CN102163165A - 一种闪存错误预估模块及其预估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及数据存储领域，具体涉及到一种闪存纠错过程的预估技术。本发明提供了一种闪存错误预估模块及其错误预估方法，所述预估模块主要由计时器、量化索引表、存储页表以及错误索引表构成。所述闪存错误预估方法，建立擦写与编程的错误先验数据，利用闪存器件中特定的物理信号来预先估计闪存存储器的错误率，为闪存的纠错算法提供合适的错误估计。本发明适合应用于固态硬盘控制器、闪存控制器等以闪存器件为存储介质的场合中，提高闪存器件的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及数据存储领域，具体涉及到一种闪存纠错过程的预估技术。
背景技术
闪存器件中的存储单元通过向浮栅中注入电子的方式来记录逻辑信息，同时存储单元还通过读取阀值电压来判断浮栅中保存的逻辑。当闪存器件经过多次地擦写之后，其器件特性衰退，导致闪存的编程时间缩短，而擦除时间延长。
闪存器件在操作的过程中，还伴随着各种寄生效应，从而导致闪存器件保存的数据发生错误。其中，最主要的错误原因为：编程扰动、读扰动、通过扰动以及浮栅耦合效应。当闪存器件进行编程操作时，闪存控制器将抬高字线(Word line)上的电压，这将导致字线上相邻的存储单元产生意外写动作，即编程扰动。而在位线(Bit line)方向上，同一位线上的存储单元需要加上较高的通过电压，使闪存存储单元导通。反复的写操作会导致位线上的单元发生意外的写动作，即通过扰动。当闪存器件进行多次读操作时，闪存阵列将会反复导通，在闪存存储单元的沟道上会累积电子。若累积的电子达到闪存存储单元的写阈值时，会使闪存的存储单元发生意外写操作。这里，扰动会影响固态硬盘保存的数据正确性，严重的扰动还会降低闪存器件的使用寿命。除此以外，浮栅耦合效应也会带来严重的错误。当闪存工艺不断进步时，器件的密度不断增加，从而导致单一存储单元的浮栅阀值电压的变化对其临近单元的电压产生影响，造成意外的电平移动，产生错误。闪存阵列中某一存储单元的浮栅电压变化会对周围存储单元的浮栅造成扰动，从而导致周围存储单元中保存的数据发生意外翻转。
闪存器件中所存在的各种扰动和耦合效应严重干扰了闪存中所保存的数据，在实际使用的过程中需要纠错算法对闪存中存储的数据进行保护。然而，闪存控制器在利用诸如低密度校验编码等先进校验编码技术展开纠错之前，必须要对信道中的错误进行合理预估。因而，闪存控制器需要对闪存的错误预估技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种闪存错误预估模块及其预估方法，为闪存的纠错算法提供可靠的计算依据，提高系统的纠错性能。
为解决上述技术问题，本发明首先提出了一种闪存错误预估模块，其特征在于，所述预估模块主要由计时器、量化索引表、存储页表以及错误索引表构成，
所述计时器用于记录闪存的编程时间或擦除时间，计时器收集的编程时间或擦除时间作为量化索引的输入；
所述量化索引表用于记录编程等级与编程时间之间的映射关系，擦除等级与擦除时间之间的映射关系；擦除等级代表该物理地址所对应的闪存块的寿命状态，编程等级代表所述闪存块内部页的寿命状态；
所述存储页表包括若干个连续存储单元，每个连续存储单元用于记录一个闪存块的擦除等级、编程等级，其中，该闪存块的擦除等级保存在所述连续存储单元的开头，该闪存块内各个页的编程等级依次存放在所述连续存储单元内；
所述错误索引表包含块错误索引表和页错误索引表两个部分，块错误索引表记录擦除等级以及对应的块错误率的映射关系，页错误索引表记录编程等级以及对应的页错误率的映射关系；
所述闪存错误预估模块接收闪存控制器发来的计时信息、使能信号或闪存芯片发出的R/B信号作为输入，输出错误预估值到错误校验模块。
基于上述闪存错误预估模块，本发明还提出了该闪存错误预估模块的闪存错误预估方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
对闪存器件进行擦除和编程操作的压力实验，记录擦除和编程的时间变化以及闪存器件的错误的经验数据；并建立所述量化索引表、错误索引表，作为预估模块进行错误预估的先验参照表；
