該產(chǎn)品屬于計算機設備領域，是一種基于沙盒重定向的電腦加速設備。

背景技術：

計算機的更新?lián)Q代非?？?，而產(chǎn)品型號眾多，設備種類繁多，年代跨度大，系統(tǒng)平臺復雜，目前暫時缺乏有效的通用型升級解決方案。

1. 為什么需要電腦加速型功能的產(chǎn)品

技術的發(fā)展總把硬件甩在后面。電影變高清，系統(tǒng)出Win10，游戲的最低配置紛紛變四核了，微軟新推出的Office2013就要占掉2G內(nèi)存。升級電腦成本很高，一般都要數(shù)千元。目前，這種升級是一個棘手的問題，現(xiàn)有的解決方案一般是升級電腦配新機器，不但花費近萬，而且舊機器從此閑置成為占空間的電子垃圾，或者也有不少用戶自行購買零配件來拆機換部件，技術要求較高，難度也很大，比如換CPU，換硬盤不但需要準確接駁機箱中的各種數(shù)據(jù)線與插口，還需要導出舊硬盤的數(shù)據(jù)并重裝系統(tǒng)與各類軟件，一般用戶根本不會。而且成本依然居高不下，與主板的兼容性也存在很大問題。

也有一些軟件可以優(yōu)化電腦系統(tǒng)，比如360優(yōu)化大師，加速球，但是這些都沒有在實質(zhì)上改善硬件能力，只是清理電腦緩存垃圾等，和很多人常說的電腦用久了就重裝一下系統(tǒng)可以變快很類似。本身并沒有增強計算機的性能。

2. 電腦加速的瓶頸在哪里：在于硬盤的速度，尤其是小文件頻繁讀寫和隨機讀寫

近十年來，CPU和內(nèi)存的性能提高了100多倍，但硬盤的性能只提高了兩倍。整個數(shù)據(jù)處理的瓶頸，就在硬盤上。只要能打通這個瓶頸，信息傳輸就走上了“高速公路”。

正因為此，固態(tài)硬盤才被用于取代機械硬盤。固態(tài)硬盤（Solid State Disk）用固態(tài)電子存儲芯片陣列而制成的硬盤，由控制單元和存儲單元組成。固態(tài)硬盤的接口規(guī)范和定義、功能及使用方法上與普通硬盤的完全相同，在產(chǎn)品外形和尺寸上也完全與普通硬盤一致?；陂W存的固態(tài)硬盤是固態(tài)硬盤的主要類別，其內(nèi)部構造十分簡單，固態(tài)硬盤內(nèi)主體其實就是一塊PCB板，而這塊PCB板上最基本的配件就是控制芯片，緩存芯片（部分低端硬盤無緩存芯片）和用于存儲數(shù)據(jù)的閃存芯片。除了主控芯片和緩存芯片以外，PCB板上其余的大部分位置都是NAND Flash閃存芯片了。

固態(tài)硬盤沒有普通硬盤的電機和旋轉(zhuǎn)介質(zhì)，因此啟動快、抗震性極佳。固態(tài)硬盤不用磁頭，磁盤讀取和寫入速度快，延遲很小。讀寫速度一般可以達到100M每秒以上。準確的說，預期速度在138M每秒左右，其計算方式如下：在不采取任何加速措施的情況下，F(xiàn)lash 典型的讀時序由命令和數(shù)據(jù)部分組成，讀時間為78us，因此典型的讀帶寬為216Mbps。Flash 的寫時序主要可以分為3 個階段：命令階段(Command)，通過命令字設置寫入過程的開始和結束，并設置頁面地址；數(shù)據(jù)階段(Data)，將數(shù)據(jù)加載到Flash 的數(shù)據(jù)緩沖中；編程階段(Program)，將數(shù)據(jù)緩沖中的數(shù)據(jù)真正編程到Flash 陣列中。典型的寫周期最小為25ns，編程時間在220us-500us 左右，因此其寫入時間為275us，最大帶寬為61.4Mbps。對于一個典型的應用，有50%的讀和50%的寫，則綜合速率為216× 50%+61.4× 50%=138.7Mbps。當然，入門級固態(tài)硬盤還達不到此速度。

雖然速度比起機械硬盤那還是快不少，但是壞處也是很多的，比如價格貴，容量小，電池航程較短，寫入壽命有限等等。關鍵是價格貴容量小，確切的說是不貴的就容量小，而容量大的就價格貴，5TB的大小的機械硬盤400元左右，而1TB的固態(tài)硬盤就至少數(shù)千。因此在新的出廠的電腦中，固態(tài)硬盤也仍然沒有取代機械硬盤。

