CN102789403B - 一种闪存控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种闪存控制器及其控制方法，该闪存控制器的特征在于包括延迟控制模块、计时模块，所述计时模块，用于将定时信息发送给延迟控制模块，延迟控制模块接收来自微控制器的数据操作请求，并通过读数据以及写数据通路，对闪存接口模块进行操作；以及根据定时信息，建立物理块热度索引总表，并对所述物理块热度索引总表中各个物理块的热度进行定时更新；所述热度定义为单位时间内物理块操作的密集程度；本发明通过约束读写操作，降低操作密度，有效降低闪存器件中错误发生的概率，延长闪存器件的使用寿命。这种针对闪存阵列的数据传输技术同样可以广泛适用于各种以闪存为存储介质的系统中，以提高系统的数据传输性能。

Description

一种闪存控制器及其控制方法

技术领域

本发明属于数据存储领域，具体为一种针对闪存操作的控制技术。该技术降低了闪存器件在工作时的错误率，有效地延长了闪存器件的使用寿命。这种技术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，以提高设备的健壮性，延长设备的使用寿命。

背景技术

在固态硬盘中，大量采用非易失性的闪存芯片作为存储介质。然而，闪存芯片随着擦写周期的增加，其物理特性逐步衰退，导致保存数据的错误大量增加。最终，错误的比特数会超过系统的纠错能力，造成数据失效。

伴随着闪存器件物理特性的衰退，存储阵列中的各类寄生效应也在不断增强。其中，以浮栅耦合效应、读扰动和写扰动效应表现得最为显著。浮栅耦合效应是指在闪存器件进行编程操作过程中，由于存储单元之间所存在的耦合电容的影响，操作单元对周围存储单元所存在数据造成干扰。读扰动效应则是指在闪存器件进行读操作过程中，由于需要将存储阵列中非操作存储单元字线(Word line)上的电压提高到中间电平状态，造成闪存器件沟道中电子累积，从而导致雪崩击穿的现象。而写扰动效应是指闪存单元在进行编程操作的过程中，需要将对操作单元所在字线的电压提高到高电平状态，从而会改变同一字线上的存储单元的存储信息，引起误操作。

为了能够从闪存器件中读取到正确的数据，在闪存控制器中往往通过设计纠错模块的方式对从闪存器件中读取的数据进行纠错校验的方式来消除闪存器件所引发的错误数据。但是这种方法是在错误发生以后进行的一种补救措施，并不能降低在闪存器件中所发生的错误数量。因此，闪存控制器需要一种新的操作方式，在对闪存进行操作的同时，降低闪存内部各种寄生效应的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出了一种闪存控制器及其控制方法，来降低闪存器件的数据错误。

本发明的技术构思是，在闪存阵列中，对物理块的连续操作会加剧闪存器件内部寄生效应的影响。当对物理块进行连续操作时，该物理块的热度状态升高；当对物理块停止操作时，该物理块的热度状态随空闲时间的增加而逐渐降低。对热度值高于某个阈值的物理块继续进行操作时，会带来更高的数据错误。

为实现上述技术构思，本发明提出了一种闪存控制器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

将单位时间内物理块操作的密集程度定义为热度；所述热度由以下公式得到：

P_k(N)＝P_k(N-1)+_△P_k    ①

$P_k^{\mathrm{\Δ}}=\left\{\begin{array}{c}\underset{i=t}{\overset{t+T}{\mathrm{\Σ}}}{O}_i,O_i\≠0\\ -C,O_i=0\end{array}\right.$     ②

其中，P_k(N)为物理块k在第N个单位时间的热度，N为自然数，T为单位时间大小，_△P_k表征热度的变化，O_i为单位时间T内第i时刻的闪存物理块的擦除/编程操作次数，C为冷却系数；

针对不同的闪存器件型号，通过先验实验的方式，得到能够最有效降低错误发生概率时的物理块热度值作为冷却阀值G。

建立热度索引总表，所述热度索引总表记录闪存器件中所有物理块的热度情况；

当闪存控制器需要操作某物理块时，将首先查询所述物理块的热度，当所述物理块的热度高于设定冷却阈值时，闪存控制器将会延迟一段设定时间,等待物理块热度低于所述冷却阀值G后，再操作所述物理块。

进一步的，上述所述的闪存控制器的控制方法，还包括，

建立写请求队列；

若所述操作为写操作，则将写操作的数据保存到写请求队列中，待物理块的热度低于冷却阀值以后，再将保存在写请求队列中的数据写入所述物理块，并从所述写请求队列删除所述写操作的数据。

