CN104268095A - 一种存储器及基于该存储器进行数据读/写操作的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及存储技术领域，尤其涉及一种存储器及基于该存储器进行数据读/写操作的方法。本发明通过在NAND固态硬盘主微控制器芯片上添加非易失性静态随机访问存储器来存储NAND固态硬盘的FTL数据，从而加快了片上微控制器读取FTL数据的速度，避免了由于FTL中地址映射表的频繁更新而导致NAND存储块擦写寿命降低的问题，提高了NAND固态硬盘的性能。

Description

一种存储器及基于该存储器进行数据读/写操作的方法

技术领域

本发明涉及存储技术领域，尤其涉及一种存储器及基于该存储器进行数据读/写操作的方法。

背景技术

闪存是近年来发展十分迅速的一种新型存储介质，由于具有非易失性、高速、高抗震性、低功耗、小巧轻便等优良特性，闪存被广泛应用于嵌入式系统和便携式设备。由于早期闪存容量较小，因此闪存的应用原来大都局限在手机、数码相机、便携式媒体播放器等领域，但随着闪存容量的快速提高以及价格的不断降低，闪存逐渐开始应用于传统磁盘的应用领域。

东芝公司在1989年发表了NAND Flash架构，NAND型闪存发展的一个目标是为了减少所需的芯片面积来实现给定的闪存容量，从而降低每比特的成本，并推升芯片最大容量，如此就可与磁性存储设备相互竞争，如硬盘。而NAND闪存的I/O特性与磁盘有很大的不同，首先，闪存除了读写外，还有额外的擦除操作，并且读写均以页(Page，典型页大小为2KB或4KB)为单位，而擦除必须以一个物理块(Block，典型大小为64个页)为单位。因此闪存上的擦除操作远慢于读写操作，所需时间在毫秒级别。此外，闪存不能原位重写的特性使得目前基于闪存的固态硬盘均采取换位更新的数据更新机制。为了向上层屏蔽闪存的物理特性，将闪存抽象成类似磁盘的块设备，需要特定的闪存存储管理模块。一种重要且应用广泛的方法就是利用闪存转换层(FTL)来存储管理NAND闪存设备，如图1-a所示。闪存转换层可以以固件的方式直接固化在NAND固态硬盘控制芯片中，目前市面上的固态硬盘(Solid State Disk，简称SSD)设备中大都集成了各厂商自己的FTL算法，不可更改。从功能上讲，闪存转换层需要实现逻辑地址到物理地址的映射，空间分配，垃圾回收和磨损均衡等。闪存转换层在硬件上是通过片上微控制器来实现的，如图1-b所示，片上微控制器将文件系统传输的逻辑地址转换为闪存特定的物理地址。为了防止掉电，从逻辑地址到物理地址的地址映射表(Mapping Table)需要存储到非易失性介质中，最简单的方法就是存储在闪存的存储块中，但是映射块本身更新十分频繁，这种更新过程就会导致闪存的存储块不断被擦写，造成闪存存储寿命的降低，这是本领域技术人员所不愿看到的。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明公开一种存储器及基于该存储器进行数据读/写操作的方法。

一种存储器，其中，包括：固态硬盘主微控制器和NAND芯片；

所述固态硬盘主微控制器包括片上微控制器和与该片上微控制器通信连接的非易失性静态随机访问存储器，且所述非易失性静态随机访问存储器中存储有闪存转换层数据；

其中，所述存储器上电后所述片上微控制器调取所述闪存转换层数据，以重建所述存储器上逻辑地址到物理地址的映射。

上述的存储器，其中，所述固态硬盘主微控制器还包括缓存器，所述缓存器至少包括：一所述片上微控制器的易失性程序与数据存储区；以及一固态硬盘的高速读写数据缓存区。

上述的存储器，其中，所述闪存转换层数据包括固件数据和/或地址映射表信息，且所述固件数据包括固件程序和算法。

上述的存储器，其中，当所述NAND芯片中存储有所述地址映射表信息时，所述闪存转换层数据包括所述固件数据；

所述存储器上电后，所述片上微控制器执行所述固件数据，并从所述NAND芯片中调取所述地址映射表信息，以重建所述存储器上逻辑地址到物理地址的映射。

上述的存储器，其中，当所述NAND芯片中存储有所述固件数据时，所述闪存转换层数据包括所述地址映射表信息；

所述存储器上电后，所述片上微控制器将所述固件数据导入所述缓冲器中后执行所述固件数据，并从所述非易失性静态随机访问存储器中直接调取所述地址映射表信息，以重建所述存储器上逻辑地址到物理地址的映射。

