CN103999067A - 以多个非易失性存储器为特征的高性能存储结构和系统 - Google Patents

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Abstract

一种存储器存储系统，其包括至少存储控制器、第一非易失性固态存储器和第二非易失性固态存储器。该存储控制器具有用于从主机系统接收命令的接口。第一非易失性固态存储器与存储控制器耦合以至少存储从主机系统接收的数据。第二非易失性固态存储器与存储控制器耦合以存储上下文信息，其对应于存储在第一非易失性固态存储器装置中的数据。

Description

以多个非易失性存储器为特征的高性能存储结构和系统
技术领域
本发明的实施例涉及用于提高存储系统性能的技术。更特定地，本发明的实施例涉及用于提高利用固态驱动器（SSD）和其他存储装置的存储系统的性能的技术。
背景技术
利用非易失性固态驱动器（SSD）的当前存储系统典型地利用动态随机存取存储器（DRAM）来维持状态信息和与存储在SSD中的非易失性存储器（NVM）中的数据有关的其他信息。这是因为DRAM典型地比NVM更快。然而，因为DRAM是易失性的，DRAM在SSD中的使用可呈现复杂性和可能导致不期望结果的数据丢失的机会。
附图说明
本发明的实施例通过示例而非限制的方式在附图的图中图示，在图中类似的标号指示相似的元件。
图1是可利用本文描述的存储系统的电子系统的一个实施例的框图。
图2是固态驱动器的一个实施例的框图。
图3是对于用于将数据写入存储系统的技术的一个实施例的流程图。
图4是用于从存储系统读取数据的技术的一个实施例的流程图。
图5是对于恢复非易失性存储装置的技术的一个实施例的流程图。
具体实施方式
在下列描述中，阐述许多具体细节。然而，本发明的实施例可在没有这些具体细节的情况下实践。在其他实例中，未详细示出众所周知的电路、结构和技术以便不混淆该描述的理解。
图1是电子系统的一个实施例的框图。在图1中图示的该电子系统意在代表一系列电子系统（有线或无线），其包括例如平板装置、智能电话、台式计算机系统、膝上型计算机系统等。备选电子系统可包括更多、更少和/或不同的部件。
电子系统100包括用于传送信息的总线105或其他通信装置和耦合于总线105的处理器110（其可处理信息）。电子系统100可包括多个处理器和/或协同处理器。电子系统100可进一步包括随机存取存储器（RAM）或其他动态存储装置120（称为存储器）（耦合于总线105），并且可存储可由处理器110执行的信息和指令。存储器120还可用于在指令由处理器110执行期间存储暂时变量或其他中间信息。
电子系统100还可包括只读存储器（ROM）和/或其他静态存储装置130，其耦合于总线105且可存储对于处理器110的静态信息和指令。数据存储系统140可耦合于总线105来存储信息和指令。数据存储系统140（例如磁盘或光盘和对应的驱动器、固态驱动器和/或其任何组合）可耦合于电子系统100或SSD。
电子系统100还可经由总线105而耦合于显示装置150，其可以是用于向用户显示信息的任何类型的显示装置，例如触摸屏。输入装置160可以是允许用户向电子系统100提供输入的任何类型的界面和/或装置。输入装置可包括硬按钮和/或软按钮、语音或扬声器输入，用于向处理器110传送信息和命令选择。
电子系统100可进一步包括传感器170，其可用于支持由电子系统100提供的功能性。传感器170可包括例如陀螺仪、接近传感器、光传感器等。可支持任何数量的传感器和传感器类型。
电子系统100可进一步包括网络接口180，用于提供对网络（例如局域网）的访问。网络接口180可包括例如具有天线185的无线网络接口，该天线185可代表一个或多个天线。网络接口180还可包括例如有线网络接口，用于经由网络缆线187而与远程装置通信，该网络缆线187可以是例如以太网缆线、同轴电缆、光纤缆线、串行缆线或并行缆线。
在一个实施例中，网络接口180可例如通过遵循IEEE 802.11b和/或IEEE 802.11g和/或IEEE 802.11n标准而提供对局域网的访问，并且/或无线网络接口可例如通过遵循蓝牙标准而提供对个人区域网络的访问。还可以支持其他无线网络接口和/或协议。网络访问也可根据4G/LTE标准来提供。
