CN101436431B - 闪存介质的数据存储方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种闪存介质的数据存储方法，所述闪存介质包括多个存储块，以及由部分存储块构成的空块池，所述多个存储块被分成两个或两个以上的分区，所述闪存介质在存储数据的过程中，包括回收无效块的步骤；从空块池中获取擦写次数较少的空块的步骤；判断所获取擦写次数较少的空块是否是已老化的块的步骤；以及对已老化的块执行静态替换的步骤。本发明提供的闪存介质的数据存储方法，使得可以较为平均的使用闪存介质中的每个物理块，从而使闪存介质中的所有物理块的使用次数保持同步化、均匀化，防止某些物理块因频繁使用而过早地老化，从而延长整个闪存介质的使用寿命。

Description

闪存介质的数据存储方法

技术领域

本发明涉及半导体数据存储领域，特别涉及一种在闪存介质中的数据存储方法。 

背景技术

现有闪存设备早已为人们所熟知，随着人们对性价比要求的不断提高。但生产闪存芯片(Flash Memory)的厂商为了降低成本，使得闪存芯片的寿命也越来越短。典型的，现在的Nand闪存的每个物理块(即Block)的可擦写次数为10000次，甚至更少的5000次。而另一方面，由于对闪存设备的写操作的随机性，使得闪存芯片的部分物理块的操作较多，而部分物理块的操作较少，同一块闪存介质中的块与块之间擦写次数相差非常大，使闪存芯片提前加速老化，极大地缩短了闪存芯片的使用寿命。为此，开发人员采用了各种各样的磨损平衡算法来平衡闪存芯片中各块的使用次数。但是，随着闪存芯片容量的不断提高，单片闪存芯片中块的个数也不断增多，这就给原有的磨损平衡算法增加了难度，很难在整片闪存芯片中做到真正的平衡。 

现有的磨损平衡算法大多是针对基于整个闪存芯片的，而当闪存芯片中的块较多时，如闪存芯片有8192个块，如果从前往后找一个可以搬迁(寿命小于平均寿命上限阈值)的逻辑块，有可能在闪存芯片的前部分可以找到，但后面的块可能根本都找不到；如果要找一个最年轻的块，又要比较闪存芯片中每个块的寿命，不仅效率很低，而且也不方便记录整个闪存芯片的寿命表。 

发明内容

本发明目的在于提供一种闪存介质的数据存储方法，以延长闪存介质的使用寿命。 

本发明提供一种闪存介质的数据存储方法，所述闪存介质包括多个存储块，以及由部分存储块构成的空块池，所述多个存储块被分成两个或两个以上的分区；所述闪存介质在存储数据的过程中，包括： 

回收无效块的步骤； 

从空块池中获取擦写次数较少的空块的步骤； 

判断所获取擦写次数较少的空块是否是已老化的块的步骤。 

优选地，还包括对已老化的块执行静态替换的步骤。 

其中，所述回收无效块的步骤包括：在闪存介质中寻找占有额外块较多的分区的步骤；从所述占有额外块较多的分区中找合适回收的逻辑块的步骤；从空块池中取出擦写次数较少的空块的步骤；用所述擦写次数较少的空块回收所述合适回收的逻辑块中物理块的步骤。 

其中，所述执行静态替换的步骤包括：在所述闪存介质中找出擦写次数较少的分区的步骤；从擦写次数较少的分区中找到擦写次数较少的逻辑块的步骤；从空块池中取出擦写次数较多的空块的步骤；用所述擦写次数较多的空块回收擦写次数较少的逻辑块中物理块的步骤。 

优选地，所述执行静态替换的步骤还包括：判断所述擦写次数较少的逻辑块是否是FAT表所在块的步骤。 

优选地，所述执行静态替换的步骤还包括：判断所述擦写次数较少的逻辑块是否是上次写操作块的步骤。 

本发明提供的闪存介质的数据存储方法，使得可以较为平均的使用闪存介质中的每个物理块，从而使闪存介质中的所有物理块的使用次数保持同步化、均匀化，防止某些物理块因频繁使用而过早地老化，从而延长整个闪存介质的使用寿命。 

