CN102622306B - 存储装置的坏块管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种存储装置的坏块管理方法，包括步骤：找出数据区中的坏块；建立坏块页表，对坏块中的坏页作标记；将所有坏块页表的标记结果叠加，形成总坏块页表，对所有坏块中的坏页作标记并统计好页数量；根据块的总页数及好页数量，将好页数量收敛为总页数的最大因数；从总坏块页表中挑取最大因数个好页，建立大小为最大因数的页映射表，将所有坏块映射到每个块的好页地址；令y＝n/x，将所有坏块按每y个坏块编组，重组成虚拟块，建立虚拟块映射表，n为总页数，x为最大因数；由虚拟块映射表并结合页映射表实现每个虚拟块与对应物理块的页访问，将虚拟块替换数据区中的坏块。本发明能不增加冗余块的数量和比例，即可大幅度延长存储装置的使用寿命。

Description

存储装置的坏块管理方法

技术领域

本发明涉及快闪存储器技术领域，具体来说，本发明涉及一种存储装置的坏块管理方法。

背景技术

闪存(Flash memory)，简称为闪存或Flash，是电子清除式可程序只读存储器(EEPROM)的一种，允许在操作中被多次擦(Erase)或写(Program)。闪存是一种特殊的、以大区块擦写的EEPROM，其成本和速度都远较普通的以字节为单位写入的EEPROM有优势，也因此成为非挥发性固态储存最重要也最广为采纳的技术。

目前Flash主要分为NOR型和NAND型两种结构，NAND Flash相较于NORFlash具有擦写速度快、储存密度高、单位成本低的优点，因此主要用于各种存储卡、U盘以及近两年兴起的固态硬盘(SSD，Solid State Disk)等大容量储存装置，此外包括各种手机、多媒体播放器以及平板电脑也都有采用。

NAND Flash(本文以下简称Flash)虽然是EEPROM的一种，但却与常见的EEPROM有着很大的不同，主要表现在其擦写上有一些限制。Flash的一个主要限制在于它的物理单元在写操作(Program)时只能由1变成0，因此当一个单元写过之后是只能借由擦除操作(Erase)来恢复1的状态。Flash在物理上分为块(Block)和页(Page)两种基本单位，Flash由若干块组成，而其中每个块由若干个页组成，而每个页则是由若干个物理单元(Cell)组成。不同类型的Flash，其一个物理单元可以存储1个bit或2个bit或甚至更多个bit的数据，因此分为SLC(Single LevelCell)和MLC(Multi Level Cell)等类型。Flash的基本读写单位是页，而擦除操作则以块为单位。一个页在进行写入数据之前，必须先保证其所在的块已经经过了擦除，且每次该页需要重新写入数据之前也必须先擦除其对应的块。因此，Flash的存储装置都采用块为基本单位来管理数据的存储。

Flash相较于传统的磁盘介质或其他EEPROM，还有个特点是擦写次数较少，也就是其物理单元经过一定的擦除和写入操作之后，1或0的状态变得不稳定，这些物理单元就认为已经损坏，整体表现出来就是存储数据出错。虽然大部分基于Flash的存储装置都会带有一定程度的纠错机制，但是一旦错误的范围扩大到纠错能力之外，就不再能够保证数据的正确性，这时候可以认为存储装置的使用寿命到了。但是如果因为一小部分物理单元错误，就导致整个Flash不能用了，显然是很浪费的。针对这种情况，所有的Flash存储装置有一定的坏块管理机制，其基本原理均为：将Flash以块为基本单位，划分出一部分作为冗余块(Redundant Block)，剩下的用来作为有效容量存储数据；当使用过程中，装置检测到存储数据的块发生损坏时，即从冗余块当中选取一个，替换之前损坏的块，这样就能保证装置的有效存储，从而延长装置的使用寿命。只有当所有冗余块都耗尽时，才认为整个装置的使用寿命到了。显然，冗余块数量保留的越多，则装置的使用寿命越长，但是相应的用于有效存储数据的块数也越少，装置的有效容量也越小，因此，需要在这两者之间保持一定的平衡。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种存储装置的坏块管理方法，能够实现不增加冗余块的数量和比例，即可大幅度延长存储装置的使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明提供一种存储装置的坏块管理方法，包括步骤：

