CN101770428B - 非易失性存储器操作方法及使用该方法的数据储存系统 - Google Patents

非易失性存储器操作方法及使用该方法的数据储存系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非易失性存储器操作方法及使用该方法的数据储存系统。该非易失性存储器包括多个实体区块，其具有多个数据区块与多个备用区块。比较已选取实体区块的平均抹除次数与一第一临界值，用以取得一指针。每一实体区块的抹除次数为该实体区块上所执行抹除操作的总次数。根据该指针决定该存储器的一效能状态。当该平均抹除次数大于该第一临界值，该效能状态被设定为一第一状态。根据该效能状态产生一指示。响应于该第一状态，执行一延伸程序，用以配置一最小数量的该至少一部份备用区块，被保留及用于数据更新操作。

Description

非易失性存储器操作方法及使用该方法的数据储存系统
技术领域
本发明有关于非易失性存储器，特别是有关于非易失性存储器的操作方法，以及使用该方法的数据储存系统。
背景技术
一般而言，非易失性存储器具有许多优势，诸如高存储密度、低功率消耗与防震。因此，非易失性存储器装置，例如与非门(NAND)闪存装置，广泛地作为储存媒体，像是安全数字卡(SD card)、快闪记忆卡(CF card)、随身碟及固态储存硬盘(SSD)。再者，许多可携式装置，如个人数字助理(PDA)或者笔记型计算机，亦搭配使用此一闪存装置，作为主要储存媒体，用以取代机械式硬盘，。
然而，非易失性存储器的非易失性存储器区块会有抹除次数的限制，其中，多电平单元(multi-level cell，MLC)存储器区块的抹除次数少于单电平单元(single-level cell，SLC)存储器区块。当抹除操作无法在非易失性存储器内的一区块上执行时，则该区块变为一缺陷区块，且为一只读区块。
因此，需要一种非易失性存储器操作方法，用以延长其使用期限。除此之外，需要一种非易失性存储器操作方法，用以通知使用者非易失性存储器的效能状态，能够于数据遗失前采取适当措施，例如立即备份数据。
发明内容
本发明提供一种非易失性存储器操作方法。于一实施例中，该非易失性存储器包括多个实体区块，其具有多个数据区块与多个备用区块。该些数据区块用以储存数据。对应于该些数据区块的至少一部份备用区块被保留及用于数据更新操作。该方法包括下列步骤：比较已选取实体区块的一平均抹除次数与一第一临界值，用以取得一指针；根据该指针，决定该非易失性存储器的一效能状态，其中，当该平均抹除次数大于该第一临界值时，该效能状态被设定为一第一状态；根据该效能状态产生一指示；以及执行一延伸程序，用以响应于该第一状态，其中，该延伸程序配置一最小数量的该至少一部份备用区块，被保留及用于数据更新操作。
另一方面，本发明提供一种非易失性存储器操作方法。于实施例中，该非易失性存储器包括多个实体区块，其具有多个数据区块与多个备用区块。该些数据区块用以储存数据。对应于该数据区块的至少一部份备用区块被保留及用于数据更新操作。该方法包括下列步骤：根据保留用于该些数据区块数据更新操作的该至少一部份备用区块以外的备用区块全部数量，用以产生一指针；当该指示为一第一状态时，执行一延伸程序，其中，该延伸程序配置一最小数量的该至少一部份备用区块，被保留及用于数据更新操作。
另一方面，本发明提供一种数据储存系统，包括一存储器模块与一主机。进一步，该存储器模块包括一非易失性存储器与一控制器。该非易失性存储器包括多个实体区块，其具有多个数据区块与多个备用区块。该些数据区块用以储存数据。对应于该些数据区块的至少一部份备用区块被保留及用于数据更新操作。该控制器耦接于该非易失性存储器，用以取得已选取实体区块的一平均抹除次数。每一实体区块的每一抹除次数为其上所执行抹除操作的总次数。该主机耦接于该存储器模块，比较该平均抹除次数与一第一临界值用以取得一指针，并根据该指针决定该非易失性存储器的一效能状态。于一实施例中，当该平均抹除次数大于该第一临界值时，该效能状态将被设定为一第一状态。该主机进一步根据该效能状态产生一指示，并且执行一延伸程序，用以响应于该第一状态。该延伸程序配置一最小数量的该至少一部份备用区块，被保留及用于数据更新操作。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是显示依据本发明实施例的数据储存系统方块图。
