单元中;移位寄存器扩展单元,在中央控制单元的控制下将中央控制单元存入的控制指令发送给相应的硬盘开关执行单元;硬盘开关执行单元,根据接收到的控制指令控制相应的硬盘电源的通断状态。

Description

大规模硬盘组低能耗管理系统及其管理方法
技术领域
本发明属于数据存储及节能技术领域,具体涉及一种大规模硬盘组低能耗管理系统及其管理方法。
背景技术
随着全球现代信息技术的不断发展,大数据和云计算的兴起,以及社会生产力水平的不断提高,人类生产生活所产生的数据也在不断地增长,且增长速度越来越快。有学者指出,在目前环境下,每18个月新产生的数据等于我们过往产生的数据量的总和,很多面向海量数据的大型企业级应用纷纷出现。统计显示,全球的数据量仅在2011年就达到1.8ZB(1.8万亿GB),且此数据在快速的增长,到了2015年,全球数据的存储量便达到了8.61ZB,而且此数据的增长只会越来越迅速。大量的数据存储需求便使得存储系统的规模也越来越大,现代数据中心中存储节点的规模多大几十万个,规模较小的也达到了几万个。
随着存储规模的不断增大,存储系统所面临的问题也就越来越多。经过数年的研究和发展,目前数据存储系统的效率和可靠性上得到了长足的进步,但是对于存储数据的能耗并没有得到充分的关注。然而,在某些特定场景下,存储的能耗问题将会是整个存储系统的关键点,节约能源已经成为各种设计必须考虑的因素。大规模存储和低能耗这两点之间存在着矛盾,大规模存储必然需要大量的硬盘,而开启大量的硬盘会造成功率增大,从而增加能源消耗。本设计旨在解决上述矛盾,使得大规模硬盘既可以满足数据大量存储的需求,又可以人为控制硬盘的通断降低存储系统的能耗。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种大规模硬盘组存储系统低能耗管理方法及其装置。能够大幅度提升信息的存储量,合理的利用硬盘资源,同时根据实际需要,通过对硬盘的控制,降低硬盘在工作时候所带来大量不必要的能源消耗,以此实现对能源的节约。而在能源有限的地区,或者对能源要求比较高的地区本发明尤为适合。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种大规模硬盘组低能耗管理方法,包括中央控制单元、通信单元、多个移位寄存器扩展单元和多个硬盘开关执行单元;
通信单元,接收上位机传过来的数据,并将数据传送给中央控制单元;
中央控制单元,对上位机的数据进行处理,解析出需要控制的硬盘电源的通断控制要求,并根据解析出的控制要求生成对硬盘开关执行单元的控制指令,并将控制指令存入至相应的移位寄存器扩展单元中;
移位寄存器扩展单元,在中央控制单元的控制下将中央控制单元存入的控制指令发送给相应的硬盘开关执行单元;
硬盘开关执行单元,根据接收到的控制指令控制相应的硬盘电源的通断状态。
一种大规模硬盘组低能耗管理系统,包括中央控制单元、通信单元、移位寄存器扩展单元和硬盘开关执行单元;
通信单元与中央控制单元连接,用于接收上位机传过来的数据,并将数据传送给中央控制单元;
中央控制单元连接多个移位寄存器扩展单元,每个移位寄存器扩展单元包括四个级联的移位寄存器,每个移位寄存器连接4个硬盘开关执行单元;
每个硬盘开关执行单元包括一个驱动芯片,每个驱动芯片连接4个继电器,4个继电器分别设置在单个硬盘的四条电源线(12伏正、5伏正电源线和两根地线)上,以控制线路的通断状态。
在上述技术方案中,中央控制单元采用的控制器是国产芯片STC90C58RD+。
在上述技术方案中,通信单元采用的通信方式是USB通信,采用的USB通信主控芯片为南京沁恒电子设计和生产的CH372 USB总线芯片。
