CN105608013B - 一种集成mram的存储卡控制芯片及存储卡 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种存储卡控制芯片，包括CPU、主机接口、NAND控制器以及MRAM，主机接口用于连接主机，NAND控制器用于连接一个或一组NAND芯片，CPU与NAND控制器、MRAM连接。本发明还提供一种存储卡及读写方法。本发明提供的存储卡控制芯片、存储卡及读写方法，使用MRAM取代SRAM集成在存储卡控制芯片中，由于MRAM能够快速随机读写，因而能够保证写入性能；NAND管理软件存储于MRAM中，既可靠又可以在开发的过程中修改甚至售后升级，非常灵活；由于使用MRAM，能够提供写缓存或读写缓存，提高存储卡的读写性能；同时减少写入NAND芯片的次数，延长存储卡的寿命。

Description

一种集成MRAM的存储卡控制芯片及存储卡

技术领域

本发明涉及存储卡，尤其涉及一种集成MRAM的存储卡控制芯片及存储卡。

背景技术

存储卡是手机、平板电脑、数码相机等电子设备中常用的数据存储器件，具有多种形式，例如SD卡、Mini-SD卡、micro-SD卡(又称T-Flash卡)以及MMC卡等等，大部分可以通过卡槽插入到设备中。

还有一些器件，如eMMC、某些厂家的Movi-NAND等，通过贴片的方式贴在主板上，但与存储卡使用相同的接口，也具有非常接近的内部结构，在此也把它们归为存储卡。

存储卡一般通过4-8根数据线与设备连接，这类接口通常被称作SDIO。存储卡的存储介质是NAND闪存，如图1所示，包括一块或一组NAND芯片；存储卡内部还有一个包括CPU的控制芯片，该CPU运行NAND管理程序；另外还集成一块SRAM，以支持程序运行。

至于NAND管理程序的储存，有多种办法：再嵌入一块ROM(程序无法再改)、或再外接一块NOR闪存(需要增加额外的成本)、或直接存储在NAND中(由于NAND可靠性比较差，最后一种办法有些风险)。

NAND是一种整块读写的存储设备，最小可读取的单元叫页(page)，最小可擦除的单元叫块(block)，一个块往往由很多页组成，块擦除后里面的页可以进行单独的写入操作。写入操作很慢，比读取慢得多，而擦除操作又比写入更加慢得多。

NAND闪存的一个问题是NAND具有有限的寿命，其中的每一页经过一定次数的擦写以后，就会永久失效不能继续使用。目前的产业发展趋势是NAND的容量和数据密度增长非常快，但却是以降低寿命为代价。可擦写次数从最初的10万次降低到目前的几百次。

因为NAND闪存的以上特性，NAND管理软件比较复杂。为了不使某些经常发生写操作的块提前损坏，需要进行写均衡处理。文件系统软件所识别的逻辑地址与物理地址是不同的，需要一个表把二者对应起来。由于NAND擦除太慢，一般修改一内容时不在原来的块区更新，而是把新的内容写到一个新的块区，旧块区标记为无效，等CPU空闲下来再擦除它。因此，逻辑物理地址对照表是不断动态更新的。

上述存储卡结构存在以下问题：

(1)性能差：

SRAM是一种成本很高的内存，使用在消费电子产品中的存储卡受成本限制，不可能使用容量很大的SRAM，因而也无法提供写缓存；而NAND写入的速度非常慢，严重影响系统的性能；

2.可靠性差，使用寿命短

NAND是一种只能进行有限次擦写的存储设备。现代的智能手机等消费电子产品随时且不断地发生写入操作，常常会造成存储卡提前损坏、产品报废以及数据丢失等；

3.存储NAND管理程序的几种办法，也存在不同的问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种集成MRAM的存储卡控制芯片，使用MRAM取代SRAM集成在存储卡控制芯片中既能够保证写入性能，又能够延长NAND芯片的寿命，同时便于NAND管理程序的存储。

MRAM是一种新的内存和存储技术，可以像DDR(D)RAM一样快速随机读写，还可以像NAND闪存一样在断电后永久保留数据。而且MRAM不像DRAM一样与标准CMOS半导体工艺不兼容。MRAM可以和逻辑电路集成到一个芯片中，这一点虽然和SRAM一样。