附图说明

图1是本发明实施例的分区结构示意图； 

图2是本发明实施例的写数据操作流程图； 

图3是本发明实施例的回收无效块操作流程图； 

图4是本发明实施例的执行静态替换操作的流程图。 

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。 

具体实施方式

如本领技术人员所知，闪存介质即闪存芯片包括若干个存储块，每个存储块由多个页构成，每个页包括数据存储位和冗余位。在闪存介质中按顺序分配给存储块的地址称为物理块，而在使用过程中所具有的划分块的虚构地址称为逻辑地址。逻辑地址与物理地址之间通过映射的方法进行对应和转换，由映射信息组成地址映射表，而由逻辑块地址与物理块地址之间通过映射关系建立的地址映射表称为块地址映射表。 

为了更有效地对闪存介质进行管理，可以将一个闪存介质的存储空间从逻辑上划分成若干个分区(Zone)，每个分区包含若干个逻辑块；通过扫描闪存介质各分区中的逻辑块对应存储块的物理地址，生成区地址映射表。对于一个含有8192个逻辑块的闪存介质，若每个分区包含256个块，则可以分成32个分区。但由于闪存介质块的特性，有些块是无效块，这会损失掉一部分空间。因此在划分分区时，只有在当前分区分配满块时才将剩余的块分配给下一下分区，比如，若8192个块中只有8100个有效块用于逻辑分区，则仍然可以分成32个分区，只是前面31个分区包含256个逻辑块，而第32个分区只包含164个逻辑块，具体结构和分配方法如图1所示。 

上述区地址映射表存放于闪存介质各区中相应的备用块内；通过将备用区块的区地址映射表读出至RAM内进行逻辑地址和物理地址之间的转换，从而实现闪存介质内的数据读写操作。通过分区方式实现闪存介质数据存储方法具有提高数据存取速度的优点，例如，当闪存介质针对记录于存储块中的数据进行写操作时，需要生成新的区地址映射表，只需将新的区地址映射表存放于该区的备用块中用于更新旧的区地址映射表即可。同样，在下次数据操作且需要切换到该区的区地址映射表时，无需针对该区内的每个块进行扫描，再根据每个块的物理地址动态生成相应的区地址映射表，只需将更新后的区地址映射表从相应的备用块中读出即可。 

另外，由于闪存介质在使用之前所有的有效物理块都是空块，因此在对有效物理块进行逻辑地址和物理地址的映射时，保留一定数量的空块不建立映射关系，并由此构成一个集合，称之为空块池；该空块池用于记录闪存介质中块的使用情况，其中包括与空块对应的物理地址和擦写次数，实际上，空块池在此可以作一个缓存看待。 

闪存介质在初始化时，分区地址映射表中的逻辑地址和物理地址是一对一的映射关系；但是闪存介质在数据读写的过程中，部分原有存储数据的块变为空块，此时部分逻辑块可能会同时占有两个或两个以上物理块，这些多占用的物理块即称为额外块，分区中所有逻辑块占用额外块的总和就是该分区占有的额外块，其中逻辑块对应的额外块从空块池中取得。 

同时，为了清楚闪存介质的使用情况，需建立一种记录机制，在此称之为寿命表，该寿命表包括块寿命表和分区寿命表，其中块寿命表记录了闪存介质中每个逻辑块的擦写次数，分区寿命表记录了分区擦写次数，所述分区擦写次数为该分区所有逻辑块擦写次数的总和；每个逻辑块又有一个结构体来记录它的相关参数，如物理块块号和相应的擦写次数。该结构体中记录了其逻辑块所包含的所有物理块的地址和对应的擦写次数；逻辑块的擦写次数 就是它所包含物理块中擦写次数最少的物理块的擦写次数。 

所述块寿命表和分区寿命表存储在闪存介质的专用区间，由固件对其进行控制和操作。当闪存介质某个物理块的数据被擦写时，相应逻辑块对应的结构体会将此物理块的寿命加1，若加1后此物理块是该逻辑块中最年轻的一个，则块寿命表中该逻辑块的擦写次数也增加1，同样，该块所在分区的分区擦写次数也会相应增加1。擦写后的物理块变成空块，将该空块存放于空块池中。 

所述寿命表在使用过程中先由固件从闪存介质中读到RAM中，寿命表不会频繁地存取，只有在寿命表发生变化，而读写操作又跨区域或者跨逻辑块时才需要进行保存。当一个逻辑块的块寿命表发生变化后，若下一次读写操作需要将另一个逻辑块的相关信息读到RAM中，则需要将此块寿命表写到闪存介质中进行保存。同样，当一个分区的分区寿命表发生变化后，若下一次读写操作需要将另一个分区的相关信息读到RAM中，则需要将此分区寿命表写到闪存介质中进行保存，在保存分区寿命表之前需要先将RAM中的分区寿命表先进行保存。另外，若闪存介质处在空闲状态下一段时间，并且寿命表又发生了变化，则可将寿命表先进行保存。 