所述预估模块的计时器采集当前闪存操作块的擦除时间；在闪存进行编程时，采集当前闪存操作页的编程时间；
通过查询所述量化索引表，预估模块将擦除时间量化为擦除等级，将编程时间量化为编程等级，
将当前擦除等级、编程等级以及二者对应的物理地址，保存在所述存储页表中；
在闪存控制器对闪存进行操作时，向所述预估模块请求对所操作的物理地址进行错误预估；由预估模块从所述存储页表中读取相应物理地址的编程等级以及擦除等级，并通过所述错误索引表转换为相应页的预估错误数目，从而完成预估操作。
本发明利用闪存器件中特定的物理信号来预先估计闪存存储器的错误率，为闪存的纠错算法提供合适的错误估计。适合应用于固态硬盘控制器、闪存控制器等以闪存器件为存储介质的场合中，大大提高了闪存器件的可靠性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。
图1. 闪存器件编程时间的变化规律。
图2. 闪存器件擦除时间的变化规律。
图3. 预估模块接口示意图。
图4. 预估模块内部结构图。
图5. 操作时间索引表。
图6. 操作时间存储结构表。
图7. 错误查询索引表。
图8. 预估操作流程图。
具体实施方式
闪存器件中最基本的操作单元是页，闪存控制器可以对页进行编程或者读取操作；在闪存器件内部由多个页又组成一个块，擦除操作的最小单位是闪存器件中的块。当闪存器件中的块进行擦除操作时，由闪存控制器记录擦除操作所花费的时间；当闪存中的页进行编程操作时，闪存控制器还将监控闪存器件的编程时间。
闪存中的擦除时间和编程时间与器件的操作次数存在关联性。随着闪存擦写次数的增加，其擦除时间逐渐变长，如图1所示，而编程时间则逐渐缩短，如图2所示。造成这种现象的原因在于：擦写操作造成闪存物理特性衰退，使器件的阈值电压升高了。升高的阈值电压会导致闪存在操作过程中，编程操作更加容易，而擦写操作更加困难。闪存块的擦除时间和编程时间真实地反映了闪存块的整体使用情况。升高的阈值电压同时也意味着器件的物理寄生效应会更加显著，从而导致闪存的错误增加。因而，可以通过对擦除时间和编程时间的监控来预测闪存中的错误。
在闪存控制器中采用擦除时间和编程时间进行预估之前，需要事先了解闪存器件擦除时间和编程时间的变化趋势，以及擦除时间和编程时间与闪存的错误的关联。这个关联可以通过对闪存器件的压力实验实现。在压力实验中，对闪存器件不断进行擦除和编程操作，记录擦除和编程的时间变化情况以及闪存器件的错误情况。通过对经验数据收集、整理和分析，建立擦除和编程时间变化的表格、编程时间与错误率的对应表格，以及擦除时间与错误率的对应表格，作为预估模块进行预估操作的先验参考数据。
如图3所示的预估模块接口示意图，预估模块嵌入于闪存控制器中，并将所得到的预估信息发送给闪存控制器中的校验模块。闪存芯片与闪存控制器之间通过数据总线进行数据交换，并由闪存控制器的闪存接口模块进行控制；而在闪存芯片的接口中有一组R/B信号用来指明闪存的工作状态。当闪存在进行编程以及擦除操作时，R/B信号的电平将会进入有效状态，表明闪存目前正处于忙碌状态，不会响应新的操作。当操作结束以后，R/B信号将重新进入无效状态，表明闪存进入空闲状态。当闪存控制器对闪存器件进行操作时，由预估模块对闪存器件中R/B信号的有效时间进行计时，从而获得闪存在编程或者擦除操作中所花费的时间开销，以帮助预估模块对闪存器件的错误进行预估。预估模块作出的预估错误发送到检验模块，检验模块对闪存的编程或者擦除操作进行错误检验。
除了采用R/B信号进行直接计时的方法以外，预估模块还可以通过与闪存控制器相配合的方式完成计时。当闪存在进行擦除或者编程操作时，闪存控制器可以不断地向闪存发送“读状态”命令，以了解闪存的工作状态。闪存控制器将根据查闪存完成操作前后，工作状态的变化状况，统计出闪存在擦除或者编程操作时所花费的时间开销，并将所得到的计时信息，发送给预估模块，从而帮助预估模块完成计时工作。
预估模块主要由计时器、量化索引表、存储页表以及错误索引表构成，其结构如图4所示。当控制器对闪存进行操作时，由控制器输入使能信号，激活预估模块中的计时器，开始对闪存的有效工作时间进行记录。所记录的编程时间或擦除时间，将在量化索引表中量化为编程等级或擦除等级，并根据物理地址保存在存储页表中。当控制器需要进行纠错操作时，从存储页表中读取相应物理地址的编程等级以及擦除等级，并通过错误索引表转换为相应页的预估错误数目，从而完成预估操作。