A.将所述存储装置的所有块划分为数据区和冗余区；

B.找出所述数据区中的一个或多个坏块；

C.针对一个或多个所述坏块分别建立坏块页表，所述坏块页表对当前坏块中的具体损坏页作出标记；

D.将所有所述坏块页表的标记结果进行综合叠加，形成总坏块页表，所述总坏块页表对所有所述坏块中的具体损坏页作出标记，并统计所述总坏块页表中的好页数量；

E.根据所述存储装置的每个块的总页数以及所述总坏块页表中的好页数量，将所述好页数量收敛为所述总页数的最大因数；

F.从所述总坏块页表中挑取所述最大因数个好页，建立一张大小为所述最大因数的页映射表，将所有所述坏块映射到每个块的好页的物理页地址；

G.令y＝n/x，将所有所述坏块按每y个坏块编成一组，重新组合成一个或多个虚拟块，建立起虚拟块映射表将一个或多个所述虚拟块的地址与其对应的物理块地址联系起来，其中n为所述总页数，x为所述最大因数；

H.通过所述虚拟块映射表并结合所述页映射表实现每个虚拟块与对应物理块的页访问，将一个或多个所述虚拟块替换掉所述数据区中的一个或多个坏块。

可选地，从所述总坏块页表中挑取好页包括方式：挑取前最大因数个好页、挑取后最大因数个好页、从中间挑取连续的最大因数个好页或者任意挑取最大因数个好页。

可选地，所述坏块管理方法中的所述虚拟块的重新组合次数为1～2次。

可选地，所述坏块管理方法是在所述冗余区耗尽之后再执行的，或者是在所述冗余区耗尽之前执行的。

可选地，所述坏块管理方法的固件程序烧入于所述存储装置中。

可选地，所述存储装置为NAND型闪存或者NOR型闪存。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提出的这种方法，在原有存储装置的坏块管理算法的基础上可直接加以改进，通过页映射的方式，将产生的坏块进行重新利用，重组成新的冗余块，使得存储装置的使用寿命得到大幅度的延长。

该方法并没有改变原有的坏块管理的基本方法，也没有改变初始设定的冗余块的比例和数量，因而不会改变存储装置的有效存储容量，只是在其原有的管理算法的基础上进行增强。

因此，本发明理论上可适用于所有的坏块管理方法，适用范围极广而没有额外的限制，并且因为只需要修改存储装置的软件算法即可实现，对于产品的成本基本没有影响。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为现有技术中一个闪存的数据区的逻辑块地址映射表和冗余区的冗余块分配状态表(尚未分配)；

图2为现有技术中一个闪存的数据区的逻辑块地址映射表和冗余区的冗余块分配状态表(已分配一个)；

图3为现有技术中一个闪存的数据区的逻辑块地址映射表和冗余区的冗余块分配状态表(全部分配)；

图4为本发明一个实施例的存储装置的4个坏块的每个页的实际损坏情况(左侧)，以及每个坏块所对应的坏块页表(右侧)；

图5为本发明一个实施例的存储装置的所有40个坏块的坏块页表进行综合叠加形成的一个总坏块页表；

图6为本发明一个实施例的存储装置从总坏块页表中挑取x个好页，建立起的一张虚拟页地址大小为x的页映射表；

图7为本发明一个实施例的存储装置将所有40个坏块重新组合成20个虚拟块，并建立起将虚拟块地址与对应的物理块地址联系起来的虚拟块映射表；

图8为本发明一个实施例的存储装置的数据区的逻辑块地址映射表和冗余区的冗余块分配状态表(已分配三个)。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

假定一个基于NAND闪存(Flash)的存储装置，其所用的Flash一共有1024个块，每个块包含128个页，每个页的大小是8K字节，因此每个块大小为1M字节，其所用的Flash的总物理容量就是1024M字节。一般地，该存储装置可以保留约4％作为冗余块，即大约40个块左右用于坏块替换。这样所有块划分为数据区(984个块)和冗余区(40个块)两部分，前者的容量为984M，即为装置的实际有效容量。当数据区的块出现损坏时，用冗余区的块进行替换，以保证对应地址的数据仍然可以有效存储。因此，这里会用到块地址映射的方法：首先建立一张逻辑块地址映射表，寻址范围为0～983(假设地址从0开始，逻辑地址可以访问到所有有效容量区间)，以及一张冗余块分配状态表，用于表示冗余块是否已被用于替换损坏的数据块；初始时逻辑块地址0～983映射的是物理块地址0～983，冗余块则是全部处于未分配状态(全部为0)，如图1所示为现有技术中一个闪存的数据区的逻辑块地址映射表和冗余区的冗余块分配状态表(尚未分配)。使用一段时间之后，假设第37个逻辑块映射的第37个物理块损坏，则从冗余区中选择一个未被使用的冗余块(假定第984个物理块)作为替换块，这样逻辑块地址映射表中，逻辑块地址37映射到了物理块地址984，并且冗余块分配状态表中，将第984个物理块的对应状态标记为1(已分配)，如图2所示为现有技术中一个闪存的数据区的逻辑块地址映射表和冗余区的冗余块分配状态表(已分配一个)。此时装置在存储逻辑块地址37时，数据存储的实际地址变成物理块地址984了。由于逻辑地址的范围仍然是0～983，所以数据存储的逻辑块地址和容量都不会变化，正常存储不会受任何影响。直到所有的冗余块都耗尽，也就说，在数据区的984个块当中，已经有40个块损坏，相应的全部用冗余区的40个块都进行了替换，如图3所示为现有技术中一个闪存的数据区的逻辑块地址映射表和冗余区的冗余块分配状态表(全部分配)。此后如果数据区再有新的块损坏，则没有冗余块可以替换了，这时装置通常就应该进入写保护状态，防止新的坏块产生后，导致数据存储出错，换而言之，装置的存储寿命也到了，用户只能将其作为只读装置，并尽快将数据备份保存到其他地方。