基于本发明的重点是阐述闪存介质的数据存储方法，因此对有关闪存介质的结构、读写机制等相关技术不作详细描述。 

图2示出了本实施例向闪存介质中写数据操作的流程。 

步骤S200，接收写操作命令。 

步骤S201，判断是否需要从空块池获取空块；若当前块的剩余空间不足以写入写操作命令的数据，则需要从空块池中取空块进行写操作，执行步骤S202；否则，直接执行写操作命令，向写操作命令中的逻辑地址对应的物理地址写入数据，执行步骤S207。 

步骤S202，若空块池中空块不足，则需要回收无效块，执行步骤S203；否则，执行步骤S204。 

所谓空块不足，是个相对的概念，在闪存介质初始化时，每个逻辑块对应一个物理块；同时为了提高读写速度，还给整个闪存介质预留了一些空块。在向闪存介质写入数据的过程中，空块可能不断地被取走，空块数量越来越少，当空块数量少于设计人员预先设定的空块数量时则为空块不足。比如说空块池总共有100个空块，设定5个空块为预留的空块下限，当空块池空块少于5个时就判断为空块不足。 

步骤S203，将闪存介质中的无效块进行回收，并将回收后的块置于空块池中，回收无效块后执行步骤S204。 

步骤S204，从空块池中取出最年轻的块作为空块供写操作命令写入上述数据，该最年轻的块是固件通过比较空块池中各空块的擦写次数，擦写次数最少的块即为最年轻的块。 

所述最年轻的块或擦写次数最少的块是一个相对的概念，是相对于擦写次数较多的块而言的。例如，空块池中物理块A的擦写次数为N，物理块A+1的擦写次数为N+1，物理块A+2的擦写次数为N+2，物理块A+3的擦写次数为N+3，则物理块A相对空块池其它块而言为擦写次数最少的块，而物理块A+1相对于物理块A+2和物理块A+3而言为擦写次数最少的块。因此，该擦写次数最少的块不仅仅限定于物理块A，也可以是擦写次数次少的物理块A+1或A+2等。在此，为了说明方便，仍以最年轻的块或擦写次数最少的块等用语。因此，上述擦写次数最少的块或最年轻的块也可以是擦写次数较少的块或较年轻的块。 

步骤S205，若取得的擦写次数最少的空块是老化的块，则空块池中所有的空块均会是老化的块，此时则不继续对所取得的最年轻的块进行写操作，而是进行静态替换操作，执行步骤S206；若取得的最年轻的空块是非老化的块，则继续进行写操作，执行步骤S207； 

所谓老化的块，是一个相对的概念，在写操作的过程中，块寿命表记录每个逻辑块的擦写次数，并且还会有一个专门的结构体记录整块闪存介质所有物理块的总擦写次数和平均擦写次数。当物理块的擦写次数超过平均擦写次数一定阈值时，则认为此物理块是老化的物理块。平均擦写次数是指对物理块而言的，一些闪存介质中物理块的个数并不一定是2的n次方，计算平均值时就不能通过移位获得，如果用除法计算会非常麻烦。本发明实施例中，平均擦写次数是通过加减法来实现的，例如某一闪存介质的物理块共有10000个，在对某一个物理块执行擦写操作时，该闪存介质的总擦写次数就会增加1，当总的擦写次数增加到物理块总数即10000时，平均擦写次数加1，总擦写次数重新开始计算。设定平均擦写次数阈值为5，当某一个物理块的块擦写次数超过平均擦写次数5次时，则该物理块属于老化的块。 

步骤S206，执行静态替换操作，用空块池中较老或最老的空块从数据区中替换出一个相对更年轻的块。 

步骤S207，执行写操作，向闪存介质的物理块中写入数据。 

步骤S208，判断写操作是否执行完毕，如是，则结束写操作；如否，则继续执行步骤S201。 

所述回收无效块的具体流程如图3所示。 

步骤S300，找到整块闪存介质中占用额外块最多的分区，如此才能保证有足够的逻辑块供选择用于回收。如前所述，该占用额外块最多的分区也可以是占用额外块较多的分区。 

在闪存介质初始化时，每个逻辑块对应一个物理块，此时每个逻辑块占用的额外块都是0，每个分区占用的额外块也就是0。但在写操作过程中，某些逻辑块从空块池取得空块，即如前所述的一个逻辑块对应若干个物理块，它占用的额外块则会增加，相应分区占用的额外块也同样会增多。本实施中，用一个数组记录了每个分区占用的额外块数量。 

