CN105630704A - 存储装置及使用基于块的逻辑物理地址对照表的读写方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种存储装置，包括主机接口、主控芯片、用于存储数据的一个或多个NAND芯片以及MRAM，MRAM包括写缓存或读写缓存，MRAM还包括基于块的逻辑物理地址对照表，用于存储逻辑块号与其对应的物理块号。本发明还提供使用基于块的逻辑物理地址对照表的读写方法。本发明提供的存储装置及使用基于块的逻辑物理地址对照表的读写方法，既能够保证读写性能，又能够减少擦除NAND的次数，延长存储装置的寿命；采用基于块的逻辑物理地址对照表，由于块比页大得多，能够节省大量存储空间；如果NAND写入通道发生阻塞，将相应的NAND页写入替换页，并更新页替换表，进一步提高写入性能。

Description

存储装置及使用基于块的逻辑物理地址对照表的读写方法

技术领域

本发明涉及数据存储领域，尤其涉及一种存储装置及使用基于块的逻辑物理地址对照表的读写方法。

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DDRDRAM(内存)，以及一个主控芯片(SSDController)组成，NAND中还存储逻辑地址与物理地址对照表。有时候还需要断电保护系统。

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，而通常不采用DRAM，而采用少量集成在主控芯片内部的SRAM。

NAND是一种整块读写的存储设备，最小可读取的单元叫page，最小可擦除的单元叫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。

如图2所示，手机与计算机的文件操作方式如下：

(1)应用软件向操作系统发出打开、关闭、读、写文件指令；

(2)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；

(3)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。

在手机中，NAND驱动与管理软件通常作为与操作系统紧密相关的软件模块，在主机芯片上运行；在计算机中，NAND驱动与管理软件通常在固态硬盘的主控芯片上运行。

NAND闪存的一个问题是NAND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DDRDRAM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。

NAND闪存一般在出厂时就有一些损坏的块。所以所有的NAND都伴随着一个坏块表，一般会被存储在NAND的指定区域或者在坏块上做标记。所以，一般NAND厂家提供的产品容量都大于标定值，留有一些备份块。

NAND在使用过程中坏块可能还会不断出现。最常见的情况下是在写入或擦除时，芯片的状态显示可能会表示写入、擦除失败。此时NAND管理软件应该找到一个替代块，重新写入数据。较少的情况下，读出时也会因为纠错和校验而失败，此时数据通常能够通过多次重复读来恢复，但NAND管理软件可能会寻找替代块把数据转存过去。

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。

使用速度快并且断电后保持内容的MRAM取代DRAM固然可以解决这个问题。但未来相当长一段时间内，MRAM会比DRAM贵很多。使用大量的MRAM同样会显著增加产品的成本。

当前基于NAND的文件存储系统还有一个令人头疼的问题，大文件大多被储存在一些不连续的NAND页中，这就叫文件的碎片化。碎片化对NAND寿命和存储性能是有很大影响的。NAND最小可擦除的单位是block(块)，一个block可能有多达512个page。按照目前的存储方法，一个512个page(页)的文件可能被存到512个不同的block中，虽然这个文件本来可以用一个block存储。当这个文件被删除时就会擦除512个block，可能数千个文件会随着这个文件被擦除不得不被重写一遍。较多的NAND擦写次数会缩短NAND的寿命，导致固态硬盘或手机提前报废。

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存储装置，只使用少量MRAM，主要使用物理地址的方法，能够在不牺牲系统性能的情况下节省大量逻辑物理地址对照表占用的存储空间。

本发明还提供了读写方法。

由于块比页大得多，如果采用基于块的地址翻译代替基于页的地址翻译，也就是采用基于块的逻辑物理地址对照表代替基于页的逻辑物理地址对照表，可能只占用原来存储空间的1/512，能够节省大量存储空间。

基于块的地址翻译相对于基于页的地址翻译，存在一个问题：当数据写回NAND芯片时，可能一个页的更新会导致一个块的重写。不像基于页的地址翻译，可以找一个新页写入数据，原来块虽然迟早需要擦除重写，但可以等到系统空闲的时候做。所以，对于短时间大量涌入的数据，基于块的地址翻译处理的能力差。

