CN101410905A - 减小非易失性存储器读取延迟的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

用于控制存储器设备中的访问操作的系统、装置和方法，其中该存储器设备可包括存储器控制器和存储器。可定义存储器装置支持的命令、寄存器和/或其它机制，其中这样的命令、寄存器和/或其它机制促进控制读取操作和写入操作/擦除操作，以允许这些操作同时执行。因此，可以在第一存储器上发起写入操作和/或擦除操作，利用命令集在第二存储器上发起读取操作，其中读取操作和写入操作/擦除操作基本上同时执行。

Description

减小非易失性存储器读取延迟的方法和设备
技术领域
本发明涉及非易失性存储器设备，具体地涉及具有NAND结构的闪存设备，并且更具体地涉及通过附加的命令集和/或寄存器组来减小NAND闪存访问操作延迟的方法。
背景技术
闪存设备，例如在移动终端中使用的闪存设备，通常具有多个分区。这些分区可以是二进制分区(只读)和读写分区。在写入操作期间，在写操作完成之前都不能从存储器中读取数据。对于实时应用，这会引发不期望的或不能接受的读取延迟。在任何应用中，如果在执行写入操作时可以从只读分区读取数据，则整体系统性能将提高。
其中，按需调页(paging-on-demand)技术是读取延迟对于其很关键的应用的例子，其中，在需要数据页之前，不会将数据页从数据存储器拷贝到RAM中。存储器被组织为通常所称的块和页，每一页典型地包含512字节。块由若干页组组成并具有16kB的大小。为了降低所需的存储器大小，仅装载应用当前需要的页。因此，请求调页需要连续的读取过程和写入过程。在NAND闪存系统中，普遍应用按需调页，但是用于该技术的系统的主要缺点是读取操作和写入操作不能同时执行。每个页的取回操作将阻碍整个系统，直到该页被完全加载，这相当大地减缓了应用的执行。
虽然NOR闪存支持同时读写(read-while-write)技术，但是NOR类型的存储器因为多种原因一般不用于存储卡。由于NOR存储器的并行结构，与NAND相比，NOR存储器表现出较慢的写入和擦除性能，因此主要用作只读存储器，例如用于程序代码。另外，与NAND设备相比，对于每一数据存储量，NOR设备占用更多的裸片空间，所以NAND闪存更适于将大量数据存储在有限的空间中，例如存储在移动设备中。
所描述的任何特性和问题都存在于基于闪存的存储卡和嵌入式大容量存储设备中。因此，需要提供一种控制NAND闪存卡和嵌入式大容量存储设备上的读取过程的方法，以降低读取延迟时间。这可以通过附加的命令集和/或寄存器组控制读写入操作来实现。新的命令集和/或寄存器组可以作为闪存设备的存储器控制器的第二“虚拟”端口，其允许即使另外的写入操作正在进行也可以快速读访问存储器设备。
发明内容
为了降低访问NAND闪存的读取延迟，可定义由闪存支持的附加命令集和/或寄存器组。借助于该命令集和/或寄存器组，除了存储器控制器的现有数据端口还创建了“虚拟”端口。这可以通过在存储器设备中控制任何读取/写入命令以使得能够在写入操作/擦除操作进行时处理读取请求来实现。可以用两个或更多NAND芯片来应用控制，其中存储器控制器以这样的方式控制同时读写，即，当在一个芯片上写入/或擦除的同时，能够从一个芯片上读取；或者可选地，可以使用具有附加功能(例如实时的同时读写访问功能或挂起功能)的NAND芯片来应用控制，其中只需要一个这样的NAND芯片，并且存储器控制器可在该一个芯片分离的块上进行读取和写入，或者在执行读取操作前挂起写入操作。
附图说明
以下通过用于解释说明的示例性实施例和附图描述本发明，其中
图1示意性示出根据本发明示例性实施例的闪存系统；
图2是根据本发明实施例的自动挂起读取过程的流程图；
图3是根据本发明的方法示出的优先权参数的另一个流程图；
图4是根据本发明实施例的示出挂起参数的另一个流程图。
具体实施方式
在图1中，根据本发明的配置被示意性示出。非易失性存储设备1包括至少一个NAND类型闪存芯片12、14、16和具有连接到外部主机4的接口的存储器控制器2。外部主机设备4可用这样的终端表示，该终端包括用于执行存储在存储器介质中的程序代码的处理器。主机可能需要存储在存储器设备1中的信息以执行程序代码或在主机上显示信息，例如存储在移动通信终端中的内部闪存或闪存卡上的信息。主机能够控制此存储器访问并与存储器设备进行数据通信。为此，主机连接到存储器控制器，或可选地，若主机负责所有的访问控制并且若存储器设备的结构不需要分离的控制器，则主机可直接连接到存储器设备。例如，主机可以是台式机、掌上电脑、移动电话、数码相机或任何基于能够使用非易失性存储器作为存储介质的其它类型计算机/微控制器。非易失性存储器设备可以提供为例如可移动存储器元件(存储卡)或配置在设备中的嵌入式大容量存储器。
