CN103092766B - 一种用于nand flash的均衡损耗实现方法 - Google Patents
一种用于nand flash的均衡损耗实现方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种用于NAND FLASH的均衡损耗实现方法,该方法包括局部均衡实现方法及全局均衡实现方法,该方法根据NAND FLASH总块数及系统性能需求,按照分配为LOG块,针对每个LOG块的擦写次数,优先分配擦写次数最低的LOG块作为新数据的存储块以实现LOG块内的局部均衡实现方法;并通过将数据块中擦写次数相对较少的数据块记录到COLD-DATA-POOL中,判断比较等步骤实现全局均衡,本方法可有效避免因COLD-DATA导致的对NAND FLASH造成的擦除次数不均衡,可有效提高NAND FLASH的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于NAND FLASH的均衡损耗。
背景技术
NAND FLASH作为一种非挥发性(简单说就是不加电的情况下数据也不会丢失,区别于目前常用的计算机内存)的半导体存储芯片,具有体积小,功耗低,不易受到物理破坏的优点,是移动数码产品的理性存储介质。
闪存的结构,是由很多块组成,每个块包括一定数目的页,每一页均包含一个数据区和冗余区,数据区用来存储数据,而冗余区通常被用于ECC、均衡损耗(wear leveling)和其他软件开销功能,尽管他在物理上与其它也并没有区别。
NAND FLASH进行写操作时,必须先将对应的块中的内容清空,然后再写入,也就是通常说的“先擦后写”。一般来说,NAND FLASH的使用寿命是由存储单元的最大擦除次数决定的,随着存储单元的擦写次数的增加,该存储单元最终变为只读状态,从而成为坏块。为了延长存储设备的使用寿命,行之有效的方法是在尽量小的影响性能的前提下,均衡使用存储设备中的所有存储单元,而不让某个或某几个存储单元被过度使用,这种均衡使用存储设备中的存储单元的技术称为均衡损耗(wear leveling)技术。
下面简单介绍目前常见的用于NAND FLASH中实现均衡损耗的方法:
NAND FLASH可以达到高存储密度,并且写入和擦除的速度也很快,在大量数据存储中存在优势,应用广泛。NAND FLASH中的基本擦除单元为块,而在NAND FLASH中,页是进行写入操作的基本单位,每一块包含多个页,每页包含一个或多个扇区。为了达到损耗均衡的目的,在向NAND FLASH中某个逻辑扇区写入数据后,记录该逻辑扇区所对应的页已写入数据不可用,当需 要对该逻辑扇区或该扇区所对应的页中的其他扇区中的数据进行更新时,不是将该扇区所对应的块擦除后重新写入更新后的数据,而是将更新后的数据写入其他可用即未保存数据的块所对应的逻辑扇区上。按照该方法,总是将新的数据写入到未写入数据的块内,直到满足一定的条件时,例如,当NAND FLASH中不存在可用块或可用块较少时,才将已保存数据即记录为不可用的块统一进行擦除,以保证NAND FLASH中存储空间的可用性。
上述方法存在以下问题:
现有的均衡损耗的实现方案中,当NAND FLASH中不存在可用块或可用块较少时,才将已保存数据即记录为不可用的块统一进行擦除,这就需要在实际操作中保存大量的块状态信息,增加了垃圾块回收的难度和资源消耗。另外,针对某些块中存储的更新不频繁的数据即COLD-DATA(冷数据),由于数据更新不频繁,导致这些数据一直占据某些固定的块,造成NAND FLASH内块的磨损是不均衡的,有的块寿命已接近使用寿命,但有的块的擦除次数还很少。
发明内容
本发明的技术解决问题是:针对现有技术的不足,提供了一种用于NANDFLASH的均衡损耗实现方法,实现整个NAND FLASH内的COLD-DATA(冷数据)与HOT-DATA(热数据)的管理,实现局部或全局均衡损耗,可有效避免因COLD-DATA导致的对NAND FLASH造成的擦除次数不均衡,可有效提高NAND FLASH的使用寿命。
本发明的技术解决方案是:一种用于NAND FLASH的均衡损耗实现方法,能够实现局部的均衡损耗,包括以下步骤:
(1)将NAND FLASH内的块BLOCK划分为LOG块区及DATA块区,实时记录LOG块区及DATA块区中所有块的擦写次数;
