CN104991738A - 一种固态盘及其读写操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固态盘及其读写操作方法。固态盘包括固态盘控制器、n+1个通道、m个SLC闪存芯片和m×n个MLC闪存芯片，其中，m和n均为正整数；m个SLC闪存芯片设置在n+1个通道的其中一个通道上，m×n个MLC闪存芯片设置在n+1个通道的剩余的n个通道上，剩余的n个通道中的每一个通道上均有m个MLC闪存芯片；SLC闪存芯片的存储容量较小，用于存储校验数据，MLC闪存芯片的存储容量较大，用于存储用户数据，SLC闪存芯片和MLC闪存芯片通过其所在的通道进行数据传输。本发明能有效地提高固态盘的使用寿命，降低存储系统的成本。

Description

一种固态盘及其读写操作方法
技术领域
本发明属于计算机存储技术领域，更具体地，涉及一种固态盘及其读写操作方法。
背景技术
基于闪存芯片的固态盘相对于传统磁盘具有高读写速度、低能耗以及抗震性等优点。为了提高固态盘的容量密度，多层单元(Multi-Level Cell,MLC)技术，即一个存储单元中存储两个或两个以上的比特信息，被广泛地应用于固态盘；同时固态盘的工艺尺寸正在持续缩小，这些都将会导致固态盘的使用寿命下降。
固态盘的使用寿命主要受其底层结构限制。闪存的存储单元包含着一层氧化层，该氧化层可以保存电子，根据保存的电子数量显现出不同的电荷状态，从而保存比特信息。固态盘的擦写操作会损耗氧化层，使得电子从氧化层中逸出，导致固态盘的原始比特错误率上升。当原始比特错误率上升导致固态盘的数据可靠性无法保证时，固态盘的寿命殆尽。基于MLC闪存芯片的固态盘由于一个存储单元中存储了更多比特信息位，具有更高的原始比特错误率，导致其寿命较短。目前，业界通过加强页内ECC校验能力来提高固态盘的数据可靠性，从而延长固态盘的使用寿命，但与此同时会增加固态盘的译码时延，且受限于备用区的比特长度。所以如何最有效地提高固态盘的使用寿命成为业界关注的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种固态盘及其读写操作方法，能有效地提高固态盘的使用寿命，降低存储系统的成本。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种固态盘，其特征在于，包括固态盘控制器、n+1个通道、m个SLC闪存芯片和m×n个MLC闪存芯片，其中，m和n均为正整数；所述m个SLC闪存芯片设置在所述n+1个通道的其中一个通道上，所述m×n个MLC闪存芯片设置在所述n+1个通道的剩余的n个通道上，所述剩余的n个通道中的每一个通道上均有m个MLC闪存芯片；所述SLC闪存芯片的存储容量较小，用于存储校验数据，所述MLC闪存芯片的存储容量较大，用于存储用户数据，所述SLC闪存芯片和所述MLC闪存芯片通过其所在的通道进行数据传输。
优选地，所述m个SLC闪存芯片和所述m×n个MLC闪存芯片被分为m组，一个SLC闪存芯片和n个MLC闪存芯片为一组；单组闪存芯片存储的用户数据和校验数据被划分为多个条带，SLC闪存芯片存储的s个校验数据块和n个MLC闪存芯片存储的i×s×n个用户数据块组成一个条带，其中，s为正整数，i为MLC闪存芯片相对于SLC闪存芯片的存储容量的倍数。
按照本发明的另一方面，提供了一种上述固态盘的写操作方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)固态盘控制器接收上层请求，辨别请求类型为写请求；
(2)固态盘根据MLC闪存芯片页大小将写请求分割为多个子请求；
(3)判断子请求能否构成满条带写，若能则跳至步骤(5)，否则顺序执行步骤(4)；
(4)进行预读操作，用于计算页内ECC校验和校验数据；
(5)计算得到页内ECC校验和校验数据；
(6)向MLC闪存芯片写入用户数据和页内ECC校验，向SLC闪存芯片写入校验数据，完成写操作。
按照本发明的另一方面，提供了一种上述固态盘的读操作方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)固态盘控制器接收上层请求，辨别请求类型为读请求；
(2)固态盘根据MLC闪存芯片页大小将读请求分割为多个子请求；
(3)向MLC闪存芯片下发子请求，读取用户数据和ECC校验；
(4)根据ECC校验判断用户数据是否正确，若正确则跳至步骤(9)，否则顺序执行步骤(5)；
(5)判断能否通过ECC校验获得正确的用户数据，若能则顺序执行步骤(6)，否则跳至步骤(7)；
(6)通过ECC校验获得正确的用户数据，跳至步骤(9)；
(7)进行降级读操作，用于重构用户数据；
(8)重构用户数据；
(9)固态盘控制器向上层返回用户数据，完成读操作。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、固态盘包括MLC闪存芯片和单层单元(Single-Level Cell,SLC)闪存芯片，MLC闪存芯片用于存储用户数据，SLC闪存芯片用于存储校验数据，实现了多级数据冗余，使得固态盘能够容忍更高的原始比特错误率，因而能提高固态盘的使用寿命。另外，由于没有加强页内ECC的校验能力，不会增加固态盘的译码时延。
2、固态盘使用SLC闪存芯片存储校验数据，并将用户数据和校验数据划分为多个条带，减小了校验数据的更新对固态盘读写性能的影响。
3、在写操作时，固态盘根据子请求是否能构成满条带写，进行预读操作，在生成ECC校验的同时还生成校验数据，使得固态盘能够容忍更高的原始比特错误率，从而提高固态盘的使用寿命。
