CN105630699B - 一种使用mram的固态硬盘及读写缓存管理方法 - Google Patents

一种使用mram的固态硬盘及读写缓存管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种使用MRAM的固态硬盘，包括主控芯片、用于存储数据的一组NAND芯片以及MRAM，NAND芯片、MRAM分别与主控芯片连接，MRAM包括读写缓存以及缓存表。缓存表包括读写缓存中缓存页的读写权重。本发明提供的固态硬盘及读写缓存管理方法，MRAM包括读写缓存，读写MRAM比读写NAND快得多，因此能够提高固态硬盘的读写性能，同时减少了写NAND次数，延长了NAND的寿命；通过读写权重，将频繁操作的页保留在读写缓存中，从而提高固态硬盘的读写性能；将读、写操作赋予不同的权重值，能够有效减小写回NAND的次数，从而延长NAND的寿命；不再需要使用断电保护系统，降低了固态硬盘的成本，同时降低了功耗。

Description

一种使用MRAM的固态硬盘及读写缓存管理方法
技术领域
本发明涉及固态硬盘，尤其涉及一种使用MRAM的固态硬盘及读写缓存管理方法。
背景技术
当前，NAND闪存技术的发展推动了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，用于支持计算和缓存数据的DDR DRAM(内存)，以及一个主控芯片(SSD Controller)组成。有时候还需要断电保护系统。
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。里面的每一个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3000次左右。
因为NAND闪存的以上特性，SSD内部的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和物理地址是不同的，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。这样，逻辑地址物理地址的对照表是不断动态更新的。这个表正比于SSD的总容量，存在DDR DRAM里，另外在NAND里面也有相应的标记。随着市场上SSD容量的迅速增加，这个表成为DRAM最大的消耗者。
由于NAND的读写速度比DRAM慢得多，还可以利用一部分DRAM空间作读、写的缓存(Cache)，提高整个SSD的性能。然而引入写缓存产生了新的问题:一旦发生断电，DRAM缓存中尚未写入NAND的内容会丢失，造成系统丢失数据甚至整个文件系统的损坏。所以必须同时使用昂贵的、体积大的断电保护系统(一般由电池或者大量的电容器组成)。而逻辑-物理地址对照表，在发生断电后，是可以利用NAND中的数据重新构造的，尽管很费时间。
从以上介绍可以看出，SSD的设计遇到了两难：如果不使用写缓存，产品的写入性能大打折扣；如果使用写缓存，必须同时使用昂贵又占体积的断电保护设备，造成费效比很差。
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。MRAM的经济性相当好，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。MRAM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。
本领域的技术人员致力于开发一种费效比高且功耗低的固态硬盘，既能够保证读写性能，延长NAND的寿命；又能够降低固态硬盘的成本，同时降低功耗。
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固态硬盘，既能够保证读写性能，延长NAND的寿命；又能够降低固态硬盘的成本，同时降低功耗。
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。MRAM取代DRAM，可以保证读写性能；同时由于不使用DRAM不再使用昂贵的、体积大的断电保护系统，降低了固态硬盘的成本，同时也降低了功耗。
本发明提供一种使用MRAM的固态硬盘，包括主控芯片、用于存储数据的一组NAND芯片以及MRAM，NAND芯片、MRAM分别与主控芯片连接，MRAM包括读写缓存以及缓存表。
