CN1770087A - 使用外部存储器设备来改进系统性能 - Google Patents

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Abstract

本发明针对利用外部存储器设备来高速缓存来自旋转式存储设备(例如，硬盘驱动器)的扇区以改进系统性能的系统和方法。当外部存储器设备(EMD)被插入到计算设备或其中连接计算设备的网络上时，系统识别EMD并使用磁盘扇区来填充EMD。系统将定向到磁盘扇区的I/O读请求路由给EMD高速缓存而非实际的磁盘扇区。EMD的使用以向计算设备添加存储器成本的一小部分增加了计算设备系统的性能和生产率。

Description

使用外部存储器设备来改进系统性能
技术领域
本发明一般涉及计算机系统，尤其涉及改进计算机系统的性能。
背景技术
诸如个人计算机、游戏控制台、智能电话机计算设备通常使用耗时的过程来将由应用程序使用的页装载和高速缓存至存储器。这些页通常存储在诸如磁硬盘等旋转式非易失性介质(例如，硬盘驱动器)上。然而，设备的处理器仅执行来自于诸如DRAM或某些其它类型的易失性电子存储器等可寻址存储器的指令。在计算设备中使用的操作系统将由应用程序使用的页高速缓存至存储器，使得应用程序不必频繁地从旋转式介质中装载页。
对来自于硬盘驱动器的页的传输是缓慢的，尤其是当应用程序装载一个大文件的时候。这对将计算机系统从休眠模式中恢复也是普遍的。传输时间中的重要因素是由于磁盘驱动器的自旋到位的速度。以相对较慢的RPM自旋的相对较小的磁盘需要5至6秒来自旋到位而可被使用。诸如多盘设备等较大的磁盘以及以较快RPM自旋的磁盘需要10至12秒甚至更多时间来自旋到位。
随着应用程序在大小上增长以包括安全性修补且变得更可靠，该问题恶化了。这些应用程序通常需要更多的存储器以便在不需连续不断地将数据传输到旋转式存储介质和从旋转式存储介质中传输数据的情况下操作。然而，升级机器的存储器通常对公司和终端用户太过昂贵，或者是超出个别用户的技能程度的。尽管存储器本身的成本是低廉的，但是涉及到物理地打开每台机器并添加RAM的劳动量和停机时间可能花费几百美元。
升级机器的存储器太过昂贵的另一个问题是在系统需要偶尔执行比常规应用程序更大且更复杂的应用程序的时候。例如，公司的会计人员可能需要一个月运行合并应用程序几次。更大且更复杂的应用程序需要更多的存储器来有效地运行。尽管存储器本身的成本是低廉的，但是涉及到物理地打开每台机器并添加RAM的劳动量和停机时间可能花费几百美元。该成本对于用于几次运行应用程序的额外存储器可能不是合适的。
发明内容
本发明针对一种改进的存储器管理体系结构，它提供了一种利用外部存储器(易失性或非易失性)设备来高速缓存来自硬盘(即，磁盘扇区)和/或较慢的存储器组件的扇区以改进系统性能的系统、方法和机制。当外部存储器设备(EMD)被插入至计算设备或其中连接计算设备的网络上时，系统识别该EMD并使用磁盘扇区和/或存储器扇区来填充EMD。系统将定向到扇区的I/O读请求路由到EMD高速缓存而非实际的扇区。如果EMD被连接至USB2局部总线，则访问时间可以比从硬盘中读取快20倍。对EMD的使用以向计算设备添加存储器的成本的一小部分提高了计算设备系统的性能和生产率。另外，诸如Xbox等消费者设备可以使用EMD的存储器来运行更丰富的软件。
系统检测何时对于该计算设备第一次使用EMD。检测EMD的类型并安装用于在EMD上高速缓存磁盘扇区的驱动程序。该驱动程序使用EMD作为异步高速缓存，从而高速缓存了来自系统上的任何磁盘和/或较慢的存储器设备的扇区。如果没有关于在频繁访问方面哪些扇区更有价值的先验知识，系统可以使用计算机器上的数据来确定使用哪些扇区来填充EMD高速缓存。或者，当在操作期间访问一特定扇区时，系统使用该特定扇区来填充EMD高速缓存。当下一次要访问该特定扇区用于读操作时，系统指示读操作访问来自EMD的副本。
系统可以跟踪使用模式并确定哪些磁盘扇区是最频繁访问的。在对EMD的后续使用中，系统将那些最频繁被访问的扇区高速缓存至EMD。如果当计算设备通电时EMD存在，那么可以使用操作系统启动过程中的数据来重新填充EMD。
当参考附图开始阅读以下说明性实施例的详细描述时，本发明的另外的特征和优点会变得显而易见。
附图说明
尽管所附权利要求书使用特性描述了本发明的特征，但是本发明及其目标和优点可以结合附图从以下具体实施方式中得到最好的理解，附图中：
图1是概括地示出其上驻留本发明的示例性计算机系统的框图；
图2是示出根据本发明的一个方面的存储器管理体系结构的框图；以及
图3a-3b是概括地示出本发明在使用外部存储器设备来改进系统性能时所采取的步骤的流程图。
具体实施方式
本发明针对一种改进的存储器管理体系结构，该体系结构提供了一种使用外部存储器(易失性或非易失性)设备来高速缓存来自硬盘的扇区(即，磁盘扇区)或来自较慢存储器设备的扇区以改进系统性能的系统、方法和机制。例如，众多种类的便携式计算设备不含有硬盘驱动器或旋转式介质存储设备，但是仍实现分层存储器体系结构。这些便携式计算设备会从本发明中大大获益，因为本发明允许这些设备在办公室内执行更大且更复杂的企业应用程序。随着802.11n的出现，200-500Mb无线连接可以对任何无线设备可用，且对外部存储器设备和/或基于存储器服务器的网络的使用会改进系统性能。
外部存储器用于高速缓存来自在访问数据方面一般较慢的设备的数据，使得对由应用程序/操作系统所使用的数据的访问时间可以更快，从而改进性能。对在其中添加实际RAM太过昂贵的较老的计算设备，使用外部存储器设备会以该成本的一小部分来增加该较老设备的性能和生产率，并使得用户能够在现有硬件上获取对较新的软件应用程序的可靠性、安全性和生产率的改进。例如，诸如Xbox等消费者设备通过以改进的图形和性能运行更丰富的软件来获益。另外，对该目的所需的存储器数量可能大大少于将系统更新至给定水平所需的存储器的数量。