3. 那么目前是否有其他的低成本更方便的技術方案來解決硬盤速度的瓶頸：

當前也有用其他設備來加速電腦的嘗試。目前所知的就是英特爾的迅盤：迅盤是一塊PCI-E接口的擴展卡，搭載有一塊或兩塊MLC NAND閃存，作為一個Mini PCI-E 1x規(guī)格的擴展卡，通過PCI-E總線與系統(tǒng)I/O控制器進行數(shù)據(jù)交換。迅盤所采用的閃存模塊為NAND，而并非NOR，這是由于NAND在存取數(shù)據(jù)的性能方面要優(yōu)于NOR，且具備更好的性價比。

在系統(tǒng)的支持下，可提供ReadyBoost和ReadyDrive功能，這些功能將直接對系統(tǒng)在啟動、休眠、安裝程序、拷貝文件、載入游戲等有關磁盤操作的任務上進行性能提升。官方資料表明，迅盤可以使開機速度加快20%，同時減少硬盤轉(zhuǎn)數(shù)以節(jié)省功耗。

但是，迅盤依然不是一個有效的升級方案。也正因為此，現(xiàn)在已經(jīng)不太有人提起。其失敗的主要原因在于：1. 不能用于臺式機，也不能用于絕大多數(shù)筆記本。所有上網(wǎng)本以及多數(shù)筆記本電腦均不支持迅盤模塊，因為這不僅要求筆記本電腦提供一個額外的Mini PCI-E插槽，同時更重要的還要求筆記本電腦的SATA接口支持ACHI功能;2. 安裝復雜，一般用戶并不會拆機安裝mini PCI-E，以至于無法用于舊電腦升級; 3.效果不好。PCI-E總線的速度本身被限制在150M每秒以下，而英特爾的閃存則還遠達不到這個速度，實測在35M每秒的隨機讀寫速度，對硬盤提升不大，比固態(tài)硬盤還不如，英特爾的迅盤容量受限，無法加裝緩存或者并行模組，或更多主控IC; 4.價格昂貴。4G的迅盤定價就在100美元；5. 系統(tǒng)兼容性差。這一點本身就足以排除迅盤用于給舊電腦加速的可能了。無論Readydrive還是Readyboost都只能用于Windows Vista以上的操作系統(tǒng)，而舊電腦絕大多數(shù)都是XP的操作系統(tǒng)，也只能在XP下流暢運行。

技術實現(xiàn)要素：

技術問題：

本發(fā)明提供了一種基于沙盒重定向的計算機加速設備，利用沙盒重定向，程序區(qū)抽象和高速外接存儲設備為計算機加速的方法，來實現(xiàn)現(xiàn)有計算機尤其是機械硬盤與混合硬盤計算機的運行速度提升。除臺式計算機、筆記本、上網(wǎng)本這些設備，也應用于手機以及各種人工智能計算機設備類型。

技術解決方案：

我們將計算機傳統(tǒng)的硬盤抽象成文件層和程序?qū)觼砜?，文件層容量龐大但是速度要求不高，程序?qū)尤萘坎淮笸徽加糜脖P的十分之一不到的空間卻決定了計算機的速度。所以我們讓文件保留在原來的硬盤，卻將抽象出來的程序?qū)又囟ㄏ蜣D(zhuǎn)移到更快的設備運行。這樣的一種抽象和重定向需要用到沙盒和高速非易失存儲，見附圖1。

在實施案例中，我們采用了一種外接的USB固態(tài)設備作為非易失存儲，該USB3.1的設備實際上是一個RAID0，將兩個32GB的ngff接口的固態(tài)硬盤組成一個RAID0來實現(xiàn)極快的速度。雖然是USB接口卻可以達到總線的速度，在USB3.1的計算機上使用其速度為800MB每秒，遠遠超過該機器自身5TB混合硬盤的速度（120MB每秒），快了整整7倍。在3.0的一般家用計算機上，也可以達到遠超固態(tài)硬盤的速度，見附圖2。