本发明提供的固态硬盘，MRAM包括读写缓存，读写MRAM比读写NAND快得多，因此能够提高固态硬盘的读写性能，同时减少了写NAND次数，延长了NAND的寿命。
MRAM可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据，不再需要使用昂贵的、体积大的断电保护系统，降低了固态硬盘的成本，同时也降低了功耗。
进一步地，缓存表包括读写缓存中缓存页的读写权重。
本发明提供的固态硬盘，通过读写缓存中缓存页的读写权重，来判断缓存页是否留在读写缓存中。在清理读写缓存时，读写权重值高的留在读写缓存，而读写权重值低的写回NAND，也就是将频繁操作的页保留在读写缓存中，减小写回NAND的次数，从而提高固态硬盘的读写性能，延长NAND的寿命。
进一步地，如果对读写缓存中一页进行读操作，页的读写权重加上读权重值；如果对读写缓存中一页进行写操作，页的读写权重加上写权重值，读权重值小于写权重值。
本发明提供的固态硬盘，将读、写操作赋予不同的权重值，读权重值小于写权重值，由于写操作更影响写回NAND的次数，赋予写操作更高的权重值能够有效减小写回NAND的次数，从而延长NAND的寿命。
进一步地，缓存表还包括读写缓存中缓存页的是否已更新、读写时间。
在清理读写缓存时，清理读写时间最早的缓存页，如果该缓存已更新，写回NAND，释放该缓存页；如果未更新，直接释放该缓存页。
进一步地，MRAM通过DRAM接口与主控芯片连接。
进一步地，MRAM与主控芯片集成在一个芯片中。
本发明还提供一种固态硬盘的读方法，包括以下步骤：
(1)收到读取NAND页指令；
(2)根据逻辑页编号在缓存表中搜索要读取的NAND页是否在MRAM中的读写缓存中，如果在读写缓存中，执行步骤(6)；如果不在读写缓存中，执行步骤(3)；
(3)从NAND中读取NAND页的数据，保存到读写缓存中的空闲缓存页，并输出数据；
(4)在缓存表中添加记录，记录中读写权重为读权重值，记录中读写时间为当前时间；
(5)如果读写缓存中的空闲缓存页的数量小于第一预警值，清理读写缓存；否则，执行步骤(7)；
(6)从读写缓存中相应的缓存页读取数据，缓存页的读写权重加上读权重值，并记录读写时间；
(7)读操作结束。
进一步地，步骤(5)中清理读写缓存的方法包括以下步骤：
(51)将缓存表中所有缓存页的读写权重减去读权重值；
(52)如果存在读写权重小于或等于0的缓存页，执行步骤(53)；否则执行步骤(51)；
(53)找到读写时间最早的缓存页；
(54)如果缓存页未更新，直接释放缓存页；否则将缓存页的数据写回NAND，并释放缓存页；
(55)删除缓存表中的相关记录；
(56)读写缓存中空闲缓存页的数量大于或等于第二预警值，停止清理读写缓存；否则执行步骤(52)。
本发明还提供一种固态硬盘的写方法，其特征在于，固态硬盘的写方法包括以下步骤：
(1)收到写NAND页指令；
(2)根据逻辑页编号在缓存表中搜索要写的NAND页是否在MRAM中的读写缓存中，如果在读写缓存中，执行步骤(6)；如果不在读写缓存中，执行步骤(3)；
(3)将写NAND页指令中的数据写入读写缓存的空闲缓存页中；
(4)在缓存表中添加记录，记录中读写权重为写权重值，记录中读写时间为当前时间，是否已更新设置为已更新；
(5)如果读写缓存中的空闲缓存页的数量小于第一预警值，清理读写缓存；否则，执行步骤(8)；
(6)将写NAND页指令中的数据写入读写缓存中相应的缓存页中；
(7)缓存页的读写权重加上写权重值，读写时间设置为当前时间，是否已修改设置为已修改；
(8)写操作结束。
与现有技术相比，本发明提供的固态硬盘及读写方法具有以下有益效果：
(1)MRAM包括读写缓存，读写MRAM比读写NAND快得多，因此能够提高固态硬盘的读写性能，同时减少了写NAND次数，延长了NAND的寿命；
(2)通过读写缓存中缓存页的读写权重，来判断缓存页是否留在读写缓存中，也就是将频繁操作的页保留在读写缓存中，从而提高固态硬盘的读写性能；
(3)将读、写操作赋予不同的权重值，读权重值小于写权重值，由于写操作更影响写回NAND的次数，赋予写操作更高的权重值能够有效减小写回NAND的次数，从而延长NAND的寿命；
(4)MRAM可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据，不再需要使用昂贵的、体积大的断电保护系统，降低了固态硬盘的成本，同时也降低了功耗。