转向附图，本发明被示为在合适的计算环境中实现，附图中，同样的参考标号指的是同样的元素。尽管不是必需的，但本发明可在诸如由个人计算机执行的程序模块等计算机可执行指令的通用语境中描述。一般而言，程序模块包括例程、程序、对象、组件、数据结构等，它们执行特定任务或实现特定抽象数据类型。此外，本领域的技术人员可以理解，本发明可以使用其它计算机系统配置来实现，包括手持式设备、多处理器系统、基于微处理器或可编程消费者电子产品、网络PC、小型机、大型计算机等。本发明也可以在分布式计算环境中实现，其中任务由通过通信网络连接的远程处理设备来执行。在分布式计算环境中，程序模块可以位于本地和远程存储器存储设备中。
图1示出了可在其上实现本发明的合适的计算系统环境100的示例。计算系统环境100只是合适的计算环境的一个示例，并不旨在对本发明的使用范围或功能提出任何限制。也不应该把计算环境100解释为对示例性操作环境100中示出的任一组件或其组合有任何依赖性或要求。
本发明可用众多其它通用或专用计算系统环境或配置来操作。适合在本发明中使用的公知的计算系统、环境和/或配置的示例包括，但不限于，个人计算机、服务器计算机、手持或膝上型设备、图形输入板设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、机顶盒、可编程消费者电子产品、网络PC、游戏控制台、智能电话、个人数据助理、小型机、大型机、包含上述系统或设备中的任一个的分布式计算机环境等。
本发明可在诸如由计算机执行的程序模块等计算机可执行指令的通用语境中描述。一般而言，程序模块包括例程、程序、对象、组件、数据结构等，它们执行特定任务或实现特定抽象数据类型。本发明也可以在分布式计算环境中实现，其中任务由通过通信网络连接的远程处理设备来执行。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储器存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
参考图1，用于实现本发明的一个示例性系统包括计算机110形式的通用计算设备。计算机110的组件可以包括，但不限于，处理单元120、系统存储器130和将包括系统存储器在内的各种系统组件耦合至处理单元120的系统总线121。系统总线121可以是若干类型的总线结构中的任一种，包括存储器总线或存储器控制器、外围总线和使用各种总线体系结构中的任一种的局部总线。作为示例，而非限制，这样的体系结构包括工业标准体系结构(ISA)总线、微通道体系结构(MCA)总线、扩展的ISA(EISA)总线、视频电子技术标准协会(VESA)局部总线和外围部件互连(PCI)总线(也被称为Mezzanine总线)。
计算机110通常包括各种计算机可读介质。计算机可读介质可以是能够被计算机110访问的任何可用介质，且包括易失性和非易失性介质、可移动和不可移动介质。作为示例，而非限制，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以任何方法或技术实现的用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据等信息的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机存储介质包括，但不限于，RAM、ROM、EEPROM、闪存或其它存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其它光盘存储、磁带盒、磁带、磁盘存储或其它磁性存储设备、或能用于存储所需信息且可以由计算机110访问的任何其它介质。通信介质通常具体化为诸如载波或其它传输机制等已调制数据信号中的计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据，且包含任何信息传递介质。术语“已调制数据信号”指的是这样一种信号，其一个或多个特征以在信号中编码信息的方式被设定或更改。作为示例，而非限制，通信介质包括有线介质，诸如有线网络或直接线连接，以及无线介质，诸如声学、RF、红外线和其它无线介质。上述中任一个的组合也应包括在计算机可读介质的范围之内。
系统存储器130包括易失性或非易失性存储器形式的计算机存储介质，诸如只读存储器(ROM)131和随机存取存储器(RAM)132。基本输入/输出系统133(BIOS)包含有助于诸如启动时在计算机110中元件之间传递信息的基本例程，它通常存储在ROM 131中。RAM 132通常包含处理单元120可以立即访问和/或目前正在操作的数据和/或程序模块。作为示例，而非限制，图1示出了操作系统134、应用程序135、其它程序模块136和程序数据137。
计算机110也可以包括其它可移动/不可移动、易失性/非易失性计算机存储介质。仅作为示例，图1示出了从不可移动、非易失性磁介质中读取或向其写入的硬盘驱动器141，从可移动、非易失性磁盘152中读取或向其写入的磁盘驱动器151，以及从诸如CD ROM或其它光学介质等可移动、非易失性光盘156中读取或向其写入的光盘驱动器155。可以在示例性操作环境中使用的其它可移动/不可移动、易失性/非易失性计算机存储介质包括，但不限于，盒式磁带、闪存卡、数字多功能盘、数字录像带、固态RAM、固态ROM等。硬盘驱动器141通常由不可移动存储器接口，诸如接口140连接至系统总线121，磁盘驱动器151和光盘驱动器155通常由可移动存储器接口，诸如接口150连接至系统总线121。