图2是显示依据本发明实施例的非易失性存储器操作方法流程图。
图3是显示依据图2实施例的非易失性存储器另一操作方法流程图。
图4是显示依据图2实施例的非易失性存储器另一操作方法流程图。
具体实施方式
下文说明本发明的较佳实施方式。下述的说明用以更容易了解本发明，并非用以限制本发明。本发明的保护范围当以权利要求所界定的为准。
图1显示依据本发明实施例的数据储存系统10方块图。该数据储存系统10包括存储器模块110、主机106与屏幕108。存储器模块110包括控制器104与非易失性存储器102，例如：与非门(NAND)闪存。
于一实施例中，非易失性存储器102包括多个实体区块，如多电平单元存储器区块，具有多个数据区块、多个备用区块与多个缺陷区块。举例而言，当第一次使用非易失性存储器102时，具有(X+Y+Z)个实体区块。于此，X表示数据区块的全部数量，Y表示备用区块的全部数量，以及Z表示缺陷区块的全部数量。数据区块用以储存数据。缺陷区块禁止抹除与编程存取。进一步，对应于数据区块的至少一部份备用区块被保留及用于数据更新操作，而除了保留及用于数据更新操作的至少一部份备用区块以外，其余备用区块将用来维持非易失性存储器102的效能。举例来讲，于读写操作时，其余备用区块可用来取代坏掉或缺陷区块。缺陷区块可能于制造时或者执行过多的抹除操作时产生。通常在一开始时，Z会远小于X或Y。但于数据写入时，随着非易失性存储器102所执行的抹除操作增加，使得越来越多数据区块或者备用区块会因为过多的抹除操作而变成缺陷区块。
于一情况下，当一备用区块因为过多的抹除操作而有缺陷时，便将该备用区块标志为一缺陷区块。因此，备用区块的全部数量变成(Y-1)，而缺陷区块的全部数量变成(Z+1)。于另一情况下，当一数据区块为有缺陷时，则将对应的一备用区块转而作为该数据区块，用以维持数据区块的大小。因此，数据区块的全部数量依然为X，不过，备用区块的全部数量变成(Y-1)，而缺陷区块的全部数量变成(Z+1)。
于是，当缺陷区块的全部数量增加到一个程度时，由于备用区块不足，将造成非易失性存储器102可能出现效能问题或数据遗失。于此情况下，可利用非易失性存储器102的某些条件来取得一指针，用以判断非易失性存储器102的效能是否能满足需求。举例而言，主机106可执行一软件程序，根据初始缺陷区块、目前缺陷区块、初始备用区块、目前备用区块、全部或数个实体区块的抹除次数、或非易失性存储器102的其它状态，用以决定非易失性存储器102的操作使用期限与效能状态。
图2显示依据本发明实施例的非易失性存储器操作方法流程图。如图1与图2所示，当包含储存媒体(例如：存储器模块110)的数据储存系统10开机时，将上述一或多个状态提供给主机106，用以取得指针，以便检测或估测非易失性存储器102的效能状态(步骤S202)。
于一实施例中，于非易失性存储器102中，耦接于非易失性存储器102的控制器104取得已选取实体区块的平均抹除次数，并据以决定效能。值得一提的是，对已选取实体区块而言，每一抹除次数表示所执行的抹除操作的总次数。
于此状况下，耦接于存储器模块110的主机106取得与已选取实体区块的平均抹除次数相关的一指针。于一实施例中，通过平均已选取实体区块的全部抹除次数，用以取得平均抹除次数。于操作中，主机106比较平均抹除次数与第一临界值，用以取得指针。其次，再根据指针来产生一指示。屏幕108耦接于该主机106，用以显示该指示(步骤S204)。再者，当非易失性存储器102的效能状态被判断为不能满足需求时，主机106可执行一软件程序，用以延长非易失性存储器102的操作使用期限。举例来讲，针对特定的效能，软件程序可执行一延伸程序，用以由非易失性存储器102，将一系统内编程(in-system programming，ISP)码加载至控制器104，进而维持非易失性存储器102的正常读写操作(步骤S206)。延伸程序的操作将配合图3与图4详细说明如下。
图3显示依据图2实施例的非易失性存储器另一操作方法流程图。于此实施例中，利用非易失性存储器102(如图1所示)内的已选取实体区块的一平均抹除次数来决定指针，用以判断效能。
