CN105608021B - 一种利用内容寻址mram存储装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用内容寻址MRAM存储装置和方法，存储装置包括设有主机接口的主控芯片和NAND芯片，所述NAND芯片和主控芯片相互连接，所述主控芯片还与MRAM芯片相连，所述MRAM芯片中至少一部分是具有内容寻址功能的MRAM；所述MRAM芯片用于写缓存或读写缓存；所述具有内容寻址功能的MRAM中储存一个缓存表，所述缓存表记录每一个缓存页的对应NAND页的地址和必要信息。在发生写NAND操作时，MRAM芯片把最近一段时间经常发生写入操作的NAND页留在缓存里而不写回到NAND芯片；在发生读写NAND操作时，利用具有内容寻址的MRAM，在缓存表中搜索NAND页地址。本发明能够提高缓存速度。

Description

一种利用内容寻址MRAM存储装置和方法

技术领域

本发明涉及数据存储技术领域，特别是涉及一种利用内容寻址MRAM存储装置和方法。

背景技术

现在的智能手机、平板电脑，以及越来越多的计算机中，用户数据、文件被存在NAND闪存芯片中。

NAND闪存芯片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block往往由很多page组成，block擦除后里面的page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闪存芯片具有有限的寿命。里面的每一个page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闪存芯片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3000次左右。

NAND闪存技术的发展推动了固态硬盘(SSD)产业。如图1所示，SSD与主机之间使用高速串行接口如SATA，PICe等技术。内部由用于存储数据的一组NAND芯片，用于协助计算和缓存数据的DDR内存，以及一个主控芯片(SSD Controller)组成。

智能手机中使用的eMMC和SD等各种存储卡的架构与SSD类似。差别在于与主机接口的协议不同，而通常不用DRAM，而用少量集成在controller芯片内部的SRAM。

在软件层面，手机和计算机的架构如图2所示：应用软件向操作系统发出打开、关闭、读、写文件指令；操作系统中的文件系统部分把读、写文件的指令转化为读、写存储块的指令；NAND驱动与管理软件接受读写存储块区的指令，进行缓存、写均衡等优化，向芯片发出读page，写block等指令。在计算机和智能手机中，NAND读写软件通常在SSD或存储卡内部的Controller芯片上运行。

NAND缓慢的读写速度和有限的寿命都是当代存储技术的大问题。因此在存储设备中引入MRAM作为缓存，既提高了性能，又通过减少NAND写入次数延长了产品的寿命。但是，NAND管理软件在读写时需要逐一查找MRAM缓存页。当缓存越来越大时，查找缓存页耗费的时间就越长，反而影响了性能。

例如：如果有1GB的MRAM缓存，而每一个NAND页的大小是16KB，那么缓存中最多有64000个NAND页。一般Controller芯片中的CPU进行一次比对至少也需要5个时钟周期。那么搜索缓存最坏情况下需要320000个时钟。如果Controller芯片运行的速度是400MHz，那么每次读写因搜索缓存的时间延迟达到0.8ms。对于现代高性能的SSD，这已经是难以忍受的性能牺牲。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用内容寻址MRAM存储装置和方法，能够提高缓存速度。

MRAM是一种新的内存和存储技术，可以像SRAM/DRAM一样快速随机读写，还可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据。

它的经济性相当的好，单位容量占用的硅片面积比SRAM有很大的优势，比在此类芯片中经常使用的NOR Flash也有优势，比嵌入式NOR Flash的优势更大。它的性能也相当好，读写时延接近最好的SRAM，功耗则在各种内存和存储技术最好。而且MRAM不像DRAM以及Flash那样与标准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。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种利用内容寻址MRAM存储装置，包括设有主机接口的主控芯片和NAND芯片，所述NAND芯片和主控芯片相互连接，所述主控芯片还与MRAM芯片相连，所述MRAM芯片中至少一部分是具有内容寻址功能的MRAM；所述MRAM芯片用于写缓存或读写缓存；所述具有内容寻址功能的MRAM中储存一个缓存表，所述缓存表记录每一个缓存页的对应NAND页的地址和必要信息。

进一步地，所述MRAM芯片和具有内容寻址功能的MRAM均集成在所述主控芯片上，使得整个产品的体积能够缩小。

进一步地，所述MRAM芯片在写缓存或读写缓存时，按和NAND页一样的大小页组织起来，能够确保将经常发生写入操作的NAND页留在缓存里。

进一步地，所述主机接口为SATA接口和/或PCIe接口，从而能够支持各种接口的主机。

进一步地，所述利用内容寻址MRAM存储装置还包括与主控芯片相连的DDR DRAM，所述DDR DRAM的一部分用于写缓存或读写缓存，从而能够进一步扩大缓存容量。这部分缓存的信息仍然保存在所述具有内容寻址功能的MRAM中的缓存表中。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种采用上述利用内容寻址MRAM存储装置的存储方法，在发生写NAND操作时，MRAM芯片把最近一段时间经常发生写入操作的NAND页留在缓存里而不写回到NAND芯片；在发生读写NAND操作时，利用具有内容寻址的MRAM，在缓存表中搜索NAND页地址。

进一步地，在搜索缓存表时，把每一个缓存表的元素定义为搜索字，用掩模来忽略NAND页地址以外的其他信息，能够缩短搜索的时间。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明提出使用具有内容寻址功能的MRAM，所述具有内容寻址功能的MRAM能够根据缓存表中的NAND地址迅速地找到缓存页，或者确定缓存页不存在，比软件寻址至少快几十倍，从而提高了缓存的速度。