但在同样的工艺节点上，同样面积上的MRAM可以比SRAM大10倍，使得把大容量的MRAM集成到存储卡控制芯片中成为可能；MRAM是非易失存储介质，非常适合做写缓存；且不像NAND闪存具有有限的寿命，MRAM可以无限次地擦写。

本发明提供一种存储卡控制芯片，包括CPU、主机接口、NAND控制器以及MRAM，主机接口用于连接主机，NAND控制器用于连接一个或一组NAND芯片，CPU与NAND控制器、MRAM连接。

本发明提供的存储卡控制芯片，使用MRAM取代SRAM集成在存储卡控制芯片中，由于MRAM能够快速随机读写，因而能够保证写入性能。

进一步地，存储卡控制芯片还包括主机接口控制器，用于控制主机接口，主机接口控制器和/或NAND控制器具有DMA功能。

进一步地，MRAM包括NAND管理软件存储区，CPU运行存储于NAND管理软件存储区的NAND管理软件。

NAND管理软件存储于MRAM中，避免现有技术中存储于ROM中程序无法再改，存储于NOR闪存增加额外的成本以及直接存储在NAND中可靠性比较差的问题，既可靠又可以在开发的过程中修改甚至售后升级，非常灵活。

进一步地，MRAM包括写缓存或读写缓存，按照与NAND页同样大小的页组织起来。

由于使用MRAM，同样面积上的MRAM可以比SRAM大10倍，能够提供写缓存或读写缓存，进一步提高存储卡的读写性能；同时使用写缓存或读写缓存，减少写入NAND芯片的次数，延长存储卡的寿命。

进一步地，NAND芯片中存储逻辑物理地址对照表，主机使用逻辑地址进行读写操作，CPU根据逻辑物理地址对照表进行地址翻译，并进行NAND芯片的相关的管理操作。

逻辑物理地址对照表保存在MRAM中，既可以提高获取需要读写NAND页相关的逻辑物理地址对照表页的速度，同时减少写入NAND芯片的次数，延长存储卡的寿命。

进一步地，MRAM包括逻辑物理地址对照表缓存，按照与NAND页同样大小的页组织起来，进一步提高获取需要读写NAND页相关的逻辑物理地址对照表页的速度。

本发明还提供一种存储卡，存储卡包括一个或一组NAND芯片以及上述存储卡控制芯片，NAND芯片与存储卡控制芯片连接。

本发明还提供一种对上述存储卡进行读操作的方法，包括以下步骤：

(1)存储卡控制芯片的CPU收到读取NAND页指令；

(2)根据逻辑页编号搜索要读取的NAND页是否在MRAM中的写缓存或读写缓存中，如果在写缓存或读写缓存中，从写缓存或读写缓存中读取数据，执行步骤(4)；如果不在写缓存或读写缓存中，执行步骤(3)；

(3)获取NAND页相关的逻辑物理地址对照表页，并根据逻辑物理地址对照表页，获取NAND页的物理地址，根据物理地址读取NAND页；

(4)读操作结束。

进一步地，步骤(3)获取NAND页相关的逻辑物理地址对照表页的方法包括以下步骤：

(31)如果NAND页相关的逻辑物理地址对照表页在逻辑物理地址对照表缓存中，从其中获取；如果不在所逻辑物理地址对照表缓存中，从NAND芯片中读取，并存储于逻辑物理地址对照表缓存中。

本发明还提供一种对上述存储卡进行写操作的方法，包括以下步骤：

(1)存储卡控制芯片的CPU收到写NAND页指令时，安排一个写缓存或读写缓存空闲的缓存页，接收写NAND页指令中的数据；

(2)接收数据的同时搜索NAND页是否在写缓存或读写缓存中，如果在写缓存或读写缓存中，执行步骤(3)；如果不在写缓存或读写缓存中，执行步骤(4)；

(3)释放原来的缓存页；

(4)更新缓存表；

(5)写操作结束。

存储卡发生写入操作时，数据总是首先写入到写缓存或读写缓存中。当写缓存或读写缓存的空闲页少于第一警戒值时，把近期较少发生写操作的缓存页写回到NAND芯片的相应页中，并释放写缓存或读写缓存空间。