IEEE 802.11b对应于1999年9月16日批准的题为“Local and Metropolitan Area Networks, Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band”的IEEE标准802.11b-1999以及相关文献。IEEE 802.11g对应于2003年6月27日批准的题为“Local and Metropolitan Area Networks, Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, Amendment 1: Further Higher Rate Extension in the 2.4 GHz Band”的IEEE标准802.11g-2003以及相关文献。蓝牙协议在2001年2月22日由Bluetooth Special Interest Group, Inc.发布的“Specification of the Bluetooth System: Core, Version 1.1”中描述。还可支持关联的以及之前或随后的蓝牙标准版本。
除经由无线LAN标准的通信外或代替经由无线LAN标准的通信，网络接口180可使用例如时分多址（TDMA）协议、全球移动通信系统（GSM）协议、码分多址（CDMA）协议和/或任何其他类型的无线通信协议而提供无线通信。
图2是固态驱动器（SSD）的一个实施例的框图。图2的SSD可以是例如在图1中图示的存储系统140的一部分。图2的存储器系统也可在其他系统中使用。当前SSD装置既包括易失性又包括非易失性存储器（例如，NAND）并且使用逻辑到物理（L2P）间接系统（例如，查找表）来存储并且检索用户数据。该L2P信息和其他驱动状态信息一起可称为“上下文”。该上下文当前维持在易失性存储器中并且可定期备份到非易失性存储器。这为可降低性能的数据丢失和非易失性存储器带宽消耗提供机会。
本文描述SSD装置/系统，这些SSD装置/系统包括两个类型的非易失性存储器（例如，PCMS和NAND闪存），其可提供提高的SSD性能和服务质量（QoS）同时降低系统复杂性。PCMS指的是堆叠相变存储器（PCM），其包括多级相变存储器元件。还可实现功耗降低并且系统复杂性可降低。本文针对SSD装置的示例同样也能适用于盘高速缓存系统。
在一个实施例中，相变存储器（PCM）260是堆叠相变存储器或PCMS，其可提供比NAND闪速存储器高得多的性能。在备选实施例中，可使用其他非易失性存储技术，例如铁电晶体管随机存取存储器（FeTRAM）、纳米线存储器等。如在下文更详细描述的，之前可已经存储在易失性存储器（例如，DRAM）中的上下文信息可维持在PCMS 260中。
因为PCMS是非易失性的，可消除对定期上下文保存和复杂功率损失复原（PLR）技术的需要。这不仅降低产品复杂性，它还提高性能，因为使用从DRAM到闪存的上下文保存消耗存储器带宽。在一个实施例中，PCMS用于维持可用于控制闪速存储器的固件图像。
在一个实施例中，PCMS可用于缓冲写数据和/或存储频繁使用的数据。PCMS的该高速缓存使用可提高SSD性能。因为PCMS不需要刷新，需要的功耗与DRAM相比可减少。在一个实施例中，PCMS可用于存储可用于恢复/重启目的的固件图像。
存储控制器210操作来管理一个或多个存储器装置与数据源（未在图2中图示）之间的数据流。数据源可例如是处理器或可生成数据或使用存储在存储器中的数据的其他系统部件。在一个实施例中，存储控制器210包括主机接口（I/F）220，其在存储控制器210的功能部件与数据源之间提供接口（例如，SATA、PCIe、SATA SAS）。
在一个实施例中，主机I/F 220与闪存控制器230和PCMS控制器240耦合。闪存控制器230操作来管理由闪速存储器250存储的数据。闪存控制器230可管理对于闪速存储器250的初始化、读操作、写操作、擦除操作、错误处理磨损均衡、块选择和/或无用存储单元收集。PCMS控制器240操作来管理由PCMS 260存储的数据。PCMS控制器240可管理对于PCMS 260的初始化、读操作、写操作、擦除操作、错误处理、磨损均衡和/或无用存储单元收集。
在一个实施例中，闪存控制器230和闪速存储器250操作来存储由数据源使用的数据。闪存控制器230处理传递通过主机I/F 220的数据，该数据要存储在闪速存储器250中或从闪速存储器250读取。对应于存储在闪速存储器250中的数据的上下文信息可在PCMS控制器240的控制和管理下存储在PCMS 260中。