在上述技术方案中,驱动芯片的型号为SN55451。
在上述技术方案中,移位寄存器的型号为74HC595。
在上述技术方案中,所有的移位寄存器的移位脉冲和数据输出脉冲各使同一个脉冲信号,即所有的移位脉冲信号占中央控制单元的一个输出口,所有的数据输出脉冲信号占中央控制单元的一个输出口;而每个移位寄存器的数据输入端分别一一各自占中央控制单元的一个输出口。
在上述技术方案中,中央控制单元和每个移位寄存器扩展单元之间是使用一个十针的双排牛角座连接的,这十个引脚被分为五组,每组两个引脚互为备份,这十个引脚共连接五条线,分别有电源线、地线、数据输入线、移位脉冲线和数据输出脉冲线。
本发明的优点和有益效果为:
近年来,随着大数据技术的兴起,关于数据存储的研究也越来越引起人们的关注。但是目前的研究主要集中在存储的可靠性和效率方面,而关于存储数据的能耗的研究并没有得到充分的关注。然而,在某些特定场景下,存储的能耗问题将会是整个存储系统的关键点,节约能源已经成为各种设计必须考虑的因素之一。本发明就是从能源的角度去对存储系统的能源控制方面进行研究,并提出一个有效可行的能源控制方案。
在大规模的硬盘组中,并不是每次读写操作都会涉及到所有的硬盘,本发明可以通过侦测需要用到哪些硬盘,将这部分硬盘的电源打开,关闭不需要用到的硬盘的电源,以此来降低系统的功率,节约能源。
本发明的硬件控制系统逻辑上主要有四个单元组成:中央控制单元、通信单元、移位寄存器扩展单元和硬盘开关执行单元,这四个单元各自相对独立分工明确,且他们之间进行着有效的数据传输。通信单元主要负责接收上位机传过来的数据,并将数据传送给数据处理部分;数据处理部分主要将通信单元传过来的数据进行处理,并且将处理好的数据发送给移位寄存器扩展单元,移位寄存器扩展单元主要用于扩展控制部分的输出端口,以增加控制的硬盘的数量,移位寄存器扩展单元向硬盘开关执行单元发出相应动作的指令;硬盘开关执行单元负责接执行数据处理部分发出的命令,最终接通或者断开指定的硬盘电源。
附图说明
图1.1是总体电路图。
图1.2是总体电路图。
图2是通信单元电路图。
图3是移位寄存器模块的电路图。
图4是十针的双排牛角座的接口定义图。
图5是硬盘开关执行单元电路图。
对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例一
一种大规模硬盘组低能耗管理方法,包括中央控制单元、通信单元、移位寄存器扩展单元和硬盘开关执行单元;
通信单元,接收上位机传过来的数据(需要控制哪一块硬盘开启或者关闭的数据),并将数据传送给中央控制单元;
中央控制单元,对上位机的数据进行处理,解析出需要控制的硬盘电源的通断控制要求,并根据解析出的控制要求生成对硬盘开关执行单元的控制指令,并将控制指令存入至相应的移位寄存器扩展单元中;
移位寄存器扩展单元,在中央控制单元的控制下将中央控制单元存入的控制指令发送给相应的硬盘开关执行单元;
硬盘开关执行单元,根据接收到的控制指令控制相应的硬盘电源的通断状态。
实施例二
一种大规模硬盘组低能耗管理系统,包括中央控制单元、通信单元、移位寄存器扩展单元和硬盘开关执行单元;
通信单元与中央控制单元连接,用于接收上位机传过来的数据,并将数据传送给中央控制单元;
中央控制单元连接多个移位寄存器扩展单元,每个移位寄存器扩展单元包括四个级联的移位寄存器,每个移位寄存器连接4个硬盘开关执行单元;
每个硬盘开关执行单元包括一个驱动芯片,每个驱动芯片连接4个继电器,4个继电器分别设置在单个硬盘的四条电源线(12伏正、5伏正电源线和两根地线)上,以控制线路的通断状态。
下面结合附图,具体说明一下各个单元之间的具体电路连接关系:
参见附图1.1-1.2,所述中央控制单元采用的控制器是国产芯片STC90C58RD+,由于是国产,其价格相对较低,其内存为1280字节、ROM为32K、EEPROM为29K,其中1280字节的RAM分为256字节的片内RAM和1024字节的扩展RAM,系统所使用的时钟主频是11.0592兆,该芯片具有价格便宜、功耗较低、抗干扰性比较强的特点,且其指令集和8051系列的指令集完全兼容,可以满足本设计中对数据处理的要求。从图中可以看到,STC90C58RD+的P1端口8个数据线与通信单元的USB通信芯片CH372相连接,STC90C58RD+从P1口读入数据,并存入内存中,向上位机返回的数据也是通过P1口写出的;,STC90C58RD+的P3都的P3.2、P3.4、P3.5、P3.6也分别于USB通信芯片CH372的INT、A0、WR、RD端口相连接,用于操控USB通信芯片CH372的动作;XTAL1和XTAL2端口之间连接频率为11.0592兆的晶振,并且两端经过35pF的电容后接地,向系统提供稳定可靠的时钟信号;STC90C58RD+的P0端口和P2端口的P2.1和P2.2用以连接下一级的开关部分中的移位寄存器,其中,P0的八个端口分别与连接八个接口的移位寄存器的数据输入引脚相连接,用来向移位寄存器传入数据;而这八个接口是共用一个移位脉冲信号和输出脉冲信号的,以此来节省中央控制单元输入输出口的占用,其中P2.1端口用来连接移位寄存器的移位脉冲信号输入端口,P2.2用来连接移位寄存器的输出脉冲信号的输入端口;在电路图中每个输出线路都添加了上拉电阻,以保证驱动能力和稳定性。
通信单元是系统中上位机和下位机(即中央控制单元)连接的枢纽,是数据传输的关键部分。通信单元具体采用的通信方式是USB通信,采用的USB通信主控芯片为南京沁恒电子设计和生产的CH372 USB总线芯片,其功能强大且内置USB协议,配置和使用非常简单,性能也非常好。CH372芯片可以工作在内置模式和外置模式两种模式下,内置模式下,CH372芯片的默认端点是端点0,它会自动处理来自此端点的全部事务,因此通信程序写起来也是非常简洁明了的。CH372芯片中几个重要的引脚是数据D0~D7、读RD、写WR、片选CS、地址A0以及中断INT,其中,CS是芯片的选通信号,当CS为低电平时,芯片被选中开始工作,当CS为高电平时,芯片不工作;在设计中,由于只用到一个CH372芯片,因此不需要在多个之间进行选择,因此直接将此片选信号接到了地端,即一直有效;A0用于指示中央控制单元传入CH372的数据是命令还是数据,当A0为低电平时,表示输入的是数据,当A0位高电平时,表示传入的是命令;RD和WR是组合使用的,在中央控制单元不需要读写是,两者都是高电平;当中央控制单元需要读数据的时候,需要首先将A0设为低电平,同时RD设为低电平,WR设为高电平,然后通过8位数据线读出数据并保存,之后再将RD恢复为高电平;当中央控制单元需要写数据或者命令时,需要首先设置A0的状态,A0为低电平是表示写入数据、为高电平时表示写入命令,同时RD设为高电平,WR设为低电平,然后通过8位数据线写入命令或者数据,之后再将WR和A0恢复为高电平。参见附图2,在本设计的设计中,将CH372芯片的8个数据引脚接到中央控制单元的P1端口中,用于中央控制单元通过USB读写数据;另外,CH372芯片的A0、WR、RD这三个引脚分别接到中央控制单元的P3.4、P3.5、P3.6这三个端口上,用于设置CH372芯片的状态,CH372芯片的INT引脚接到中央控制单元的INT0(P3.2)端口上,用于触发中断传输;CH372芯片的GND和CS共同接地,使CH372芯片一直处于工作状态,Vin端(电源正极输入端)与电路图中的V5端连接,为芯片提供5伏的电源。