而事实上，对于Flash而言，如果一个块被定义为坏块，通常并非是整个块中的所有物理单元(Cell)都损坏，事实上往往只是其中某一个页(Page)，甚至某个页中一部分物理单元损坏。因此，该块其实还有很多页是可以正常使用的。如果能将标记为坏的块中的完好的页利用起来，将其重新组织成冗余块，就等于增加了冗余块的数量，从而延长了装置的使用寿命。这就是本发明的关键所在，以下具体说明：

还是借助上面的例子进行阐述：

1.针对图3中被替换的37、73、74、…、851等40个原数据区中的坏块，建立40张坏块页表，每张坏块页表记录每个坏块中所有页的好坏状况。图4为本发明一个实施例的存储装置的4个坏块的每个页的实际损坏情况(左侧)，以及每个坏块所对应的坏块页表(右侧)。如图4所示，假定一个闪存(Flash)存储装置中的每个块包含128个页，例如其中第37个物理块的第3个页损坏，则在坏块页表1中将其标记为1，其他页良好，则标记为0。类似地，例如该Flash中除了第37个物理块之外，别的物理块(例如第73个、第74个、第851个)中各自有一个或多个页损坏(其中第73个物理块的第60个页损坏，第74个物理块的第2、3个页损坏，第851个物理块的第1、111个页损坏)，则也可以在每个坏块各自的坏块页表2～4中得到对应体现，如图4所示。

2.将40张坏块页表的结果进行综合叠加，形成一个总坏块页表。图5为本发明一个实施例的存储装置的所有40个坏块的坏块页表进行综合叠加形成的一个总坏块页表。如图5所示，将所有40张坏块页表中的坏页在这张总坏块页表中都标记为1，其他好页则标记为0，并统计好页的数量，在此假设一共有89个，如图5所示。

3.统计总坏块页表中的好页数量为m，将其收敛为总页数n的最大因数x。比如本发明一个实施例的一个Flash中每个块的总页数是128页，128的因数有128、64、32、16…等，假如64≤m＜128，则x等于64；若32≤m＜64，则x等于32；依此类推。

4.在总坏块页表中挑取x个好页(当然可以是挑取前x个好页、挑取后x个好页、从中间挑取连续的x个好页或者任意挑取x个好页等方式)，建立一张虚拟页地址大小为x的页映射表。图6为本发明一个实施例的存储装置从总坏块页表中挑取x个好页，建立起的一张虚拟页地址大小为x的页映射表。假定在本实施例当中，总坏块页表中好页数量m＝89，因此总页数n＝128的最大因数x＝64，于是建立其一张虚拟页地址大小为0～64的页映射表，如图6所示。显然，所有40个坏块，经过这张页映射表，都能映射到每个块的好页的实际物理页地址。

5.令y＝n/x，在所有40个坏块中，每y个坏块编成一组，重新组合成一个虚拟块，然后建立虚拟块映射表将虚拟块地址与对应的物理块地址联系起来，并通过虚拟块映射表实现每个虚拟块与对应物理块的页访问。从总坏块页表中挑取x个好页，建立起的一张虚拟页地址大小为x的页映射表。图7为本发明一个实施例的存储装置将所有40个坏块重新组合成20个虚拟块，并建立起将虚拟块地址与对应的物理块地址联系起来的虚拟块映射表。如图7所示，在本实施例中x＝64，因此，y＝2，这样一共可以得到40/y＝20个虚拟块，每个虚拟块的128个页分别映射到其对应两个物理块的64个页。