举例而言，当主机106欲写入数据至具有抹除次数C1的实体区块B1时，图1的控制器104抹除实体区块B1。因此，实体区块B1的抹除次数变成(C1+1)。因为在一实体区块上执行抹除操作过多时会使得抹除次数非常大，因此，主机106可选择一些实体区块来取得平均抹除次数，用以估测非易失性存储器102的效能(步骤S302)。
进一步，主机106通过比较平均抹除次数与第一临界值来取得指针。主机106根据指针决定非易失性存储器102的效能状态。决定效能状态之后，便根据效能状态来产生一指示。于一实施例中，当平均抹除次数超过第一临界值，则将效能状态设定为第一状态，用来表示非易失性存储器102随时会产生缺陷，且储存于非易失性存储器102的数据可能随时会遗失。如此一来，响应于第一状态，可在屏幕108上用一红色闪光灯信号来显示该指示，像是用红色闪光灯信号的图标，以便通知终端使用者尽快将非易失性存储器102执行备份操作(步骤S304)，以防止数据遗失。于备份操作期间，主机106指示控制器104备份非易失性存储器102所储存的数据。
另一方面，当平均抹除次数低于第一临界值时，主机106进一步地比较平均抹除次数与第二临界值，用以取得该指针。于此情况下，根据平均抹除次数与第二临界值的比较结果，于黄色或绿色闪光灯信号中选择其一来显示该指示。也就是说，当平均抹除次数介于第一临界值与第二临界值时，便于屏幕108上用一黄色闪光灯信号来显示该指示，如利用黄色闪光灯信号的图标，用以表示存储器模块110已使用一段时间，而且效能已下降(步骤S306)。当平均抹除次数少于第二临界值时，在该屏幕108上用一绿色闪光灯信号来显示该指示，如利用绿色闪光灯信号的图标，用以表示存储器模块110的效能能够满足需求(步骤S308)。
如上所述，响应于红色闪光灯信号或第一状态，执行一延伸程序，用以使非易失性存储器102中数据储存的操作使用期限延长。延伸程序用以配置一最小数量的备用区块，被保留及用于数据更新操作。被保留及用于数据更新操作的该些备用区块与原来的数据区块一起被称为配对区块。最小数量的备用区块意指最小数量的配对区块。最小数量的备用区块足以维持存储器模块110的正常操作，但可能会影响存储器模块110的效能。举例来讲，对应于数据区块，假使原本保留及用于数据更新操作的备用区块数量为N，则延伸程序可将N减小至最小数量M，使得控制器104得以维持正常操作(步骤S310)。
除此之外，假设备用区块的全部数量为Y，执行完延伸程序后，将有(Y-M)个备用区块可用于取代任何缺陷数据区块或者任何缺陷备用区块，从而增加存储器模块110的操作使用期限。值得注意的是，第一临界值与第二临界值均为可编程的。于操作中，可依据非易失性存储器102的存储器型式决定第一临界值与第二临界值，或者由应用软件加以编程。举例来讲，单电平单元存储器(SLC)的第一临界值或第二临界值会比多电平单元(MLC)存储器的值来得大，这是因为单电平单元存储器较多电平单元存储器允许较多的抹除次数。所以，终端使用者可根据其经验与需求来编程第一临界值与第二临界值，以便建立更适当的指示。
值得一提的是，存储器模块110包括安全数字卡(SD card)、快闪记忆卡(CFcard)、固态硬盘(SSD)，或者其它与非易失性存储器相关的存储器装置。
图4是显示依据图2实施例，用以决定非易失性存储器效能的另一操作方法流程图。于此实施例中，除了与已选取实体区块相关的抹除次数之外，亦可于图1的非易失性存储器102中，利用备用区块的全部数量来决定指针，用以判断效能。
参考图1与图4，当数据储存系统10开机后，主机106激活软件程序来检查存储器模块110的效能。更具体地，主机106先计算已选取实体区块的平均抹除次数。其次，除了对应于该数据区块，被保留及用于数据更新操作的备用区块外，主机106计算其它备用区块的全部数量。举例而言，若全部备用区块为Y，而被保留及用于数据更新操作的备用区块的全部数量为N，则其余或可利用备用区块的全部数量为(Y-N)。接下来，主机106比较平均抹除次数与一抹除临界值，并比较可利用备用区块的全部数量与一备用临界值，用以取得指针(步骤S402)。
需注意，可透过应用软件来编程备用临界值与抹除临界值，或者依据非易失性存储器102的存储器型式来决定。举例来讲，可依据闪存识别码或者闪存厂商规格，自查找表取得备用临界值与抹除临界值。