在一个实施例中，闪速存储器250用于存储将由主机系统/处理器使用的数据并且PCMS用于存储对应于存储在闪速存储器250中的数据的上下文信息。在一个实施例中，PCMS 260还可用作对于要写入闪速存储器250的数据的写缓冲器。在一个实施例中，PCMS 260可用作闪速存储器250的高速缓存。在一个实施例中，PCMS 260可用于这些目的的任何组合。
图3是对于用于将数据写入存储系统的技术的一个实施例的流程图。图3的技术可例如在图2的系统中使用。图3的技术可例如由存储器控制器执行。
接收要写入存储系统的数据，310。该数据可从例如处理器或主机系统（存储器控制器驻存在其内）的任何其他部件接收。可支持任何数据大小或格式。
使数据存储在闪速存储器或HDD（或PCM/PCMS，这取决于使用中的高速缓存策略）中，320。这可例如通过连同数据一起向闪速存储器或HDD（或PCM/PCMS）发出使数据写入一个或多个存储器位点的命令或控制信号而实现。
对应于写入闪速存储器/HDD的数据的上下文信息在PCM/PCMS中更新，330。在一些实施例中，PCM/PCMS还可用作对于闪速存储器/HDD的盘高速缓存和/或写缓冲器。
图4是用于从存储系统读取数据的技术的一个实施例的流程图。图4的技术可例如在图2的系统中使用。图4的技术可例如由存储控制器执行。
接收要从存储系统读取数据的请求，410。该请求可从例如处理器或主机系统（存储控制器驻存在其内）的任何其他部件接收。可支持任何数据大小或格式。
使数据从闪速存储器或HDD（和/或从PCM/PCMS，这取决于高速缓存状态）检索，420。这可例如通过向闪速存储器或HDD发出要从一个或多个存储器位点读取数据的命令或控制信号而实现。
数据被发送到请求系统部件，430。对应于从闪速存储器/HDD读取的数据的上下文信息在PCM/PCMS中更新，440。
对应于从闪速存储器/HDD读取的数据的上下文信息在PCM/PCMS中更新，440。在一些实施例中，PCM/PCMS还可用作闪速存储器/HDD的盘高速缓存和/或写缓冲器。
图5是对于恢复非易失性存储器装置的技术的一个实施例的流程图。图5的技术可例如在图2中使用。图3的技术可例如由存储控制器执行。
接收信号，其指示应恢复对于闪速存储器/HDD的数据，510。该信号可从例如处理器、BIOS或主机系统的某其他部件接收。
相关上下文信息从PCM/PCMS检索，520。因为PCM/PCMS是非易失性的，对上下文信息的更新甚至在功率损失的情况下被维持。从而，不需要如对于将上下文信息存储在易失性存储器中所需要的重建或复原过程来恢复闪速存储器/HDD。从而，PCM/PCMS的使用导致更高效的恢复过程。恢复闪速存储器/HDD数据，530
在说明书中对 “一个实施例”或“实施例”的引用意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。短语“在一个实施例中”在说明书中各种地方的出现可并不一定全指相同的实施例。
尽管本发明已经从若干实施例方面描述，本领域内技术人员将认识到本发明不限于描述的实施例，而可以在附上的权利要求的精神和范围内在修改和更改的情况下实践。描述从而要视为说明性而非限制性的。

Claims (37)

1.一种设备，其包括：
存储控制器，其具有用于从主机系统接收命令的接口；
第一非易失性固态存储器装置，其与所述存储控制器耦合，所述存储器装置至少存储从所述主机系统接收的数据；
第二非易失性固态存储器，其与所述存储控制器耦合，所述第二非易失性固态存储器存储对应于存储在所述第一非易失性固态存储器装置中的数据的信息。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述信息包括上下文信息。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述第二非易失性固态存储器维持用于控制所述第一非易失性固态存储器的固件图像。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述第二非易失性固态存储器包括相变存储器(PCM)。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述第二非易失性固态存储器包括堆叠PCM(PCMS)存储器。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述存储器装置包括电可编程存储器装置。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述电可编程存储器装置包括闪速存储器装置。