优化的，所述将写操作的数据保存到写请求队列之前，判断所述写请求队列是否为满；若此时写请求队列为满，延迟控制模块将新的写操作指令快速发给闪存接口模块，直接进行写命令；否则，将写操作的数据保存到写请求队列中，待物理块的热度低于冷却阀值以后，再将保存在写请求队列中的数据写入所述物理块，并从所述写请求队列删除所述写操作的数据。

同样优化的可选择的方案是，所述将写操作的数据保存到写请求队列之前，判断所述写请求队列是否为满；若此时读请求队列为满，则强制执行读请求队列中热度最小的物理块的读命令，再将所述写操作命令保留在写请求队列中；否则，将写操作的数据保存到写请求队列中，待物理块的热度低于冷却阀值以后，将保存在写请求队列中的数据写入所述物理块，并从所述写请求队列删除所述写操作的数据。

上述闪存控制器的控制方法，其特征还在于，

建立读请求队列；

若所述操作为读操作，则将读请求保存到读请求队列中，待物理块的热度低于冷却阀值以后，再对所述物理块进行读操作。

优化的，所述将读操作命令保存到读请求队列之前，判断所述读请求队列是否为满；若此时读请求队列为满，延迟控制模块将新的读操作指令快速发给闪存接口模块，直接进行读命令；否则，将读操作命令保存到读请求队列中，待物理块的热度低于冷却阀值以后，再对所述物理块进行读操作，并从所述读请求队列删除所述读操作命令。

同样优化的可选择的方案是，所述将读操作的数据保存到写请求队列之前，判断所述读请求队列是否为满；若此时读请求队列为满，则强制执行读请求队列中热度最小的物理块的读命令，再将所述读操作命令保留在读请求队列中；否则，将读操作的数据保存到读请求队列中，待物理块的热度低于冷却阀值以后，再对所述物理块进行读操作，并从所述读请求队列删除所述读操作命令。

本发明同时提出了一种闪存控制器，包括微控制器和闪存接口，其特征在于，还包括延迟控制模块、计时模块，所述闪存控制器需要操作某物理块时，将首先查询所述物理块的热度，当所述物理块的热度高于设定冷却阈值时，闪存控制器将会延迟一段设定时间,待物理块的热度低于所述冷却阀值以后操作所述物理块；所述延迟控制模块与所述微控制器进行数据交换，用于接收来自微控制器的数据操作请求，并通过读数据以及写数据通路，对闪存接口模块进行操作；

所述计时模块，用于将定时信息发送给延迟控制模块，所述延迟控制模块，还用于根据所述定时信息，对物理块热度索引总表中各个物理块的热度进行定时更新。

所述延迟控制模块主要由延迟调度模块、读请求队列以及写请求队列构成；

所述延迟调度模块，用于对所述热度索引总表的维护，定时更新物理块热度索引总表中各个物理块的热度，并根据闪存的操作信息，分析闪存器件中各个物理块的热度状况；

所述读请求队列，用于保存对闪存物理块进行读取操作的请求；

所述写请求队列，用于保存对闪存物理块进行编程操作的请求队列，也保存相应物理块的热度索引表。延迟调度模块将通过对读请求队列以及写请求队列中的热度索引分表进行及时更新的方式，调度读、写请求，使得热度等级低的请求能够优先执行，而热度等级高的请求被延迟等待，直到其热度低于冷却阀值。

所述读请求队列，还保存相应物理块的热度索引表，所述延迟调度模块，还用于定时更新所述读请求队列中物理块热度索引表中各个物理块的热度。

所述写请求队列，还保存相应物理块的热度索引表，所述延迟调度模块，还用于定时更新所述写请求队列中物理块热度索引表中各个物理块的热度。

本发明通过追踪物理块的操作忙闲状况，约束读写操作，降低操作密度，从而有效减少闪存器件中数据发生错误的概率。这种针对闪存阵列的操作技术同样适用于各种使用闪存作为存储介质的系统中，用以提高多组闪存阵列的整体数据传输性能。