以上描述和在图1中示出的驱动器及其相关联的计算机存储介质为计算机110提供了对计算机可读指令、数据结构、程序模块和其它数据(例如，多媒体数据、音频数据、视频数据等)的存储。例如，在图1中，硬盘驱动器141被示为存储操作系统144、应用程序145、其它程序模块146和程序数据147。注意，这些组件可以与操作系统134、应用程序135、其它程序模块136和程序数据137相同或不同。操作系统144、应用程序145、其它程序模块146和程序数据147在这里被标注了不同的标号是为了说明至少它们是不同的副本。用户可以通过输入设备，诸如键盘162和定点设备161(通常指鼠标、跟踪球或触摸垫)、麦克风163以及图形输入板或电子数字化仪164向计算机110输入命令和信息。其它输入设备(未示出)可以包括操纵杆、游戏垫、圆盘式卫星天线、扫描仪等。这些和其它输入设备通常由耦合至系统总线的用户输入接口160连接至处理单元120，但也可以由其它接口或总线结构，诸如并行端口、游戏端口或通用串行总线(USB)连接。监视器191或其它类型的显示设备也经由接口，诸如视频接口190连接至系统总线121。监视器191也可以与触摸屏面板或其类似物集成。注意，监视器和/或触摸屏面板可以被物理地耦合至包含计算设备110的外壳，诸如在图形输入板类型的个人计算机中那样。此外，诸如计算设备110的计算机也可以包括其它外围输出设备，诸如扬声器197和打印机196，它们可以通过输出外围接口195或其类似物连接。
计算机110可使用至一个或多个远程计算机，诸如远程计算机180的逻辑连接在网络化环境中操作。远程计算机180可以是个人计算机、服务器、路由器、网络PC、对等设备或其它常见网络节点，且通常包括上文相对于计算机110描述的许多或所有元件，尽管在图1中只示出存储器存储设备181。图1中所示逻辑连接包括局域网(LAN)171和广域网(WAN)173，但也可以包括其它网络。这样的网络环境在办公室、企业范围计算机网络、内联网和因特网中是常见的。例如，计算机系统110可以包括从中迁移数据的源机器，而远程计算机180可以包括目标机器。然而，注意到，源机器和目标机器不需要由网络或任何其它手段连接，而是相反，数据可以经由能够由源平台写入并由一个或多个目标平台读取的任何介质来迁移。
当在LAN网络环境中使用时，计算机110通过网络接口或适配器170连接至局域网171。当在WAN网络环境中使用时，计算机110通常包括调制解调器172或用于通过诸如因特网等WAN 173建立通信的其它装置。调制解调器172可以是内部或外部的，它可以通过用户输入接口160或其它合适的机制连接至系统总线121。在网络化环境中，相对于计算机110所描述的程序模块或其部分可以存储在远程存储器存储设备中。作为示例，而非限制，图1示出了远程应用程序185驻留在存储器设备181上。可以理解，所示的网络连接是示例性的，且可以使用在计算机之间建立通信链路的其它手段。
在随后的描述中，将参考由一台或多台计算机执行的动作和操作的符号表示来描述本发明，除非以其它方式指明。如此，可以理解，有时被称为计算机执行的这样的动作和操作包括计算机的处理单元对以结构化形式表示数据的电子信号的操纵。该操纵转换了数据或在计算机的存储器系统中的位置上维护该数据，从而以本领域的技术人员都理解的方式重新配置或改变了计算机的操作。维护数据的数据结构是含有由数据的格式定义的特定属性的存储器的物理位置。然而，尽管本发明是在前述的环境中描述的，但是如本领域的技术人员可以理解的，它不旨在限制，之后描述的多个动作和操作也可以在硬件中实现。
现在转到图2，本发明提供了存储器管理器200，它控制常规设备存储器202且与外部存储器设备(EMD)管理器204进行通信。EMD管理器204在存储器管理器204下方，且在物理硬件2061、2062、208和网络210上方。物理硬件可以是位于本地的或可经由网络来访问的硬盘驱动器、诸如CD驱动器、DVD驱动器或复合CD/DVD驱动器的多媒体驱动器、光盘等。尽管EMD管理器204被单独示出，但是可以认识到，EMD管理器204可以与存储器管理器200集成。EMD管理器204检测外部存储器设备(EMD)212何时可经由诸如即插即用等的常规方法来访问。EMD 212可以是可被插入至计算设备的可移动固态非易失性存储器设备的形式，诸如根据由CompactFlash协会维护的CompactFlash规范的设备等。它也可以是易失性存储器设备的形式。实际上，EMD可以被容纳在现有的外部附加产品上，诸如鼠标、键盘或网络附加设备，且在同一时刻可以存在多个这样附加设备。外部存储器设备的另一个替换位置是位于网络210上的远程位置或是诸如服务器上的存储器等网络基础架构的一部分。
本发明可充分利用可在EMD中使用的存储器以在存储器中维护可能被应用程序使用的磁盘扇区，并指导定向到位于被复制至EMD存储器的磁盘扇区中的数据的I/O请求从EMD存储器中读取而非从磁盘上的扇区中读取。
参考图3a和3b，现在描述本发明执行来利用外部存储器设备的步骤。在随后的描述中，用来描述本发明的扇区将驻留在硬盘驱动器206上。尽管本发明是在前述环境中描述的，但正如本领域的技术人员可以理解的，它不旨在限制，来自诸如CD/DVD设备208等需要自旋到位的其他设备的磁盘扇区可以被高速缓存在磁盘上。高速缓存的扇区也可以驻留在较慢的存储器设备上。尽管图3a和3b顺序地示出各步骤，但是应该理解，这些步骤可以按不同的顺序和/或并行地采取。EMD管理器204检测EMD 212何时可用(步骤300)。检测EMD的一种方法是2004年5月3日提交的名为“Non-Volatile Memory Cache Performance Improvement(非易失性存储器高速缓存性能改进)”的美国专利申请第10/837,986号中所描述的检测接口，该申请通过整体引用包含在此。可以使用诸如常规的即插即用方法等其它方法。确定EMD 212中可用的存储器的大小和类型。如果EMD 212在计算设备中第一次使用，那么为EMD 212安装驱动程序(步骤302)。该驱动程序用于与EMD212通信，并使用EMD作为异步块高速缓存来高速缓存来自系统上的磁盘206的扇区。在EMD可能缓慢并且等待它被更新可能会导致对原始读请求的等待时间增加的情况下，对高速缓存的更新是异步的。