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是现有技术中固态硬盘的结构示意图；
图2是混合使用DRAM和MRAM的固态硬盘的结构示意图；
图3是本发明的一个实施例的固态硬盘的结构示意图；
图4是图3所示的固态硬盘的读操作流程图；
图5是图3所示的固态硬盘的清理读写缓存的流程图；
图6是图3所示的固态硬盘的写操作流程图；
图7是本发明的另一个实施例的固态硬盘的结构示意图。
具体实施方式
如图3所示，本发明提供一种使用MRAM的固态硬盘，包括主控芯片、用于存储数据的一组NAND芯片以及MRAM，NAND芯片、MRAM分别与主控芯片连接，MRAM包括读写缓存以及缓存表。
MRAM通过DRAM接口与主控芯片连接。
本实施例的固态硬盘，MRAM包括读写缓存，读写MRAM比读写NAND快得多，因此能够提高固态硬盘的读写性能，同时减少了写NAND次数，延长了NAND的寿命。
MRAM可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据，不再需要使用昂贵的、体积大的断电保护系统，降低了固态硬盘的成本，同时也降低了功耗。
缓存表包括读写缓存中每个页的读写权重。
本实施例的固态硬盘，通过读写缓存中缓存页的读写权重，来判断缓存页是否留在读写缓存中。在清理读写缓存时，读写权重值高的留在读写缓存，而读写权重值低的写回NAND，也就是将频繁操作的页保留在读写缓存中，减小写回NAND的次数，从而提高固态硬盘的读写性能，延长NAND的寿命。
如果对读写缓存中一页进行读操作，页的读写权重加上读权重值；如果对读写缓存中一页进行写操作，页的读写权重加上写权重值，读权重值小于写权重值。
本实施例的固态硬盘，将读、写操作赋予不同的权重值，读权重值小于写权重值，由于写操作更影响写回NAND的次数，赋予写操作更高的权重值能够有效减小写回NAND的次数，从而延长NAND的寿命。
本实施例中，写权重值为2,读权重值为1。
缓存表还包括读写缓存中缓存页的是否已更新、读写时间。
在清理读写缓存时，清理读写时间最早的缓存页，如果该缓存已更新，写回NAND，释放该缓存页；如果未更新，直接释放该缓存页。
如图4所示，本实施例的固态硬盘的读方法，包括以下步骤：
(1)收到读取NAND页指令；
(2)根据逻辑页编号在缓存表中搜索要读取的NAND页是否在MRAM中的读写缓存中，如果在读写缓存中，执行步骤(6)；如果不在读写缓存中，执行步骤(3)；
(3)从NAND中读取NAND页的数据，保存到读写缓存中的空闲缓存页，并输出数据；
(4)在缓存表中添加记录，记录中读写权重为读权重值，记录中读写时间为当前时间；
(5)如果读写缓存中的空闲缓存页的数量小于第一预警值，清理读写缓存；否则，执行步骤(7)；
(6)从读写缓存中相应的缓存页读取数据，缓存页的读写权重加上读权重值，并记录读写时间；
(7)读操作结束。
步骤(5)中清理读写缓存的方法，如图5所示，包括以下步骤：
(51)将缓存表中所有缓存页的读写权重减去读权重值；
(52)如果存在读写权重小于或等于0的缓存页，执行步骤(3)；否则执行步骤(1)；
(53)找到读写时间最早的缓存页；
(54)如果所述缓存页未更新，直接释放缓存页；否则将缓存页的数据写回NAND，并释放缓存页；
(55)删除缓存表中的相关记录；
(56)读写缓存中空闲缓存页的数量大于或等于第二预警值，停止清理读写缓存；否则执行步骤(52)。
第一预警值、第二预警值可以根据具体情况设置，第一预警值小于第二预警值。
本实施例中，第一预警值设置为总缓存页数的10％，第二预警值设置为30％，这样不等缓存完全没有空间就开始清理，保证了几乎总有缓存页可以使用。
空闲缓存页可以用一个链表管理，便于添加和取出。
本实施例的固态硬盘的写方法，如图6所示，包括以下步骤：
(1)收到写NAND页指令；
(2)根据逻辑页编号在缓存表中搜索要写的NAND页是否在MRAM中的读写缓存中，如果在读写缓存中，执行步骤(6)；如果不在读写缓存中，执行步骤(3)；
(3)将写NAND页指令中的数据写入读写缓存的空闲缓存页中；
(4)在缓存表中添加记录，记录中读写权重为写权重值，记录中读写时间为当前时间，是否已修改设置为已修改；
(5)如果读写缓存中的空闲缓存页的数量小于第一预警值，清理读写缓存；否则，执行步骤(8)；
(6)将写NAND页指令中的数据写入读写缓存中相应的缓存页中；
