CN101876949B - 数据储存系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭露一种数据储存系统与方法。数据储存系统包括一第一存储器、一第二存储器以及一存储器控制单元。第一存储器具有非易失性。第二存储器暂存第一存储器的动态信息。存储器控制单元包括一快照模块、一记录模块以及一修复模块，用以克服第二存储器于掉电时所发生的数据流失。于掉电又复电时，成链状自第一存储器读出该快照模块及该记录模块记录于该第一存储器的信息且修复第二存储器的内容。本发明可修复随机存取存储器的内容，从而防止随机存取存储器于掉电时所发生的数据流失。除了可快速修复随机存取存储器的内容以外，本发明还有利于正常操作时对第一存储器的区块配置的最佳化。

Description

数据储存系统与方法
技术领域
本发明有关于数据储存系统与方法，特别有关于掉电后储存空间动态信息的回复。
背景技术
除了盘式硬盘、光盘等，现今已发展出其他数据储存技术。以固态式硬盘(Solid State Disc，SSD)为例，其中利用NANDFlash(与非门快闪存储器)作为储存单元，以取代传统的盘式硬盘。与非门快闪存储器具有非易失性，亦可应用于携带式电子装置。例如，市面上常见的mp3随身听等，亦常使用与非门快闪存储器来储存数据。
图1以方块图图解一数据储存系统100，其中以与非门快闪存储器102作为主要储存介质。如图所示，与非门快闪存储器102内的物理空间划分为多个区块(blocks，编号为block0、block1、...、blockn)，各区块又还可划分为多个页(pages)；例如，区块block0包括多个页page(0，0)、page(0，1)、...，区块block1包括多个页page(1，0)、page(1，1)、...，区块blockn包括多个页page(n，0)、page(n，1)、...。于读/写操作中，主机端(host，未绘示)程序(program)所使用的地址信息为“逻辑地址”，需经一逻辑-物理地址映射(mapping table)转换为“物理地址”才能对应至与非门快闪存储器102上的物理空间(上述区块或页或更小的储存单位)。由于与非门快闪存储器102的特性是动态配置物理空间给各逻辑地址，因此上述逻辑-物理地址映射会一直变化。随机存取存储器(RAM)104即是用来储存此快速变化的逻辑-物理地址映射。如图所示，存储器控制单元106不仅控制与非门快闪存储器102，更管理随机存取存储器104所储存的逻辑-物理地址映射。
然而，随机存取存储器104一旦掉电就会失去其中内容，所储存的逻辑-物理地址映射也会一并消失。如何在掉电后修复随机存取存储器104的内容为本技术领域一项重要课题。
发明内容
本发明提供一种数据储存系统以及方法。
在一种实施方式中，该数据储存系统包括一第一存储器、一第二存储器以及一存储器控制单元，其中该存储器控制单元包括一快照模块、一记录模块以及一修复模块。
该第一存储器具有非易失性，且包括多个区块。该第二存储器负责暂存该第一存储器的一动态信息。该存储器控制单元耦接上述第一存储器与上述第二存储器，其中上述快照模块、上述记录模块与上述修复模块的动作如下。该快照模块于一快照区间作用，在该第一存储器记录一起始信息，其中该起始信息标示该第一存储器接续的正常操作的起始配置区块。该记录模块于一正常操作区间作用，以该第一存储器在该正常操作区间内的配置区块的闲置空间记录该正常操作区间内更新的一更新信息及上述配置区块的一链接信息。该修复模块于一掉电修复区间作用，根据该快照模块与该记录模块记录于该第一存储器的信息修复该第二存储器在该数据储存系统掉电前暂存的上述动态信息。
此外，本发明揭露的数据储存方法的一种实施方式包括：以一第一存储器储存用户数据，该第一存储器具有非易失性且包括多个区块；以一第二存储器暂存该第一存储器的一动态信息；提供一快照区间，在该第一存储器记录一起始信息，其中该起始信息标示该第一存储器接续的正常操作的起始配置区块；于一正常操作区间内，以该第一存储器在该正常操作区间内的配置区块的闲置空间记录该正常操作区间内更新的一更新信息及上述配置区块的一链接信息；以及提供一掉电修复区间，根据上述快照区间与上述正常操作区间所记录于该第一存储器的信息，修复该第二存储器在掉电前暂存的上述动态信息。
本发明可修复随机存取存储器的内容，从而防止随机存取存储器于掉电时所发生的数据流失。除了可快速修复随机存取存储器的内容以外，本发明还有利于正常操作时对第一存储器的区块配置的最佳化。
附图说明
图1以方块图图解数据储存系统的一种实施方式；