于操作中，当平均抹除次数少于抹除临界值，且可利用备用区块的全部数量大于备用临界值时，则可知存储器模块110操作于一适当状态。因此，对应于安全状态的一指示是以绿色闪光灯信号显示于屏幕108上，例如用绿色闪光灯信号的图标，用以表示存储器模块110的效能状态令人满意(步骤S404)。
进一步，当平均抹除次数大于抹除临界值，且可利用备用区块的全部数量大于备用临界值时，则可知存储器模块110操作于不稳定状态。此时，于屏幕108上用一黄色闪光灯信号来显示对应于安全状态的指示，如利用黄色闪光灯信号的图标，用以表示存储器模块110的效能状态已经下降(步骤S406)。
于其它实施例中，当可利用备用区块的全部数量小于备用临界值时，主机106会检查已选取实体区块的每一抹除次数是否大于抹除临界值。当已选取实体区块的全部抹除次数大于抹除临界值时，将效能状态设定为一警告状态，用以表示非易失性存储器102随时会产生缺陷(步骤S408)。于此情况下，储存于存储器模块110可能随时会遗失。根据上述说明，为响应于警告状态，于屏幕108上用一红色闪光灯信号来显示该指示，进而提醒终端使用者备份非易失性存储器102所储存的数据。于一实施例中，终端使用者可点击位于屏幕108上的红色闪光灯信号的图标，用以使数据储存系统10进入一延伸模式或执行延伸程序(步骤S410)。如前所述，延伸程序用以配置一最小数量的备用区块，被保留及用于数据更新操作。如此一来，对应于数据区块、被保留及使用的备用区块数量将会减少，因而空出更多闲置的备用区块，用以取代坏掉的区块。另外，可配置非易失性存储器102，使其操作于一较低时脉速度，进而在非易失性存储器102变得无法使用之前，让终端使用者备份所储存的数据。以此方式，控制器104能够安全地再操作存储器模块110一段时间，直到没有可利用的备份区块来取代坏掉的区块，而终端使用者有更多时间可以在数据遗失前备份非易失性存储器102。
值得注意的是，可以设定或合并其它条件来取得指针，用以决定存储器模块110的效能。举例而言，当可利用备份区块的全部数量小于备份临界值时，可知存储器模块110操作于警告状态。再者，当可利用备份区块的全部数量大于或等于备份临界值时，主机106可比较已选取实体区块的每一抹除次数与备份临界值。当所有的抹除次数都少于抹除临界值时，则可知存储器模块110操作于能够满足需求的状态。否则，当部份的已选择实体区块具有大于抹除临界值的抹除次数时，可知存储器模块110操作于无法满足需求的状态。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以权利要求所界定的为准。

Claims (19)

1.一种非易失性存储器操作方法，该非易失性存储器具有多个实体区块，其中，该些实体区块包括多个数据区块与多个备用区块，该些数据区块用以储存数据，对应于该些数据区块的至少一部份备用区块被保留及用于数据更新操作，该非易失性存储器操作方法包括：
比较已选取实体区块的一平均抹除次数与一第一临界值，用以取得一指针；
根据该指针，决定该非易失性存储器的一效能状态，其中，当该平均抹除次数大于该第一临界值时，该效能状态被设定为一第一状态；
根据该效能状态，产生一指示；及
执行一延伸程序，用以响应于该第一状态，用以由该非易失性存储器将一系统内编程码加载至一控制器，进而维持该非易失性存储器的正常读写操作，其中，该延伸程序配置一最小数量的该至少一部份备用区块，被保留及用于数据更新操作，其中最小数量的备用区块足以维持存储器模块的正常操作，其中存储器模块包括非易失性存储器和一控制器。
2.如权利要求1所述的非易失性存储器操作方法，其特征在于，当该平均抹除次数小于该第一临界值时，比较该平均抹除次数与一第二临界值，用以取得该指针。
3.如权利要求2所述的非易失性存储器操作方法，其特征在于，根据该平均抹除次数与该第二临界值的比较结果，利用一黄色闪光灯信号或一绿色闪光灯信号两者其中之一来显示该指示。
4.如权利要求1所述的非易失性存储器操作方法，其特征在于，比较该平均抹除次数与该第一临界值，以及将保留用于该些数据区块数据更新操作的该至少一部份备用区块以外的备用区块全部数量，与一第三临界值相比较，用以取得该指针。