与现有技术相比，本发明提供的存储卡控制芯片、存储卡及读写方法具有以下有益效果：

(1)使用MRAM取代SRAM集成在存储卡控制芯片中，由于MRAM能够快速随机读写，因而能够保证写入性能；

(2)NAND管理软件存储于MRAM中，避免现有技术中存储于ROM中程序无法再改，存储于NOR闪存增加额外的成本以及直接存储在NAND中可靠性比较差的问题，既可靠又可以在开发的过程中修改甚至售后升级，非常灵活；

(3)由于使用MRAM，同样面积上的MRAM可以比SRAM大10倍，能够提供写缓存或读写缓存，进一步提高存储卡的读写性能；同时减少写入NAND芯片的次数，延长存储卡的寿命；

(4)MRAM包括物理地址对照表缓存，能够提高获取需要读写NAND页相关的逻辑物理地址对照表页的速度，且减少写NAND的次数延长NAND寿命。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是现有技术中存储卡的结构示意图；

图2是本发明的一个实施例的存储卡的结构示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明的一个实施例的存储卡控制芯片，包括CPU、主机接口、NAND控制器以及MRAM，主机接口用于连接主机，NAND控制器用于连接一个或一组NAND芯片，CPU与NAND控制器、MRAM连接。

本实施例的存储卡控制芯片，使用MRAM取代SRAM集成在存储卡控制芯片中，由于MRAM能够快速随机读写，因而能够保证写入性能。

存储卡控制芯片还包括主机接口控制器，用于控制主机接口。

主机接口控制器和/或NAND控制器具有DMA功能，使得从主机输入和读写NAND芯片时，CPU仍然可以同时执行其他运算。本实施例中，主机接口控制器和NAND控制器都具有DMA功能。

MRAM包括NAND管理软件存储区，CPU运行存储于NAND管理软件存储区的NAND管理软件。NAND管理软件存储于MRAM中，避免现有技术中存储于ROM中程序无法再改，存储于NOR闪存增加额外的成本以及直接存储在NAND中可靠性比较差的问题，既可靠又可以在开发的过程中修改甚至售后升级，非常灵活。

MRAM包括写缓存或读写缓存，按照与NAND页同样大小的页组织起来。由于使用MRAM，同样面积上的MRAM可以比SRAM大10倍，能够提供写缓存或读写缓存，进一步提高存储卡的读写性能；同时使用写缓存或读写缓存，减少写入NAND芯片的次数，延长存储卡的寿命。

NAND芯片中存储逻辑物理地址对照表，主机使用逻辑地址进行读写操作，CPU根据逻辑物理地址对照表进行地址翻译，并进行NAND芯片的相关的管理操作。逻辑物理地址对照表保存在MRAM中，既可以提高获取需要读写NAND页相关的逻辑物理地址对照表页的速度，同时减少写入NAND芯片的次数，延长存储卡的寿命。

MRAM包括逻辑物理地址对照表缓存，按照与NAND页同样大小的页组织起来，进一步提高获取需要读写NAND页相关的逻辑物理地址对照表页的速度。

本发明还提供一种对包括一个或一组NAND芯片以及本实施例的存储卡控制芯片的存储卡进行读操作的方法，包括以下步骤：

(1)存储卡控制芯片的CPU收到读取NAND页指令；

(2)根据逻辑页编号搜索要读取的NAND页是否在MRAM中的写缓存或读写缓存中，如果在写缓存或读写缓存中，从写缓存或读写缓存中读取数据，执行步骤(4)；如果不在写缓存或读写缓存中，执行步骤(3)；

(3)获取NAND页相关的逻辑物理地址对照表页，并根据逻辑物理地址对照表页，获取NAND页的物理地址，根据物理地址读取NAND页；

(4)读操作结束。

步骤(3)获取NAND页相关的逻辑物理地址对照表页的方法包括以下步骤：

(31)如果NAND页相关的逻辑物理地址对照表页在逻辑物理地址对照表缓存中，从其中获取；如果不在所逻辑物理地址对照表缓存中，从NAND芯片中读取，并存储于逻辑物理地址对照表缓存中。

本发明还提供一种对上述存储卡进行写操作的方法，包括以下步骤：

(1)存储卡控制芯片的CPU收到写NAND页指令时，安排一个写缓存或读写缓存空闲的缓存页，接收写NAND页指令中的数据；

(2)接收数据的同时NAND页是否在写缓存或读写缓存中，如果在写缓存或读写缓存中，执行步骤(3)；如果不在写缓存或读写缓存中，执行步骤(4)；

(3)释放原来的缓存页；

(4)更新缓存表；

(5)写操作结束。

还有一些器件，如eMMC、某些厂家的Movi-NAND等，通过贴片的方式贴在主板上，但与存储卡使用相同的接口，也具有非常接近的内部结构，在此也把它们归为存储卡，本发明同样适用。