图2图解本发明数据储存系统的一种实施方式；
图3图解本发明数据储存系统的一种实施方式；
图4举例说明快照区间、正常操作区间与掉电修复区间的时间性；
图5图解每“面”写入多个区块时，应用本发明的一种实施方式。
具体实施方式
本发明还有许多实施方式。以下举例说明。
图2图解本发明数据储存系统的一种实施方式。数据储存系统200包括：一与非门快闪存储器202(NAND Flash，为第一存储器)、一随机存取存储器204(RAM，为第二存储器)以及一存储器控制单元206。存储器控制单元206包括一快照模块208、一记录模块210以及一修复模块212。
与非门快闪存储器202具有非易失性，且如图所示，包括多个区块block0、...、blocki、...、blockj、...、blockk、...，各区块又还可划分为多个页(pages)；例如，区块blocki包括n+1个页page(i，0)、page(i，1)、...、page(i，n)，区块blockj包括n+1个页page(j，0)、page(j，1)、...、page(j，n)，区块blockk包括n+1个页page(k，0)、page(k，1)、...、page(k，n)。随机存取存储器204负责暂存该与非门快闪存储器202的动态信息，可包括逻辑-物理地址映射、损毁区块标示、...、或与非门快闪存储器202其他动态变化的信息。存储器控制单元206耦接上述与非门快闪存储器202与随机存取存储器204，并以快照模块208、记录模块210与修复模块212处理该随机存取存储器204因掉电所发生的数据流失问题。
快照模块208于一快照区间(snapshot)作用，于与非门快闪存储器202内(如物理空间A2)记录一起始信息以标示该与非门快闪存储器202接续的正常操作的起始配置区块(如区块blocki)；更具体解释的，该起始配置区块可为进入该快照区间进行记录操作时，该与非门快闪存储器202当下正在被配置使用的区块。在本发明一实施例中，快照模块208还会将随机存取存储器204暂存的上述动态信息备份于该与非门快闪存储器202内(如物理空间A1)。备份上述动态信息的物理空间A1和记录该起始信息的物理空间A2可以属于该与非门快闪存储器202内同一个区块(如区块block0)，也可以是不同的区块，还可以是与非门快闪存储器202的一区块内物理地址连续的空间。在本发明的一实施例中，存储器控制单元206动态配置该与非门快闪存储器202内的某些区块专门用于储存包括逻辑-物理地址映射等动态变化的信息，因此本发明不限定物理空间A1和A2的物理位置关系。
记录模块210于一正常操作区间作用，以与非门快闪存储器202在该正常操作区间内的配置区块(如区块blocki、blockj与blockk)的闲置空间(如物理空间Ai3、Aj3与Ak3)记录该正常操作区间内更新的更新信息且还以其余闲置空间(如Ai4、Aj4与Ak4)记录上述配置区块(如区块blocki、blockj与blockk)的一链接信息。在本发明一实施例中，物理空间Ai3、Aj3与Ak3为各区块的每个页(page)在存放用户数据以后剩余的闲置空间，其储存的信息包括该页对应的逻辑地址、该页内用户数据的错误校验码(Error Correct Code，ECC)以及表征该页内的用户数据是否无效(dirty)的无效标示等。而物理空间Ai4、Aj4与Ak4为各区块的某一页中存放前述用户数据和信息以后剩余的闲置空间。详细请参考图3，以配置区块blocki内最后一页page(i，n)为例，假设记录前述链接信息于该页page(i，n)，则page(i，n)的空间包括存放用户数据的空间、存放该物理页的逻辑地址、ECC码及无效标示等动态更新信息的Ai3空间以及存放链接信息的Ai4空间。根据空间Ai4的内容，即可找到区块blocki所链接的下一区块。
返回参考图2，修复模块212于一掉电修复区间作用，根据快照模块208与记录模块210记录于与非门快闪存储器202的信息(例如物理空间A1、A2、Ai3、Aj3、Ak3、Ai4、Aj4、与Ak4)修复随机存取存储器204掉电前暂存的动态信息。
图4举例说明上述各区间的发生状况。箭头所示为时间方向。快照区间与正常操作区间交错发生。快照区间可每隔一特定时间发生或者可于该与非门快闪存储器202记录一特定数据量后发生，上述特定时间及特定数据量可由本领域技术人员根据实际需要而设定。一旦发生掉电402，复电后必须进入掉电修复区间404以修复该随机存取存储器204所暂存的动态信息。