(2)当有新数据需要向某个DATA块写入或更新时,将此DATA块作为原DATA块,若存在与原DATA块对应的LOG块且此LOG块可用,则直接将此LOG块作为存储DATA块写入或更新数据;若存在与原DATA块对应的LOG 块但此LOG块不可用,或者不存在原DATA块对应的LOG块,则在LOG块区中选用擦除次数最少的可用LOG块做为存储DATA块写入或更新数据;若所有LOG块均不可用或者新数据已经写入或更新完毕时,进行存储DATA块与原DATA块的数据合并操作;
(3)将合并操作后的块作为新的DATA块,将原DATA块及存储DATA块进行擦除操作,将擦除后的原DATA块及存储DATA块作为新的LOG块使用;
(4)更新所有块的擦写次数。
所述的实现方法可应用于NAND FLASH控制的固件中,也可应用于以NAND FLASH作为存储介质的数码产品中,也可应用于外接NAND FLASH的设备中。
一种用于NAND FLASH的均衡损耗实现方法,能够实现全局的均衡损耗,包括以下步骤:
(1)将NAND FLASH内的块BLOCK划分为LOG块区及DATA块区,实时记录LOG块区及DATA块区中所有块的擦写次数;在使用NAND FLASH的系统中构建COLD-DATA-POOL,用于记录DATA块区内擦写次数相对少的DATA块地址信息及擦写次数,并按照擦写次数创建COLD-DATA-BLOCK链表;
(2)当有新数据需要向某个DATA块写入或更新时,将此DATA块作为原DATA块,若存在与原DATA块对应的LOG块且此LOG块可用,则直接将此LOG块作为存储DATA块写入或更新数据;若存在与原DATA块对应的LOG块但此LOG块不可用,或者不存在原DATA块对应的LOG块,则在LOG块中选用擦除次数最少的可用LOG块作为存储DATA块写入或更新数据;若所有LOG块均不可用或者新数据已经写入或更新完毕时,进行存储DATA块与原DATA块的数据合并操作;将合并操作后的块作为新的DATA块,将原DATA块及存储DATA块进行擦除操作,将擦除后的原DATA块及存储DATA块作为新的LOG块使用;更新所有块的擦写次数。
每次重新分配LOG块时,即每次选用擦除次数最少的可用LOG块作为存储DATA块写入或更新数据时,检查当前物理地址PBA所对应的块,如果所对应的块是DATA块,则将COLD-DATA-POOL中记录的最少的擦写次数Cmax与该DATA块的擦写次数Ni进行比较,当Ni小于Cmax时,更新COLD-DATA-POOL中记录的最少的擦写次数及DATA块地址信息,当Ni大于等Cmax时,COLD-DATA-POOL中记录的信息不予更新,比较完成后物理地址PBA自动加1;如果所对应的块是LOG块,则进行一次空操作后,物理地址PBA自动加1;
计算LOG区内擦写次数最多的块与COLD-DATA-POOL中擦写次数最少的块的擦写次数之差,判断上述差值是否大于等于设定的阈值,若差值大于等于设定的阈值,执行全局均衡管理操作,即将LOG块区中擦写次数最多的块中的数据擦除,根据COLD-DATA-POOL中记录的擦写次数最少的块的地址信息,找到并将擦写次数最少的块中的数据拷贝至LOG块区中擦写次数最多的块中,将LOG区中擦写次数最多的块作为DATA块,并将其在LOG块区中剔除,并将其地址信息及擦除次数信息记入COLD-DATA-POOL中,将COLD-DATA-POOL中记录的擦写次数最少的块的信息在COLD-DATA-POOL中剔除,并更新COLD-DATA-BLOCK链表;将COLD-DATA-POOL中记录的擦写次数最少的块作为新的LOG块使用;若差值小于设定的阈值,则不执行全局均衡管理操作。
所述的实现方法可应用于NAND FLASH控制的固件中,也可应用于以NAND FLASH作为存储介质的数码产品中,也可应用于外接NAND FLASH的设备中。
本发明与现有技术相比的优点:
局部均衡损耗:总是优先使用擦除次数最少的块用来存储需要写入或更新的数据,保证在LOG块区范围内擦除次数最少的块被优先使用,达到各块之间的均衡损耗。
全局均衡损耗:通过全局均衡损耗可以把COLD-DATA存储在剩余使用寿 命最短的块上,HOT-DATA尽可能存放在剩余使用寿命最长的块上,从而保证擦除次数较多的块被尽可能少的使用,从而在全局范围内实现各块之间的均衡损耗。
