CN104317527A - 一种基于块状态表的磨损均衡方法及装置 - Google Patents

一种基于块状态表的磨损均衡方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于块状态表的磨损均衡方法及装置，构造了一个结构化的块状态表，其每一行与存储器的物理块一一对应，每一行包括以二进制标识的1位冷块标志位、1位热块标志位和预定义位数的擦除计数位，通过改变不同的标志位，实现了存储器的各物理块磨损均衡的同时，由于使用了结构化的块状态表表示物理块擦除次数，其占用的内存大小为固定值，因此，将该块状表存储于内存时，可避免内存不必要的浪费。

Description

一种基于块状态表的磨损均衡方法及装置
技术领域
本发明涉及存储技术领域，特别涉及一种基于块状态表的磨损均衡方法及装置。
背景技术
目前，在计算机、通讯和消费电子产品中非易失性存储器得到了广泛的应用；例如，U盘、MP3、数码相机、移动通信终端、固态硬盘等产品中都使用非易失性存储器作为存储介质。随着这些产品对存储容量的要求不断提高，非易失性存储器的工艺尺寸不断缩小，导致非易失性存储器的可靠性面临着越来越严峻的挑战，尤其是非易失性存储器擦除操作的最小单位物理块的擦除次数有限，这对非易失性存储器的使用寿命会造成严重影响。对于物理块擦除次数有限的问题，现有技术的做法是对物理块进行磨损均衡，通过对物理块的擦除进行控制，尽量平均存储器中所有物理块的擦除次数，避免某些物理块擦除次数过高，比其它物理块提前到达擦除次数上限而失效，造成存储器在尚有很多物理块未达寿命的情况下整体失效。
磨损均衡包括动态磨损均衡步骤和静态磨损均衡步骤。动态磨损均衡步骤是指针对数据写入过程中通过控制写入的物理块，动态均衡所有物理块擦除次数的动态磨损均衡；静态磨损均衡是指通过调整物理块上存储的冷、热数据(经常被擦写的数据为热数据，不经常被擦写数据为冷数据)的分布，静态地均衡所有物理块擦除次数。现有的磨损均衡方法中，均是在存储器上电后，在内存中提供固定的内存空间，用于对存储器中的所有物理块的擦除次数相关数据进行存储，以便于磨损均衡流程时的使用。在此过程中，由于擦除相关数据的大小和形式并不确定，因此，存储器只能通过估计设定一个足以满足存储擦除次数数据的内存空间，而在实际使用时，指定的内存空间并没有被完全使用，在无形之中浪费了内存资源。对于诸如个人移动终端、EMMC(Embedded Multi Media Card，嵌入式多媒体卡)等设备，其内存资源相对紧张，利用现有技术中的磨损均衡方法时，由于擦除次数相关数据的非结构性，使得内存的开销增加，影响设备的正常运行。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于块状态表的磨损均衡方法及装置，在实现存储器的各物理块磨损均衡的同时，避免内存不必要的浪费。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于块状态表的磨损均衡方法，所述块状态表的每一行与存储器的物理块一一对应；所述块状态表中的每一行包括以二进制标识的1位冷块标志位、1位热块标志位和预定义位数的擦除计数位；
所述方法包括：
物理块擦除步骤：
当一个物理块被擦除时，查询所述块状态表中该物理块对应的冷块标志位，若该物理块对应的冷块标志位为0，则置为1；若该物理块对应的冷块标志位为1，则该物理块对应的擦除计数位加1；若该物理块对应的擦除计数位溢出，则该物理块对应的热块标志位置为1；
动态磨损均衡步骤：
每次数据写入存储器时，通过查询所述块状态表中热块标志位，选择对应热块标志位为0、且其物理页可用的物理块写入数据；
静态磨损均衡步骤：
当所述块状态表中热块标志位为1的物理块数量超过预设的静态磨损均衡值时，将冷块标志位为0的物理块中的数据移动至具有可用物理页且擦除次数最高的物理块中，并将冷块标志位为0的物理块的冷块标志位置为1。
进一步，所述的方法还包括初始化步骤：
生成所述块状态表，并将所述块状态表存储于内存；