存储器控制器2的读取/写入端口8用于访问NAND存储器芯片以根据预先定义的说明书在存储器芯片1上执行读取操作和/或写入操作。存储器芯片包括在若干分区上的读写数据(即，用于数据存储)和只读数据(例如程序代码)。读写数据可置于若干芯片中或至少一个存储器芯片的若干块中。
通过提供命令集(单状态机)和/或寄存器组(多状态机)，存储器控制器能够允许读访问存储器设备的一个第一存储器单元，同时写入/擦除该设备的第二存储器单元。存储器单元可对应于例如分离的NAND芯片或至对应于少一个存储器芯片的分离的块。如果NAND芯片不能进行内部的同时读写操作或挂起操作，则至少应该提供两个NAND芯片以应用本发明的方法。
如图1所示，存储器控制器具有用于NAND存储器芯片的读取和写入/擦除访问或用于NAND存储器芯片的至少第一存储器单元12、14的读取和写入/擦除访问的读写端口8。另外，通过上文提及的命令集和/或寄存器组可将第二读写端口10实现为“虚拟”端口。该端口用于加快对图1例子中的第二存储器单元16上的只读数据的读取访问操作。主机可经由主机接口6与存储器控制器2进行通信，从而使对读取操作和写入操作的控制可选地可以由主机4执行。将要写入到存储器上的数据或将要从存储器中读取的数据也经由主机接口传输。
另一个示例性实施例使用具有附加功能的NADN类型闪存芯片，这些芯片有望在近年被研发出来。附加的能力可包括在NAND芯片上实际的同时读写访问或在其它类型的闪存中公知的挂起功能。这些附加的特性使得实现本发明的思想仅需要一个NAND芯片，尽管多芯片可以如在上述NAND结构的情况下使用。
当NAND芯片支持同时读取操作/写入操作时，存储卡控制器可发出命令给同一NAND芯片的不同存储块。这样，写入操作/擦除操作可在芯片的第一存储块上执行，而一个或多个读取操作同时在其它存储块上执行。这些存储块可设置在同一NAND芯片上作为第一存储块或设置在不同的存储器芯片上。存储卡控制器防止交叠的存储器访问(即，防止对单个存储器组的多于一个的请求)。
为了防止这样的交叠，控制器应当意识到正在执行的操作在存储器设备的哪里执行。这例如可以通过忙碌信号或指示对存储器设备的访问正被请求或正在处理的某类标志来确保。当控制器检测到正在执行的操作或接收到若干请求时，如上所述的，控制器将以确保同一时间只有一个命令指向一个存储器单元的方式发出命令。
在本发明的另一示例性实施例中，使用具有挂起能力的NAND芯片来减小读取延迟。这里，写入操作/擦除操作被挂起以能够执行具有更高优先级的读取操作。读取进程应当在恢复中断的写入操作或擦除操作之前完成。具有挂起时间为500口秒的NAND存储器设备可以得到并且足够用于实时读取应用/写入应用。
为此目的，若干实现新的读取命令的方式是可行的。一个选择就是以任何读取命令自动具有比擦除命令/写入命令更高优先级的方式定义命令集。接着，读取命令的使用将触发正在存储器芯片上执行的任何操作的挂起。图2中示出了在读过程中这样的自动挂起可能的执行。
为了保留根据发生的情况决定挂起的可能性，主机可在可由存储器控制器检测的读取命令帧中包括优先权参数，使得并非所有的读取操作都必然地触发挂起。图3中示出了这样的示例性实施例。在步骤301中，存储器控制器等待接收主机的新命令。当接收到读取命令(步骤302)，封装在该命令中的优先权参数被存储器控制器校验(303)。优先权参数的执行例如通过以下方式，即需要实现特定条件以触发挂起，或定义若干优先权级以允许存储器控制器确定是否读取命令比活跃的写入操作/擦除操作具有更高的优先权。该写入操作/擦除操作的在前发起在图3中未示出。以下通过示例的方式来假设读取命令的优先权作为比特值或数字值给出，并且为存储器控制器定义预先设定的优先权阈值。如果接收到的读取命令的优先权参数超出了预先设定的优先权阈值，则任何正在进行的写入操作/擦除操作或任何可选的操作(包括读取操作)被挂起(步骤305)。然而，如果优先权参数表现出比接收到的读取命令更低的优先权，则正在进行的操作继续而不被中断并且不执行读取命令(步骤304)。这可以通过发信号响应给主机。可选地，读取命令可以通过存储器控制器以适当的方式被存储，并且一旦写入操作/擦除操作完成该读取命令便被执行。