本发明采用以下措施解决上述问题：

(1)NAND芯片可以通过多通道的平行写入加大写入的带宽，现代和未来的NAND芯片容量会越来越大，能够同时写入的通道会越来越多。每个固态硬盘可以有很多的NAND芯片，每个芯片内部可以封装了很多硅片，每个硅片上有不同的Plane，这些都是可以进行平行写入的，例如一个大型的固态硬盘可以有数百个NAND芯片写入通道；

(2)使用的MRAM的写缓存，把经常写入的页保存在写缓存内，有效地降低了实际需要的NAND的写入次数；

(3)在仍然发生NAND芯片写入通道阻塞的小概率事件时，使用临时页替换表写入替换页中。

本发明提供一种存储装置，包括主机接口、主控芯片、用于存储数据的一个或多个NAND芯片以及MRAM，NAND芯片、MRAM分别与主控芯片连接，MRAM包括写缓存或读写缓存，MRAM还包括基于块的逻辑物理地址对照表，用于存储逻辑块号与其对应的物理块号。

采用基于块的逻辑物理地址对照表代替基于页的逻辑物理地址对照表，由于块比页大得多，能够节省大量存储空间。

进一步地，对于每个NAND页，基于块的逻辑地址为包括逻辑块号与页号，基于块的物理地址为包括物理块号与页号，其中物理块号为基于块的逻辑物理地址对照表中逻辑块号对应的物理块号，基于块的逻辑地址中的页号与基于块的物理地址中的页号相同。

进一步地，MRAM通过DDRDRAM接口与存储装置的主控芯片连接，或者MRAM集成于存储装置的主控芯片中。

进一步地，MRAM还包括页替换表，页替换表用于存储发生NAND写入通道阻塞时需要替换的页。

NAND芯片通过多通道的平行写入加大了写入的带宽，提高了写入性能。如果NAND写入通道发生阻塞，将相应的NAND页写入替换页，并更新页替换表，进一步提高写入性能。

本发明还提供一种存储装置的使用基于块的逻辑物理地址对照表的读方法，包括以下步骤：

(1)收到读NAND页指令；

(2)根据NAND页的逻辑地址，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，从写缓存或读写缓存中读取数据，执行步骤(5)；如果不在写缓存或读写缓存中，执行步骤(3)；

(3)搜索基于块的逻辑物理地址对照表，根据NAND页的逻辑地址中的逻辑块号，获得NAND页的物理块号，与NAND页的逻辑地址中的页号组合，得到NAND页的物理地址；

(4)根据NAND页的物理地址，从NAND芯片中读取NAND页数据；

(5)读操作结束。

进一步地，步骤(3)得到NAND页的物理地址之后还包括；搜索页替换表，如果NAND页在页替换表中，用其替换页的物理地址取代原来的物理地址。

本发明还提供一种存储装置的使用基于块的逻辑物理地址对照表的写方法，包括以下步骤：

(1)收到写NAND页指令；

(2)根据NAND页的逻辑地址，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，将写NAND页指令中的数据写入写缓存或读写缓存中相应缓存页，执行步骤(5)；如果不在写缓存或读写缓存中，执行步骤(3)；

(3)在写缓存或读写缓存中，分配一个空闲的缓存页，将写NAND页指令中的数据写入缓存页；

(4)如果写缓存或读写缓存的空闲的缓存页少于第一警戒值，清理写缓存或读写缓存；

(5)写操作结束。

进一步地，步骤(4)中清理写缓存或读写缓存中包括将缓存页写回NAND芯片，将缓存页写回NAND芯片包括以下步骤：

(41)根据设定规则，在写缓存或读写缓存中选择需要清理的NAND页的缓存页；

(42)搜索基于块的逻辑物理地址对照表，根据NAND页的逻辑地址中的逻辑块号，获得NAND页的物理块号；

(43)找到写缓存或读写缓存中与NAND页所属的块相同且已更新的页，与NAND页所属的块原来的数据合并；

(44)在NAND芯片中选择一个空闲块，将合并的数据写入空闲块；

(45)释放NAND页所属的块；

(46)用空闲块的块号更新块的逻辑物理地址对照表中相应的物理块号；

(47)释放NAND页的缓存页。

进一步地，步骤(43)与NAND页所属的块原来的数据合并之后还包括：搜索页替换表，如果NAND页所属的块中的NAND页在页替换表中，且其替换页不在写缓存或读写缓存中，从其替换页中读出数据合并进来，释放所有该块内的替换页且更新页替换表

进一步地，步骤(42)获得所述NAND页的物理块号后，如果NAND写入通道发生阻塞，找到一个空闲页作为替换，将相应的NAND页写入替换页，并更新页替换表。

与现有技术相比，本发明提供的存储装置及使用基于块的逻辑物理地址对照表的读写方法具有以下有益效果：

(1)MRAM包括写缓存或读写缓存，能够保证读写性能，又能够减少擦除NAND的次数，延长存储装置的寿命；

(2)由于不使用DDRDRAM，无需使用昂贵又占体积的断电保护设备，降低了固态硬盘的成本，同时降低了固态硬盘的功耗；

(3)采用基于块的逻辑物理地址对照表，由于块比页大得多，能够节省大量存储空间；

(4)如果NAND写入通道发生阻塞，将相应的NAND页写入替换页，并更新页替换表，进一步提高写入性能。

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是现有技术中文件操作流程图；

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

本发明可以用在多种存储装置中，例如固态硬盘(SSD)、eMMC、SD卡、microSD卡(又称为T-Flash卡)，以下以固态硬盘为例进行说明。

如图3所示，本发明的一个实施例的固态硬盘，包括主机接口、主控芯片、用于存储数据的一个或多个NAND芯片以及MRAM，NAND芯片、MRAM分别与主控芯片连接，MRAM包括写缓存或读写缓存，MRAM还包括基于块的逻辑物理地址对照表，用于存储逻辑块号与其对应的物理块号。

采用基于块的逻辑物理地址对照表代替基于页的逻辑物理地址对照表，由于块比页大得多，能够节省大量存储空间。

对于每个NAND页，基于块的逻辑地址为包括逻辑块号与页号，基于块的物理地址为包括物理块号与页号，其中物理块号为基于块的逻辑物理地址对照表中逻辑块号对应的物理块号，基于块的逻辑地址中的页号与基于块的物理地址中的页号相同。

本实施例中，MRAM集成于固态硬盘的主控芯片中。

对于本实施例中的固态硬盘，使用基于块的逻辑物理地址对照表的读方法，包括以下步骤：

(1)收到读NAND页指令；

(2)根据NAND页的逻辑地址，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，从写缓存或读写缓存中读取数据，执行步骤(5)；如果不在写缓存或读写缓存中，执行步骤(3)；

(3)搜索基于块的逻辑物理地址对照表，根据NAND页的逻辑地址中的逻辑块号，获得NAND页的物理块号，与NAND页的逻辑地址中的页号组合，得到NAND页的物理地址；

(4)根据NAND页的物理地址，从NAND芯片中读取NAND页数据；

(5)读操作结束。

步骤(3)得到NAND页的物理地址之后还包括；搜索页替换表，如果NAND页在页替换表中，用其替换页的物理地址取代原来的物理地址。

对于本实施例中的固态硬盘，使用基于块的逻辑物理地址对照表的写方法，包括以下步骤：

(1)收到写NAND页指令；

(2)根据NAND页的逻辑地址，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，将写NAND页指令中的数据写入写缓存或读写缓存中相应缓存页，执行步骤(5)；如果不在写缓存或读写缓存中，执行步骤(3)；

(3)在写缓存或读写缓存中，分配一个空闲的缓存页，将写NAND页指令中的数据写入缓存页；

(4)如果写缓存或读写缓存的空闲的缓存页少于第一警戒值，清理写缓存或读写缓存；

(5)写操作结束。

步骤(4)中清理写缓存或读写缓存中包括将缓存页写回NAND芯片，将缓存页写回NAND芯片包括以下步骤：

(41)根据设定规则，在写缓存或读写缓存中选择需要清理的NAND页的缓存页；

(42)搜索基于块的逻辑物理地址对照表，根据NAND页的逻辑地址中的逻辑块号，获得NAND页的物理块号；

(43)找到写缓存或读写缓存中与NAND页所属的块相同且已更新的页，与NAND页所属的块原来的数据合并；

(44)在NAND芯片中选择一个空闲块，将合并的数据写入空闲块；

(45)释放NAND页所属的块；

(46)用空闲块的块号更新块的逻辑物理地址对照表中相应的物理块号；

(47)释放NAND页的缓存页。

如图4所示，本发明的另一个实施例的固态硬盘，与图3所示的固态硬盘的区别在于：MRAM通过DDRDRAM接口与固态硬盘的主控芯片连接；MRAM还包括页替换表，页替换表用于存储发生NAND写入通道阻塞时需要替换的页。

NAND芯片通过多通道的平行写入加大了写入的带宽，提高了写入性能。如果NAND写入通道发生阻塞，将相应的NAND页写入替换页，并更新页替换表，进一步提高写入性能。

对于本实施例中的固态硬盘，使用基于块的逻辑物理地址对照表的读写方法，与图3所示的固态硬盘的使用基于块的逻辑物理地址对照表的读写方法相似，区别在于：将缓存页写回NAND芯片包括以下步骤：

(41)根据设定规则，在写缓存或读写缓存中选择需要清理的NAND页的缓存页；

(42)搜索基于块的逻辑物理地址对照表，根据NAND页的逻辑地址中的逻辑块号，获得NAND页的物理块号，如果NAND写入通道发生阻塞，找到一个空闲页作为替换，将相应的NAND页写入替换页，并更新页替换表；

(43)找到写缓存或读写缓存中与NAND页所属的块相同且已更新的页，搜索页替换表，如果NAND页所属的块中的NAND页在页替换表中，且其替换页不在写缓存或读写缓存中，从其替换页中读出数据合并进来，释放所有该块内的替换页且更新页替换表；

(44)在NAND芯片中选择一个空闲块，将合并的数据写入空闲块；

(45)释放NAND页所属的块；

(46)用空闲块的块号更新块的逻辑物理地址对照表中相应的物理块号；

(47)释放NAND页的缓存页。

本发明还可以用在其他存储设备，例如eMMC、SD卡、microSD卡，eMMC(EmbeddedMultiMediaCard)为MMC协会所订立的、主要是针对手机或平板电脑等产品的内嵌式存储器标准规格，eMMC是单个闪存芯片、主控芯片组成，并提供标准主机接口。SD卡(SecureDigitalMemoryCard)是一种基于半导体闪存工艺的存储卡，是基于MultimediaCard(MMC)格式上发展而来，MicroSDCard，原名Trans-flashCard(TF卡)，2004年正式更名为MicroSDCard，由SanDisk(闪迪)公司发明。

本发明提供的存储装置及使用基于块的逻辑物理地址对照表的读写方法，MRAM包括写缓存或读写缓存，能够保证读写性能，又能够减少擦除NAND的次数，延长存储装置的寿命；由于不使用DDRDRAM，无需使用昂贵又占体积的断电保护设备，降低了固态硬盘的成本，同时降低了固态硬盘的功耗；采用基于块的逻辑物理地址对照表，由于块比页大得多，能够节省大量存储空间；如果NAND写入通道发生阻塞，将相应的NAND页写入替换页，并更新页替换表，进一步提高写入性能。

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 (10)

1.一种存储装置，包括主机接口、主控芯片、用于存储数据的一个或多个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，所述MRAM包括写缓存或读写缓存，其特征在于，所述MRAM还包括基于块的逻辑物理地址对照表，用于存储逻辑块号与其对应的物理块号。

2.如权利要求1所述的存储装置，其特征在于，对于每个NAND页，基于块的逻辑地址为包括逻辑块号与页号，基于块的物理地址为包括物理块号与页号，其中物理块号为基于块的逻辑物理地址对照表中逻辑块号对应的物理块号，基于块的逻辑地址中的页号与基于块的物理地址中的页号相同。

3.如权利要求1所述的存储装置，其特征在于，所述MRAM通过DDRDRAM接口与所述存储装置的主控芯片连接，或者所述MRAM集成于所述存储装置的主控芯片中。

4.如权利要求1所述的存储装置，其特征在于，所述MRAM还包括页替换表，所述页替换表用于存储发生NAND写入通道阻塞时需要替换的页。

5.一种如权利要求1-4所述的存储装置的使用基于块的逻辑物理地址对照表的读方法，包括以下步骤：

(1)收到读NAND页指令；

(2)根据所述NAND页的逻辑地址，搜索所述NAND页是否在所述写缓存或读写缓存中，如果在所述写缓存或读写缓存中，从所述写缓存或读写缓存中读取数据，执行步骤(5)；如果不在所述写缓存或读写缓存中，执行步骤(3)；

(3)搜索基于块的逻辑物理地址对照表，根据所述NAND页的逻辑地址中的逻辑块号，获得所述NAND页的物理块号，与所述NAND页的逻辑地址中的页号组合，得到所述NAND页的物理地址；

(4)根据所述NAND页的物理地址，从NAND芯片中读取所述NAND页数据；

(5)读操作结束。

6.如权利要求5所述的使用基于块的逻辑物理地址对照表的读方法，其特征在于，步骤(3)得到所述NAND页的物理地址之后还包括；搜索页替换表，如果所述NAND页在所述页替换表中，用其替换页的物理地址取代原来的物理地址。

7.一种如权利要求1-4所述的存储装置的使用基于块的逻辑物理地址对照表的写方法，包括以下步骤：

(1)收到写NAND页指令；

(2)根据所述NAND页的逻辑地址，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读写缓存中，将所述写NAND页指令中的数据写入所述写缓存或读写缓存中相应缓存页，执行步骤(5)；如果不在所述写缓存或读写缓存中，执行步骤(3)；

(3)在所述写缓存或读写缓存中，分配一个空闲的缓存页，将所述写NAND页指令中的数据写入所述缓存页；

(4)如果所述写缓存或所述读写缓存的空闲的缓存页少于第一警戒值，清理所述写缓存或读写缓存；

(5)写操作结束。

8.如权利要求7所述的使用基于块的逻辑物理地址对照表的写方法，其特征在于，步骤(4)中清理所述写缓存或所述读写缓存中包括将缓存页写回NAND芯片，将缓存页写回NAND芯片包括以下步骤：

(41)根据设定规则，在所述写缓存或所述读写缓存中选择需要清理的NAND页的缓存页；

(42)搜索基于块的逻辑物理地址对照表，根据所述NAND页的逻辑地址中的逻辑块号，获得所述NAND页的物理块号；

(43)找到所述写缓存或所述读写缓存中与所述NAND页所属的块相同且已更新的页，与所述NAND页所属的块原来的数据合并；

(44)在NAND芯片中选择一个空闲块，将合并的数据写入所述空闲块；

(45)释放所述NAND页所属的块；

(46)用所述空闲块的块号更新所述块的逻辑物理地址对照表中相应的物理块号；

(47)释放所述NAND页的缓存页。

9.如权利要求8所述的使用基于块的逻辑物理地址对照表的写方法，其特征在于，步骤(43)与所述NAND页所属的块原来的数据合并之后还包括：搜索页替换表，如果所述NAND页所属的块中的NAND页在所述页替换表中，且其替换页不在所述写缓存或所述读写缓存中，从其替换页中读出数据合并进来，释放所有该块内的替换页且更新页替换表。

10.如权利要求8所述的使用基于块的逻辑物理地址对照表的写方法，其特征在于，步骤(42)获得所述NAND页的物理块号后，如果NAND写入通道发生阻塞，找到一个空闲页作为替换，将相应的NAND页写入替换页，并更新页替换表。