将所述块状态表中对应各物理块的冷块标志位、热块标志位和擦除计数位复位为0。
进一步，所述的方法还包括块状态表的重构步骤：
当所述块状态表中各物理块对应的冷块标志位均为1时，将所述块状态表中各物理块对应的擦除计数位减1，对于擦除计数位为0的物理块，擦除计数位保持不变，并将所述块状态表中擦除计数位为0的物理块对应的冷块标志位置为0；
将所述块状态表中各物理块对应的热块标志位置为0。
进一步，所述动态磨损均衡步骤中，每次数据写入存储器时，查询当前活动物理块是否存在可用的物理页，若存在，则直接将数据写入活动物理块，其中，所述活动物理块为前次写入数据时，写入数据的物理块；若不存在，则由当前活动物理块开始，按照物理块序号依次查询各物理块是否存在可用的物理页，且对应热块标志位为0的物理块写入数据，并将该物理块设置为活动物理块。
本发明还提供了一种基于块状态表的磨损均衡装置，包括：
块状态表生成模块，用于生成所述块状态表，所述块状态表的每一行与存储器的物理块一一对应；所述块状态表中的每一行包括以二进制标识的1位冷块标志位、1位热块标志位和预定义位数的擦除计数位；
物理块擦除模块，用于当一个物理块被擦除时，查询所述块状态表中该物理块对应的冷块标志位，若该物理块对应的冷块标志位为0，则置为1；若该物理块对应的冷块标志位为1，则该物理块对应的擦除计数位加1；若该物理块对应的擦除计数位溢出，则该物理块对应的热块标志位置为1；
动态磨损均衡模块，用于每次数据写入存储器时，通过查询所述块状态表中热块标志位，选择对应热块标志位为0且其物理页可用的物理块写入数据；
静态磨损均衡模块，用于当所述块状态表中热块标志位为1的物理块数量超过预设的静态磨损均衡值时，将冷块标志位为0的物理块中的数据移动至具有可用物理页且擦除次数最高的物理块中，并将冷块标志位为0的物理块的冷块标志位置为1。
进一步，所述块状态表生成模块包括初始化单元，用于将所述块状态表存储于内存，以及用于将所述块状态表中对应各物理块的冷块标志位、热块标志位和擦除计数位复位为0。
进一步，所述装置还包括块状态表的重构模块，用于当所述块状态表中各物理块对应的冷块标志位均为1时，将所述块状态表中各物理块对应的擦除计数位减1，对于擦除计数位为0的物理块，擦除计数位保持不变，并将所述块状态表中擦除计数位为0的物理块对应的冷块标志位置为0，以及用于将所述块状态表中各物理块对应的热块标志位置为0。
进一步，所述动态磨损均衡模块进一步用于每次数据写入存储器时，查询当前活动物理块是否存在可用的物理页，若存在，则直接将数据写入活动物理块，其中，所述活动物理块为前次写入数据时，写入数据的物理块；若不存在，则由当前活动物理块开始，按照物理块序号依次查询各物理块是否存在可用的物理页，且对应热块标志位为0的物理块写入数据，并将该物理块设置为活动物理块。
采用本发明提供的基于块状态表的磨损均衡方法及装置，构造了一个结构化的块状态表，其每一行与存储器的物理块一一对应，每一行包括以二进制标识的1位冷块标志位、1位热块标志位和预定义位数的擦除计数位，通过改变不同的标志位，实现了存储器的各物理块磨损均衡的同时，由于使用了结构化的块状态表表示物理块擦除次数，其占用的内存大小为固定值，因此，将该块状表存储于内存时，可避免内存不必要的浪费。
附图说明
图1为本申请中块状态表示意图；
图2为本发明基于块状态表的磨损均衡方法中物理块擦除示意图；
图3为本发明基于块状态表的磨损均衡方法中动态磨损均衡步骤示意图；
图4为本发明基于块状态表的磨损均衡方法中静态磨损均衡步骤示意图；
图5为本发明基于块状态表的磨损均衡方法中块状态表的重构步骤示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。
本发明提供了一种基于块状态表的磨损均衡方法，其中，块状态表的示例如图1所示：
在块状态表中，块状态表的每一行与存储器的物理块一一对应，例如块状态表第二行与序号PBA为1的物理块对应；
