什么是存储控制器？

人类产生的数据量是惊人的。截至 2024 年，全球数据总量预计达到惊人的 149 ZB，并预计到 2025 年底将膨胀至 181 ZB。

为了更直观地理解，1 泽字节相当于 1,000 艾字节、10 亿太字节或 1 万亿千兆字节。换句话说，1 泽字节相当于 2500 亿张 DVD。

综上所述，数据管理是所有计算系统的重要组成部分，包括企业数据中心、云平台、IoT 设备和数字平台。但并非所有数据都具有同等价值。

我们产生的大部分数据是短暂的，旨在立即使用并丢弃，而其他类型的数据则更为持久。有些数据被用于中期存储和检索，而其他类型的数据则被用于长期归档或备份。

根据创建和存储数据的目的，不同类型的存储空间比其他存储空间更适合。从简单的存储介质如软盘和 USB 闪存，到复杂且强大的方案，如存储区域网络 (SAN) 和网络附加存储 (NAS) 系统，计算机依赖存储控制器（也称为磁盘控制器或存储处理器）在存储设备与计算机主 CPU 之间写入和读取数据。

在大多数情况下，存储控制器卡是物理硬件单元，有时直接集成到计算机的系统板中。不过，在处理虚拟机或其他虚拟化环境时，可以使用基于软件的虚拟存储控制器来模拟物理控制器的功能。在这类计算机系统中，虚拟化存储控制器是整体虚拟机管理程序软件的组成部分，用于管理从多个物理设备汇集的存储资源。

存储控制器的主要组件如下：

• 主机接口：使存储控制器能够与主机系统通信的物理连接。内部存储空间设备使用 PCI Express (PCIe) 等标准进行高速连接，而 SAN 使用 FibreChannel (FC) 或 NVMe over Fabrics 等协议进行外部连接。
• 处理器：存储控制器包含自己的专用处理器，用于管理输入/输出 (I/O) 操作。
• 高速缓存：存储空间控制器高速缓存通常由易失性 DRAM 组成。这种高速临时存储位于控制器本身，用于存放经常访问的数据，其访问速度比连接的存储设备上的数据更快。
• 磁盘接口：磁盘接口是存储控制器与存储设备之间的物理连接。
• 电池或电容备份单元：对于能够写入板载高速缓存的存储控制器来说，电池备份单元 (BBU) 或电容加闪存模块是一个关键组件。它允许控制器在突然断电的情况下保存写入易失性闪存的任何数据。它们实际上是设备内电源。

在促进数据传输时，存储控制器执行多项任务以利用任何特定存储空间的优点。它们还可以减轻可能阻碍计算机系统充分优化其存储空间的各种潜在挑战和障碍。

为了实现顺畅、高效的存储空间访问，存储控制器的主要功能包括：

• 数据传输与管理：存储控制器最基本的功能是充当存储设备与计算机运行内存之间的桥梁。根据具体类型的存储空间和相关接口和协议，存储控制器将优化数据传输的速度和效率，在提高和维持整体系统性能的同时降低延迟。
• 数据校验与容错处理：存储控制器可以验证传输数据的准确性，并对错误数据进行容错处理，以确保数据精确性并减少因错误导致的中断。
• 压缩和解压缩：必要时，存储控制器可以压缩和解压缩数据，以提高传输速度并降低大文件造成的数据压力。
• 数据保护和备份服务：许多存储控制器均包含数据保护和冗余功能，例如独立磁盘冗余阵列 (RAID) 配置和纠删码。这些功能有助于保护和备份数据，对于提高容错能力和恢复时间非常有价值。
• 接口兼容性：当各种存储解决方案与多种操作系统和计算机硬件配置搭配使用时，兼容性就成为一个主要关注点。存储控制器通过管理不同存储设备接口之间的各种协议（例如串行 ATA (SATA)、串行连接 SCSI (SAS)、外设组件高速互连 (PCIe)）以及不同硬件和操作系统（例如 Microsoft Windows、Linux），来帮助解决兼容性问题。
• 缓存管理：虽然并非所有类型的存储控制器都具备此功能，但内置缓存内存是存储控制器中常见的特性之一。具有动态自动管理功能的内置缓存可存储经常访问的数据以便快速访问，并帮助系统优化以实现快速响应性能。
• 逻辑卷管理支持：逻辑卷管理 (LVM) 是一项关键技术，用于高效地划分、组织和利用系统可用的存储空间。LVM 通过将物理磁盘从共享存储空间中汇集成卷组 (VG)，以创建灵活且动态的虚拟存储池，称为逻辑卷。存储控制器使系统管理员能够实时管理存储空间和调整存储空间大小、创建备份快照以及整合多个物理磁盘。这种整合可以成为一个可共享的池，以最短的停机时间实现最佳的存储容量。
• 监控和报告：存储控制器负责监督存储的可用性和性能，在提供实时监控和快照方面非常有用，可以提供有关存储运行状况、性能、容量和已连接存储设备运行状态的宝贵洞察分析。有了这些信息，系统管理员就可以更好地执行主动维护并识别和修复任何潜在问题，以避免系统停机时间或关键数据丢失。

存储控制器可根据其接口或功能分为两大类。

虽然所有存储控制器都负责管理 CPU 和存储空间之间的通信，但每种类型都有其独特的用途和环境。

一些基于接口的存储控制器专为接口兼容性而设计，包括以下内容：

• SATA (AHCI) 控制器：SATA (AHCI) 控制器用于管理基于 SATA 的存储设备，包括 SATA HDD 和 SSD。SATA 具有成本效益且非常适合通用计算，是消费级系统（包括台式机、笔记本电脑、游戏设备和个人服务器）中使用的常见接口。对于存储需求较低、对高速数据传输要求不高的家庭和小型企业环境，通常会使用 SATA 存储设备及 SATA 存储控制器。
• SAS 控制器：SAS 控制器与串行连接 SCSI (SAS) HDD 和 SSD 配合使用。SAS 用于高性能计算任务，支持比 SATA 更高的传输速率。SAS 控制器通常还与 SATA 设备兼容，为存储空间提供了更大的灵活性和选项。这类控制器和设备通常出现在企业级环境中。当可靠且高速的数据传输至关重要时，它们通常用于大型数据库和复杂的虚拟化任务。

SAS 控制器也非常适合对多个存储设备进行菊链连接，因此对于重视可扩展解决方案的操作来说，它们是一个不错的选择。在这种情况下，可以使用一种称为 SAS 扩展器的硬件组件，以增加系统的主机总线适配器 (HBA) 可接入的 SAS 或 SATA 硬盘数量。

基于功能的控制器是根据接口协议和预期功能设计的，以适应存储空间。以下是几个示例：

• RAID 控制器：RAID 存储技术将多个存储驱动器组合成一个单一的存储池，以提升性能和冗余能力。通过条带化（将数据拆分为更小的部分，以便在多个驱动器上同时快速写入）和镜像（复制数据以实现冗余）等技术，RAID 提供了对驱动器故障的保护，并提高了数据吞吐量。RAID 控制器旨在支持多种 RAID 级别（如 RAID 0、RAID 1、RAID 5 直到 RAID 60）每种级别都提供不同的性能与冗余组合。
• 存储阵列控制器：存储阵列控制器用于管理大量存储设备阵列，适用于需要快速、高可用数据传输及可靠冗余的高端系统。使用此类控制器的存储阵列系统可能实际上配备了多个控制器，以提升功能性和可靠性。