CN107765989A - 一种存储设备控制芯片、存储设备及存储设备管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种存储设备控制器芯片，包括CPU、NAND控制器以及主机接口，存储设备控制器芯片还包括MRAM，MRAM中设置有存储地址表，存储地址表用于记录逻辑物理地址对照表每一页在NAND中的存储位置，逻辑物理地址对照表记录供系统软件使用的数据/文件页存储的逻辑地址与数据/文件实际存储的物理NAND页地址的对应关系。本发明还提供一种存储设备以及存储设备管理方法。本发明提供的存储设备控制芯片、存储设备及存储设备管理方法，使用MRAM中的存储地址表管理逻辑物理地址对照表的实际存储位置，而不必将逻辑物理地址对照表存储在NAND中的固定地址，避免原地修改这样非常耗时的操作，提高存储设备的系统性能，且延长NAND的使用寿命；由于MRAM能够断电保存，使得在突然断电的情况下逻辑物理地址对照表是安全的。

Description

一种存储设备控制芯片、存储设备及存储设备管理方法

技术领域

本发明涉及存储设备领域，具体涉及一种存储设备控制芯片、存储设备及存储设备管理方法。

背景技术

NAND闪存技术的发展推动了SSD产业。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，以及一个主控芯片(SSD Controller)组成。大多数都还有用于支持计算和缓存数据的DDR DRAM(内存)，有时候还需要断电保护系统。

手机上使用的eMMC、SD、UFS等存储卡，架构类似，同样是以一个控制芯片为核心，使用NAND做存储介质。只是大部分不含外置DRAM存储，而使用控制芯片内部的SRAM。与接口的接口和SSD不同。

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(program)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。

关于MRAM技术：

本发明的背景是MRAM技术的成熟。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。

它的经济性相当地好，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。

从上面的介绍看，所有使用NAND为存储介质的存储设备，都需要一张逻辑物理地址对照表。随着存储设备的信息容量越来越大，这个对照表也要消耗大量的内存存储空间，在关机时只能存储在NAND介质里。特别是在手机存储卡中，由于内存有限，这个表格只能在使用时分段加载到内存中。由于每一次对NAND写操作，都需要更新这个对照表，该表格是以高频率更新的。为了保障数据安全，必须不断地对该表格进行存储。于是带来了两个问题:

(1)逻辑物理地址对照表需要在存储设备初始化时加载，因此必须存在固定的地址；而使用固定地址进行存储，就必须在原地对表格进行修改，原地修改对NAND闪存是非常耗时的操作，将严重影响系统性能。克服这个问题的解决方案非常复杂；

(2)对照表相比普通的NAND块(block)，被修改的频率高得多，因此容易因为擦写磨损造成坏块。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种，使用MRAM中的存储地址表管理逻辑物理地址对照表的实际存储位置，而不必将逻辑物理地址对照表存储在NAND中的固定地址，避免原地修改这样非常耗时的操作，提高存储设备的系统性能，并延长NAND的使用寿命。

本发明提供一种存储设备控制器芯片，包括CPU、NAND控制器以及主机接口，存储设备控制器芯片还包括MRAM，MRAM中设置有存储地址表，存储地址表用于记录逻辑物理地址对照表每一页在NAND中的存储位置，逻辑物理地址对照表记录供系统软件使用的数据/文件页存储的逻辑地址与数据/文件实际存储的物理NAND页地址的对应关系。

本发明还提供一种存储设备，包括一组NAND芯片，存储设备还包括存储设备控制器芯片与MRAM，MRAM中设置有存储地址表，存储地址表用于记录逻辑物理地 址对照表每一页的存储位置。

进一步地，MRAM集成在存储设备控制器芯片上。

进一步地，MRAM为独立芯片。

进一步地，存储设备为eMMC存储卡、SD存储卡、UFS存储卡或固态硬盘。

本发明还提供一种存储设备管理方法，包括以下步骤：

(1)一个逻辑物理地址对照表的页发生修改时，找到一个空闲的、已经擦除过的NAND页；

(2)将逻辑物理地址对照表的页写入NAND页中；

(3)回收MRAM中存储地址表中相应记录的地址对应的NAND页；

(4)更新MRAM中存储地址表中相应记录的地址为步骤(2)中的NAND页的地址。

与现有技术相比，本发明提供的存储设备控制芯片、存储设备及存储设备管理方法，具有以下有益效果：

(1)使用MRAM中的存储地址表管理逻辑物理地址对照表的实际存储位置，而不必将逻辑物理地址对照表存储在NAND中的固定地址，避免原地修改这样非常耗时的操作，提高存储设备的系统性能；

(2)逻辑物理地址对照表存储不存储在NAND中的固定地址，使得NAND的擦写磨损更为均匀，延长NAND的使用寿命；

(3)由于MRAM能够断电保存，使得在突然断电的情况下逻辑物理地址对照表是安全的。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的存储设备的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一个实施例的存储设备，该存储设备为固态硬盘，包括一组NAND芯片，也就是NAND库，存储设备还包括存储设备控制器芯片与MRAM，MRAM中设置有存储地址表，存储地址表用于记录逻辑物理地址对照表每一页的存储位置，逻辑物理地址对照表记录供系统软件使用的数据/文件页存储的逻辑地址与数据/文件实际存储的物理NAND页地址的对应关系。

本实施例中，MRAM集成在存储设备控制器芯片上，该存储设备控制器芯片包括CPU、NAND控制器以及主机接口，还包括MRAM，MRAM中设置有存储地址表。

主机接口为SATA/PCIe。

当然，在另一个实施例中，存储设备控制器芯片为常规的，也就是不包括MRAM，存储设备包括独立芯片的MRAM，MRAM中设置有存储地址表。

上述方案同样可以用于eMMC存储卡、SD存储卡以及UFS存储卡等存储设备。

本实施例中的存储设备的管理方法，包括以下步骤：

(1)一个逻辑物理地址对照表的页发生修改时，找到一个空闲的、已经擦除过的NAND页；

(2)将逻辑物理地址对照表的页写入NAND页中；

(3)回收MRAM中存储地址表中相应记录的地址对应的NAND页；

(4)更新MRAM中存储地址表中相应记录的地址为步骤(2)中的NAND页的地址。

采用上述存储设备管理方法，使用MRAM中的存储地址表管理逻辑物理地址对照表的实际存储位置，而不必将逻辑物理地址对照表存储在NAND中的固定地址，避免原地修改这样非常耗时的操作，提高存储设备的系统性能；逻辑物理地址对照表存储不存储在NAND中的固定地址，使得NAND的擦写磨损更为均匀，延长NAND的使用寿命；由于MRAM能够断电保存，使得在突然断电的情况下逻辑物理地址对照表是安全的。

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)

1.一种存储设备控制器芯片，包括CPU、NAND控制器以及主机接口，其特征在于，所述存储设备控制器芯片还包括MRAM，所述MRAM中设置有存储地址表，所述存储地址表用于记录逻辑物理地址对照表每一页在NAND中的存储位置，所述逻辑物理地址对照表记录供系统软件使用的数据/文件页存储的逻辑地址与数据/文件实际存储的物理NAND页地址的对应关系。

2.一种存储设备，包括一组NAND芯片，其特征在于，所述存储设备还包括存储设备控制器芯片与MRAM，所述MRAM中设置有存储地址表，所述存储地址表用于记录逻辑物理地址对照表每一页的存储位置。

3.如权利要求2所述的存储设备，其特征在于，所述MRAM集成在所述存储设备控制器芯片上。

4.如权利要求2所述的存储设备，其特征在于，所述MRAM为独立芯片。

5.如权利要求2所述的存储设备，其特征在于，所述存储设备为eMMC存储卡、SD存储卡、UFS存储卡或固态硬盘。

6.一种存储设备管理方法，其特征在于，所述存储设备管理方法包括以下步骤：

(1)一个逻辑物理地址对照表的页发生修改时，找到一个空闲的、已经擦除过的NAND页；

(2)将所述逻辑物理地址对照表的页写入所述NAND页中；

(3)回收MRAM中存储地址表中相应记录的地址对应的NAND页；

(4)更新MRAM中存储地址表中相应记录的地址为步骤(2)中的NAND页的地址。