每一行包括以二进制标识的1位冷块标志位CBL、1位热块标志位HBL和预定义位数的擦除计数位ECC(图1中ECC的位数为4位)；其中，冷块标志位为0时，表示在一定时间内，其对应物理块始终都没有被擦除过，冷块标志位为1时，表示在一定时间内，其对应物理块被擦除过；擦除计数位ECC根据定义的位数N，通过二进制的规则，可以对擦除次数进行计数，共可计数2N次，如图1所示，擦除计数位ECC的位数为4，其共可计数16次擦除；热块标志位HBL为0表示该物理块没有被频繁磨损，相反的，当热块标志位HBL为1时，认为该物理块被频繁磨损。
在执行本发明的磨损均衡方法时，生成上述块状态表，将状态表存储于内存，并将块状态表中对应各物理块的冷块标志位、热块标志位和擦除计数位复位为0。
当对物理块进行擦除时，查询块状态表中该物理块对应的冷块标志位，若该物理块对应的冷块标志位为0，则置为1；若该物理块对应的冷块标志位为1，则该物理块对应的擦除计数位加1；若该物理块对应的擦除计数位溢出，则该物理块对应的热块标志位置为1；如图2所示的块状态表，若对序号PBA为1的物理块进行擦除，由于其对应的冷块标志位CBL为0，因此，需要将其对应的冷块标志位CBL由0置为1；若对序号PBA为0的物理块进行擦除时，由于其对应的冷块标志位已为1，因此，需要将擦除计数位ECC由0101根据二进制加1，变为0110；若对序号PBA为2的物理块进行擦除时，由于其对应的冷块标志位CBL为1，因此不变，其擦除计数位ECC为1111，再加1为10000，其已超出初始化时设置的擦除计数位ECC的位数，为溢出，因此，将其热块标志位HBL由0置为1。
本发明的磨损均衡方法包括动态磨损均衡步骤：
每次数据写入存储器时，通过查询块状态表中热块标志位，选择对应热块标志位为0、且其物理页可用的物理块写入数据。
具体的，如图3所示，每次数据写入存储器时，首先查询当前活动物理块是否存在可用的物理页，若存在，则直接将数据写入活动物理块，其中，活动物理块为前次写入数据时，写入数据的物理块。
若不存在，则由当前活动物理块开始，按照物理块序号依次查询各物理块是否存在可用的物理页，且对应热块标志位为0的物理块写入数据，并将该物理块设置为活动物理块。
上述动态磨损均衡步骤中，热块标志位HBL等于1的物理块说明在一段时间内磨损过于严重，通过加入热块标志位HBL的判断，实现了对一定时期内磨损过度的物理块的保护。
本发明的磨损均衡方法包括静态磨损均衡步骤：
随着物理块不断被擦除，会有一部分物理块的热块标志位为1，即存储于该物理块中的数据被频繁擦除，其存储的数据属于热数据，而另一部分物理块中存储的数据未被频繁擦除，其存储的数据属于冷数据，为了使存储有热数据的物理块减少擦除次数，并使存储有冷数据的物理块增加擦除次数，平衡各个物理块被擦除次数，就需要将冷数据存储于擦除次数多的物理块中。
静态磨损均衡步骤包括：当块状态表中热块标志位为1的数量超过预设的静态磨损均衡值时，将冷块标志位为0的物理块中的数据移动至具有可用物理页且擦除次数最高的物理块中，并将冷块标志位为0的物理块的冷块标志位置为1。
其中，预先设定一个静态磨损均衡值，该数值表示块状态表中热块标志位为1的数量，当实际的热块标志位为1的物理块数量超过预设的静态磨损均衡值时，触发静态磨损均衡流程。
静态磨损均衡的典型示例如图4所示，序号PBA为1的物理块，其存储的数据为冷数据，其在一定时间内没有进行过擦除，而序号PBA为N的物理块，其存储的数据为热数据，其在一定时间内擦除次数频繁，且其热块标志位为1，若序号PBA为N的物理块具有可用的物理页时，将序号PBA为1的物理块中的数据移动至序号PBA为N的物理块中，并将序号PBA为1的物理块的冷块标志位CBL置为1。
本发明的磨损均衡方法包括块状态表重构步骤：
随着物理块不断被擦除以及静态磨损均衡步骤的执行，块状态表中各物理块对应的冷块标志位CBL会出现全部被置为1的情况，表明存储器中的物理块均进行过至少一次擦除，针对此情况作如下处理：