上述的存储器，其中，所述闪存转换层数据包括固件数据和地址映射表信息；

所述存储器上电后，所述片上微控制器执行所述固件数据，并从所述非易失性静态随机访问存储器中直接调取所述地址映射表信息，以重建所述存储器上逻辑地址到物理地址的映射。

上述的存储器，其中，所述算法包括地址映射算法、垃圾回收算法以及均衡损耗算法。

上述的存储器，其中，所述非易失性静态随机访问存储器包括静态随机存储单元和非易失性的数据存储单元。

上述的存储器，其中，所述固态硬盘主微控制器还包括主接口、闪存接口和ECC模块；

所述片上微控制器通过所述主接口与一文件系统通信连接；

所述ECC模块通过所述闪存接口与所述NAND芯片连接。

一种基于上述的存储器进行数据读/写操作的方法，其中，所述方法包括：

提供一设置有固态硬盘主微控制器和NAND芯片的存储器，且所述固态硬盘主微控制器包括片上微控制器和与该片上微控制器通信连接的非易失性静态随机访问存储器，所述非易失性静态随机访问存储器中存储有闪存转换层数据；

所述存储器上电后，所述片上微控制器调取所述闪存转换层数据，以重建所述存储器上逻辑地址到物理地址的映射；

一操作系统通过与所述存储器匹配的文件系统，利用所述映射以对存储在所述NAND芯片中存储的数据进行读/写操作。

上述发明具有如下优点或者有益效果：

本发明公开的一种一种存储器及基于该存储器进行数据读/写操作的方法，通过在NAND固态硬盘主微控制器芯片上添加非易失性静态随机访问存储器(Static Random-Access Memory,SRAM)来存储NAND固态硬盘的闪存转换层(Flash Translation Layer，简称FTL)数据，从而加快了片上微控制器读取FTL数据的速度，避免了由于FTL中地址映射表的频繁更新而导致NAND存储块擦写寿命降低的问题，提高了NAND固态硬盘的性能。

具体附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1是闪存转换层的位置示意图；

图2是传统存储器的结构示意图；

图3是传统固态硬盘工作过程示意图；

图4是本发明实施例中存储器的结构示意图；

图5是本发明实施例中固态硬盘的工作过程示意图一；

图6是本发明实施例中固态硬盘的工作过程示意图二；

图7是本发明实施例中固态硬盘的工作过程示意图三；

图8是本发明实施例中存储器进行数据读/写操作的方法流程图；

图9是本发明实施例中基于相变存储单元的NVSRAM单元结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。

闪存转换层(FTL)数据包括固态硬盘固件程序、算法以及逻辑地址到物理地址的映射表等，这些数据都存储在NAND固态硬盘中的各个NAND芯片中，以确保在掉电之后数据不丢失，如图2所示。NAND固态硬盘启动过程如图3所示：首先片上微控制器从NAND芯片中将固件程序以及算法导入片上微控制器中的缓冲器，再执行程序和算法；然后片上微控制器从各个NAND芯片中提取地址映射表信息，以重建逻辑地址到物理地址的映射；重建完毕后，NAND固态硬盘启动完成，开始接收上一级系统的命令，对NAND芯片进行读或写操作。

基于上述内容，本发明提出了一种存储器，相比传统的存储器，在固态硬盘主微控制器中增加了一个非易失性静态随机访问存储器，用以存储闪存转换层数据，从而提高NAND固态硬盘的性能。