6.这些虚拟块，都是由原来的坏块组成的，而这些虚拟块中的页又是这些坏块中的好页组成的，因此，实际上这些块就变成可以正常使用的好块了。显然，可以将这20个虚拟块当成新的冗余块，一旦有新的坏块产生，又可以有替换块可供使用，相当于存储装置的使用寿命得到了延续。

图8为本发明一个实施例的存储装置的数据区的逻辑块地址映射表和冗余区的冗余块分配状态表(已分配三个)。在本实施例中，假设物理块37和73组合成虚拟块2，而使用过程中新产生的坏块为块15。这样，将虚拟块2替换掉逻辑块地址映射表中的原来映射的物理块15即可。为实现方便，可以将虚拟块进行特殊编号，只要不与已有的块编号范围重复即可，比如将虚拟块的编号统一加100000，这样，虚拟块2就编号为块100002，如图8所示。

7.如果这些虚拟块作为冗余块，在后续的使用过程中再次耗尽时，可以重新经过上述步骤1～6的方式，再次组合出新的虚拟块，作为新的冗余块，由此存储装置的使用寿命可再一次得到延长。理论上，可依此方式不断在冗余块耗尽时进行重组，直到无法组合出新的虚拟块为止。

8.但需要注意的是，第二轮冗余块耗尽后新产生的坏块有两种情况，一种是物理块，另一种是虚拟块。因此处理起来更加复杂。随着重组的次数越多，相应管理算法也越复杂，并且页映射表的大小也可能因为坏页变多也相应的进一步缩减，导致虚拟块需要更多的物理块进行组合，结果是组合出来的新冗余块数量也更少，相应存储装置使用寿命也延长得有限。综合考虑实现的复杂性以及对存储装置寿命延长的效果，对于这种冗余块耗尽、重组的反复次数建议做合理的限制，建议重组1～2次即可。因为具体实现方法有很多种，对此本发明不做进一步举例说明。

综上所述，本发明提出的这种方法，在原有存储装置的坏块管理算法的基础上可直接加以改进，通过页映射的方式，将产生的坏块进行重新利用，重组成新的冗余块，使得存储装置的使用寿命得到大幅度的延长。

该方法并没有改变原有的坏块管理的基本方法，也没有改变初始设定的冗余块的比例和数量，因而不会改变存储装置的有效存储容量，只是在其原有的管理算法的基础上进行增强。

因此，本发明理论上可适用于所有的坏块管理方法，适用范围极广而没有额外的限制，并且因为只需要修改存储装置的软件算法即可实现，对于产品的成本基本没有影响。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种存储装置的坏块管理方法，包括步骤：

A.将所述存储装置的所有块划分为数据区和冗余区；

B.找出所述数据区中的一个或多个坏块；

C.针对一个或多个所述坏块分别建立坏块页表，所述坏块页表对当前坏块中的具体损坏页作出标记；

D.将所有所述坏块页表的标记结果进行综合叠加，形成总坏块页表，所述总坏块页表对所有所述坏块中的具体损坏页作出标记，并统计所述总坏块页表中的好页数量m；

E.根据所述存储装置的每个块的总页数n以及所述总坏块页表中的好页数量m，将所述好页数量m收敛为所述总页数n的因数中所述好页数量m所能达到的最大的一个因数x；

F.从所述总坏块页表中挑取x个好页，建立一张大小为x的页映射表，将所有所述坏块映射到每个块的好页的物理页地址；

G.令y＝n/x，将所有所述坏块按每y个坏块编成一组，重新组合成一个或多个虚拟块，建立起虚拟块映射表将一个或多个所述虚拟块的地址与其对应的物理块地址联系起来；

H.通过所述虚拟块映射表并结合所述页映射表实现每个虚拟块与对应物理块的页访问，将一个或多个所述虚拟块替换掉所述数据区中的一个或多个坏块。

2.根据权利要求1所述的坏块管理方法，其特征在于，从所述总坏块页表中挑取好页包括方式：挑取前x个好页、挑取后x个好页、从中间挑取连续的x个好页或者任意挑取x个好页。

3.根据权利要求1或2所述的坏块管理方法，其特征在于，所述坏块管理方法中的所述虚拟块的重新组合次数为1～2次。

4.根据权利要求1或2所述的坏块管理方法，其特征在于，所述坏块管理方法是在所述冗余区耗尽之后再执行的，或者是在所述冗余区耗尽之前执行的。

5.根据权利要求4所述的坏块管理方法，其特征在于，所述坏块管理方法的固件程序烧入于所述存储装置中。

6.根据权利要求1所述的坏块管理方法，其特征在于，所述存储装置为NAND型闪存或者NOR型闪存。