用這樣的設備作為新的外接的程序?qū)?，通過沙盒重定向的辦法于為現(xiàn)有的計算機提高運行速度，實現(xiàn)簡單可靠的升級目的，與原有技術相比，本方法制造的緩存設備增加了緩存的耐用性與隨機讀寫速度，達到寫優(yōu)化，實現(xiàn)了緩存的多級分層結構，并使用了更簡便的USB接口。沙盒原本多用于計算機安全技術。其原理是通過重定向技術，把程序生成和修改的文件定向到自身文件夾中。當某個程序試圖發(fā)揮作用時，安全軟件可以先讓它在沙盒中運行，如果含有惡意行為，則禁止程序的進一步運行，而這不會對系統(tǒng)造成任何危害。在我們這里，將其改動并用于加速重定向。由于可以放寬安全防護的要求，一些不頻繁使用的文件或者注冊表可以繼續(xù)在硬盤啟動，而將其他重定向，這樣的一個改動過的沙盒雖然安全性降低了，但是執(zhí)行效率和速度提高，以用于加速目的的重定向。

在本發(fā)明中，一種基于沙盒重定向的用于加速電腦的外接式硬件設備被提出。該電子設備包含有主控芯片以及高速可存儲模組，該設備通過數(shù)據(jù)接口（包括但不限于USB，mSATA）與計算機連接，在設備的高速可存儲模塊中為計算機創(chuàng)建沙盒重定向區(qū)域，以沙盒的方式將計算機應用程序重定向到該高速區(qū)域中運行，減少計算機系統(tǒng)對硬盤的訪問，為計算機提供加速并提升I/O性能。

設備還使用被加速計算設備自身的內(nèi)存，虛擬為Ramdisk內(nèi)存磁盤，并在其上創(chuàng)建沙盒并運行重定向加速。設備以自身快速存儲區(qū)創(chuàng)建為主沙盒，負責普通程序?qū)拥募铀?，調(diào)取系統(tǒng)部分的內(nèi)存虛擬化成Ramdisk，存放副沙盒，重定向瀏覽器與上網(wǎng)。這是因為閃存SSD類存儲的寫操作開銷約為讀操作開銷的8倍，以及普通計算機程序讀操作遠遠高于寫操作，所以將讀取操作緩存尤其是隨機讀取操作配置到SSD RAID0上的沙盒，包括程序與游戲載入等屬于讀操作。而寫入操作緩存尤其是小文件寫入操作緩存是DRAM強項，包括網(wǎng)頁瀏覽等屬于寫操作，所以配置到Ramdisk上的副沙盒。

設備的硬件包含一個RAID設備，該RAID設備將兩塊固態(tài)硬盤（包括但不限于ngff，mSATA接口的固態(tài)硬盤）組成RAID0，并經(jīng)USB橋接連接計算機，見附圖3，附圖4與附圖5。其中附圖3是寬型樣品，附圖4與附圖5是窄型樣品。每塊固態(tài)芯片并采用多通道主控，從而能夠以多通道模式工作。這樣多通道的SSD組成RAID0，并轉(zhuǎn)接到USB3.0，在USB3.0接口下，其測試讀取為460M每秒，寫入為340M每秒，已經(jīng)雙倍于固態(tài)硬盤的速度，其I/O與隨機讀寫性能都已經(jīng)遠遠超過機械硬盤。見附圖2所示。在USB 3.1接口下則可以達到800M每秒。

設備在沙盒重定向加速的同時，還進行緩存加速：（緩存文件可以包括：系統(tǒng)與應用程序的常用文件、預讀頻繁讀寫的零散文件、隨機數(shù)據(jù)等），利用設備的快速讀寫速度，減少計算機系統(tǒng)對硬盤（包括基于NAND的固態(tài)硬盤）的訪問。

同時，設備的驅(qū)動還對USB協(xié)議進行了改善，對于傳統(tǒng)的USB接口協(xié)議中阻礙快速數(shù)據(jù)傳輸?shù)腂OT協(xié)議（Bulk-Only Transport）進行優(yōu)化，在USB傳輸協(xié)議上做了資源分配優(yōu)化，配置更多系統(tǒng)資源給設備，并且支持類似NCQ的多任務傳輸功能，大幅提升多QD下的隨機讀寫速率。

設備的算法與架構還采用如下設計：1. 多通道模式，陣列模組集成固態(tài)芯片并采用多通道主控；2.RAID模式，基于兩塊ngff接口的固態(tài)硬盤組成RAID；3. 通過對用戶習慣長期監(jiān)測，判斷出系統(tǒng)常用程序進行沙盒重定向。該設備可以在XP，Vista，Win7，Win8等各種Windows操作系統(tǒng)的計算機上使用。還有手機版本與Mac版本。

有益效果：

相比于傳統(tǒng)的電腦升級，本設備具備如下優(yōu)點：1.操作簡單：升級老電腦往往需要拆機換內(nèi)存換硬盤,如果要加快速度還要動手焊主板換CPU，忙活一兩天還常常倒騰壞，或出現(xiàn)藍屏，各種接口之間的兼容性問題也絕非一般用戶搞得清楚的。最妥當?shù)霓k法是自己當搬運工將電腦抱到電腦城去現(xiàn)場升級，但價格很高，貓膩很多，常常被偷換部件。用本設備只需要安裝驅(qū)動插上電腦點擊幾下就可以完成。