采用上述方法,可以把COLD-DATA存储在剩余使用寿命最短的块上,HOT-DATA尽可能存放在剩余使用寿命最长的块上,既能实现局部的均衡损耗,又能实现全局均衡损耗,以达到NAND FLASH的均衡损耗,达到提高NANDFLASH使用寿命的目的。
附图说明
图1为NAND FLASH内部BLOCK功能划分及COLD-DATA-POOL(冷数据区)定义;
图2为LOG块的分配及LOG块与DATA块的合并示意图;
图3为数据更新完毕LOG块与DATA块的合并示意图;
图4为LOG块与COLD-DATA块的交换;
具体实施方式
本发明公开了一种用于NAND FLASH实现均衡损耗的方法,该方法包括局部均衡实现方法及全局均衡实现方法。该方法通过将NAND FLASH中的块,根据NAND FLASH总块数及系统性能需求,按照分配为LOG块,针对每个LOG块的擦写次数,优先分配擦写次数最低的LOG块作为新数据的存储块以实现LOG块内的局部均衡实现方法;按照一定节奏,将数据块中擦写次数相对较少的数据块记录到COLD-DATA-POOL中;比较LOG块中擦写次数最多的块与COLD-DATA-POOL中擦写次数最少的块的擦写次数,当其差值大于或等于某一阈值时,将COLD-DATA-POOL中擦写次数最少的块中的数据拷贝至LOG块中擦写次数最多的块,并将原LOG块作为新的数据块,同时将原COLD-DATA-POOL中擦写次数最少的块作为新的LOG块;采用本发明,能够在实现LOG块局部均衡的同时实现整个NAND FLASH内的COLD-DATA与HOT-DATA管理,实现全局均衡损耗,可有效避免因COLD-DATA导致的对 NAND FLASH造成的擦除次数不均衡,可有效提高NAND FLASH的使用寿命。
该方法可应用于NAND FLASH控制的固件中,也可应用于以NANDFLASH作为存储介质的数码产品中,也可应用于外接NAND FLASH的设备中。采用上述方法,可以把COLD-DATA(冷数据)存储在剩余使用寿命最短的块上,HOT-DATA尽可能存放在剩余使用寿命最长的块上,以达到NAND FLASH的均衡损耗,达到提高NAND FLASH的使用寿命的目的。
下面就结合实施例对本发明做进一步介绍。
如图1所示,为NAND FLASH内的BLOCK按照功能划分的情况,本发明的均衡损耗方法只需将NAND FLASH划分为LOG块区及DATA块区,DATA块区用来存储用户需要存储的信息,LOG块区用来暂存需写入DATA块或更新DATA块中的数据,根据使用需要,还可以在DATA块区中设定MAP块区、保留块区,分别用于地址映射的管理和坏块的管理等,对于用户而言,MAP块区、保留块区以及LOG块区等都是不可见的,而且是否设定MAP块区、保留块区等对本发明均衡损耗方法的实现并不影响,而且在实际操作中,这些块在NANDFLASH中的分布并不连续的。
当有新数据需要向某个DATA块写入或更新时,将此DATA块作为原DATA块,若存在与原DATA块对应的LOG块且此LOG块可用,则直接将此LOG块作为存储DATA块写入或更新数据;若存在与原DATA块对应的LOG块但此LOG块不可用,或者不存在原DATA块对应的LOG块,则在LOG块区中选用擦除次数最少的可用LOG块做为存储DATA块写入或更新数据;若所有LOG块均不可用或者新数据已经写入或更新完毕时,进行存储DATA块与原DATA块的数据合并操作。如图2所示,图2中有连续3个操作,其所对应的LBA分别为LBA1,LBA2和LBA3。根据LBA可计算得到操作所对应的PBA地址,如图所示LBA1(逻辑地址1),LBA2(逻辑地址2)和LBA3(逻辑地址3)对应DATA BLOCK中的第4页,第5页和第2页,即3个LBA操作位于同一DATA BLOCK中。首先当处理LBA1时,系统内不存在与原DATA块对 应的LOG块,则在LOG块区中选用擦除次数最少的可用LOG BLOCK1做为存储DATA块写入或更新数据;当处理LBA2时,此时系统中存在与原DATA块对应的LOG块--LOG BLOCK1,且LOG BLOCK1可以继续写入更新的数据,则依然将此LOG BLOCK1作为存储DATA块,直接将LBA2所要写入或更新的数据存储在LOG BLOCK1内;当处理LBA3时,此时虽然存在与原DATA块对应的LOG块--LOG BLOCK1,但是此时LOG BLOCK1已不能继续写入更新的数据即不可用,则在LOG块区中选用擦除次数最少的LOG BLOCK2做为存储DATA块写入或更新数据;若所有LOG块均不可用或者新数据已经写入或更新完毕时,进行存储DATA块与原DATA块的数据合并操作。