附图说明

图1.延迟操作对闪存错误数的影响示意图。

图2.操作间隔示意图。

图3.热度索引表示意图。

图4.写请求队列与热度索引表关联示意图。

图5.读请求队列与热度索引表关联示意图。

图6.延迟控制模块接口示意图。

图7.延迟控制模块结构框图。

图8.读操作控制流程图。

图9.写操作控制流程图。

具体实施方法

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

闪存器件操作的延迟对其内部错误的数目存在关联。如图1所示，当对闪存器件进行擦除、编程以及读取循环时，若将擦除操作之间的延迟从0秒扩大到15秒，闪存器件的内部错误会出现明显下降。因此，闪存控制器可以通过优化闪存器件操作时间的方式减少数据错误。

对闪存器件物理块的操作中，操作延迟可以分为三类，如图2所示。物理块的操作由擦除、编程以及读取操作构成。擦除操作之间的时间间隔定义为操作间隔1；擦除操作与编程操作之间的时间间隔定义为操作间隔2；编程操作与读取操作之间的时间间隔定义为操作间隔3。本发明所针对的延迟操作主要针对操作间隔2和操作间隔3。

本发明将单位时间内物理块操作的密集程度定义为热度。则物理块热度可由以下公式得到：

P_k(N)＝P_k(N-1)+_△P_k

$P_k^{\mathrm{\Δ}}=\left\{\begin{array}{c}\underset{i=t}{\overset{t+T}{\mathrm{\Σ}}}{O}_i,O_i\≠0\\ -C,O_i=0\end{array}\right.$

其中，P_k(N)为物理块k在第N个单位时间的热度(N为自然数)，T为单位时间大小。_△P_k表征热度的变化，O_i为单位时间T内第i时刻的闪存物理块的操作次数。在单位时间T内，若闪存器件有操作，_△P_k将累积T以内的操作次数；若没有操作，则_△P_k将减去冷却系数C。这样，当对物理块k进行连续地编程或者擦除操作时，该物理块的热度状态将会升高；当对物理块k停止编程或者擦除操作时，该物理块k的热度状态随空闲时间的增加而逐渐降低。对热度高的物理块进行操作时，会带来更高的数据错误。因此，闪存操作应当避免在闪存物理块处于高热度的状况下进行。

在定义了热度的基础上，还需要为闪存器件设定冷却阀值。当闪存物理块的热度高于冷却阀值时，对该物理块的操作将被延迟；而当闪存物理块的热度低于冷却阀值时，可以立即执行对该物理块的操作。由于不同类型闪存器件在物理特性存在着差异，需要通过先验实验，以获得合理的冷却阀值。先验实验将通过比较在不同的热度条件下闪存器件物理块的错误率，来寻找到最优的热度值作为冷却阀值G。

为了能够实现对闪存的延迟操作，本发明设计一组物理块及其热度等级之间的快速索引表，如图3所示。在实现的过程中，本发明将物理块的热度量化为“冷”、“中”、“热”等离散的热度等级。各个物理块对应一组热度等级。当闪存控制器对物理块进行操作时，根据其操作类型，其相应的热度等级将会发生变化。例如，当对物理块进行擦除以及编程操作时，热度等级将会升高；当对物理块进行读取操作时，热度等级不会发生变化；当物理块在一定时间内不进行操作时，其热度等级会自然降低。热度索引总表记录了闪存器件中所有物理块的热度情况，闪存控制器可以通过快速查询热度索引总表获取物理块的状态。计时模块为热度索引总表提供定时信息，使得热度索引总表能够每隔单位时间T更新一次物理块的热度等级。

为了能够实现热度状态与操作之间的相互关联，本发明在闪存控制器的写请求队列与读请求队列中，分别增加被请求对象的热度索引分表，如图4和图5所示。对于写操作，其请求对象被记录在写请求队列中，而相应请求对象的热度等级同样也被索引在写请求队列。这样可以便于闪存控制器快速选择热度等级低的请求对象进行操作。写请求队列中的热度等级将会定时更新，当操作块的热度等级冷却以后，将予以执行，并被替换出写请求队列。

同样读操作请求对象及其热度等级也被记录在读请求队列中。这样可以保证闪存控制器不会对高热度的请求对象进行读取操作。读请求队列中的热度等级将会定时更新，当操作块的热度等级冷却以后，将予以执行，并替换出读请求队列。

为了能够实现延迟操作，需要在闪存控制器中增加延迟控制模块，如图6所示。延迟控制模块与闪存控制器的内部的微控制器进行数据交换，接收来自微控制器的数据操作请求，并通过读数据以及写数据通路，对闪存接口模块进行操作。而计时模块将定时信息发送给延迟控制模块，使得延迟控制模块能够对读、写请求热度索引表中各个物理块的热度等级进行定时更新。