接下来以动态信息(如，逻辑-物理地址映射)的修复为例，说明上述技术内容。以图2为说明例，其中显示掉电前最后一个正常操作区间内，与非门快闪存储器202的区块blocki、blockj以及blockk依序被配置使用。本发明维持动态信息的技术详述如下。
在掉电前最后一个快照区间，快照模块208于与非门快闪存储器202物理空间A2记录即将(或当下)配置使用的区块blocki的物理地址(即起始信息)；除此之外，快照模块208还可将随机存取存储器204暂存的“逻辑-物理地址映射”备份于与非门快闪存储器202的物理空间A1内。
在掉电前最后的正常操作区间，区块blocki首先被配置使用，接下来blockj与blockk也依序被配置使用，配置到的区块blocki、blockj与blockk内各页内容均可能被更新，为确保动态数据的正确性，记录模块210以blocki、blockj与blockk各页内的闲置空间Ai3、Aj3与Ak3将各页最新对应的逻辑地址记录下来。此外，为了链接所述配置区块blocki、blockj与blockk使得在掉电后仍能得知掉电前最后的正常操作区间内哪些区块被配置使用，记录模块210还于区块blocki、blockj与blockk内某一页剩余的闲置空间，如空间Ai4、Aj4与Ak4，记录之后接续被配置使用的区块的物理地址(即图2箭头所示的链接信息)。详述的，例如以起始配置区块blocki最后一页的闲置空间Ai4记录下一个配置区块blockj的物理地址，配置区块blockj最后一页闲置的物理空间Aj4记录下一个配置区块blockk的物理地址，而最后配置区块blockk最后一页的闲置空间Ak4则无记载地址信息。
若有掉电发生，则复电后，数据储存系统200进入掉电修复区间，以修复随机存取存储器204遗失的数据。修复模块212根据物理空间A2所储存的信息，找到起始配置区块blocki。起始配置区块blocki内物理空间Ai4的内容则指引修复模块212找到下一个配置区块blockj。区块blockj内物理空间Aj4的内容则指引修复模块212找到再下一个配置区块blockk。修复模块212将自配置区块blockk内无内容的物理空间Ak4得知区块blockk为最后的配置区块。修复模块212将自搜寻到的配置区块blocki、blockj与blockk的闲置空间Ai3、Aj3与Ak3找到其中各物理地址最新对应的逻辑地址，并据以修正物理空间A1内早先备份的逻辑-物理地址映射，以得到正确的逻辑-物理地址映射，用以修复该随机存取存储器204内记录的动态信息。
此外，上述判断最后配置区块的技术亦有其他变形。在本发明另一种实施例中，如果该与非门快闪存储器202采取的数据记录方式是：一个区块写满以后再配置下一个区块，即各区块内各页的物理空间必须连续使用而不允许留空白页(page)，则判断一个区块是否为掉电前最后配置的区块可以搜索区块blockk中是否包含一个空白页，如果有，则代表该区块掉电前正在被配置使用，即为最后的配置区块。
上述技术不仅可快速修复随机存取存储器204，且有利于正常操作时对与非门快闪存储器202的区块配置的最佳化。由于掉电修复仅需搜寻最后一个正常操作区间所配置使用到的区块，由其闲置空间就可以得知该区块的各物理页所对应的逻辑地址，并得知下一个配置使用的区块，无须扫描整个与非门快闪存储器202，故修复速度很快。此外，上述设计允许存储器控制单元206在正常操作区间仅预先配置下一个要使用到的区块，而无须一次性预留多个区块使用，区块配置因而可更有弹性。
在某些状况下，正常写入操作区间会同时需要多个区块配置。以页映射(page mapping)算法为例，假设须在每“面”(plane)同时配置四个区块以执行写入操作，作用分别为：供正向的逻辑垃圾收集(Logic Garbage collection)操作使用、供反向的物理垃圾收集(physical Garbage collection)操作使用、供耗损平均(Wear Leveling)操作使用以及供备份映射记录(MappingTable)使用。图5将上述四种作用所使用的方块分别标号为BLOCKL_G(blocks for Logic Garbage collection)、BLOCKP_G(blocks for physical Garbage collection)、BLOCKW_L(blocks for Wear Leveling)以及BLOCKM_T(blocks forMapping Table)。图中显示，于系统掉电前最后一个快照区间，快照模块208将接续“面”所配置到的四个区块的物理地址暂存于任四个物理空间A12、A22、A32以及A42。如此一来，系统复电后，修复模块212即可根据物理空间A12、A22、A32以及A42所记录的内容分别找到四组区块BLOCKL_G、BLOCKP_G、BLOCKW_L以及BLOCKM_T，以取得其中闲置空间所记录的动态信息，继而恢复随机存取存储器204内记录的动态信息。