2.效果較好：對于USB3.0的較新機械硬盤或混合硬盤的電腦，程序啟動運行速度可以提升10-20倍，對于USB3.0的固態(tài)硬盤的電腦，程序啟動運行速度可以提升2-3倍。

3.成本低廉：生產(chǎn)成本在三百元以下。

附圖說明：

圖 1. 設備的原理圖。

圖2. 樣品設備的使用效果圖，USB3.0下設備讀取緩存速度426MB每秒，4K程序?qū)涌偹俣冗_到了150M每秒，在USB3.1下更是可以達到800MB每秒以上。

圖3. 樣品設備（寬型）的電路板圖，通過USB3.1接口連接計算機，正反面各有一個ngff的固態(tài)硬盤，組成RAID，樣品支持RAID0與RAID1模式，支持2230高度和2242高度的ngff固態(tài)硬盤。

圖4. 樣品設備（窄型）的電路板圖，通過USB3.1接口連接計算機，正反面各有一個ngff的固態(tài)硬盤，一個從前端插入，一個從后端插入，組成RAID，樣品支持RAID0與RAID1模式，交錯式布局，以增加密集度，給其他RAID控制電路以足夠的空間，支持2230高度和2242高度的ngff固態(tài)硬盤。

圖5. 樣品設備（窄型）的兩個面的電路板效果圖，橫槽是ngff固態(tài)硬盤插槽。

本發(fā)明優(yōu)選的具體實施方式：

本發(fā)明已經(jīng)生產(chǎn)出批量量產(chǎn)的樣品供實用。以SSD組成RAID0，并轉(zhuǎn)接到USB3.0，在USB3.0接口下，其測試讀取為460M每秒，寫入為340M每秒，已經(jīng)雙倍于固態(tài)硬盤的速度，其I/O與隨機讀寫性能都已經(jīng)遠遠超過機械硬盤。見附圖2所示。在USB 3.1接口下則可以達到800M每秒。

設備以自身快速存儲區(qū)創(chuàng)建為主沙盒，負責普通程序?qū)拥募铀伲€調(diào)取系統(tǒng)部分的內(nèi)存虛擬化成Ramdisk，存放副沙盒，重定向瀏覽器與上網(wǎng)。這是因為閃存SSD類存儲的寫操作開銷約為讀操作開銷的8倍，以及普通計算機程序讀操作遠遠高于寫操作，所以將讀取操作緩存尤其是隨機讀取操作配置到SSD RAID0上的沙盒，包括程序與游戲載入等屬于讀操作。而寫入操作緩存尤其是小文件寫入操作緩存是DRAM強項，包括網(wǎng)頁瀏覽等屬于寫操作，所以配置到Ramdisk上的副沙盒。

設備在與計算機連接后會自動進行USB協(xié)議優(yōu)化，實現(xiàn)BOT Turbo模式，并分配更多資源給設備，改變USB傳輸協(xié)議之后原本只支持單線的緩存交換，變成可同時處理多重緩存任務讀寫，類似硬盤NCQ技術，更充分發(fā)揮了設備作為系統(tǒng)新內(nèi)存的作用。優(yōu)化前USB3下讀190，寫200，優(yōu)化后雙雙超過250M每秒，可見這一工作十分重要。

設備的算法與架構包括了： 1. 對系統(tǒng)內(nèi)存提供智能壓縮與后臺自動釋放；2. 通過對用戶習慣進行長期監(jiān)測識別，判斷出系統(tǒng)即將使用哪些數(shù)據(jù)，預存在設備中；3. 雙通道加RAID0模式，RAID0集成兩個固態(tài)硬盤，每個固態(tài)硬盤都是雙通道主控；4.設備將應用程序進行虛擬化處理，從而預存所有程序文件與程序所需系統(tǒng)環(huán)境文件在設備中。

設備還具有圖形界面的控制臺，提供智能化的自動管理與控制，可以選擇性的載入通道與分區(qū)。

關于實施案例的幾個關鍵問題的說明如下：

1.為什么樣例使用了主副兩個沙盒：

這是因為閃存SSD類存儲的寫操作開銷約為讀操作開銷的8倍，以及普通計算機程序讀操作遠遠高于寫操作，所以將讀取操作緩存尤其是隨機讀取操作配置到SSD RAID0上的沙盒，包括程序與游戲載入等屬于讀操作。而寫入操作緩存尤其是小文件寫入操作緩存是DRAM強項，包括網(wǎng)頁瀏覽等屬于寫操作，所以配置到Ramdisk上的副沙盒。