所述移位寄存器扩展单元用于实现中央控制单元的输出口扩展,以便实现对更多的硬盘开关执行单元的指定控制。使用移位寄存器来进行输出口的扩展,该方案的实质是一种串行数据转换为并行数据的方法,一个移位寄存器通过一个数据输入端、一个移位脉冲输入端和一个输出脉冲输入端这三个便可以向移位寄存器中设置数据,并在设置完成后输出。在我们的设计中,我们最终使用的是移位寄存器的输出端来控制硬盘开关执行单元,而不是直接通过中央控制单元的输出口控制的,也可以说我们把寄存器的输出口扩展为了中央控制单元的输出口。这样,中央控制单元的三个输出口用于连接寄存器的数据输入、移位脉冲输入、数据输出脉冲输入这三个端口,便可以扩展出8个输出口来。这样扩展还是不能满足我们的需求,因此我们选用了74HC595移位寄存器,该寄存器一个重要优势就是它可以进行级联,因此我们可以用中央控制单元的三个端口扩展出很多输出口,每级联一个就多扩展出8个输出口,但是由于驱动能力等原因,一般级联的级数不超过四到五个,因此我们的标准的设计是级联四个移位寄存器,这便将中央控制单元的三个输出口扩展成了32个输出口(即,级联四个移位寄存器,每个移位寄存器具有8个输出口)。按照以上这样的方案,如果我们要需要至少256个输出口,便需要在控制部分设计八个这样的接口(即8*32),那么八个这样的接口共需要中央控制单元的24个输出口,这仍然超过了中央控制单元可以提供的输出口数量。对此,进行了进一步的优化:通过分析得知每个74HC595移位寄存器芯片的数据输入端的数据是不一样的,但每个74HC595芯片的移位脉冲输入端和数据输出脉冲输入端的信号却是相同的,因此可以将所有的74HC595芯片的移位脉冲和数据输出脉冲各使同一个脉冲信号,即所有的移位脉冲信号占中央控制单元的一个输出口,所有的数据输出脉冲信号占中央控制单元的一个输出口,而每个移位寄存器的数据输入端分别一一各自占中央控制单元的一个输出口,因此八个连接移位寄存器(每个移位寄存器级联四个,则正好是256个输出口)的接口总共只占用了10个中央控制单元输出口。
进一步的说,移位寄存器的QH’引脚是用以级联下一级移位寄存器的引脚,将其与输出接口的数据线引脚(3号和4号引脚)连接。移位寄存器的使能端OE设计了一个RC复位电路,从而使刚上电时芯片的OE为高电平,使移位寄存器的输出引脚呈高阻态,以便在这段时间里对移位寄存器进行初始化操作(移位寄存器的所有位都置1),移位寄存器的8个输出端分为每相邻的两个一组,共四组,分别与四个硬盘开关执行单元连接(即每组各自连接一个硬盘开关执行单元),控制执行单元的动作。附图3移位寄存器模块的电路图。
进一步的说,中央控制单元和每个移位寄存器扩展单元之间是使用一个十针的双排牛角座DIP10连接的,这十个引脚被分为五组,每组两个引脚互为备份,以提高数据传输的可靠性。这十个引脚共连接五条线,分别有电源线、地线、数据输入线、移位脉冲线和数据输出脉冲线,具体分布如附图4所示,图中,1号和2号引脚连接的GND指的是地线,3号和4号引脚连接的DATA指的是移位寄存器中的数据输入线,5号和6号引脚连接的RCLK指的是移位寄存器中的数据输出脉冲线,7号和8号引脚连接的SRCLK指的是移位寄存器中的移位脉冲线,9号和10号引脚连接的VCC指的是电源线,电源线和地线分列两端是为了避免两者无接触造成短路的可能性。