上述快照模块208、记录模块210以及修复模块212除了以硬件电路结合于存储器控制单元206中外，亦可以软件、固件或软硬件共同设计方式实现。
上述与非门快闪存储器202可为其他具有非易失性的存储器。上述随机存取存储器204可为其他可快速存取，便于储存动态信息的存储器。
本发明亦揭露相关的数据储存方法，其中以一第一存储器(可为与非门快闪存储器202)储存用户数据，且以一第二存储器(可为随机存取存储器204)暂存该第一存储器的一动态信息(可包括逻辑-物理地址映射、损毁区块标示、...、或第一存储器其他动态变化的信息)。在一种实施方式中，该方法提供一快照区间，在该第一存储器记录一起始信息，其中该起始信息标示该第一存储器接续的正常操作的起始配置区块。快照完毕后，第一存储器进入正常操作区间，而该方法可以该第一存储器在该正常操作区间内配置到的区块的闲置空间记录该正常操作区间内更新的信息及上述配置区块的一链接信息。若有掉电发生，复电后，该方法可提供一掉电修复区间，根据上述快照区间与正常操作区间所记录于该第一存储器的信息，修复该第二存储器在掉电前暂存的动态信息。
在一种实施方式中，此更新信息包括至少一逻辑地址。该第一存储器每一上述区块还划分为多个页，各页可与上述逻辑地址其中之一对应，则该正常操作区间内记录上述更新信息的动作包括：在上述配置区块的各页内分别记录该页对应的逻辑地址。在一种实施方式中，该正常操作区间内记录上述配置区块的上述链接信息的动作还包括：在使用一第一配置区块时，还配置之后接续使用的一第二配置区块，并将该第二配置区块的物理地址作为链接信息记录于该第一配置区块的闲置空间内，举例而言，该第二配置区块的物理地址记录于该第一配置区块的某一页的闲置空间内，例如图3所示的blocki的最后一页page(i，n)的闲置空间Ai4。在一种实施方式中，在该掉电修复区间内的动作还包括：根据该起始信息以及链接信息找到掉电前最后一个正常操作区间该第一存储器的配置区块，且结合配置区块中闲置空间所记录的该更新信息以修复该第二存储器在掉电前暂存的动态信息，具体而言，找到配置区块的动作还包括：首先，根据该起始信息找到第一个配置区块；再根据第一个配置区块内的闲置空间内记录的链接信息找到第二个配置区块；根据第二个配置区块内是否包括链接信息以判断该配置区块是否为掉电前最后一个正常操作区间的配置区块中的最后被配置使用的区块；如果不包含链接信息则说明掉电前最后一个正常操作区间内所有配置来使用的配置区块均已找到，在本发明其它实施例中，也可以搜索当前配置区块中是否包含一个空白页，如果有，则表明掉电前该区块正在被配置使用，即为该最后的配置区块。在一种实施方式中，在该快照区间内还将该第二存储器暂存的动态信息备份于该第一存储器内，这样根据所述配置区块内的更新信息可以修复该动态信息至掉电前的状态。
上述快照区间与上述正常操作区间交错发生。快照区间可每隔一定时间发生，也可于第一存储器每记录一特定数据量后发生。
以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本发明的保护范围当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。
附图中符号的简单说明如下：
100：数据储存系统        102：与非门快闪存储器
104：随机存取存储器      106：存储器控制单元
200：数据储存系统        202：与非门快闪存储器
204：随机存取存储器      206：存储器控制单元
208：快照模块            210：记录模块
212：修复模块            402：掉电区间
404：掉电修复区间
A1、A2、A12、A22、A32、A42、Ai3、Aj3、Ak3、Ai4、Aj4、Ak4：物理空间
block0、block1、blocki、blockj、blockk、blockn：区块
BLOCKL_G：正向的逻辑垃圾收集所使用的区块
BLOCKP_G：反向的物理垃圾收集所使用的区块
BLOCKW_L：耗损平均所使用的区块
BLOCKM_T：映射记录所使用的区块
page(0，0)、page(0，1)、page(1，0)、page(1，1)、page(i，0)、page(i，1)、page(i，n)、page(j，0)、page(j，1)、page(j，n)、page(k，0)、page(k，1)...、page(k，n)：页。

