[发明专利]用于降低硬盘功耗的数据缓冲区实现方法

说明书

技术领域

本发明适用于计算机存储系统中，利用数据缓冲区对硬盘数据进行缓存，在多任务环境下通过缓冲区结构的创新设计降低硬盘平均功耗。

背景技术

在计算机系统中，缓冲区(Buffer)是一个应用十分广泛的技术手段。缓冲区指用于存储速度不同步的设备或优先级不同的设备之间传输数据的区域。因此，传统的缓冲区是为提高性能而设计。

在计算机系统中，硬盘设备的功耗较高。出于节约能量的考虑，一般来说，硬盘都具有多种功耗状态。当硬盘空闲时则可进入低功耗状态以节约能量。硬盘在进出低功耗状态时会产生能量损失，因此只有当硬盘的空闲时间较长时进入低功耗状态才能真正节约能量。

利用缓冲区可以对硬盘进行数据预读(Prefetch)，即每次将大量数据从硬盘读取至缓冲区。因此，在每次预读之间硬盘都会产生较长的空闲时间，即使考虑缓冲区本身的功耗，在这段较长的时间内使硬盘进入低功耗状态也能节约相当可观的能量。这样一来，缓冲区技术便可被用以降低硬盘的平均功耗。

利用该技术降低硬盘功耗的前提是对数据进行顺序访问。然而在多任务环境中，实际系统的数据访问并不可能以单纯的顺序方式进行：①由于任务调度的影响，多任务的访问是交错进行的；②对单个任务而言，任务有可能对硬盘数据段进行随机访问：每次访问从数据段中某个随机的位置开始，并连续访问之后的一段数据。由于现有缓冲区技术并不保留各任务预读的内容，因此上述因素的存在使得缓冲区的内容将被频繁更替，造成大量的硬盘访问，从而大大缩短了空闲时间，使硬盘的功耗无法得到降低。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种用于降低硬盘功耗的数据缓冲区设计方法。在多任务环境下通过对缓冲区进行分块，使各任务可以在由缓冲区块组成的不同分组中保留各自从硬盘预读的数据内容，使从硬盘读取的预读数据不会由于任务的切换而频繁换出，具有延长硬盘空闲时间，从而降低能耗的效果。

技术方案：为了在多任务环境下通过缓冲区降低硬盘的功耗，应使各任务预读的数据能够得以重用，以避免对硬盘的频繁访问。本发明将缓冲区划分为块，在运行时对缓冲区块进行分组，使各任务在不同的分组中保留各自的预读内容。按照数据访问的情况对缓冲区块进行状态标记，替换算法根据此标记选择合适的块进行替换。

本发明用于降低硬盘功耗的缓冲区实现方法具体为：缓冲区包括分块的数据缓冲区、缓冲区管理模块，分块的数据缓冲区将数据传送给缓冲区管理模块，缓冲区管理模块通过硬件设备驱动模块将状态控制与数据访问命令传送给硬盘，硬盘再将数据传送给分块的数据缓冲区，实现用于降低硬盘功耗的缓冲区。

所述的分块的数据缓冲区为：在存储器内开辟固定大小的区域作为数据缓冲区，大小为D字节；将数据缓冲区分为固定的块数N，每块的大小相等，为S字节，D＝S×N；初始时各块中无数据，通过链表(清华大学出版社《C程序设计》，谭浩强著)L1相连，链表L1的每个结构体中具有两个成员，第一个存放缓冲区块编号1～N，第二个存放下一个缓冲区块在内存中的首地址。

缓冲区管理模块为：设有M个任务，任务通过调用硬盘驱动提供的接口函数FD获取所需数据；缓冲区管理模块给出与硬盘驱动接口函数FD具有同名、同参数与同返回值的函数FM，在任务代码中将硬盘接口函数FD替换为缓冲区管理模块提供的函数FM；函数FM实现如下：从任务对硬盘数据访问的请求首地址开始，从硬盘预读出长度为S×N/M字节数据，并通过替换算法R从所有缓冲区块中选择用于存放该数据的缓冲区块；将这些缓冲区块通过链表L2进行连接，连接后的缓冲区块称为分组，即将属于不同任务的缓冲区块各自通过链表L2进行连接；任务调用函数FM对硬盘进行数据读取时，若数据已存在于缓冲区块中，缓冲区管理模块通过链表L2在各缓冲区块中查找数据并送达发起请求的任务；当每次预读完毕后缓冲区管理模块向硬盘发出命令使其进入低功耗模式。

所述的替换算法R为：