本发明提供的存储卡控制芯片、存储卡及读写方法，使用MRAM取代SRAM集成在存储卡控制芯片中，由于MRAM能够快速随机读写，因而能够保证写入性能；NAND管理软件存储于MRAM中，避免现有技术中存储于ROM中程序无法再改，存储于NOR闪存增加额外的成本以及直接存储在NAND中可靠性比较差的问题，既可靠又可以在开发的过程中修改甚至售后升级，非常灵活；由于使用MRAM，同样面积上的MRAM可以比SRAM大10倍，能够提供写缓存或读写缓存，进一步提高存储卡的读写性能；同时减少写入NAND芯片的次数，延长存储卡的寿命；MRAM包括物理地址对照表缓存，能够提高获取需要读写NAND页相关的逻辑物理地址对照表页的速度，且减少写NAND的次数延长NAND寿命。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种存储卡控制芯片，其特征在于，所述存储卡控制芯片包括CPU、主机接口、NAND控制器以及MRAM，所述主机接口用于连接主机，所述NAND控制器用于连接一个或一组NAND芯片，所述CPU与所述NAND控制器、所述MRAM连接；CPU、主机接口、NAND控制器以及MRAM集成在存储卡控制芯片中；所述NAND芯片中存储逻辑物理地址对照表，所述主机使用逻辑地址进行读写操作，所述CPU根据所述逻辑物理地址对照表进行地址翻译，并进行所述NAND芯片的相关的管理操作；所述MRAM包括逻辑物理地址对照表缓存，按照与NAND页同样大小的页组织起来。

2.如权利要求1所述的存储卡控制芯片，其特征在于，所述存储卡控制芯片还包括主机接口控制器，用于控制所述主机接口，所述主机接口控制器和/或所述NAND控制器具有DMA功能。

3.如权利要求1所述的存储卡控制芯片，其特征在于，所述MRAM包括NAND管理软件存储区，所述CPU运行存储于所述NAND管理软件存储区的NAND管理软件。

4.如权利要求1所述的存储卡控制芯片，其特征在于，所述MRAM包括写缓存或读写缓存，按照与NAND页同样大小的页组织起来。

5.一种存储卡，所述存储卡包括一个或一组NAND芯片以及权利要求1-4任一项所述的存储卡控制芯片，所述NAND芯片与所述存储卡控制芯片连接。

6.一种对权利要求5所述的存储卡进行读操作的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)存储卡控制芯片的CPU收到读取NAND页指令；

(2)根据逻辑页编号搜索要读取的NAND页是否在MRAM中的写缓存或读写缓存中，如果在所述写缓存或所述读写缓存中，从所述写缓存或所述读写缓存中读取数据，执行步骤(4)；如果不在所述写缓存或所述读写缓存中，执行步骤(3)；

(3)获取所述NAND页相关的逻辑物理地址对照表页，并根据所述逻辑物理地址对照表页，获取所述NAND页的物理地址，根据所述物理地址读取所述NAND页；

(4)读操作结束。

7.如权利要求6所述的存储卡进行读操作的方法，其特征在于，步骤(3)获取所述NAND页相关的逻辑物理地址对照表页的方法包括以下步骤：

(31)如果所述NAND页相关的逻辑物理地址对照表页在逻辑物理地址对照表缓存中，从其中获取；如果不在所逻辑物理地址对照表缓存中，从NAND芯片中读取，并存储于所述逻辑物理地址对照表缓存中。

8.一种对权利要求5所述的存储卡进行写操作的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)存储卡控制芯片的CPU收到写NAND页指令时；安排一个写缓存或读写缓存空闲的缓存页，接收写NAND页指令中的数据；

(2)接收数据的同时搜索所述NAND页是否在写缓存或读写缓存中，如果在所述写缓存或所述读写缓存中，执行步骤(3)；如果不在所述写缓存或所述读写缓存中，执行步骤(4)；

(3)释放原来的缓存页；

(4)更新缓存表；

(5)写操作结束。