步骤S301，从占用额外块最多的分区中找到合适回收的逻辑块，所述合适回收的逻辑块包含两个方面的因素，一是该逻辑块中额外物理块的数量，额外物理块越多，其回收效率则越高，回收时优先选择额外块多的逻辑块；二是该逻辑块中的最年轻物理块的擦写次数，如果该逻辑块中最年轻物理块的擦写次数太多，则也不能选用此逻辑块。 

因此，为达到回收和平衡的目的，对于可以回收的逻辑块(至少占用两个以上物理块)，建立了一个计算模型，通过该计算模型的计算，得出最合适回收的逻辑块。该计算模型的计算式如下： 

c＝10000+μa-b    (1) 

计算式(1)中的c值越大，则该逻辑块就越适合回收；上述模型中a表示额外物理块数；b表示逻辑块所包含物理块的最小擦写次数；μ是一系数，该系数直接决定a占的比重，μ的取值跟阈值T有关。通过固件获得c值最大的逻辑块，该逻辑块即为合适回收的逻辑块。 

其中，所述阈值T的计算式如下： 

T＝μ(E-A)    (2) 

计算式(2)中，E为闪存介质中每个物理块能承受的擦写次数，该值跟闪存介质的种类有关，在出厂时由厂商标志；A为平均擦写次数，在使用过程中会逐渐增大；由上述计算式可知，T就与E成正比，与A成反比。对于不同的闪存介质，E越大，对应的阈值就越大；在闪存介质使用初期，对老化块判断的条件就越松，这样就可以减少由于搬迁造成的额外损耗。而对于一个具体的应用闪存介质作为存储介质的闪存设备，由于使用的闪存介质是固定的，因此E也是固定的，T的取值就只与A成反比。在使用过程中，随着A不断增大，T慢慢收缩，当整块闪存介质逐渐老化，A接近E时，T也慢慢收缩直到0。闪存介质中所有的物理块的擦写次数就都慢慢的接近A。 

在闪存设备使用初期，物理块的擦写次数波动范围会比较大，这样可以有效减少由于搬迁造成的额外损耗。随着使用过程中A不断增大，T逐渐收缩，物理块的擦写次数波动范围也逐渐变窄，所有物理块的擦写次数也变得越来越平均，不至于很快超出E而使整块闪存介质不能使用，这样可以最大限度的 利用所有块。 

步骤S302，从空块池中取出最年轻的空块，即擦写次数最少的空块。如前所述，该擦写次数最少的空块或最年轻的空块也可以是擦写次数较少的空块或较年轻的空块。 

步骤S303，用此最年轻的空块回收找到的合适的逻辑块，将此最年轻的空块映射到此合适的逻辑块，并将此合适的逻辑块中的有效数据搬入此最年轻的空块中，擦写原逻辑块中对应或包含的物理块中的有效数据，并将此物理块放入到空块池中。 

由此可见，所述回收无效块是将占用两个以上物理块的逻辑块中的有效数据搬到一个空块中，并将此空块与之前的逻辑块建立好对应关系，擦写搬出数据的几个物理块，并把它们放入空块池，使空块池中空块数量增加。回收后放入空块池中空块还要加入到下一次识别擦写次数最少的空块的过程中。 

所述执行静态替换操作的具体流程如图4所示。 

步骤S400，搬迁时先找到整块闪存介质中擦写次数最少的分区；所述擦写次数最少的分区是指前述分区寿命表总擦写次数最少的分区。如前所述，所述擦写次数最少的分区可以是擦写次数较少的分区。 

分区的平均寿命是指分区内所有逻辑块的寿命的平均值。所述逻辑块的寿命是指逻辑块所包含的物理块中最年轻一个块即擦写次数最少一个块的寿命。 

当分区中包含的逻辑块的数量不是2的n次方时，如前所述的第32个分区只包含164个块，就不能通过移位来计算平均值，如果用除法计算会非常麻烦。并且当分区内有效块较少时，应该相应地减少在此分区内寻找逻辑块做静态搬迁的概率。本实施例中，采用近似取值的方法来求得逻辑块的寿命的平均值。当逻辑块数大于或者等于2的(n-1)次方小于2的n次方时，取近似值2的(n-1)次方。例如如前所述的164个块，就是取128(2的7次方)计算，这样求得的平均值会比实际值大，也就是逻辑块的平均寿命偏大，相应地减少了找到此分区做静态搬迁的概率，同时也方便了计算。 