如果有其它EMD可供使用，则系统通过将那些更可能被使用的磁盘扇区高速缓存在与其它可用EMD相比拥有更好的带宽和等待时间的EMD上来对如何填充EMD区分优先次序(步骤304)。某些计算设备会跟踪磁盘使用情况，诸如哪个磁盘扇区最频繁被操作系统和应用程序访问、最近访问次数、访问模式、访问频率等。如果该历史记录是可使用的，那么基于该历史记录填充EMD(步骤306)。如果该历史记录不可用，那么使用在应用程序从磁盘中读取的过程中应用程序(或计算设备)所访问的磁盘扇区来填充EMD。注意，EMD可以用EMD所需的格式来填充。跟踪磁盘扇区的使用情况信息(即，历史记录)来确定在下一次EMD可使用时应该将哪些扇区镜像至EMD上。使用的算法类似于如在2002年12月20提交的名为“Methods and Mechanisms for Proactive Memory Management(用于抢先存储器管理的方法和机制)”的美国专利申请第10/325,591号中描述用于抢先管理页存储器的算法，该申请通过整体引用包含在此。不同之处在于，本发明确定哪些磁盘扇区对高速缓存是有用的，而非确定存储器中的哪些页对高速缓存是有用的。
在其中计算设备位于网络化系统中的一个实施例中，网络服务器保留关于该计算机设备的信息，并采用协助EMD管理器204为计算设备管理本地存储器的远程算法。该实施例尤其适用于不拥有存储器或计算机能力来确定应该高速缓存哪些磁盘扇区的低端客户机。该远程算法在客户机上执行对数据模式、访问模式等的详细分析，并产生比该低端客户机可以产生的更多的最优结果。
在操作期间，应用程序或计算设备可以向被复制到EMD的磁盘扇区写入。EMD从不被应用程序或计算设备写入。而是，写操作被应用于磁盘扇区。当写操作完成后，磁盘扇区被复制回EMD(步骤310)。使用该方法，使得如果移除了该EMD，不会丢失数据，诸如远程文件系统中当到远程文件系统的链接不可操作时的情况；相反，计算设备从磁盘中读取而非从EMD中读取。结果，本发明对诸如连接丢失、EMD移除等连接性问题更有抵抗力。
只要接收到I/O读请求，EMD管理器204就检查该请求是否定向到已经被复制到EMD 212的存储器的磁盘扇区。如果读请求定向到已经被复制到EMD的存储器的磁盘扇区，那么EMD管理器204将该读请求重定向至EMD(步骤312)。结果是与在硬盘206上完成读请求相比，该读请求能够更快地完成。
用户可以在任何时间移除EMD 212。当EMD被移除时，系统检测到该移除。如果有其它EMD可用，则如果移除的EMD不是可用的最慢EMD，那么重新填充剩余的EMD(步骤314)。如果其它EMD不可用(或者如果移除的EMD是最慢的EMD)，那么从硬盘中读取数据(步骤316)。无论何时添加或移除EMD，重复步骤300到316，只要有EMD可用就重复步骤310和312。
注意，如果EMD是非易失性的，那么在断电过程中或当休眠时，EMD存储器可以用带有配置数据的扇区来重新填充。在通电或恢复过程中，当磁盘自旋到位时，EMD的内容可以被读取。对该技术的使用可以减少计算机系统的引导时间和休眠唤醒时间。可以在2002年6月27日提交的、名为“Apparatus and Method toDecrease Boot Time and Hibernate Awaken Time of a Computer System(用于减少计算机系统的引导时间和休眠唤醒时间的装置和方法)”的美国专利申请第10/186,164号中找到进一步的细节，该申请通过整体引用包含在此。
既然已经描述了总体步骤，将讨论性能的改进。确定可从外部存储器设备预期的性能改进的关键因素是传输等待时间和EMD及其总线(例如，USB1/2、PCMCIA、以太网100BaseT等)的吞吐量、外部存储器的大小、在管理高速缓存时使用的策略以及如何使用外部存储器的情形和工作量。
对可插入的最典型总线EMD的传输等待时间和吞吐量是不同的。如果EMD由可以被插入到特定总线的作为设备封装的常规RAM构成，则预期到总线会成为大多数操作的主要瓶颈。通过发出应该命中插入该总线的磁盘的磁道缓冲区(一般为常规存储器)的增加大小的(4KB、8KB、16KB、32KB和64KB)未缓冲磁盘I/O来估算USB1、USB2和PCI/PCMCIA的总线等待时间以及吞吐量。以下表1中的值是通过简单地将用于传输I/O大小的时间拟合为直线而得到的。
  总线类型   启动时间(us)   在启动后用于传输每一KB的时间(us)   传输4KB花费的总时间(us)
  PCI/PCMCIA(Cardbus)   100   15   160
  USB 2   400   30   520
  USB 1   4000   1000   8000
                                        表1
为了如磁盘高速缓存那样有意义，从EMD复制数据必须比从磁盘中取得数据更快。涉及到寻道的4KB随机磁盘I/O无论何处都在典型的台式机和膝上型计算机磁盘上花费5-15ms。假设对带有寻道的4KB磁盘I/O花费10ms，那么从PCMCIA的EMD高速缓存检索数据可以快60倍，或从USB2的EMD检索数据可以快20倍。总体上，USB2似乎是用于插入到EMD中的非常适合的总线。
应该注意到，USB1的一个问题是4ms的启动时间可能会使得不可能获得任何性能收益。这可以通过总是保持等式传输通道开放来解决。因而，从USB1上的EMD获取4KB一般是使用寻道从磁盘上获取其的速度的两倍。由于在USB1上的低吞吐速率，直接到磁盘进行16KB、32KB和64KB I/O仍比通常可以在客户机系统上见到的更快。然而，仅用于通常用4KB随机I/O来访问的页文件和文件系统元数据的USB 1高速缓存仍然可以提供性能的改进。
仅在发行了Windows XP的服务包1后，才开始采用USB 2。可从EMD获益最多的大多数64MB和128MB系统一般不含有USB 2。然而这些系统通常具有100BaseT以太网卡。10MB/s的传输时间对于从EMD获得的显著的性能增益是足够的。EMD可以作为每个计算机的穿过网络的设备来附加，或者可以甚至被推入网络交换机中来改进小型计算机网络的性能。超出交换机会引起由于共享的网络带宽的众多可靠性和安全问题，但仍可以完成。