(7)缓存页的读写权重加上写权重值，读写时间设置为当前时间，是否已更新设置为已更新；
(8)写操作结束。
如图7所示，本发明提供一种使用MRAM的固态硬盘，包括主控芯片、用于存储数据的一组NAND芯片以及MRAM，NAND芯片、MRAM分别与主控芯片连接，MRAM包括读写缓存以及缓存表。
MRAM与主控芯片集成在一个芯片中。
本发明提供的固态硬盘及读写方法，MRAM包括读写缓存，读写MRAM比读写NAND快得多，因此能够提高固态硬盘的读写性能，同时减少了写NAND次数，延长了NAND的寿命；通过读写缓存中缓存页的读写权重，来判断缓存页是否留在读写缓存中，也就是将频繁操作的页保留在读写缓存中，从而提高固态硬盘的读写性能；将读、写操作赋予不同的权重值，读权重值小于写权重值，由于写操作更影响写回NAND的次数，赋予写操作更高的权重值能够有效减小写回NAND的次数，从而延长NAND的寿命；MRAM可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据，不再需要使用昂贵的、体积大的断电保护系统，降低了固态硬盘的成本，同时也降低了功耗。
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 (6)

1.一种使用MRAM的固态硬盘，包括主控芯片、用于存储数据的一组NAND芯片以及MRAM，所述NAND芯片、所述MRAM分别与所述主控芯片连接，其特征在于，所述MRAM包括读写缓存以及缓存表，所述缓存表包括所述读写缓存中缓存页的读写权重，如果对读写缓存中一页进行读操作，所述页的读写权重加上读权重值；如果对读写缓存中一页进行写操作，所述页的读写权重加上写权重值，所述读权重值小于所述写权重值。
2.如权利要求1所述的固态硬盘，其特征在于，所述缓存表还包括所述读写缓存中缓存页的更新状态、读写时间。
3.权利要求1所述的固态硬盘，其特征在于，所述MRAM通过DRAM接口与所述主控芯片连接。
4.如权利要求1所述的固态硬盘，其特征在于，所述MRAM与所述主控芯片集成在一个芯片中。
5.如权利要求1-4中任一项所述的固态硬盘的读方法，其特征在于，所述固态硬盘的读方法包括以下步骤：
(1)收到读取NAND页指令；
(2)根据逻辑页编号在缓存表中搜索要读取的NAND页是否在MRAM中的读写缓存中，如果在所述读写缓存中，执行步骤(6)；如果不在所述读写缓存中，执行步骤(3)；
(3)从NAND中读取所述NAND页的数据，保存到所述读写缓存中的空闲缓存页，并输出所述数据；
(4)在所述缓存表中添加记录，所述记录中读写权重为读权重值，所述记录中读写时间为当前时间；
(5)如果所述读写缓存中的空闲缓存页的数量小于第一预警值，清理所述读写缓存，清理所述读写缓存的方法包括以下步骤：
(51)将缓存表中所有缓存页的读写权重减去读权重值；
(52)如果存在读写权重小于或等于0的缓存页，执行步骤(53)；否则执行步骤(51)；
(53)找到读写时间最早的缓存页；
(54)如果所述缓存页未更新，直接释放所述缓存页；否则将所述缓存页的数据写回NAND，并释放所述缓存页；
(55)删除缓存表中的相关记录；
(56)所述读写缓存中空闲缓存页的数量大于或等于第二预警值，停止清理所述读写缓存；否则执行步骤(52),；否则，执行步骤(7)；
(6)从所述读写缓存中相应的缓存页读取数据，所述缓存页的读写权重加上读权重值，并记录读写时间；
(7)读操作结束。
6.如权利要求1-4中任一项所述的固态硬盘的写方法，其特征在于，所述固态硬盘的写方法包括以下步骤：
(1)收到写NAND页指令；
(2)根据逻辑页编号在缓存表中搜索要写的NAND页是否在MRAM中的读写缓存中，如果在所述读写缓存中，执行步骤(6)；如果不在所述读写缓存中，执行步骤(3)；
(3)将写NAND页指令中的数据写入所述读写缓存的空闲缓存页中；
(4)在所述缓存表中添加记录，所述记录中读写权重为写权重值，所述记录中读写时间为当前时间，更新状态设置为已更新；
(5)如果所述读写缓存中的空闲缓存页的数量小于第一预警值，清理所述读写缓存；否则，执行步骤(8)；
(6)将写NAND页指令中的数据写入读写缓存中相应的缓存页中；
(7)所述缓存页的读写权重加上写权重值，读写时间设置为当前时间，更新状态设置为已更新；
(8)写操作结束。
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