如图4所示，该存储器包括：固态硬盘主微控制器和NAND芯片，该固态硬盘主微控制器包括片上微控制器和与该片上微控制器通信连接的非易失性静态随机访问存储器，且非易失性静态随机访问存储器中存储有闪存转换层数据；其中，存储器上电后片上微控制器调取闪存转换层数据，以重建存储器上逻辑地址到物理地址的映射。在本发明的实施例中该闪存转换层可以通过固化的方式设置在NAND固态硬盘主微控制芯片上。进一步的，固态硬盘主微控制器还包括缓存器，该缓存器至少包括：一片上微控制器的易失性程序与数据存储区；以及一固态硬盘的高速读写数据缓存区；在本发明的实施例中，该固态硬盘主微控制器还包括主接口、闪存接口和ECC模块，片上微控制器通过主接口与文件系统(例如FAT32)通信连接；ECC模块还通过闪存接口与NAND芯片连接。

优选的，闪存转换层数据包括固件数据和/或地址映射表信息。且固件数据包括固件程序(固态硬盘固件程序)和算法；进一步的，该算法包括地址映射算法、垃圾回收算法以及均衡损耗算法。

在本发明的实施例中，当NAND芯片中存储有地址映射表信息时，闪存转换层数据包括固件数据；在存储器上电后，片上微控制器执行固件数据，并从所述NAND芯片中调取地址映射表信息，以重建存储器上逻辑地址到物理地址的映射。当NAND芯片中存储有固件数据时，闪存转换层数据包括地址映射表信息；在存储器上电后，片上微控制器将固件数据导入缓冲器中后执行固件数据，并从非易失性静态随机访问存储器中直接调取地址映射表信息，以重建存储器上逻辑地址到物理地址的映射。闪存转换层数据包括固件数据和地址映射表信息；则存储器上电后，片上微控制器将直接执行固件数据，并从非易失性静态随机访问存储器中直接调取地址映射表信息，以重建存储器上逻辑地址到物理地址的映射。即非易失性静态随机访问存储器可以只用来存储NAND固态硬盘的固件程序和算法等数据；也可以只用来存储NAND芯片中逻辑地址到物理地址的映射表信息；也可以同时存储固件程序和算法以及地址映射表信息等所有闪存转换层数据。

在本发明的实施例中，上述非易失性静态随机访问存储器可以为一种双体结构的非易失性静态随机访问存储器(NVSRAM)，这种非易失性静态随机访问存储器内部包含两个存储体，一种是供用户读写的常规快速的静态随机存储单元，另一种是非易失性的数据存储单元。其特点是：读写操作简单，与常规的SRAM一样，速度快，并且能够保证掉电之后数据不丢失，优选的，该非易失性的数据存储单元可为相变存储单元。

具体的，在本发明的实施例中，该存储器为NAND固态硬盘，非易失性静态随机访问存储器若用来存储NAND固态硬盘的固件程序和算法，这些数据的特征是无需经常更新，那么可提高固态硬盘的性能，主要表现在以下方面：

1、固态硬盘的上电启动速度大大增加。传统的固态硬盘在上电启动后需要从NAND芯片中将固件程序和算法导入至片上缓冲器中再执行，而本发明固态硬盘上电后可直接从非易失性静态随机访问存储器中读取并执行相应的固件程序和算法，流程如图5所示，启动速度大大增加。

2、避免由均衡损耗算法造成的不必要的擦写次数，提高NAND芯片的寿命。传统固态硬盘的固件程序和算法存储在NAND芯片中，这些数据无需经常更新，这样会导致这些数据所在的存储块的擦写次数远远低于其他存储块，在均衡损耗算法下，固件程序和算法所在存储块需要转移到其他擦写次数较高的存储块中，造成了不必要的擦写。而本发明将这些固件程序和算法存储在NVSRAM中，避免了上述数据转移过程，提高了固态硬盘的性能。

具体的，在本发明的实施例中，该存储器为NAND固态硬盘，非易失性静态随机访问存储器若用来存储NAND固态硬盘的地址映射表信息，这些数据的特征是更新比较频繁，那么可提高固态硬盘的性能，其主要表现在以下方面：

1、片上微控制器对地址映射表的读取和更新速度大大提高。传统的NAND固态硬盘中的地址映射表存储在NAND存储芯片之中，而本发明将其存储在NVSRAM之中，读写速度大大提高，加快了地址映射速度，从而也提高了系统从NAND固态硬盘中读取数据的速度，NAND固态硬盘的性能得到提升。