4、在读操作时，固态盘在发现用户数据不正确且无法通过ECC校验获得正确的用户数据时，进行降级读操作重构用户数据，使得固态盘能够容忍更高的原始比特错误率，从而提高固态盘的使用寿命。
附图说明
图1是本发明实施例的固态盘的系统架构图；
图2是本发明实施例的固态盘的用户数据和校验数据分布图；
图3是本发明实施例的固态盘的写操作方法流程图；
图4是本发明实施例的固态盘的读操作方法流程图。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例的固态盘包括固态盘控制器、n+1个通道、m个SLC闪存芯片和m×n个MLC闪存芯片，m和n均为正整数。固态盘控制器用于接收并处理上层读写负载请求，根据上层读写负载请求，向SLC闪存芯片和MLC闪存芯片下发读写请求。固态盘控制器控制n+1个通道，其中一个通道上有m个SLC闪存芯片，剩余n个通道中的每一个通道上均有m个MLC闪存芯片。SLC闪存芯片的存储容量较小，用于存储校验数据，MLC闪存芯片的存储容量较大，用于存储用户数据，SLC闪存芯片和MLC闪存芯片通过其所在的通道进行数据传输。
固态盘的所有闪存芯片被分为m组，一个SLC闪存芯片和n个MLC闪存芯片为一组。如图2所示，单组闪存芯片存储的用户数据和校验数据被划分为多个条带，SLC闪存芯片存储的s个校验数据块和n个MLC闪存芯片存储的i×s×n个用户数据块组成一个条带，其中，s为正整数，i为MLC闪存芯片相对于SLC闪存芯片的存储容量的倍数。图2(a)为s＝1时单组闪存芯片的用户数据与校验数据分布，图2(b)为s＝2时单组闪存芯片的用户数据与校验数据分布。
如图3所示，上述固态盘的写操作方法包括如下步骤：
(1)固态盘控制器接收上层请求，辨别请求类型为写请求；
(2)固态盘根据MLC闪存芯片页大小将写请求分割为多个子请求；
(3)判断子请求能否构成满条带写，若能则跳至步骤(5)，否则顺序执行步骤(4)；
(4)进行预读操作，用于计算页内ECC校验和校验数据；
(5)计算得到页内ECC校验和校验数据；
(6)向MLC闪存芯片写入用户数据和页内ECC校验，向SLC闪存芯片写入校验数据，完成写操作。
如图4所示，上述固态盘的读操作方法包括如下步骤：
(1)固态盘控制器接收上层请求，辨别请求类型为读请求；
(2)固态盘根据MLC闪存芯片页大小将读请求分割为多个子请求；
(3)向MLC闪存芯片下发子请求，读取用户数据和ECC校验；
(4)根据ECC校验判断用户数据是否正确，若正确则跳至步骤(9)，否则顺序执行步骤(5)；
(5)判断能否通过ECC校验获得正确的用户数据，若能则顺序执行步骤(6)，否则跳至步骤(7)；
(6)通过ECC校验获得正确的用户数据，跳至步骤(9)；
(7)进行降级读操作，用于重构用户数据；
(8)重构用户数据；
(9)固态盘控制器向上层返回用户数据，完成读操作。
本领域的技术人员容易理解，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作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种固态盘，其特征在于，包括固态盘控制器、n+1个通道、m个SLC闪存芯片和m×n个MLC闪存芯片，其中，m和n均为正整数；
所述m个SLC闪存芯片设置在所述n+1个通道的其中一个通道上，所述m×n个MLC闪存芯片设置在所述n+1个通道的剩余的n个通道上，所述剩余的n个通道中的每一个通道上均有m个MLC闪存芯片；所述SLC闪存芯片的存储容量较小，用于存储校验数据，所述MLC闪存芯片的存储容量较大，用于存储用户数据，所述SLC闪存芯片和所述MLC闪存芯片通过其所在的通道进行数据传输。
2.如权利要求1所述的固态盘，其特征在于，所述m个SLC闪存芯片和所述m×n个MLC闪存芯片被分为m组，一个SLC闪存芯片和n个MLC闪存芯片为一组；单组闪存芯片存储的用户数据和校验数据被划分为多个条带，SLC闪存芯片存储的s个校验数据块和n个MLC闪存芯片存储的i×s×n个用户数据块组成一个条带，其中，s为正整数，i为MLC闪存芯片相对于SLC闪存芯片的存储容量的倍数。
3.一种如权利要求1或2所述的固态盘的写操作方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)固态盘控制器接收上层请求，辨别请求类型为写请求；
(2)固态盘根据MLC闪存芯片页大小将写请求分割为多个子请求；
(3)判断子请求能否构成满条带写，若能则跳至步骤(5)，否则顺序执行步骤(4)；
(4)进行预读操作，用于计算页内ECC校验和校验数据；
(5)计算得到页内ECC校验和校验数据；
(6)向MLC闪存芯片写入用户数据和页内ECC校验，向SLC闪存芯片写入校验数据，完成写操作。
4.一种如权利要求1或2所述的固态盘的读操作方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)固态盘控制器接收上层请求，辨别请求类型为读请求；
(2)固态盘根据MLC闪存芯片页大小将读请求分割为多个子请求；
(3)向MLC闪存芯片下发子请求，读取用户数据和ECC校验；
(4)根据ECC校验判断用户数据是否正确，若正确则跳至步骤(9)，否则顺序执行步骤(5)；
(5)判断能否通过ECC校验获得正确的用户数据，若能则顺序执行步骤(6)，否则跳至步骤(7)；
(6)通过ECC校验获得正确的用户数据，跳至步骤(9)；
(7)进行降级读操作，用于重构用户数据；
(8)重构用户数据；
(9)固态盘控制器向上层返回用户数据，完成读操作。
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