2.為什么樣例采用外接USB方式：

很顯然，USB即插即用是最方便也最簡單的使用方式，兼容性最高，幾乎所有電腦都有USB接口。任何內(nèi)置接口都不方便使用，也不會被社會大眾采納。那么USB接口的速度會收到影響嗎：

對于有USB3.0的電腦，則USB3.0的速度實際上大于SATA 3.0。先以帶寬來看，USB 3.0提供了5Gbps（625MB/s）的大小，雖然SATA III的6Gbps賬面帶寬較大，不過因為傳輸架構的換算方式并不相同，因此換算成MB/s時僅為600MB/s，在理論值上會比USB 3.0的625MB/s來得小，更不用說是SATA II的3Gbps（300MB/s）了。 再以方便性來討論這兩者，USB是每臺計算機不可或缺的端口，USB 3.0不但可以向下兼容、擁有即插即用的便利性，在供電方面更從500mA增加到了900mA，而造就了其相當大的優(yōu)勢。

而現(xiàn)在新的USB3.1速度更是3.0的兩倍。當然，本發(fā)明也可以采用mSATA或ngff等接口內(nèi)置于計算機，這也是可以的。

3.為什么要修改USB協(xié)議：

USB以往就一直存在相當嚴重的帶寬利用率低下的問題，USB 2.0的帶寬為480Mbps（60MB/s），但就算實際使用傳輸速度高達100MB/s以上的優(yōu)盤也無法用到完整的帶寬，速度上限僅有約一半的 33MB/s左右，這是因為USB的半雙工傳輸模式與BOT（Bulk Only Transfer）傳輸協(xié)議所導致的關系。半雙工的數(shù)據(jù)傳輸方式就像是對講機，當一方按下發(fā)話鈕時另一方只能收聽聲音，必須等待對方說完才可以按下發(fā)話鈕進行發(fā)話，也就是說半雙工的模式雖然提供了雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，但是?shù)據(jù)的傳輸方向僅有單向而已。而BOT協(xié)議則是一種單線程的傳輸架構，必須等待一筆數(shù)據(jù)區(qū)塊完整送達之后才能夠發(fā)送出下一筆數(shù)據(jù)，也就是說不論這條馬路有多寬，但是就只能夠允許一臺車子在這條馬路上行駛，這樣的方式根本沒有辦法有效紓解后方龐大的車流量，而會造成資料區(qū)塊「塞車」的情形發(fā)生。而當USB提升到3.0的規(guī)格，雖然使用了額外的五個接點，改為全雙工的數(shù)據(jù)傳輸模式，可以同時進行雙向的數(shù)據(jù)傳輸，帶寬比起上一代也提升了有十倍之多， 不過其傳輸架構還是在BOT之下，因此我們必須予以優(yōu)化加速。BOT的加速模式在上述的比喻下就很好理解了：既然在BOT的架構之下，馬路上就只能夠有一臺車在行駛，一個人開是一臺，小客車坐滿5個人也是一臺，大型客運坐滿50人也還是一臺，在要運送一定數(shù)目的 人數(shù)時，每次都是大型客運在路上行駛，就可以減少許多車流量了。所謂的USB Turbo模式就是基于這樣的原理來設計的，將數(shù)據(jù)整理成較大數(shù)據(jù)區(qū)塊再進行傳送，而且不論何種儲存媒體，對于大檔案的處理能力總是比小檔案要來得好，因 此使用這種方式可以顯著提升數(shù)據(jù)傳輸速度。

以上所述乃是本發(fā)明的具體實施例及所運用的技術手段，根據(jù)本文的揭露或教導可衍生推導出許多的變更與修正，若依本發(fā)明的構想所作的等效改變，其所產(chǎn)生的作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的實質(zhì)精神時，均應視為在本發(fā)明的技術范疇之內(nèi)，合先陳明。

工業(yè)實用性：

現(xiàn)今的計算機性能主要受制于I/O性能。而在ReRAM普及以前，整體使用內(nèi)存尚不可能。使用沙盒重定向的辦法，將計算機的硬盤抽象成文件層與程序?qū)樱鴮⒊绦驅(qū)舆M行重定向加速，用容量不大但是速度快得多的設備來做程序?qū)?，?jīng)沙盒轉(zhuǎn)移讀寫，能夠大大加速目前這個時代的計算機各類設備。