如图3所示,当有新数据需要向某个DATA块写入或更新时,将此DATA块作为原DATA块,若存在与原DATA块对应的LOG块且此LOG块可用,则直接将此LOG块作为存储DATA块写入或更新数据;若存在与原DATA块对应的LOG块但此LOG块不可用,或者不存在原DATA块对应的LOG块,则在LOG块区中选用擦除次数最少的可用LOG块做为存储DATA块写入或更新数据;若所有LOG块均不可用或者新数据已经写入或更新完毕时,进行存储DATA块与原DATA块的数据合并操作,图3中,有连续3个操作,其所对应的LBA分别为LBA1,LBA2和LBA3。根据LBA可计算得到操作所对应的PBA地址,如图所示LBA1(逻辑地址1)和LBA2(逻辑地址2)对应DATA BLOCK1中的第4页和第5页,即LBA1和LBA2位于同一DATA BLOCK中,首先选用擦写次数最少的LOG BLOCK1作为存储DATA块,分别存储更新或写入的数据。根据LBA3找到所对应的物理地址PBA,其所对应的DATA BLOCK为DATA BLOCK2,即LBA3与LBA1和LBA2操作位于不同的DATA BLOCK中,即针对DATA BLOCK 1的数据更新或写入操作已完成,首先完成DATABLOCK 1与LOG BLOCK1的合并操作,然后再对LBA3所对应的DATABLOCK2分配与其对应的LOG BLOCK。
如图4所示,根据NAND FLASH的使用情况,在系统中构建 COLD-DATA-POOL,用于记录非LOG区内擦写次数最少的块地址信息及擦写次数,并按照擦写次数创建COLD-DATA-BLOCK链表,此链表按照擦除次数由少到多的顺序记录相应块的地址信息;当有新数据需要向某个DATA块写入或更新时,若原数据块不存在与之对应的LOG块或存在的与之对应的LOG块不可继续写入或更新数据,则在LOG区内为原数据块重新分配LOG块。在重新分配LOG块时,首先将COLD-DATA-POOL中记录的最多的擦写次数Cmax与NAND FLASH中的一个块的擦写次数Ni进行比较,当Ni小于Cmax时,更新COLD-DATA-POOL中记录的最多的擦写次数及块地址信息,当Ni大于等Cmax时,COLD-DATA-POOL中记录的信息不予更新;只在需要分配LOG块时完成一次COLD-DATA-POOL的判断,每次判断只检查1个PBA(物理块地址)所对应的块,如果所对应的块是DATA块,则将COLD-DATA-POOL中记录的最多的擦写次数Cmax与该DATA块的擦写次数Ni进行比较,当Ni小于Cmax时,更新COLD-DATA-POOL中记录的最多的擦写次数及DATA块地址信息,当Ni大于等Cmax时,COLD-DATA-POOL中记录的信息不予更新,比较完成后物理地址PBA自动加1;如果所对应的块是LOG块,则进行一次空操作后,物理地址PBA自动加1。做完比较后,计算LOG区内擦写次数最多的块与COLD-DATA-POOL中擦写次数最少的块的擦写次数之差;判断上述差值是否大于等于设定的阈值(阈值的设置根据系统性能和均衡损耗水平相关,阈值越大系统性能越高,均衡损耗水平越低;反之,阈值越小系统性能越低,均很损耗水平越高。阈值的选取应根据系统性能及均衡损耗水平折中选择,本发明实施例中选取了FLASH中的总块数作为阈值),若差值大于等于设定的阈值,执行全局均衡管理操作,即将LOG块中擦写次数最多的块中的数据擦除,根据COLD-DATA-POOL中记录的擦写次数最少的块的地址信息,找到并将擦写次数最少的块中的数据拷贝至LOG块中擦写次数最多的块中,将LOG区中擦写次数最多的块作为DATA块,并将其在LOG块中剔除,并将其地址信息及擦除次数信息记入COLD-DATA-POOL中,将COLD-DATA-POOL中记录的擦写 次数最少的块的信息在COLD-DATA-POOL中剔除,并更新COLD-DATA-BLOCK链表;将COLD-DATA-POOL中记录的擦写次数最少的块作为新的LOG块使用;若差值小于设定的阈值,则不执行全局均衡管理操作。在图4中,当需重新为某一DATA块分配LOG BLOCK时,系统首先通过判断决定是否更新COLD-DATA-POOL中的地址及擦除次数信息,之后通过查寻COLD-DATA-POOL链表获得擦除次数最少的DATA BLOCK为DATABLOCK 4,之后系统计算DATA BLOCK4与LOG区中擦除次数最大的BLOCK的擦除次数之差,若其值大于等于某一阈值时,便将DATA BLOCK 4中的数据拷贝到LOG区中擦除次数最大的BLOCK中,原LOG区中擦除次数最大的BLOCK称为新的DATA BLOCK 4;原来的DATA BLOCK 4作为新的LOGBLOCK使用。