如同任何高速缓存一样，用于管理在高速缓存中保存哪些数据的实际策略是确定最后得到的性能增益的重要因素。如果EMD用作底层磁盘和其它设备的块高速缓存，那么EMD高速缓存可以在从底层设备的读取完成时填充，也可以在从应用程序和文件系统发出写请求时填充。如前所述，EMD高速缓存中的数据需要被异步地更新，以避免对原始设备请求增加时间。如果一个请求是针对正在被异步更新的范围，那么它可以简单地被往下转送给底层设备。如果该异步更新未完成，则必然存在启动更新的对该相同范围的非常近期的请求，且该范围的数据可能被高速缓存在设备(例如，磁道缓冲区)或控制器上。
通常使用LRU算法来管理块高速缓存。在该算法中，无论何时读请求命中或未命中高速缓存，所引用的块都被放至LRU列表的尾部。当读取或写入不位于高速缓存中的块时，LRU列表前部的块被重新用来高速缓存新块的内容。结果，LRU算法易于腐蚀，因为高速缓存中有价值的块随时间抖动。诸如将列表分成多个优先级子列表并维护超过最近访问时间的更丰富用户历史记录的那些算法会是更有弹性的。
在Windows NT上，文件和页数据的高速缓存是由存储器管理器通过备用页列表来完成的。文件系统、注册表和其它系统组件使用文件对象/映射机制来经由存储器和高速缓存管理器在相同的等级上高速缓存器其数据。如果另一高速缓存被置于任何其它的等级，会引起数据的双重高速缓存。对EMD高速缓存也是如此。为了避免这一情况，本发明的存储器管理器可以被扩展以将较没有价值的备用列表页推入至较慢的外部存储器设备中。无论何时访问了那些页，存储器管理器可以分配物理存储器页并从外部存储器设备中复制回数据。EMD存储器管理器及相关联的高速缓存管理器可以使用美国专利申请第10/325,591号提供的用于对页面的统一高速缓存的抢先且有弹性的管理的页优先级提示。由于这会要求内核存储器管理器改变，对Windows X的构建的任何EMD解决方案可能遭受数据的双重高速缓存。模拟显示出尽管有双重高速缓存，但是仍旧可能获得实质上的性能增益。
高速缓存的另一个重要的参数是块大小以及群集和预读的数量。只要存在高速缓存中的未命中，即使请求的是更少量的数据，也需要从底层磁盘或设备中读取至少一个块大小的数据，且可能甚至在所请求数据偏移量周围群集更多的块。群集可以消除对磁盘上同一位置的将来的反向寻道。然而，它可能也增加了原始请求的完成时间，甚至引起LRU列表中的更多抖动，因为对每一请求引用了更多的块。此外，预读可能被排队来从磁盘上获取更多的连续数据，尽管这样做是很有效率的，而不会影响原始请求的时间。然而，这可能会导致增加需要寻道设备上另一处的后续请求的等待时间。
应该注意到，经过诸如引导等功率转换或者甚至清除高速缓存常规内容的密集使用的时间段，高速缓存认为有价值的设备位置的列表仍可以被持久保存。该列表可以用于在这样的转换之后以对后台I/O的正确优先化支持来重新填充高速缓存的内容。
如同任何性能分析一样，考虑代表性的场景和工作量来取得有意义且有用的数据是至关重要的。为了表现可以从现有Windows(XP和2000)上的EMD高速缓存中预期的性能改进的特征，执行了使用在磁盘等级上的简单LRU直写块高速缓存的实验。如上所述，这会遭受数据的双重高速缓存。然而，这些实验更易于仿真、模拟和实际上构建这样的EMD高速缓存并测量其影响。结果显示，即使这样的简单高速缓存也可以对磁盘和系统性能产生很大的影响。与计算设备的存储器管理器的集成和使用更智能的策略会进一步增加收益。
因为这些实验主要为磁盘访问而高速缓存，因此高速缓存的成功可以通过比较在不使用高速缓存和使用高速缓存的各种配置时用于从代表性的工作量或情形中捕捉的同一组磁盘访问的重现的总时间来测量。在大多数客户机情形中，磁盘读取时间的减少导致在响应性或基准分数的成比例的增长。
为了确定EMD高速缓存在实际影响，考虑两个情形。一个情形使用在128MB和256MB系统上数小时内从真实的终端用户系统捕捉的磁盘轨迹。另一个情形使用从诸如Business Winstone 2001、Content Creation Winstone 2002以及使用Office2003应用程序的Business Winstone修订版的工业基准中获取的磁盘轨迹。以多种存储器大小获取轨迹，所以可以比较从简单EMD高速缓存到实际上增加系统存储器大小的增益。
EMD设备可以通过使用常规块高速缓存并基于所需EMD总线对高速缓存添加延迟来准确地仿真。当从存储器复制所请求的字节之后，可基于诸如表1的启动时间和吞吐量值来确定为所需EMD总线计算的传输时间。
该估算的过程用于：使用/maxmem boot.ini开关配置目标系统来以目标存储器大小运行；运行典型使用情形或工业基准并跟踪生成的磁盘I/O；使用高速缓存大小和EMD设备的吞吐量/等待时间所需的参数来配置块高速缓存；重放所跟踪的磁盘I/O并捕捉由于高速缓存未命中而导致的磁盘I/O；以及比较两次运行的时间和磁盘访问。
理想上，各情形应该使用恰当配置的块高速缓存以及比较的最终结果(响应时间或基准分数)来运行。然而，如果已经建立磁盘时间和最终结果之间的链接，对需要评估的众多EMD配置，仅回放捕捉的磁盘I/O消耗更少的时间。使用简单的模拟器来大致估算从EMD高速缓存获得的潜在增益。这允许来自128MB顾客系统和来自内部开发系统的长达数小时的磁盘轨迹处理，并测量EMD高速缓存的各种配置的影响。为了进一步简化事物，集中于磁盘用于处理读请求的时间，而忽略磁盘写时间。代表性寻道时间是通过忽略小于2ms和大于20ms的寻道时间来确定的。磁头的最后几个位置被划分磁道来模拟“磁道缓冲”。尽管有上述的复杂性，然而磁盘模拟通常在可接受的范围内：75％的预测在实际时间的15％之内。任何错误预测一般是由于保守的模拟和对较高磁盘读时间的预测。即使磁盘模拟器不能总是准确地捕捉磁盘在特定轨迹上的性能特征，但是其自身的性能特征对实际的台式机/膝上型计算机磁盘是有代表性和典型性的。
表2示出了在磁盘轨迹的EMD高速缓存模拟中的磁盘读时间的减少，这是在实际使用各种计算系统数小时的操作过程中获取的。
            模拟的磁盘读取时间％，使用以下大小的USB2EMD高速缓存