如图7所示，延迟控制模块主要由延迟调度模块、读请求队列以及写请求队列构成。延迟调度模块负责对热度索引总表的维护，并根据闪存的操作信息，分析闪存器件中各个物理块的热度状况。延迟控制模块中的读请求队列中既保存了对闪存器件进行读取操作的请求队列，也保存了相应请求对象的热度索引表，从而提高了对读请求队列热度检索的性能。同样的，写请求队列中也相应保存了对闪存器件进行编程操作的请求队列，也保存了相应请求对象的热度索引表，以达到提高热度检索性能的目的。延迟调度模块将通过对读请求队列以及写请求队列中的热度索引分表进行及时更新的方式，调度读、写请求，使得热度等级低的请求能够优先执行，而热度等级高的请求被延迟等待，直到其冷却。

读操作流程如图8所示。当延迟控制模块接收到读请求时，其首先检索热度索引表，提取对象物理块的热度等级，接着判断读请求队列是否为满。若此时读请求队列为满，则延迟控制模块将采取快速操作或者强制替换的操作策略。

快速操作和强制替换是两种满足不同需要的操作策略。当使用快速操作策略时，延迟控制模块将新的读操作指令快速发给闪存接口模块，直接响应命令。这样可以使硬件结构更加简单，减小延迟控制模块的资源开销。当使用强制替换时，延迟控制模块将检索读请求队列中缓存的操作块热度等级，并将具有最小热度等级的操作块命令予以强制执行，从而使得热度等级高的操作块命令被保留在队列中等待冷却，从而保证了操作对象始终是队列中具有最低热度的物理块。

若读请求队列未满时，新的读命令将被缓存至读队列中，且延迟控制模块将检索写缓存中是否有相同的操作块命令进行缓存。若没有则新的操作命令将在读请求队列中等待，直到延迟操作。若读操作命令的请求对象同时也在写请求队列中，则写请求队列中的结果将直接用以响应读命令，从而提高了数据读取的性能。

写操作流程如图9所示。当延迟控制模块接收到写请求时，其首先检索热度索引表，提取对象物理块的热度等级，接着判断写请求队列是否为满。若此时写请求队列为满，则延迟控制模块将采取快速操作或者强制替换的操作策略。当使用快速操作策略时，延迟控制模块将新的写操作指令快速发给闪存接口模块，直接进行写命令。这样可以使硬件结构更加简单，减小延迟控制模块的资源开销。当使用强制替换时，延迟控制模块将检索读请求队列中缓存的操作块热度等级，并将具有最小热度等级的操作块命令予以强制执行，从而使得热度等级高的操作块命令被保留在写请求队列中等待冷却。若写请求队列未满时，新的写命令将在写缓存中等待，直到延迟操作。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (11)

1.一种闪存控制器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

将单位时间内物理块操作的密集程度定义为热度；所述热度由以下公式得到：

P_k(N)＝P_k(N-1)+_△P_k      ①

$P_k^{\mathrm{\Δ}}=\left\{\begin{array}{c}\underset{i=t}{\overset{t+T}{\mathrm{\Σ}}}{O}_i,O_i\≠0\\ -C,O_i=0\end{array}\right.$          ②

其中，P_k(N)为物理块k在第N个单位时间的热度，N为自然数，T为单位时间大小，_△P_k表征热度的变化，O_i为单位时间T内第i时刻的闪存物理块的擦除/编程操作次数，C为冷却系数；Δ

建立热度索引总表，所述热度索引总表记录闪存器件中所有物理块的热度；

当闪存控制器需要操作某物理块时，将首先查询所述物理块的热度，当所述物理块的热度高于设定冷却阈值时，闪存控制器将会延迟一段设定时间，待物理块的热度低于所述冷却阀值以后操作所述物理块。

2.根据权利要求1所述的闪存控制器的控制方法，其特征在于，

建立写请求队列；

若所述操作为写操作，则将写操作的数据保存到写请求队列中，延迟一段设定时间,待物理块的热度低于冷却阀值以后，再将保存在写请求队列中的数据写入所述物理块，并从所述写请求队列删除所述写操作的数据。

3.根据权利要求2所述的闪存控制器的控制方法，其特征在于，所述将写操作的数据保存到写请求队列之前，判断所述写请求队列是否为满；若此时写请求队列为满，延迟控制模块将新的写操作指令快速发给闪存接口模块，直接进行写命令；否则，将写操作的数据保存到写请求队列中，待物理块的热度低于冷却阀值以后，再将保存在写请求队列中的数据写入所述物理块，并从所述写请求队列删除所述写操作的数据。