当块状态表中各物理块对应的冷块标志位CBL均为1时，将块状态表中各物理块对应的擦除计数位ECC减1，但对于擦除计数位为0的物理块，擦除计数位保持不变，并将块状态表中擦除计数位ECC为0的物理块对应的冷块标志位CBL置为0；
将块状态表中各物理块对应的热块标志位HBL置为0；
如图5所示的一种示例，左侧块状态表中所有物理块对应的冷块标志位CBL均置为1，表示所有物理块均进行了至少一次擦除，此时执行静态磨损均衡步骤，将所有的擦除计数位ECC中的二进制数值减1，序号PBA为0的物理块对应的擦除计数位ECC中的数值原为0101，减1后为0100；序号PBA为2的物理块对应的擦除计数位ECC中的数值原为0000，其冷块标志位CBL为1，因此，将其冷块标志位CBL置为0。
采用本发明提供的基于块状态表的磨损均衡方法，构造了一个结构化的块状态表，其每一行与存储器的物理块一一对应，每一行包括以二进制标识的1位冷块标志位、1位热块标志位和预定义位数的擦除计数位，通过改变不同的标志位，实现了存储器的各物理块磨损均衡的同时，由于使用了结构化的块状态表表示物理块擦除次数，其占用的内存大小为固定值，因此，将该块状表存储于内存时，可避免内存不必要的浪费。
本发明还提供了一种基于块状态表的磨损均衡装置，包括：
块状态表生成模块，用于生成所述块状态表，所述块状态表的每一行与存储器的物理块一一对应；所述块状态表中的每一行包括以二进制标识的1位冷块标志位、1位热块标志位和预定义位数的擦除计数位；
物理块擦除模块，用于当一个物理块被擦除时，查询所述块状态表中该物理块对应的冷块标志位，若该物理块对应的冷块标志位为0，则置为1；若该物理块对应的冷块标志位为1，则该物理块对应的擦除计数位加1；若该物理块对应的擦除计数位溢出，则该物理块对应的热块标志位置为1；
动态磨损均衡模块，用于每次数据写入存储器时，通过查询所述块状态表中热块标志位，选择对应热块标志位为0、且其物理页可用的物理块写入数据；
静态磨损均衡模块，用于当所述块状态表中热块标志位为1的物理块数量超过预设的静态磨损均衡值时，将冷块标志位为0的物理块中的数据移动至具有可用物理页且擦除次数最高的物理块中，并将冷块标志位为0的物理块的冷块标志位置为1。
进一步，所述块状态表生成模块包括初始化单元，用于将所述块状态表存储于内存，以及用于将所述块状态表中对应各物理块的冷块标志位、热块标志位和擦除计数位复位为0。
进一步，所述装置还包括块状态表的重构模块，用于当所述块状态表中各物理块对应的冷块标志位均为1时，将所述块状态表中各物理块对应的擦除计数位减1，但对于擦除计数位为0的物理块，擦除计数位保持不变，并将块状态表中擦除计数位ECC为0的物理块对应的冷块标志位CBL置为0，以及用于将所述块状态表中各物理块对应的热块标志位置为0。
进一步，所述动态磨损均衡模块进一步用于每次数据写入存储器时，查询当前活动物理块是否存在可用的物理页，若存在，则直接将数据写入活动物理块，其中，所述活动物理块为前次写入数据时，写入数据的物理块；若不存在，则由当前活动物理块开始，按照物理块序号依次查询各物理块是否存在可用的物理页，且对应热块标志位为0的物理块写入数据，并将该物理块设置为活动物理块。
需要说明的是，本申请提供的基于块状态表的磨损均衡装置所执行的功能对应于上述的方法；进一步的，装置中的各个模块及单元所实现的功能，本领域技术人员可以通过软件实现，在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种基于块状态表的磨损均衡方法，其特征在于，所述块状态表的每一行与存储器的物理块一一对应；所述块状态表中的每一行包括以二进制标识的1位冷块标志位、1位热块标志位和预定义位数的擦除计数位；
所述方法包括：
物理块擦除步骤：
当一个物理块被擦除时，查询所述块状态表中该物理块对应的冷块标志位，若该物理块对应的冷块标志位为0，则置为1；若该物理块对应的冷块标志位为1，则该物理块对应的擦除计数位加1；若该物理块对应的擦除计数位溢出，则该物理块对应的热块标志位置为1；
动态磨损均衡步骤：