系统   模拟的磁盘读时间(秒) 0MB 32MB 64MB 128MB 256MB 512MB
  系统1(128MB)   1259   100％   89％   70％   37％   18％   18％
  系统2(128MB)   1011   100％   90％   70％   38％   22％   22％
  系统3(128MB)   2158   100％   88％   72％   44％   25％   20％
  系统4(128MB)   866   100％   90％   80％   63％   48％   37％
  系统5(256MB)   1747   100％   92％   85％   70％   52％   40％
  系统6(256MB)   2187   100％   94％   87％   76％   66％   57％
表2-实际终端用户对系统的使用从EMD高速缓存获得的增益作为如何解释表2中的数据的示例，考虑系统1：128MB USB2 EMD设备会造成当前用户体验的磁盘读取时间的37％(即，减少了63％)。
系统1和2是来自想要在其128MB系统上升级至Windows XP、Office 2003以及最新的SMS的公司，但是当运行其业务线软件时，命中率显著下降。系统3的轨迹是来自膝上型计算机。可以看到，这些系统中的最大的改进是使用较慢磁盘和仅128M存储器的系统。
底部的三个系统(系统4、5和6)是开发者系统，在其上执行包括构建、同步和处理大文件的重量开发任务。这些系统拥有较快的磁盘，且由这些任务生成的大多数磁盘I/O是顺序的，不能从简单的LRU块高速缓存中获益同样多，因为它们不会多次重新访问磁盘上的同一扇区(例如，同步)。这样，总的磁盘时间不是作为终端用户响应性的代表。高速缓存可以显著地减少用于U1分块磁盘读取的时间。
表3示出了对在使用Content Creation Winstone 2002过程中获取的磁盘轨迹的EMD高速缓存模拟中的磁盘读取时间的减少。
  模拟的磁盘读时间％，使用以下大小的USB2EMD高速缓存
  系统   模拟的磁盘读时间(秒) 0MB 32MB 64MB 128MB 256MB 512MB
  膝上型150(128MB)   241   100％   88％   76％   62％   46％   39％
  膝上型154(128MB)   172   100％   89％   76％   63％   46％   40％
  台式100(128MB)   173   100％   90％   78％   65％   46％   40％
  台式949(128MB)   142   100％   89％   79％   67％   48％   42％
  膝上型150(256MB)   64   100％   93％   86％   72％   55％   54％
  膝上型154(256MB)   55   100％   90％   84％   70％   56％   56％
  台式100(256MB)   47   100％   95％   87％   76％   60％   59％
  台式949(256MB)   34   100％   94％   88％   80％   70％   70％
表3-从Content Creation Winstone 2002的EMD高速缓存中获得的增益
表4示出了使用Business Winstone 2001过程中获取的磁盘轨迹的EMD高速缓存模拟中的磁盘读取时间的减少。
  模拟的磁盘读时间％，使用以下大小的USB2EMD高速缓存
系统   模拟的磁盘读时间(秒) 0MB 32MB 64MB 128MB 256MB 512MB
  膝上型150(128MB)   176   100％   84％   75％   60％   41％   37％
  膝上型159(128MB)   226   100％   88％   76％   60％   42％   37％
  台式094(128MB)   90   100％   90％   83％   71％   54％   52％
  台式211(128MB)   83   100％   91％   84％   72％   59％   57％
  膝上型150(256MB)   93   100％   82％   79％   67％   56％   55％
  膝上型159(256MB)   76   100％   87％   86％   76％   69％   69％
  台式211(256MB)   40   100％   94％   92％   85％   79％   78％
  台式094(256MB)   40   100％   95％   93％   85％   80％   79％
表4-从Business Winstone 2001的EMD高速缓存中获取的增益同前述情况中一样，在使用128MB和较慢的磁盘的系统上见到的改进是最大的。Business Winstone 2001启动以在256MB的存储器中最适合，所以在该系统存储器大小中，总的磁盘时间和从EMD获得的增益较小。
表5比较了当运行Content Creation Winstone 2002时，向系统添加EMD高速缓存以实际添加更多的物理存储器而获得的增益。如前所述，EMD高速缓存模拟遭受数据的双重高速缓存，且是使用简单的LRU策略来管理的。一般而言，向系统添加更多的物理存储器会提供较大数量情形中的更好的性能。另一方面，如果EMD高速缓存可以与存储器管理器集成，且使用美国专利申请第10/325,591号可以提供的相同高级算法来管理，它就能够提供可与向系统添加实际存储器匹敌的性能增益。
  模拟的磁盘读时间％，使用以下大小的USB2 EMD高速缓存
  系统以及存储器大小   0MB   32MB   64MB   128MB   256MB   512MB