如步骤306所示，写入操作/擦除操作挂起之后，存储器控制器执行读取操作并且传输读取命令所请求的数据给主机。接着，写入操作/擦除操作由存储器控制器自动恢复(步骤307)。正如在步骤306中所看到的，数据传输回主机后，存储器控制器已经在等待来自主机的新命令。以这种方式，单个写入操作/擦除操作或例如顺续地写入可以由具有相应优先权参数的读取操作挂起多次。虽然主机发出优先权参数被或将其包括在命令中，但是实际的过程由存储器控制器控制。
以同样的方式，如图4中的示例，挂起参数可以附加到读取命令并且因此触发任何其它操作的挂起。在步骤402中，当读取命令由存储器控制器接收时，存储器控制器在步骤403中例如通过校验标记来确定读取命令是否包括挂起参数。如果在命令中检测到挂起参数，就像前面描述的在步骤305中的优先权参数的情形一样，执行正在进行的写入操作和后续的读取操作的挂起。不具有挂起参数的读取命令因此对应于具有图3中较低优先权的读取命令，并且仅仅当没有写入操作/擦除操作在存储器单元运行时才执行。
也可以发出分离的挂起命令，其触发正在进行的操作的挂起，并且接着可以以传统方式在存储器芯片上处理任何被期待的访问命令，例如读取命令。
另一种可能性是挂起任何正在进行的来自或去往闪存设备的数据传输，并且立即发出快速读取命令。数据传输的这种挂起可通过与正在进行的访问操作的挂起相同的方式触发，也就是通过具有优先权参数的读取命令、不具有优先权参数的读取命令来触发或者通过分离的挂起命令来触发。
上述的命令机制或寄存器扩展可在状态机级上实现，以便写入操作/擦除操作的挂起或同时的同时读写触发使能除了已存在的访问之外的并行状态机。此附加的访问可被认为是虚拟端口。
在所有给出的示例中，存储器访问的控制或者可以由主机设备代替存储器控制器实现。存储器芯片访问可以是地址控制的或非地址控制的，例如该存储器芯片访问可以经由片选信号实现。
归因于所需的附加逻辑和各种支持本发明思想的更昂贵的存储器芯片，本发明的方法显然增加了系统闪存的花销，然而，作为回报，典型地减少了系统中所需的RAM，应用本发明方法的系统的整体存储器花费将显著地降低，同时就像描述的可获得读取延迟的进一步的利益。
因此，给出了实现具有低读取延迟的NAND闪存设备的方法，以使得具有大存储能力并具有快速存取时间的存储卡和/或嵌入式存储器容易实现。尽管本发明已经针对特定实施例、存储器类型和具体命令机制说明，但是本领域技术人员将意识到这些只能以示例的方式加以理解，并且决不是试图于限定由说明书、权利要求及它们的结合而给出的本发明的范围。因此，说明书和附图也认为是示例而不是限制的意思。

Claims (25)

1、一种用于在非易失性存储器设备中控制访问操作的方法，所述非易失性存储器设备包括存储器控制器和至少一个非易失性存储器芯片，所述方法包括：
利用所述存储器控制器在第一存储器单元上发起写入操作和/或擦除操作；
利用所述存储器控制器通过命令集在第二存储器单元上发起读取操作；并且
其中，所述读取操作与所述写入操作和/或擦除操作同时执行。
2、如权利要求1所述的方法，所述非易失性存储器设备包括至少两个NAND闪存芯片，其中所述第一存储器单元和所述第二存储器单元对应于第一NAND存储器芯片和第二NAND存储器芯片。
3、如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个非易失性存储器芯片包括能够同时执行同时读写访问的NAND闪存芯片，其中所述第一存储器单元是所述至少一个存储器芯片上的第一存储块，并且所述第二存储器单元是所述至少一个存储器芯片上的第二存储块。
4、如权利要求3所述的方法，所述非易失性存储器设备包括至少两个NAND存储器芯片，其中所述第一存储器块和所述第二存储器块是两个不同NAND芯片的存储器块。
5、如权利要求1所述的方法，进一步包括：利用所述存储器控制器从外部主机设备接收所述命令集中的至少一个。
6、一种计算机程序产品，包括存储在计算机可读介质上的程序代码装置，当所述程序代码装置在计算装置或处理装置上执行时，其用于执行权利要求1的操作。
7、一种用于在非易失性存储器设备中控制访问操作的方法，所述非易失性存储器设备包括存储器控制器和至少一个NAND类型的存储器芯片，其中所述NAND芯片具有挂起能力，所述方法包括：