4.根据权利要求2所述的闪存控制器的控制方法，其特征在于，所述将写操作的数据保存到写请求队列之前，判断所述写请求队列是否为满；若此时写请求队列为满，则强制执行写请求队列中热度最小的物理块的写命令，再将所述写操作数据保留在写请求队列中；否则，将写操作的数据保存到写请求队列中，待物理块的热度低于冷却阀值以后，将保存在写请求队列中的数据写入所述物理块，并从所述写请求队列删除所述写操作的数据。

5.根据权利要求1或2所述的闪存控制器的控制方法，其特征在于，

建立读请求队列；

若所述操作为读操作，则将读请求保存到读请求队列中，待物理块的热度低于冷却阀值以后，再对所述物理块进行读操作。

6.根据权利要求5所述的闪存控制器的控制方法，其特征在于，所述将读操作命令保存到读请求队列之前，判断所述读请求队列是否为满；若此时读请求队列为满，延迟控制模块将新的读操作指令快速发给闪存接口模块，直接进行读命令；否则，将读操作命令保存到读请求队列中，待物理块的热度低于冷却阀值以后，再对所述物理块进行读操作，并从所述读请求队列删除所述读操作命令。

7.根据权利要求5所述的闪存控制器的控制方法，其特征在于，所述将读操作的数据保存到读请求队列之前，判断所述读请求队列是否为满；若此时读请求队列为满，则强制执行读请求队列中热度最小的物理块的读命令，再将所述读操作命令保留在读请求队列中；否则，将读操作的命令保存到读请求队列中，待物理块的热度低于冷却阀值以后，再对所述物理块进行读操作，并从所述读请求队列删除所述读操作命令。

8.一种闪存控制器，包括微控制器和闪存接口，其特征在于，还包括延迟控制模块、计时模块，所述计时模块，用于将定时信息发送给延迟控制模块，所述闪存控制器需要操作某物理块时，将首先查询所述物理块的热度，当所述物理块的热度高于设定冷却阈值时，闪存控制器将会延迟一段设定时间,待物理块的热度低于所述冷却阀值以后操作所述物理块；

所述延迟控制模块与所述微控制器进行数据交换，用于接收来自微控制器的数据操作请求，并通过读数据以及写数据通路，对闪存接口模块进行操作；以及

根据所述定时信息，建立物理块热度索引总表，并对所述物理块热度索引总表中各个物理块的热度进行定时更新；所述热度索引总表记录闪存器件中所有物理块的热度；所述热度定义为单位时间内物理块操作的密集程度；所述热度由以下公式得到：

P_k(N)＝P_k(N-1)+_△P_k     ①

$P_k^{\mathrm{\Δ}}=\left\{\begin{array}{c}\underset{i=t}{\overset{t+T}{\mathrm{\Σ}}}{O}_i,O_i\≠0\\ -C,O_i=0\end{array}\right.$          ②

其中，P_k(N)为物理块k在第N个单位时间的热度，N为自然数，T为单位时间大小，_△P_k表征热度的变化，O_i为单位时间T内第i时刻的闪存物理块的擦除/编程操作次数，C为冷却系数。

9.根据权利要求8所述的闪存控制器，其特征在于，所述延迟控制模块主要由延迟调度模块、读请求队列以及写请求队列构成；

所述延迟调度模块，用于对所述热度索引总表的维护，定时更新物理块热度索引总表中各个物理块的热度，并根据闪存的操作信息，分析闪存器件中各个物理块的热度状况；

所述读请求队列，用于保存对闪存物理块进行读取操作的请求；

所述写请求队列，用于保存对闪存物理块进行编程操作的请求队列，也保存相应物理块的热度索引表；延迟调度模块将通过对读请求队列以及写请求队列中的热度索引分表进行及时更新的方式，调度读、写请求，使得热度等级低的请求能够优先执行，而热度等级高的请求被延迟等待，直到其热度低于冷却阀值。

10.根据权利要求9所述的闪存控制器，其特征在于，所述读请求队列，还保存相应物理块的热度索引表，所述延迟调度模块，还用于定时更新所述读请求队列中物理块热度索引表中各个物理块的热度。

11.根据权利要求9所述的闪存控制器，其特征在于，所述写请求队列，还保存相应物理块的热度索引表，所述延迟调度模块，还用于定时更新所述写请求队列中物理块热度索引表中各个物理块的热度。