在操作中所收集的编程时间或擦除时间不便于保存，因此，预估模块需要对编程时间以及擦除时间进行量化操作，将连续的时间量化为离散的时间等级，以方便预估模块将收集的数据进行索引和保存。量化过程通过量化索引表予以实现，如图5所示。由计时器收集的编程时间或擦除时间作为量化索引的输入。量化索引中记录有编程等级与编程时间之间的映射关系，以及擦除等级与擦除时间之间的映射关系。量化索引将会查找输入的时间所对应的量化等级，从而对时间进行了量化处理。
量化后的编程等级和擦除等级需要以图6所示的方式予以保存。擦除等级与编程等级同物理地址相对应，擦除等级代表物理地址所对应的闪存块的使用寿命，而编程等级则表征闪存块内部的页使用寿命。当闪存的一个块内部包含256个页时，则存储页表将块的擦除等级保存在该物理地址所对应存储单元的开头，接下来存储页表在该存储单元依次存放各个页的编程等级。
在闪存控制器对闪存进行操作时，向预估模块请求对所操作的物理地址的错误预估。预估模块需要将该物理地址的编程等级或擦除等级转换为块或页的预估错误数。预估模块错误索引表实现时间等级到错误数的转换，如图7所示。错误索引表包含两个部分构成：块错误索引和页错误索引。块错误索引负责将块的擦除等级进行转换；页错误索引负责将页的编程等级进行转换。错误索引表中的内容事先通过离线实验完成。闪存控制器根据需要获取相应的块的预估错误，或者是页的预估错误。
在闪存控制器对闪存进行操作时，向所述预估模块请求对所操作的物理地址的错误预估。预估模块进行预估操作的操作流程如图8所示。在预估模块开始工作以后，进入计时步骤，在闪存进行擦除时，采集当前闪存操作块的擦除时间；在闪存进行编程时，采集当前闪存操作页的编程时间。计时完成后，进入量化步骤，预估模块通过查询所述量化索引表，预估模块将擦除时间量化为擦除等级，将编程时间量化为编程等级，将当前擦除等级、编程等级以及二者对应的物理地址，保存在所述存储页表中。当控制器需要进行纠错操作时，从所述存储页表中读取相应物理地址的编程等级以及擦除等级，并通过所述错误索引表转换为相应页的预估错误数目，从而完成预估操作。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种闪存错误预估模块，其特征在于，所述预估模块主要由计时器、量化索引表、存储页表以及错误索引表构成，
所述计时器用于记录闪存的编程时间或擦除时间，计时器收集的编程时间或擦除时间作为量化索引的输入；
所述量化索引表用于记录编程等级与编程时间之间的映射关系，擦除等级与擦除时间之间的映射关系；擦除等级代表该物理地址所对应的闪存块的寿命状态，编程等级代表所述闪存块内部页的寿命状态；
所述存储页表包括若干个连续存储单元，每个连续存储单元用于记录一个闪存块的擦除等级、编程等级，其中，该闪存块的擦除等级保存在所述连续存储单元的开头，该闪存块内各个页的编程等级依次存放在所述连续存储单元内；
所述错误索引表包含块错误索引表和页错误索引表两个部分，块错误索引表记录擦除等级以及对应的块错误率的映射关系，页错误索引表记录编程等级以及对应的页错误率的映射关系；
所述闪存错误预估模块接收闪存控制器发来的计时信息、使能信号或闪存芯片发出的R/B信号作为输入，输出错误预估值到错误校验模块。
2.一种根据权利要求1所述的闪存错误预估模块的闪存错误预估方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
对闪存器件进行擦除和编程操作的压力实验，记录擦除和编程的时间变化以及闪存器件的错误的经验数据；并建立所述量化索引表、错误索引表，作为预估模块进行错误预估的先验参照表；
所述预估模块的计时器采集当前闪存操作块的擦除时间；在闪存进行编程时，采集当前闪存操作页的编程时间；
通过查询所述量化索引表，预估模块将擦除时间量化为擦除等级，将编程时间量化为编程等级，
将当前擦除等级、编程等级以及二者对应的物理地址，保存在所述存储页表中；
在闪存控制器对闪存进行操作时，向所述预估模块请求对所操作的物理地址的错误预估；由预估模块从所述存储页表中读取相应物理地址的编程等级以及擦除等级，并通过所述错误索引表转换为相应页的预估错误数目，从而完成预估操作。
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