2、避免由于地址映射表频繁更新而造成NAND芯片中的存储块被过度擦写，提高NAND芯片的寿命。传统NAND固态硬盘的地址映射表存储在NAND芯片中，由于地址映射表的频繁更新和NAND存储块无法就地更新(refresh in place)的特性，因此地址映射表所在的NAND存储块会频繁更新到其他存储块，造成不必要的擦写，降低了NAND存储块的寿命，特别是针对MLC NAND固态硬盘和3D堆叠的NAND固态硬盘，其本身可擦写次数远远低于SLC NAND固态硬盘，由地址映射表更新而造成寿命减少将更加明显。本发明将地址映射表存储在非易失性的SRAM中，因而可以提高NAND芯片的使用寿命。

3、地址映射表重建速度大大加快。传统的NAND固态硬盘上电启动或者在掉电后重启时，需要从各个物理块中提取映射表信息至缓冲器中以重建映射表，而本发明中的地址映射表保存在非易失性静态随机访问存储器之中，如图6所示，重建地址映射表信息相比从各个NAND芯片中读取数据要快得多，并且无需将数据拷贝到缓冲器中，节省了功耗。

具体的，在本发明的实施例中，该存储器为NAND固态硬盘，非易失性静态随机访问存储器若同时用来存储NAND固态硬盘的地址映射表信息以及固态硬盘固件程序和算法等数据，工作流程如图7所示，可见本发明NAND固态硬盘启动速度更快，地址映射表重建也更快。

如图8所示，本发明还公开了一种基于上述的存储器进行数据读/写操作的方法，该方法包括如下步骤：

提供一设置有固态硬盘主微控制器和NAND芯片，且固态硬盘主微控制器包括片上微控制器和与该片上微控制器通信连接的非易失性静态随机访问存储器，非易失性静态随机访问存储器中存储有闪存转换层数据；

存储器上电后，片上微控制器调取闪存转换层数据，以重建存储器上逻辑地址到物理地址的映射；

一操作系统通过与存储器匹配的文件系统，利用上述映射以对存储在NAND芯片中存储的数据进行读/写操作。

由于该方法为基于上述的存储器进行数据读/写操作的方法，因此相关细节均可参照上述存储器的实施例，为减少重复，在此便不予赘述。

此外，本发明的方法与传统NAND固态硬盘对比如表1所示。可见本发明这种新型的方法能够有效提高NAND固态硬盘的性能，特别是对MLC NAND固态硬盘、TLC NAND固态硬盘和3D堆叠NAND固态硬盘来说，能够显著提高其擦写寿命。

表1

随着存储数据的增加，本发明新型的闪存转换层存储方法对非易失性静态随机访问存储器的容量需求也随之增加，比如如果本发明NVSRAM只存储固态硬盘固件程序和算法等数据或者本发明NVSRAM只存储NAND芯片的地址映射表，对NVSRAM容量需求较小，若同时存储上述数据，对NVSRAM容量需求也较大，成本也较高。

下面举一具体实施例做进一步阐述。

相变存储器以相变材料(GST)为基本存储机制，当对GST写入电流加热使其温度高于熔点温度并淬火，那么GST处于非晶态而呈高阻态；当对GST加热温度高于结晶温度而低于熔点温度并缓慢冷却，那么GST会呈结晶态而形成低阻态。由相变材料构成的非易失性静态随机存储器存储单元的结构可如图9所示，其主要有两个部分，第一部分为SRAM存储单元1，另外一部分为相变存储单元2，还包括字线3和位线4，用以对相变电阻器5进行寻址。其中，SRAM存储单元1可为传统的6管SRAM单元，字线3和位线4控制对SRAM存储单元的读写操作；相变存储单元2可为2T2R结构，相变选择字线7控制选择相变电阻器5，而根据SRAM反相器对6两端的电压差会对相变电阻器5产生不同的写入电流，使之一个为晶态，另一个为非晶态。由于两个相变电阻5阻值的差异，在SRAM单元上电后通过两个反相器的自锁从而可以读出存储在相变电阻中的信息。控制端以及BIT控制、BITB控制会控制对相变材料的写电流，从而可以存储“0”或“1”。这种基于相变材料的NVSRAM使存储器既能够像SRAM那样快速的读写，又能够将SRAM中的值保存到非易失性的相变单元中。假设所有的FTL数据都存储在基于相变存储单元的NVSRAM中，包括固态硬盘固件程序和算法以及NAND地址映射表数据，基于本发明这种闪存转换层存储方法的NAND固态硬盘的存储原理如下：