  膝上型150(128MB) 266 212 184 149 110 93
  膝上型150(256MB) 76 60 56 46 35 35
  膝上型150(512MB) 27 24 23 21 21 20
表5-对从USB2EMD高速缓存与向系统存储器中实际增加存储器获取的增益的比较
从前述可见，描述了使用外部存储器来改进计算设备性能的系统和方法。本发明允许拥有小量存储器的传统计算设备和其它设备有效地升级存储器而无需实际打开设备。可以使用外部存储器在更快和更可靠性能方面获得生产率的增益。来自于旋转式存储介质和较慢存储器设备的扇区异步地高速缓存于外部存储器中。不像远程文件系统，如果移除外部存储器，不会丢失数据，因为数据仍旧在旋转式存储介质或较慢的存储器设备上。
此处引用的所有参考文献，包括专利、专利申请和出版物，都通过引用整体包含在此。描述本发明的语境中(尤其在所附权利要求书的语境中)的术语“一”和“一个”和“该”的使用和类似的指示词被解释成覆盖单数和复数，除非此处另外指出或与语境明确地抵触。术语“包含”、“拥有”、“包括”和“含有”应该被解释为开端口的术语(即，意味着“包括但不限于”)，除非另外指明。此处描述的所有方法可以按任何合适的顺序来执行，除非在此处另外指出或与语境明确地抵触。此处提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在更好地阐明本发明且不成为对本发明范围的限制，除非另外要求保护。例如，Windows操作系统被引用来描述本发明。本领域的技术人员可以认识到，本发明可以在诸如Linux、SunOs等其它操作系统上实现。说明书中没有语言应该被解释为指示任何没有要求保护的元素对本发明的实现是必须的。
考虑到本发明的原则可以应用于众多可能的实施例，应该认识到，此处关于附图描述的实施例仅旨在说明性的，且不应该作为对本发明范围的限制。例如，本领域的技术人员可以认识到，以软件示出的所示实施例的元素可以用硬件来实现，反之亦然，或者所示实施例可以在排列和细节上修改而不背离本发明的精神。从而，此处描述的本发明构想了落入所附权利要求书及其等效技术方案的范围之内的所有这样的实施例。

Claims (30)

1.一种利用外部存储器设备来改进含有旋转式存储设备的计算设备的性能的方法，包括以下步骤：
检测所述外部设备何时可供所述计算设备使用；
使用来自于所述旋转式存储设备的扇区的副本来填充所述外部存储器设备；以及
重定向来自所述计算设备或应用程序的、对存储在所述扇区上的数据的I/O读请求，以从所述外部存储器设备中透明地读到所述计算设备或应用程序。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使用来自旋转式存储设备的扇区填充所述外部存储器设备的步骤包括使用来自硬盘驱动器和多媒体驱动器之一的扇区的副本来填充所述外部存储器设备的步骤。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使用来自旋转式存储设备的扇区填充所述外部存储器设备的步骤包括以下步骤：
检测是否有使用情况历史记录可用；以及
使用所述历史记录指示为可能将被使用的扇区的副本来填充所述外部存储器设备。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括如果所述使用情况历史记录不可用，那么使用正被所述计算设备或应用程序访问的扇区的副本来填充所述外部存储器设备。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括为所述外部存储器设备安装驱动程序的步骤。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外部存储器设备包括多个外部存储器设备，所述方法还包括通过填充最有可能在所述多个外部存储器设备中的外部存储器设备上访问的扇区，来对安装在所述多个外部存储器设备上的扇区区分优先次序的步骤，所述外部存储器设备与所述多个外部存储器设备的其它外部存储器设备相比拥有较好的带宽和等待时间。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
检测写操作何时被定向到所述旋转式存储设备中已经被复制到所述外部存储器设备上的扇区；
启动对所述旋转式存储设备的扇区的写操作；
当完成所述写操作后，将所述扇区复制到所述外部存储器设备。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
检测所述外部存储器设备何时不再可供所述计算设备使用；以及
定向来自所述计算设备或应用程序的、对被复制到所述外部存储器设备的扇区上的数据的I/O读请求，以从所述旋转式存储设备中读取。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外部存储器设备包括多个外部存储器设备，所述方法还包括以下步骤：
检测所述外部存储器设备中的一个何时不再可供所述计算设备使用；
如果所述外部存储器设备中的一个不是所述多个外部存储器设备中最慢的外部存储器设备，那么使用来自所述旋转式存储设备的扇区重新填充剩余的外部存储器设备。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用来自所述旋转式存储设备的扇区填充所述外部存储器设备的步骤包括以下步骤：
预测哪些扇区可能将被访问；以及
使用可能被访问的扇区填充所述外部存储器设备。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤；
检测所述计算设备何时断电或进入休眠；
将含有配置数据的扇区复制到所述外部存储器设备中，使得所述配置数据拥有与所述旋转式存储设备的自旋到位时间大致相等的初始化时间；以及
