一种可重构计算存储融合闪存控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种可重构计算存储融合闪存控制系统，包括主机接口和闪存介质接口，嵌入式处理器、缓存和存储控制器，片内FLASH，NVSRAM，嵌入式FPGA，各硬件模块挂载在内部总线上，通过内部总线进行通信。嵌入式FPGA，用于计算任务的硬件加速，通过在软件环境下生成比特流文件和重烧录，改变嵌入式FPGA的内部结构、布局布线，实现不同的功能，实现可重构的硬件加速功能。本发明专利技术解决了计算与存储分离带来的带宽墙、功耗高问题，以及芯片流片功能固化的技术问题，具有可编程、设计灵活、可在线升级和二次开发等优点，可以实现存储内的计算，减少数据移动，降低功耗；芯片硬件可重构，支持实现不同的功能。

【技术实现步骤摘要】
一种可重构计算存储融合闪存控制系统
本专利技术属于计算机体系结构领域，涉及到可实现存储上计算(processinginstorage)和功能可重构的闪存控制系统,具体涉及一种可重构计算存储融合闪存控制系统。
技术介绍
在计算机的硬件发展历史中，主流的观点认为计算系统性能受限于计算能力，因而在计算方面投入大量研究，发展迅速。在过去的20多年，处理器的性能以每年大约55％的速度提升，而内存处理速度以及存储器的接口带宽每年提升的速度约为12％。不均衡的发展速度导致内存处理速度、接口带宽滞后于处理器的计算速度，遭遇所谓的内存墙、带宽墙问题。在大数据时代，高性能计算意味着海量的数据搬移。据统计，数据在存储器和处理器之间搬移所耗费的功耗，约占全部计算过程功耗的50％以上。计算与存储分离的计算架构，导致处理器空转，有一部分时间在等待数据以及计算功耗很高。作为存储载体的固态硬盘，采用固态电子存储技术，由存储控制器和存储介质单元构成。存储介质一般指flash闪存芯片，具有高密度、非易失、低成本等优点。存储控制器是固态硬盘的主控单元，是颗高度集成的SoC芯片，集成嵌入式处理器、DDR控制器、高速接口、缓存、闪存等模块。嵌入式处理器用于运行保存在闪存上的固件程序，执行与主机设备(如电脑)的通信、闪存介质的通信，以及完成地址映射、坏块管理、磨损平衡、垃圾回收、IO调度、缓存管理等多种任务。存储控制器内的多个模块通过AXI(AdvancedeXtensibleInterface，高级扩展接口)总线连接。芯片在晶圆代工厂流片，功能发生固化，不能再更改，固态硬盘主控SoC芯片也是如此。但是市场的需求往往多样的且不断变化。比如，对于固态硬盘主控SoC芯片，一些客户希望支持高级加密标准AES的加密功能，一些客户希望支持国密标准SM1；还有一些客户，他们希望在芯片内部集成比较器，支持某些字段的搜索比较功能；还有一些客户，他们希望对检索到的数据进行排序，而这个排序最好能在主控内部完成。如何解决芯片设计功能固化与市场需求多样化之间的矛盾是一个十分有价值的工程问题。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提出一种可重构计算存储融合闪存控制系统，具体技术方案如下：一种可重构计算存储融合闪存控制系统，包括主机接口和闪存介质接口，嵌入式处理器、缓存和存储控制器，片内FLASH，NVSRAM，嵌入式FPGA，其中各硬件模块挂载在内部总线上，并通过内部总线进行通信；所述主机接口和闪存介质接口，分别用于实现与主机的通信、与闪存介质的通信；所述嵌入式处理器与缓存用于执行接口协议转换、闪存固件算法以及控制任务，所述存储控制器用于实现片外RAM存储资源的读写控制；所述片内FLASH，用于实现固件程序的存储；所述NVSRAM，用于无需电池即可提供可靠的非易失数据存储功能；所述嵌入式FPGA，用于计算任务的硬件加速，通过在软件环境下生成比特流文件和重烧录，改变嵌入式FPGA的内部结构、布局布线，实现可重构的硬件加速功能。主机接口采用PCIe+NVMe协议接口或SATA协议接口或PCIe+SCSI协议接口或PCIe+iSCSI接口中的任一种，闪存介质接口采用ONFi协议接口或Toggle协议接口中的任一种；嵌入式FPGA实现的功能为压缩算法、数据结构中的外排序算法，或者数据库系统的扫描、聚合、分组处理，实现过程为先在软件环境下，开发、编译生成算法的硬件描述语言比特流文件，再通过JTAG下载线下载至芯片内部的嵌入式FPGA核，通过改变嵌入式FPGA核的布局布线，实现软件算法的硬件加速功能。本专利技术在硬件上具有以下模块：1.主机接口和闪存介质接口，分别用于实现与主机的通信、与闪存介质的通信；2.嵌入式处理器、缓存和存储控制器，处理器与缓存用于执行接口协议转换、闪存固件算法以及控制等任务，存储控制器用于实现片外RAM存储资源的读写控制；3.片内FLASH，用于实现固件程序的存储，FLASH的非易失性，保证固态硬盘即使下电，程序仍然保存在芯片内，而不必每次上电后烧录固件程序；4.NVSRAM，用于无需电池即可提供可靠的非易失数据存储功能。掉电时，数据会自动从SRAM传输到非易失性单元。