当本发明这种NAND固态硬盘上电启动后，固件程序和算法从相变存储单元读入SRAM存储单元，存储控制器开始运行该固件程序及算法。

当本发明这种NAND固态硬盘上电启动后，地址映射表数据从相变存储单元读入SRAM存储单元，存储控制器读取该地址映射表，建立由逻辑地址到物理地址的映射。

当本发明NAND固态硬盘下电前，将更新过的地址映射表信息存储到非易失性的相变存储单元中，以确保数据不丢失。

本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现变化例，在此不做赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。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做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种存储器，其特征在于，包括：固态硬盘主微控制器和NAND芯片；

所述固态硬盘主微控制器包括片上微控制器和与该片上微控制器通信连接的非易失性静态随机访问存储器，且所述非易失性静态随机访问存储器中存储有闪存转换层数据；

其中，所述存储器上电后所述片上微控制器调取所述闪存转换层数据，以重建所述存储器上逻辑地址到物理地址的映射。

2.如权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述固态硬盘主微控制器还包括缓存器，所述缓存器至少包括：一所述片上微控制器的易失性程序与数据存储区；以及一固态硬盘的高速读写数据缓存区。

3.如权利要求2所述的存储器，其特征在于，所述闪存转换层数据包括固件数据和/或地址映射表信息，且所述固件数据包括固件程序和算法。

4.如权利要求3所述的存储器，其特征在于，当所述NAND芯片中存储有所述地址映射表信息时，所述闪存转换层数据包括所述固件数据；

所述存储器上电后，所述片上微控制器执行所述固件数据，并从所述NAND芯片中调取所述地址映射表信息，以重建所述存储器上逻辑地址到物理地址的映射。

5.如权利要求3所述的存储器，其特征在于，当所述NAND芯片中存储有所述固件数据时，所述闪存转换层数据包括所述地址映射表信息；

所述存储器上电后，所述片上微控制器将所述固件数据导入所述缓冲器中后执行所述固件数据，并从所述非易失性静态随机访问存储器中直接调取所述地址映射表信息，以重建所述存储器上逻辑地址到物理地址的映射。

6.如权利要求3所述的存储器，其特征在于，所述闪存转换层数据包括固件数据和地址映射表信息；

所述存储器上电后，所述片上微控制器执行所述固件数据，并从所述非易失性静态随机访问存储器中直接调取所述地址映射表信息，以重建所述存储器上逻辑地址到物理地址的映射。

7.如权利要求3所述的存储器，其特征在于，所述算法包括地址映射算法、垃圾回收算法以及均衡损耗算法。

8.如权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述非易失性静态随机访问存储器包括静态随机存储单元和非易失性的数据存储单元。

9.如权利要求2所述的存储器，其特征在于，所述固态硬盘主微控制器还包括主接口、闪存接口和ECC模块；

所述片上微控制器通过所述主接口与一文件系统通信连接；

所述ECC模块通过所述闪存接口与所述NAND芯片连接。

10.一种基于如权利要求1-9任一项所述的存储器进行数据读/写操作的方法，其特征在于，所述方法包括：

提供一设置有固态硬盘主微控制器和NAND芯片的存储器，且所述固态硬盘主微控制器包括片上微控制器和与该片上微控制器通信连接的非易失性静态随机访问存储器，所述非易失性静态随机访问存储器中存储有闪存转换层数据；

所述存储器上电后，所述片上微控制器调取所述闪存转换层数据，以重建所述存储器上逻辑地址到物理地址的映射；

一操作系统通过与所述存储器匹配的文件系统，利用所述映射以对存储在所述NAND芯片中存储的数据进行读/写操作。