当所述旋转式存储设备在所述计算设备的引导或所述计算设备从休眠中恢复的至少一种的过程中自旋到位时，将所述外部存储器设备中的配置数据初始化至系统存储器。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用来自所述旋转式存储设备的扇区的副本填充所述外部存储器设备的步骤包括使用来自所述旋转式存储设备的扇区的副本异步地填充所述外部存储器设备的步骤。
13.一种利用外部存储器设备来改进含有旋转式存储设备的计算设备的性能的系统，所述系统包括：
外部存储器设备管理器模块，它与所述计算设备的存储器管理器和所述旋转式存储设备进行通信，所述外部存储器设备模块具有至少一个含有计算机可执行指令的计算机可读介质，所述计算机可执行指令用于执行以下步骤：
检测所述外部存储器设备何时可供所述计算设备使用；
使用来自所述旋转式存储设备的扇区的副本来填充所述外部存储器设备；以及
重定向来自所述计算设备或应用程序的、对存储在所述扇区上的数据的I/O读请求，以从所述外部存储器设备中读取。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，使用来自所述旋转式存储设备的扇区来填充所述外部存储器设备的步骤包括以下步骤：
检测是否有使用情况历史记录可用；以及
使用由所述历史情况记录指示为可能被使用的扇区的副本来填充所述外部存储器设备。
15.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述外部存储器设备管理器还具有用于执行以下步骤的计算机可执行指令：通过填充最有可能在所述多个外部存储器设备中的外部存储器设备上访问的扇区，来对安装在所述多个外部存储器设备上的扇区区分优先次序，所述外部存储器设备与所述多个外部存储器设备中的其它外部存储器设备相比拥有较好的带宽和等待时间。
16.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述外部存储器设备是远程连接至所述系统的。
17.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述旋转式存储设备包括硬盘驱动器和多媒体驱动器中的至少一个。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述扇区的副本是以所述多媒体驱动器所需的格式写的。
19.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述外部存储器设备是连接至所述计算设备的的通用串行总线2(USB2)总线的。
20.至少一个含有用于执行如权利要求1所述的步骤的计算机可执行指令的计算机可读介质。
21.如权利要求20所述的至少一个计算机可读介质，其特征在于，使用来自所述旋转式存储设备的扇区来填充所述外部存储器设备的步骤包括使用来自硬盘驱动器和多媒体驱动器中的一个的扇区的副本来填充所述外部存储器设备的步骤。
22.如权利要求20所述的至少一个计算机可读介质，其特征在于，使用来自所述旋转式存储设备的扇区来填充所述外部存储器设备的步骤包括以下步骤：
检测是否有使用情况历史记录可用；以及
使用所述历史记录指示为可能被使用的扇区的副本来填充所述外部存储器设备。
23.如权利要求22所述的至少一个计算机可读介质，其特征在于，还具有用于执行以下步骤的计算机可执行指令：如果所述使用情况历史记录不可用，那么使用正被所述计算设备或应用程序访问的扇区的副本来填充所述外部存储器设备。
24.如权利要求20所述的至少一个计算机可读介质，其特征在于，还具有用于执行以下步骤的计算机可执行指令：为所述外部存储器设备安装驱动程序。
25.如权利要求20所述的至少一个计算机可读介质，其特征在于，所述外部存储器设备包括多个外部存储器设备，所述至少一个计算机可读介质还具有用于执行以下步骤的计算机可执行指令：通过填充最有可能在所述多个外部存储器设备中的外部存储器设备上访问的扇区来对安装在所述多个外部存储器设备的扇区区分优先次序，所述外部存储器设备与所述多个外部存储器设备中的其它外部存储器设备相比拥有较好的带宽和等待时间。
26.如权利要求20所述的至少一个计算机可读介质，其特征在于，还具有用于执行以下步骤的计算机可执行指令：
检测写操作何时被定向到所述旋转式存储设备中已经被复制到所述外部存储器设备的扇区；
启动对所述旋转式存储设备的扇区的写操作；
当完成所述写操作后，将所述扇区复制到所述外部存储器设备。
27.如权利要求20所述的至少一个计算机可读介质，其特征在于，还具有用于执行以下步骤的计算机可执行指令：
检测所述外部存储器设备何时不再可供所述计算设备使用；以及
定向来自所述计算设备或应用程序的、对被复制到所述外部存储器设备的扇区上的数据的I/O读请求，以从所述旋转式存储设备中读取。
28.如权利要求20所述的至少一个计算机可读介质，其特征在于，所述外部存储器设备包括多个外部存储器设备，所述至少一个计算机可读介质还具有用于执行以下步骤的计算机可执行指令：
检测所述外部存储器设备中的一个何时不再可供所述计算设备使用；
如果所述外部存储器设备中的一个不是所述多个外部存储器设备中最慢的外部存储器设备，那么使用来自所述旋转式存储设备的扇区重新填充剩余的外部存储器设备。
29.如权利要求20所述的至少一个计算机可读介质，其特征在于，使用来自所述旋转式存储设备的扇区填充所述外部存储器设备的步骤包括以下步骤：
预测哪些扇区可能将被访问；以及
使用可能被访问的扇区填充所述外部存储器设备。
30.如权利要求20所述的至少一个计算机可读介质，其特征在于，还具有用于执行以下步骤的计算机可执行指令：
检测所述计算设备何时断电或进入休眠；
将含有配置数据的扇区复制到所述外部存储器设备中，使得所述配置数据拥有与所述旋转式存储设备的自旋到位时间大致相等的初始化时间；以及
当所述旋转式存储设备在所述计算设备的引导或所述计算设备从休眠中恢复的至少一种的过程中自旋到位时，将所述外部存储器设备中的配置数据初始化至系统存储器。
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