所述硬盘开关执行单元是中央控制模块发出的开关指令的执行机构。由于每个硬盘都有四条电源线,分别是12伏正、5伏正电源线和两根地线,控制硬盘电源的通断,应该将这四条线同时接通或者关断,因此每个硬盘开关执行单元需要包括四个继电器,通过四个继电器控制四条线同时接通或者关断;要使这四个继电器同时动作,移位寄存器的驱动能力显然是不够的,因而每个硬盘开关执行单元都添加了一个驱动芯片SN55451,该芯片实际上是一个双路的与门芯片,我们通过将与门输入的一端(1A引脚和2A引脚)接高电平,这样便可以通过另一端接移位寄存器数据输出端口来控制此芯片的输出,当输入端为高时则输出为高,输入端为低时则输出为低。SN55451可以流过的电流最大达到了300mA,完全可以驱动四个继电器(每个继电器需要的驱动电流最大不超过30mA)。此外,每个硬盘接口都有两个硬盘指示灯,一个称为状态指示灯(图5中LED1),用于指示硬盘的工作状态,它与四个继电器并联,随着硬盘的开关状态而自动亮灭;另一个称为位置指示灯(图5中LED2),用于指示硬盘的位置,这两个指示灯分别接在驱动芯片SN55451的两路上,通过相邻的两个移位寄存器输出口分别控制,附图5是硬盘开关电源模块的电路图。
以上对本发明做了示例性的描述,应该说明的是,在不脱离本发明的核心的情况下,任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种大规模硬盘组低能耗管理方法,其特征在于:包括中央控制单元、通信单元、多个移位寄存器扩展单元和多个硬盘开关执行单元;
通信单元,接收上位机传过来的数据,并将数据传送给中央控制单元;
中央控制单元,对上位机的数据进行处理,解析出需要控制的硬盘电源的通断控制要求,并根据解析出的控制要求生成对硬盘开关执行单元的控制指令,并将控制指令存入至相应的移位寄存器扩展单元中;
移位寄存器扩展单元,在中央控制单元的控制下将中央控制单元存入的控制指令发送给相应的硬盘开关执行单元;
硬盘开关执行单元,根据接收到的控制指令控制相应的硬盘电源的通断状态。
2.一种大规模硬盘组低能耗管理系统,其特征在于:包括中央控制单元、通信单元、移位寄存器扩展单元和硬盘开关执行单元;
通信单元与中央控制单元连接,用于接收上位机传过来的数据,并将数据传送给中央控制单元;
中央控制单元连接多个移位寄存器扩展单元,每个移位寄存器扩展单元包括四个级联的移位寄存器,每个移位寄存器连接4个硬盘开关执行单元;
每个硬盘开关执行单元包括一个驱动芯片,每个驱动芯片连接4个继电器,4个继电器分别设置在单个硬盘的四条电源线上,以控制线路的通断状态。
3.根据权利要求2所述的大规模硬盘组低能耗管理系统,其特征在于:中央控制单元采用的控制器是国产芯片STC90C58RD+。
4.根据权利要求2所述的大规模硬盘组低能耗管理系统,其特征在于:通信单元采用的通信方式是USB通信,采用的USB通信主控芯片为南京沁恒电子设计和生产的CH372 USB总线芯片。
5.根据权利要求2所述的大规模硬盘组低能耗管理系统,其特征在于:驱动芯片的型号为SN55451。
6.根据权利要求2所述的大规模硬盘组低能耗管理系统,其特征在于:移位寄存器的型号为74HC595。
7.根据权利要求2所述的大规模硬盘组低能耗管理系统,其特征在于:所有的移位寄存器的移位脉冲和数据输出脉冲各使同一个脉冲信号,即所有的移位脉冲信号占中央控制单元的一个输出口,所有的数据输出脉冲信号占中央控制单元的一个输出口;而每个移位寄存器的数据输入端分别一一各自占中央控制单元的一个输出口。
8.根据权利要求2所述的大规模硬盘组低能耗管理系统,其特征在于:中央控制单元和每个移位寄存器扩展单元之间是使用一个十针的双排牛角座连接的,这十个引脚被分为五组,每组两个引脚互为备份,这十个引脚共连接五条线,分别有电源线、地线、数据输入线、移位脉冲线和数据输出脉冲线。
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