5.一种非易失性存储器操作方法，该非易失性存储器具有多个的实体区块，其中，该些实体区块包括多个数据区块与多个备用区块，该些数据区块用以储存数据，对应于该些数据区块的至少一部份备用区块被保留及用于数据更新操作，该非 易失性存储器操作方法包括：
根据保留用于该些数据区块数据更新操作的该至少一部份备用区块以外的备用区块全部数量，比较该备用区块全部数量与一备用临界值，用以产生一指针；
根据该指针，用以显示一指示；及
当该指示为一第一状态时，执行一延伸程序，用以由该非易失性存储器将一系统内编程码加载至一控制器，进而维持该非易失性存储器的正常读写操作，其中，该延伸程序配置一最小数量的该至少一部份备用区块，被保留及用于数据更新操作，其中最小数量的备用区块足以维持存储器模块的正常操作，其中存储器模块包括非易失性存储器和一控制器。
6.如权利要求5所述的非易失性存储器操作方法，其特征在于，进一步根据已选取实体区块的一平均抹除次数，用以产生该指针。
7.如权利要求6所述的非易失性存储器操作方法，其特征在于，该已选取实体区块的该平均抹除次数大于一第一临界值。
8.如权利要求5所述的非易失性存储器操作方法，其特征在于，该至少一部份备用区块以外的备用区块的全部数量小于该备用临界值。
9.如权利要求5所述的非易失性存储器操作方法，其特征在于，利用一红色闪光灯信号来显示该指示，用以响应于该第一状态。
10.如权利要求5所述的非易失性存储器操作方法，其特征在于，更包括：
响应于该第一状态，对该非易失性存储器执行一备份操作，用以备用使用者数据。
11.一种数据储存系统，包括：
一存储器模块，具有一非易失性存储器和一控制器，其中，该非易失性存储器包括多个实体区块，其具有多个数据区块与多个备用区块，该些数据区块用以储存数据，对应于该些数据区块的至少一部份备用区块被保留及用于数据更新操作，而该控制器耦接于该非易失性存储器，用以取得已选取实体区块的一平均抹除次数，其中，每一实体区块的每一抹除次数为其上所执行抹除操作的总次数；及 
一主机，耦接于该存储器模块，比较该平均抹除次数与一第一临界值用以取得一指针、根据该指针决定该非易失性存储器的一效能状态，其中，当该平均抹除次数大于该第一临界值时，该效能状态被设定为一第一状态、根据该效能状态产生一指示、以及执行一延伸程序，用以响应于该第一状态，用以由该非易失性存储器将一系统内编程码加载至该控制器，进而维持该非易失性存储器的正常读写操作，其中，该延伸程序配置一最小数量的该至少一部份备用区块，被保留及用于数据更新操作，其中最小数量的备用区块足以维持存储器模块的正常操作，其中存储器模块包括非易失性存储器和一控制器。
12.如权利要求11所述的数据储存系统，其特征在于，更包括：
一屏幕，耦接于该主机，用以显示该指示。
13.如权利要求11所述的数据储存系统，其特征在于，当该平均抹除次数小于该第一临界值，该主机比较该平均抹除次数与一第二临界值，用以取得该指针。
14.如权利要求13所述的数据储存系统，其特征在于，根据该平均抹除次数与该第二临界值比较结果，利用一黄色闪光灯信号或一绿色闪光灯信号两者其中之一来显示该指示。
15.如权利要求11所述的数据储存系统，其特征在于，该主机比较该平均抹除次数与该第一临界值，以及将保留用于该些数据区块数据更新操作的该至少一部份备用区块以外的备用区块全部数量，与一第三临界值相比较，用以取得该指针。
16.如权利要求11所述的数据储存系统，其特征在于，该主机比较该已选取实体区块的每一抹除次数与该第一临界值，以及将保留用于该些数据区块数据更新操作的该至少一部份备用区块以外的备用区块全部数量，与一第三临界值相比较，用以取得该指针。
17.如权利要求16所述的数据储存系统，其特征在于，当该已选取实体区块的每一抹除次数大于该第一临界值，且该全部数量小于该第三临界值时，该效能状态被设定为该第一状态。
18.如权利要求17所述的数据储存系统，其特征在于，利用一红色闪光灯信号 来显示该指示，用以响应于该第一状态。
19.如权利要求18所述的数据储存系统，其特征在于，响应于该第一状态，该主机指示该控制器，用以对该非易失性存储器执行一备用操作。 
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