供电恢复后，数据可从非易失性单元恢复到SRAM；5.嵌入式可编程逻辑门阵列(eFPGA)，用于计算任务的硬件加速，通过在软件环境下生成比特流文件和重烧录，改变eFPGA的内部结构、布局布线，实现不同的功能，实现可重构的硬件加速功能。以上硬件模块挂载在内部总线上，并通过内部总线进行通信。本专利技术通过在闪存控制器SoC内部总线挂载嵌入式可编程逻辑门阵列(eFPGA)实现了存储内的计算和计算功能的可重构，其关键技术是存储上的计算技术以及可重构技术，保护的重点是一种可重构的计算存储融合闪存控制器系统架构。解决了计算与存储分离带来的带宽墙、功耗高问题，以及芯片流片功能固化的技术问题。本专利技术具有可编程、设计灵活、可在线升级和二次开发等优点。具有的有益效果有：实现存储内的计算，减少数据移动，降低功耗；芯片硬件可重构，支持实现不同的功能。附图说明图1为本专利技术一种可重构计算存储融合闪存控制系统架构示意图；图2为eFPGA与嵌入式CPU的总线互联关系示意图；图3为采用eFPGA实现AES算法的系统架构示意图。具体实施方式为了更加清楚明白理解本专利技术的目的、技术方案和优点，下面结合实施例和附图，对本专利技术作进一步的详细说明，本专利技术的示意性实施方式及其说明仅用于解释本专利技术，并不作为对本专利技术的限定。本实施例中，主机接口采用PCIe+NVMe协议。NVMe是非易失性存储主机控制器接口规范，基于设备逻辑接口的总线传输协议规范，能充分利用PCIe通道的低延时以及并行性。NVMe协议报文通过PCIe协议封装成PCIe总线报文进行传输。固态硬盘控制器PCIe接口作为高速串行传输模块，实现与主机的高速数据传输。闪存介质接口采用ONFi协议接口。ONFi是由因特尔、美光、海力士等创建的非易失性闪存接口标准。通过ONFi闪存介质接口，固态硬盘控制器实现对闪存介质的读写操作。嵌入式处理器采用ARM的嵌入式CPU内核，800MHz主频，集成1MB的双端口SRAM作为缓存。ARM处理器完成以下功能：1)接口协议报文转换，实现NVMe协议报文与PCIe协议报文的封装与拆解；2)固件算法，固件程序保存在片内的Flash资源。运行的固件算法有逻辑地址到物理地址转换的文件传输层(FTL)，磨损均衡算法，垃圾回收算法，坏块管理，IO调度等。这些算法采用软件编程语言实现，在主机端编译成功后，通过专有接口加载到闪存控制器内的Flash。片内的DRAM控制器实现对片外DRAM存储资源的读写控制。在本实施例中，DRAM大小为4GB，用于嵌入式处理器在进行数据处理时的缓存管理。eFPGA是一个可重构的硬件电路，挂载在AXI总线，eFPGA与AXI总线的通信通道分为控制通道和数据通道，如图2。控制通道通过APB外围总线进行寄存器的访问控制。APB总线只有一个主模块，就是图2的AXI-APB桥，实现AXI与APB总线的转换。数据通道通过AXI4总线实现CPU与eFPGA之间的通信，并且由DMA控制eFPGA的数据传输任务。当eFPGA要与主存RAM进行大量数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可重构计算存储融合闪存控制系统，包括主机接口和闪存介质接口，嵌入式处理器、缓存和存储控制器，片内FLASH，NVSRAM，其特征在于，包括：嵌入式FPGA，其中各硬件模块挂载在内部总线上，并通过内部总线进行通信；所述主机接口和闪存介质接口，分别用于实现与主机的通信、与闪存介质的通信；所述嵌入式处理器与缓存用于执行接口协议转换、闪存固件算法以及控制任务，所述存储控制器用于实现片外RAM存储资源的读写控制；所述片内FLASH，用于实现固件程序的存储；所述NVSRAM，用于无需电池即可提供可靠的非易失数据存储功能；所述嵌入式FPGA，用于计算任务的硬件加速，通过在软件环境下生成比特流文件和重烧录，改变嵌入式FPGA的内部结构、布局布线，实现可重构的硬件加速功能。

【技术特征摘要】
1.一种可重构计算存储融合闪存控制系统，包括主机接口和闪存介质接口，嵌入式处理器、缓存和存储控制器，片内FLASH，NVSRAM，其特征在于，包括：嵌入式FPGA，其中各硬件模块挂载在内部总线上，并通过内部总线进行通信；所述主机接口和闪存介质接口，分别用于实现与主机的通信、与闪存介质的通信；所述嵌入式处理器与缓存用于执行接口协议转换、闪存固件算法以及控制任务，所述存储控制器用于实现片外RAM存储资源的读写控制；所述片内FLASH，用于实现固件程序的存储；所述NVSRAM，用于无需电池即可提供可靠的非易失数据存储功能；所述嵌入式FPGA，用于计算任务的硬件加速，通过在软件环境下生成比特流文件和重烧录，改变嵌入式F...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱赐云，王雨雷，吴佳，陈佳，
申请(专利权)人：上海威固信息技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31