步骤S401，在找到闪存介质中擦写次数最少的分区后，再在这个擦写次数最少的分区中根据所记录的块寿命表找到擦写次数最少的逻辑块。如前所述，所述擦写次数最少的逻辑志可以是擦写次数较少的逻辑块。 

步骤S402，为了避免对频繁操作区域的数据进行搬迁，对找到的擦写次数最少的逻辑块需要有所限制；首先判断该擦写次数最少的逻辑块是否是FAT表 所在分区，如是，则不对其进行操作；否则，执行步骤S403。 

步骤S403，判断该擦写次数最少的逻辑块是否是上次写操作块，如是，则不对其进行操作；否则，执行步骤S404。 

步骤S404，从空块池中找擦写次数最多的空块，用此擦写次数最多的空块回收此擦写次数最少的逻辑块中的物理块。 

若所述擦写次数最少的逻辑块中的物理块存有数据，则将所找到的擦写次数最少的逻辑块中的物理块存有的有效数据搬迁到所述擦写次数最多的空块中，并擦写该逻辑块中的物理块并放入空块池中；在完成数据搬迁后，用所述擦写次数最多的空块回此擦写次数最少的逻辑块的物理块。 

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。 

Claims (12)

1.一种闪存介质数据存储方法，所述闪存介质包括多个存储块，所述多个存储块被分成两个或两个以上的分区，所述闪存介质中设置有由空块构成的空块池；所述闪存介质在存储数据的过程中，包括：

回收无效块，并将回收后的块置于空块池中的步骤；

从空块池中获取擦写次数较少的空块的步骤；

判断所获取擦写次数较少的空块是否是已老化的块的步骤；

对已老化的块执行静态替换的步骤。

2.如权利要求1所述的闪存介质数据存储方法，其特征在于，所述回收无效块的步骤包括：

在闪存介质中寻找占有额外块较多的分区的步骤；

从所述占有额外块较多的分区中找合适回收的逻辑块的步骤；

从空块池中取出擦写次数较少的空块的步骤；

用所述擦写次数较少的空块回收所述合适回收的逻辑块中物理块的步骤。

3.如权利要求2所述的闪存介质数据存储方法，其特征在于，还包括：

将所述合适回收的逻辑块中物理块的有效数据搬入所述擦写次数较少的空块，并擦写所述逻辑块中物理块有效数据的步骤。

4.如权利要求1所述的闪存介质数据存储方法，其特征在于，所述执行静态替换的步骤包括：

在所述闪存介质中找出擦写次数较少的分区的步骤；

从擦写次数较少的分区中找到擦写次数较少的逻辑块的步骤；

从空块池中取出擦写次数较多的空块的步骤；

用所述擦写次数较多的空块回收擦写次数较少的逻辑块中物理块的步骤。

5.如权利要求4所述的闪存介质数据存储方法，其特征在于，还包括：

判断所述擦写次数较少的逻辑块是否是FAT表所在块的步骤。

6.如权利要求4或5所述的闪存介质数据存储方法，其特征在于，还包括：

判断所述擦写次数较少的逻辑块是否是上次写操作块的步骤。 

7.如权利要求1至4任一权利要求所述的闪存介质数据存储方法，其特征在于，所述已老化的块是指某一物理块的擦写次数超过所述闪存介质平均擦写次数一阈值的物理块。

8.如权利要求2或3所述的闪存介质数据存储方法，其特征在于，所述合适回收的逻辑块是指所述占有额外块较多的分区中包含额外物理块最多的逻辑块。

9.如权利要求1至4任一权利要求所述的闪存介质数据存储方法，其特征在于，所述闪存介质包括块寿命表和分区寿命表，其中块寿命表记录了闪存介质中每个逻辑块的擦写次数，分区寿命表记录了分区擦写次数，所述分区擦写次数为该分区所有逻辑块的擦写次数的总和。

10.如权利要求9所述的闪存介质数据存储方法，其特征在于，所述逻辑块的擦写次数是该逻辑块所包含物理块中擦写次数最少的物理块的擦写次数。

11.如权利要求7所述的闪存介质数据存储方法，其特征在于，所述阈值被设为定值。

12.如权利要求7所述的闪存介质数据存储方法，其特征在于，所述阈值被设为：

T＝μ(E-A)

T为阈值，μ为系数，E为闪存介质中每个物理块能承受的擦写次数；A为平均擦写次数。 

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