附图说明

图1是现有技术中计算机存储技术示意图；

图2是软件层面上的手机和计算机的构架图；

图3是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的第一实施方式涉及一种利用内容寻址MRAM存储装置，如图3所示，包括设有主机接口的主控芯片和NAND芯片，所述NAND芯片和主控芯片相互连接，所述主控芯片还与MRAM芯片相连，所述MRAM芯片中至少一部分是具有内容寻址功能的MRAM；所述MRAM芯片用于写缓存或读写缓存，并按和NAND页一样的大小页组织起来，从而能够确保将经常发生写入操作的NAND页留在缓存里；所述具有内容寻址功能的MRAM中储存一个缓存表，所述缓存表记录每一个缓存页的对应NAND页的地址和必要信息，其中，必要信息可以是写计数等。

其中，所述主机接口为SATA接口和/或PCIe接口，从而能够支持各种接口的主机。所述具有内容寻址功能的MRAM包括一个或多个由MRAM存储单元组成的阵列，每个阵列与控制电路连接，控制电路包括行地址解码器、列地址解码器、读写控制器以及输入输出控制，控制电路还包括比较器与搜索控制器，比较器用于比较从阵列中读出的内容与搜索字，搜索控制器用于控制内容寻址操作。当搜索控制器收到搜索指令后，驱动行地址解码器，打开地址区域中的第一行，驱动列地址解码器打开该行的所有位线，接着，读写控制器读出该行的内容，比较器比较内容与搜索字，如果二者相符，输出该行的地址。如果下一行的地址超出地址区域，则内容寻址结束；如果下一行的地址没有超出地址区域，则搜索控制器驱动行地址解码器，打开下一行，驱动列地址解码器打开该行的所有位线，继续读写控制器读出下一行的内容，如此往复直至完成内容寻址。

本发明的第二实施方式同样涉及一种利用内容寻址MRAM存储装置，本实施方式与第一实施方式大致相同，其区别在于，本实施方式中所述MRAM芯片和具有内容寻址功能的MRAM均集成在所述主控芯片上，利用MRAM可以和逻辑电路集成到一个芯片中的特性，使得整个产品的体积能够缩小。

值得一提的是，第一实施方式和第二实施方式中的利用内容寻址MRAM存储装置均可以包括与主控芯片相连的DDR DRAM，所述DDR DRAM的一部分用于写缓存或读写缓存，其缓存信息仍然存储在所述具有内容寻址功能的MRAM中的缓存表内，从而能够进一步扩大缓存容量。

本发明的第三实施方式涉及一种采用上述第一实施方式和第二实施方式的利用内容寻址MRAM存储装置的存储方法，在发生写NAND操作时，MRAM芯片把最近一段时间经常发生写入操作的NAND页留在缓存里而不写回到NAND芯片；在发生读写NAND操作时，利用具有内容寻址功能的MRAM，在缓存表中搜索NAND页地址。

本发明提出使用具有内容寻址功能的MRAM，具有内容寻址功能的MRAM能够根据缓存表中的NAND地址迅速地找到缓存页，或者确定缓存页不存在，比软件寻址至少快几十倍，从而提高了缓存的速度。

内容寻址MRAM还有一个功能：即可以用一个MASK(掩模)来定义可以忽略bits。在搜索缓存表时，可以把每一个缓存表的元素定义为搜索字，用MASK来忽略NAND页地址以外的其他信息部分，从而大大缩短搜索的时间。

Claims (7)

1.一种利用内容寻址MRAM存储装置，包括设有主机接口的主控芯片和NAND芯片，所述NAND芯片和主控芯片相互连接，所述主控芯片还与MRAM芯片相连，其特征在于，所述MRAM芯片中至少一部分是具有内容寻址功能的MRAM；所述MRAM芯片用于写缓存或读写缓存；所述具有内容寻址功能的MRAM中储存一个缓存表，所述缓存表记录每一个缓存页的对应NAND页的地址和写计数，所述具有内容寻址功能的MRAM包括一个或多个由MRAM存储单元组成的阵列，每个阵列与控制电路连接，控制电路包括行地址解码器、读写控制器、输入输出控制、比较器及搜索控制器，比较器用于比较从阵列中读出的内容与搜索字，搜索控制器用于控制内容寻址操作，当搜索控制器收到搜索指令后，驱动行地址解码器，逐次打开搜索区域的地址，读写控制器读出内容，比较器比较内容与搜索字，如果相符，输出地址。

2.根据权利要求1所述的利用内容寻址MRAM存储装置，其特征在于，所述MRAM芯片和具有内容寻址功能的MRAM均集成在所述主控芯片上。

3.根据权利要求1所述的利用内容寻址MRAM存储装置，其特征在于，所述MRAM芯片在写缓存或读写缓存时，按和NAND页一样的大小页组织起来。

4.根据权利要求1所述的利用内容寻址MRAM存储装置，其特征在于，所述主机接口为SATA接口和/或PCIe接口。

5.根据权利要求1所述的利用内容寻址MRAM存储装置，其特征在于，还包括与主控芯片相连的DDR DRAM，所述DDR DRAM的一部分用于写缓存或读写缓存。

6.一种采用如权利要求1所述的利用内容寻址MRAM存储装置的存储方法，其特征在于，在发生写NAND操作时，MRAM芯片把最近一段时间经常发生写入操作的NAND页留在缓存里而不写回到NAND芯片；在发生读写NAND操作时，利用具有内容寻址的MRAM，在缓存表中搜索NAND页地址。

7.根据权利要求6所述的存储方法，其特征在于，在搜索缓存表时，把每一个缓存表的元素定义为搜索字，用掩模来忽略NAND页地址以外的其他信息。