利用所述存储器控制器通过命令集在第一存储器单元上挂起至少一个写入操作和/或擦除操作；以及随后
利用所述存储器控制器通过命令集在存储器单元上发起读取操作。
8、如权利要求7所述的方法，其中所述命令集包括用于发起所述读取操作的读取命令。
9、如权利要求8所述的方法，其中所述读取命令自动触发任何正在进行的写入操作/擦除操作的挂起。
10、如权利要求8所述的方法，其中所述读取命令自动触发去往和来自所述闪存设备的任何数据传输的挂起。
11、如权利要求8所述的方法，其中所述读取命令包括优先权参数，所述方法进一步包括：基于所述优先权参数，确定正在进行的写入操作/擦除操作是否将被挂起。
12、如权利要求8所述的方法，其中所述读取命令包括优先权参数，所述方法进一步包括基于所述优先权参数，确定正在进行的出和/或入的数据传输是否将被挂起。
13、如权利要求8所述的方法，其中所述读取命令包括挂起参数，并且其中所述挂起任何正在进行的写入操作/擦除操作响应于所述挂起参数而被执行。
14、如权利要求8所述的方法，进一步包括在发出所述读取命令之前发出挂起命令，所述挂起命令用于触发任何正在进行的读取操作/写入操作的挂起。
15、如权利要求8所述的方法，进一步包括在发出所述读取命令之前发出挂起命令，所述挂起命令用于触发去往和/或来自所述闪存设备的任何数据传输的挂起。
16、一种计算机程序产品，包括存储在计算机可读介质上的程序代码装置，当所述程序代码装置在计算机或处理器上执行时，其用于执行权利要求7的操作。
17、一种非易失性存储器设备，包括存储器控制器和至少一个非易失性存储器芯片，其中提供有第一存储器单元和第二存储器单元，其中所述存储器控制器被配置为在所述第一存储器单元上发起写入操作和/或擦除操作；并且所述存储器控制器被进一步配置为通过命令集在所述第二存储器单元上发起读取操作，并且其中所述存储器控制器适于同时执行所述读取操作与所述写入操作和/或擦除操作。
18、如权利要求17所述的存储器设备，其中所述存储器控制器被进一步配置为挂起对存储器单元的访问操作。
19、如权利要求17所述的存储器设备，其中所述存储器控制器被进一步配置为检测所述命令集中的附加优先权参数或挂起参数。
20、如权利要求17所述的存储器设备，其中所述第一存储器单元和第二存储器单元对应于至少一个NAND闪存芯片的分离的块。
21、如权利要求17所述的存储器设备，包括至少两个NAND闪存芯片，其中所述第一存储器芯片和第二存储器芯片对应于第一NAND闪存芯片和第二NAND闪存芯片。
22、如权利要求17所述的设备包括：
用于在所述存储器设备的第一存储器单元上发起写入操作和/或擦除操作的装置；
用于在所述存储器设备的第二存储器单元上发起读取操作的装置；以及
用于控制所述读取操作与写入操作/擦除操作同时执行的装置。
23、一种主机设备，包括：
数据传输单元，其被配置为在所述主机设备和闪存设备之间通信数据；命令单元，其被配置为向所述闪存设备发出控制命令；以及
其中所述主机设备能够控制所述闪存设备，使得在完成第一正在进行的访问操作前，在所述闪存设备上发起第二访问操作。
24、一种存储器模块，包括存储器控制器和至少一个非易失性存储器芯片，其中提供有第一和第二存储器单元，
其中所述存储器控制器被配置为在所述第一存储器单元上发起写入操作和/或擦除操作；并且所述存储器控制器被进一步配置为通过命令集在所述第二存储器单元上发起读取操作；并且
其中所述存储器控制器适于同时执行所述读取操作与所述写入操作和/或擦除操作。
25、一种系统，包括：
存储器模块，包括，
存储器控制器和至少一个非易失性存储器芯片，其中提供有第一存储器单元和第二存储器单元；
其中所述存储器控制器被配置为在所述第一存储器单元上发起写入操作和/或擦除操作；并且存储器单元被进一步配置为通过命令集在所述第二存储器单元上发起读取操作；
其中所述存储器控制器适于同时执行所述读取操作与所述写入操作和/或擦除操作；以及
主机设备，包括：
数据传输单元，其被配置为在所述主机设备和闪存设备之间通信数据；命令单元，其被配置为向所述闪存设备发出控制命令；以及
其中所述主机设备能够控制所述闪存设备，使得在第一正在进行的访问操作完成前在所述闪存设备上发起第二访问操作。
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