8.如权利要求7所述的设备，其中所述闪速存储器装置包括NAND闪速存储器装置。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述第二非易失性固态存储器进一步作为对于要存储在所述第一非易失性固态存储器装置中的数据的写缓冲器而操作。
10.如权利要求1所述的设备，其中所述第二非易失性固态存储器操作以起到对应于存储在所述第一非易失性固态存储器装置中的数据的高速缓存存储器的作用。
11.如权利要求1所述的设备，其中所述第一存储器装置包括硬盘驱动器。
12.如权利要求11所述的设备，其中所述第二非易失性固态存储器进一步作为对于所述硬盘驱动器的盘高速缓存而操作。
13.如权利要求1所述的设备，其中所述存储控制器是固态装置的一部分。
14.如权利要求1所述的设备，其中所述存储控制器是所述主机系统的一部分。
15.如权利要求1所述的设备，其中所述存储控制器功能性的至少一部分由所述主机系统执行的指令提供。
16.如权利要求1所述的设备，其中所述存储控制器、所述第一非易失性固态存储器和所述第二非易失性固态存储器包括单独的装置。
17.一种平板计算装置，其包括：
触摸屏界面；
处理器，其耦合成用于控制所述触摸屏界面；
存储器控制器，其具有耦合成用于从所述处理器接收命令的接口；
存储器装置，其与所述存储器控制器耦合，所述存储器装置至少存储从所述主机系统接收的数据；
相变存储器，其与所述存储器控制器耦合，所述相变存储器存储对应于存储在所述存储器装置中的数据的信息。
18.如权利要求17所述的平板，其中所述信息包括上下文信息。
19.如权利要求17所述的平板，其中所述第二非易失性固态存储器维持用于控制所述第一非易失性固态存储器的固件图像。
20.如权利要求17所述的平板，其中所述第二非易失性固态存储器包括相变存储器(PCM)。
21.如权利要求17所述的平板，其中所述第二非易失性固态存储器包括堆叠PCM(PCMS)存储器。
22.如权利要求17所述的平板，其中所述存储器装置包括电可编程存储器装置。
23.如权利要求22所述的平板，其中所述电可编程存储器装置包括闪速存储器装置。
24.如权利要求23所述的平板，其中所述闪速存储器装置包括NAND闪速存储器装置。
24.如权利要求23所述的平板，其中所述第二非易失性固态存储器进一步作为对于要存储在所述第一非易失性固态存储器装置中的数据的写缓冲器而操作。
25.如权利要求23所述的平板，其中所述第二非易失性固态存储器操作以起到对应于存储在所述第一非易失性固态存储器装置中的数据的高速缓存存储器的作用。
26.如权利要求23所述的平板，其中所述第一非易失性固态存储器装置包括硬盘驱动器。
27.如权利要求26所述的平板，其中所述第二非易失性固态存储器进一步作为对于所述硬盘驱动器的盘高速缓存而操作。
28.如权利要求17所述的平板，其中所述存储控制器是固态装置的一部分。
29.如权利要求17所述的平板，其中所述存储控制器是所述主机系统的一部分。
30.如权利要求17所述的平板，其中所述存储控制器功能性的至少一部分由所述主机系统执行的指令提供。
31.如权利要求17所述的平板，其中所述存储控制器、所述第一非易失性固态存储器和所述第二非易失性固态存储器包括单独的装置。
32.一种系统，其包括：
全向天线；
处理器，其耦合成用于控制通过所述全向天线的通信；
存储器控制器，其具有耦合成用于从所述处理器接收命令的接口；
存储器装置，其与所述存储器控制器耦合，所述存储器装置至少存储从所述主机系统接收的数据；
相变存储器，其与所述存储器控制器耦合，所述相变存储器存储对应于存储在所述存储器装置中的数据的信息。
33.如权利要求32所述的系统，其中所述存储器装置包括电可编程存储器装置。
34.如权利要求32所述的系统，其中所述电可编程存储器装置包括闪速存储器装置。
35.如权利要求32所述的系统，其中所述闪速存储器装置包括NAND闪速存储器装置。
36.如权利要求32所述的系统，其中所述相变存储器进一步作为对于要存储在所述存储器装置中的数据的写缓冲器而操作。
37.如权利要求32所述的系统，其中所述相变存储器进一步操作以起到对应于存储在所述存储器装置中的数据的高速缓存存储器的作用。
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