Claims (14)

1.一种数据储存系统，其特征在于，包括：
一第一存储器，具有非易失性，包括多个区块；
一第二存储器，暂存该第一存储器的一动态信息；以及
一存储器控制单元，耦接上述第一存储器与上述第二存储器，且包括：
一快照模块，于一快照区间作用，在该第一存储器记录一起始信息，其中该起始信息标示该第一存储器于该快照区间之后的一正常操作区间内的一起始配置区块；
一记录模块，于该正常操作区间作用，以该第一存储器在该正常操作区间内的配置区块的闲置空间记录该正常操作区间内更新的一更新信息及上述配置区块的一链接信息；以及
一修复模块，于一掉电修复区间作用，根据该快照模块与该记录模块记录于该第一存储器的信息修复该第二存储器在该数据储存系统掉电前暂存的上述动态信息。
2.根据权利要求1所述的数据储存系统，其特征在于，该修复模块根据上述起始信息以及上述链接信息找到掉电前最后一个正常操作区间内该第一存储器的配置区块，且结合上述掉电前最后一个正常操作区间内该第一存储器的配置区块中闲置空间所记录的上述更新信息以修复该第二存储器在掉电前暂存的上述动态信息。
3.根据权利要求1所述的数据储存系统，其特征在于，于该快照区间，上述快照模块还将该第二存储器暂存的上述动态信息备份于该第一存储器内。
4.根据权利要求1所述的数据储存系统，其特征在于，上述动态信息包括一逻辑-物理地址映射，上述更新信息包括至少一逻辑地址，上述链接信息包括上述配置区块中一第一配置区块之后接续被配置使用的一第二配置区块的物理地址。
5.根据权利要求4所述的数据储存系统，其特征在于，上述第一存储器内每一上述区块还划分为多个页，各页对应上述逻辑地址其中之一，其中在上述配置区块的各页内分别记录该页对应的上述逻辑地址，且上述第二配置区块的物理地址记录在上述第一配置区块的某一页的闲置空间内。
6.根据权利要求1所述的数据储存系统，其特征在于，该第一存储器为与非门快闪存储器，该第二存储器为随机存取存储器。
7.一种数据储存方法，其特征在于，包括：
以一第一存储器储存用户数据，该第一存储器具有非易失性且包括多个区块；
以一第二存储器暂存该第一存储器的一动态信息；
于一快照区间内，在该第一存储器记录一起始信息，其中该起始信息标示该第一存储器于该快照区间之后的一正常操作区间内的一起始配置区块；
于该正常操作区间内，以该第一存储器在该正常操作区间内的配置区块的闲置空间记录该正常操作区间内更新的一更新信息及上述配置区块的一链接信息；以及
于一掉电修复区间内，根据上述快照区间与上述正常操作区间所记录于该第一存储器的信息修复该第二存储器在掉电前暂存的上述动态信息。
8.根据权利要求7所述的数据储存方法，其特征在于，上述快照区间与上述正常操作区间交错发生，且上述掉电修复区间于掉电又复电时发生。
9.根据权利要求7所述的数据储存方法，其特征在于，上述掉电修复区间内的动作还包括：
根据上述起始信息以及上述链接信息找到掉电前最后一个正常操作区间内该第一存储器的配置区块，且结合上述掉电前最后一个正常操作区间内该第一存储器的配置区块中闲置空间所记录的上述更新信息以修复该第二存储器在掉电前暂存的上述动态信息。
10.根据权利要求7所述的数据储存方法，其特征在于，上述动态信息包括一逻辑-物理地址映射，上述更新信息包括至少一逻辑地址，上述链接信息包括上述配置区块中一第一配置区块之后接续被配置使用的一第二配置区块的物理地址。
11.根据权利要求10所述的数据储存方法，其特征在于，上述第一存储器内每一上述区块还划分为多个页，各页对应上述逻辑地址其中之一，其中上述正常操作区间内的动作还包括：
在上述配置区块的各页内分别记录该页对应的上述逻辑地址；
在配置使用上述第一配置区块时，配置之后接续使用的上述第二配置区块；以及
将上述第二配置区块的物理地址作为上述链接信息记录于上述第一配置区块的某一页的闲置空间内。
12.根据权利要求11所述的数据储存方法，其特征在于，上述掉电修复区间内的动作还包括：根据上述第二配置区块内是否包括上述链接信息或根据上述第二配置区块内是否包括一空白页以判断上述第二配置区块是否为上述配置区块中的最后被配置使用的区块。
13.根据权利要求7所述的数据储存方法，其特征在于，该快照区间内的动作还包括：
将该第二存储器暂存的上述动态信息备份于该第一存储器内。
14.根据权利要求7所述的数据储存方法，其特征在于，该快照区间每隔一特定时间发生或者于该第一存储器每记录一特定数据量时发生。
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