每次数据写入存储器时，通过查询所述块状态表中热块标志位，选择对应热块标志位为0且其物理页可用的物理块写入数据；
静态磨损均衡步骤：
当所述块状态表中热块标志位为1的物理块数量超过预设的静态磨损均衡值时，将冷块标志位为0的物理块中的数据移动至具有可用物理页且擦除次数最高的物理块中，并将该冷块标志位为0的物理块擦除，同时将冷块标志位为0的物理块的冷块标志位置为1。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括初始化步骤：
生成所述块状态表，并将所述块状态表存储于内存；
将所述块状态表中对应各物理块的冷块标志位、热块标志位和擦除计数位复位为0。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括块状态表的重构步骤：
当所述块状态表中各物理块对应的冷块标志位均为1时，将所述块状态表中各物理块对应的擦除计数位减1，对于擦除计数位为0的物理块，擦除计数位保持不变，并将所述块状态表中擦除计数位为0的物理块对应的冷块标志位置为0；
将所述块状态表中各物理块对应的热块标志位置为0。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述动态磨损均衡步骤中，每次数据写入存储器时，查询当前活动物理块是否存在可用的物理页，若存在，则直接将数据写入活动物理块，其中，所述活动物理块为前次写入数据时，写入数据的物理块；若不存在，则由当前活动物理块开始，按照物理块序号依次查询各物理块是否存在可用的物理页，且对应热块标志位为0的物理块写入数据，并将该物理块设置为活动物理块。
5.一种基于块状态表的磨损均衡装置，其特征在于，包括：
块状态表生成模块，用于生成所述块状态表，所述块状态表的每一行与存储器的物理块一一对应；所述块状态表中的每一行包括以二进制标识的1位冷块标志位、1位热块标志位和预定义位数的擦除计数位；
物理块擦除模块，用于当一个物理块被擦除时，查询所述块状态表中该物理块对应的冷块标志位，若该物理块对应的冷块标志位为0，则置为1；若该物理块对应的冷块标志位为1，则该物理块对应的擦除计数位加1；若该物理块对应的擦除计数位溢出，则该物理块对应的热块标志位置为1；
动态磨损均衡模块，用于每次数据写入存储器时，通过查询所述块状态表中热块标志位，选择对应热块标志位为0、且其物理页可用的物理块写入数据；
静态磨损均衡模块，用于当所述块状态表中热块标志位为1的物理块数量超过预设的静态磨损均衡值时，将冷块标志位为0的物理块中的数据移动至具有可用物理页且擦除次数最高的物理块中，并将冷块标志位为0的物理块的冷块标志位置为1。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述块状态表生成模块包括初始化单元，用于将所述块状态表存储于内存，以及用于将所述块状态表中对应各物理块的冷块标志位、热块标志位和擦除计数位复位为0。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括块状态表的重构模块，用于当所述块状态表中各物理块对应的冷块标志位均为1时，将所述块状态表中各物理块对应的擦除计数位减1，对于擦除计数位为零的物理块，擦除计数位保持不变，并将所述块状态表中擦除计数位为0的物理块对应的冷块标志位置为0，以及用于将所述块状态表中各物理块对应的热块标志位置为0。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述动态磨损均衡模块进一步用于每次数据写入存储器时，查询当前活动物理块是否存在可用的物理页，若存在，则直接将数据写入活动物理块，其中，所述活动物理块为前次写入数据时，写入数据的物理块；若不存在，则由当前活动物理块开始，按照物理块序号依次查询各物理块是否存在可用的物理页，且对应热块标志位为0的物理块写入数据，并将该物理块设置为活动物理块。
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