上述为本发明的实施方式,其余与现有技术相同部分不再赘述。在不背离本发明精神及其实质的情况下,熟悉本领域的激素人员可根据本发明做出各种相应的变形,但这些相应的变形都属于本发明。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
Claims (2)
1.一种用于NAND FLASH的均衡损耗实现方法,能够实现全局的均衡损耗,其特征在于包括以下步骤:
(1)将NAND FLASH内的块BLOCK划分为LOG块区及DATA块区,实时记录LOG块区及DATA块区中所有块的擦写次数;在使用NAND FLASH的系统中构建COLD-DATA-POOL,用于记录DATA块区内擦写次数相对少的DATA块地址信息及擦写次数;
(2)当有新数据需要向某个DATA块写入或更新时,将此DATA块作为原DATA块,若存在与原DATA块对应的LOG块且此LOG块可用,则直接将此LOG块作为存储DATA块写入或更新数据;若存在与原DATA块对应的LOG块但此LOG块不可用,或者不存在原DATA块对应的LOG块,则在LOG块中选用擦除次数最少的可用LOG块作为存储DATA块写入或更新数据;若所有LOG块均不可用或者新数据已经写入或更新完毕时,进行存储DATA块与原DATA块的数据合并操作;将合并操作后的块作为新的DATA块,将原DATA块及存储DATA块进行擦除操作,将擦除后的原DATA块及存储DATA块作为新的LOG块使用;更新所有块的擦写次数;
每次重新分配LOG块时,即每次选用擦除次数最少的可用LOG块作为存储DATA块写入或更新数据时,检查当前物理地址PBA所对应的块,如果所对应的块是DATA块,则将COLD-DATA-POOL中记录的最多的擦写次数Cmax与该DATA块的擦写次数Ni进行比较,当Ni小于Cmax时,更新COLD-DATA-POOL中记录的最多的擦写次数及DATA块地址信息,当Ni大于等Cmax时,COLD-DATA-POOL中记录的信息不予更新,比较完成后物理地址PBA自动加1;如果所对应的块是LOG块,则进行一次空操作后,物理地址PBA自动加1;
计算LOG区内擦写次数最多的块与COLD-DATA-POOL中擦写次数最少的块的擦写次数之差,判断上述差值是否大于等于设定的阈值,若差值大于等于设定的阈值,执行全局均衡管理操作,即将LOG块区中擦写次数最多的块中的数据擦除,根据COLD-DATA-POOL中记录的擦写次数最少的块的地址信息,找到并将擦写次数最少的块中的数据拷贝至LOG块区中擦写次数最多的块中,将LOG区中擦写次数最多的块作为DATA块,并将其在LOG块区中剔除,并将其地址信息及擦除次数信息记入COLD-DATA-POOL中,将COLD-DATA-POOL中记录的擦写次数最少的块的信息在COLD-DATA-POOL中剔除,并更新COLD-DATA-BLOCK链表;将COLD-DATA-POOL中记录的擦写次数最少的块作为新的LOG块使用;若差值小于设定的阈值,则不执行全局均衡管理操作。
2.根据权利要求1所述的均衡损耗实现方法,其特征在于包括以下步骤:所述的实现方法可应用于NAND FLASH控制的固件中,也可应用于以NANDFLASH作为存储介质的数码产品中,也可应用于外接NAND FLASH的设备中。
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Legal Events
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---|---|---|---|
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
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C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant |