CN108089820A - 一种混合使用mram和dram的存储装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种混合使用MRAM和DRAM的存储装置，包括主控芯片、NAND、DRAM及MRAM，NAND、DRAM、MRAM分别与主控芯片连接，NAND用作主要存储介质，DRAM用于保存逻辑地址与物理地址的对照表，MRAM用于存储对照表的更新数据。本发明中存储装置的常见形态是指固态硬盘或存储卡。本发明使用很小的一块MRAM就可以记录大量的对照表更新数据，用极小的成本解决了对照表的数据安全问题。由于对照表的数据安全了，NAND中对照表更新的次数大幅度下降，提高了产品的性能和寿命。

Description

一种混合使用MRAM和DRAM的存储装置
技术领域
本发明涉及一种信息存储装置，具体涉及一种混合使用MRAM和DRAM的存储装置，属于信息存储技术领域。
背景技术
NAND闪存技术的发展推动了固态硬盘(SSD)产业。如图1所示，固态硬盘与主机之间使用高速串行接口技术(如SATA、PICe等)连接。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内存(DDR DRAM)以及一个主控芯片(SSD Controller)组成，有时候还需要断电保护系统。
固态硬盘的主控芯片一般是多核CPU的架构，有与主机(HOST)的高速串行接口，以及与NAND闪存和内存(DDRDRAM)的接口，如图2所示。
NAND闪存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(program)操作。写入操作很慢，比读取操作慢得多，而擦除操作又比写入操作更加慢得多。
NAND闪存的一个问题是其使用寿命有限。NAND闪存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，固态硬盘内部的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与物理地址是不同的，需要一个对照表把二者对应起来。由于NAND闪存擦除太慢，一般修改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，逻辑地址与物理地址的对照表是不断动态更新的。这个对照表正比于固态硬盘的总容量，对照表存在于DRAM里，另外在NAND闪存里面也有相应的标记。随着固态硬盘容量的迅速增加，这个对照表成为DRAM最大的消耗者。
存在DRAM中的逻辑地址与物理地址对照表(业界常常称之为FTL)非常重要。对照表一旦丢失，存在NAND闪存中的数据将找不到。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。如果突然断电造成该对照表丢失，某些情况下可以利用NAND中的数据重新构造，但是需要很长时间。为了对照表的数据安全，必须很频繁地将数据写回到NAND中永久保留。这个表格很大，写回时会阻塞存储装置的使用，频繁地写入也会影响NAND的寿命。
MRAM作为一种既能快速读写，又是非易失存储的介质，完全可以部分的取代DRAM用作暂时存储数据。然而，MRAM的成本在很长一段时间内将比DRAM高很多，逻辑地址与物理地址对照表占用的内存大约相当于NAND闪存总容量的千分之一，容量非常大，用MRAM完全取代DRAM做存储的成本不可接受。
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：提供一种无需断电保护系统的存储装置，存储数据安全可靠且成本较低。
为了解决上述技术问题，本发明在存储装置中混合使用MRAM和DRAM，使用DRAM存储逻辑地址与物理地址的对照表，使用MRAM存储对照表的更新数据，以较低的成本解决了数据安全问题。具体技术方案如下：
一种混合使用MRAM和DRAM的存储装置，包括主控芯片、NAND、DRAM，NAND、DRAM分别与主控芯片连接，NAND用作主要存储介质，DRAM用于保存逻辑地址与物理地址的对照表，存储装置还包括MRAM，MRAM受主控芯片控制，在MRAM中存储对照表的更新数据。本发明中存储装置的常见形态是指固态硬盘或存储卡。
进一步地，主控芯片包含CPU，MRAM能够被CPU直接读写。更进一步地，MRAM集成在主控芯片中。或者，MRAM为独立芯片，独立芯片通过DRAM接口与主控芯片连接。
进一步地，在MRAM中预留对照表更新区，用于存储更新数据。当存储装置运行时，逻辑地址与物理地址的对照表每次更新后，在MRAM中的对照表更新区记录更新数据。每隔一段时间，把包括了MRAM中记录的全部更新数据的对照表写回到NAND中，并释放对照表更新区中的数据。
进一步地，NAND保留一份逻辑地址与物理地址的对照表，在存储装置开机时，把NAND保留的对照表上载到DRAM中。
本发明具有以下有益效果：
(1)由于MRAM在断电后永久保留数据，因此不再使用昂贵的、体积大的断电保护系统，降低了固态硬盘的成本；
(2)很小的一块MRAM就可以记录大量的对照表更新数据，用极小的成本解决了对照表的数据安全问题。同时由于对照表的数据安全了，NAND中对照表更新的次数大幅度下降，提高了产品的性能和寿命。
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是现有技术中固态硬盘的结构示意图；
图2是现有技术中主控芯片的结构示意图；
图3是本发明一个较佳实施例中MRAM为独立芯片的固态硬盘的结构示意图；
图4是本发明一个较佳实施例中MRAM集成在主控芯片中的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
固态硬盘(SSD)是用于存储数字信息的设备，广泛地应用在个人计算机、服务器、平板电脑等产品中。目前所有的SSD都包含一个主控芯片，本发明使用MRAM技术改进固态硬盘的主控芯片，具有低功耗、低成本、更小的主板面积等优势。
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，功耗则在各种存储技术中为最优。
如果使用速度快并且断电后保持内容的MRAM取代DRAM，固然可以保证写入性能，但未来相当长一段时间内，MRAM仍然会比DRAM贵很多，因此使用大量的MRAM会显著增加固态硬盘的成本。本发明在固态硬盘中，混合使用MRAM和DRAM，既能够保证写入性能，又能够降低固态硬盘成本。本发明的方案也可以用于存储卡，技术原理类似。以下以固态硬盘为例详细说明技术方案。
本实施例提供了一种混合使用MRAM和DRAM的固态硬盘，包括主控芯片、NAND以及DRAM，NAND、DRAM分别与主控芯片连接，NAND用作主要存储介质，DRAM用于保存逻辑地址与物理地址的对照表，固态硬盘还包括MRAM，MRAM受主控芯片控制，在MRAM中存储对照表的更新数据。本发明的存储装置包括但不限于本实施例的固态硬盘。
主控芯片包含CPU，MRAM能够被CPU直接读写。MRAM集成在主控芯片中，如图4所示。由于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，因而可以与主控芯片集成在一个芯片中，简化了固态硬盘的结构。MRAM也可以是主控芯片之外的独立芯片，独立芯片通过DRAM接口与主控芯片连接。除了CPU，主控芯片还包含主机接口、DRAM接口、NAND接口等，其中，主机接口采用SATA或者PCIe形式，如图3所示。
在MRAM中预留对照表更新区，用于存储更新数据。当存储装置运行时，逻辑地址与物理地址的对照表每次更新后，立即在MRAM中的对照表更新区记录更新数据。每隔一段时间，把包括了MRAM中记录的全部更新数据的(DRAM与MRAM中记录合并的)对照表写回到NAND中，并释放对照表更新区中的数据。MRAM还用于存储文件系统中关键的信息，在断电时也能够保证文件系统的安全，文件系统中关键的信息是指分区表、根目录等信息。
NAND保留一份逻辑地址与物理地址的对照表，在存储装置开机时，把NAND保留的对照表上载到DRAM中。这个上载到DRAM中的对照表，将和MRAM中记录的更新数据一起使用。
DRAM还用于读缓存，提高了固态硬盘的读性能。固态硬盘收到读指令后，先在DRAM中的读缓存寻找，再在MRAM中的写缓存寻找，二者都找不到则从NAND中读取，然后可以把这个页保存在读缓存中。
本发明提供的固态硬盘混合使用MRAM和DRAM，具有以下多方面的优势：第一方面，将MRAM用于写缓存，由于MRAM可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据，因此不再使用昂贵的、体积大的断电保护系统，降低了固态硬盘的成本；第二方面将消耗内存最大的逻辑地址与物理地址的对照表保存在成本较低DRAM中，进一步降低了固态硬盘的成本，从而提高了固态硬盘的费效比。第三方面，本发明使用MRAM存储对照表的更新数据，很小的一块MRAM就可以记录大量的对照表更新数据，用极小的成本解决了对照表的数据安全问题。同时由于对照表的数据安全了，NAND中对照表更新的次数大幅度下降，提高了产品的性能和寿命。
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作出诸多修改和变化。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，包括主控芯片、NAND、DRAM，所述NAND、所述DRAM分别与所述主控芯片连接，所述NAND用作主要存储介质，所述DRAM用于保存逻辑地址与物理地址的对照表，其特征在于，所述存储装置还包括MRAM，所述MRAM受所述主控芯片控制，在所述MRAM中存储所述对照表的更新数据。
2.根据权利要求1所述的一种存储装置，其特征在于，所述主控芯片包含CPU，所述MRAM能够被所述CPU直接读写。
3.根据权利要求2所述的一种存储装置，其特征在于，所述MRAM集成在所述主控芯片中。
4.根据权利要求2所述的一种存储装置，其特征在于，所述MRAM为独立芯片。
5.根据权利要求4所述的一种存储装置，其特征在于，所述独立芯片通过DRAM接口与所述主控芯片连接。
6.根据权利要求1所述的一种存储装置，其特征在于，在所述MRAM中预留对照表更新区，用于存储所述更新数据。
7.根据权利要求6所述的一种存储装置，其特征在于，当所述存储装置运行时，所述逻辑地址与物理地址的对照表每次更新后，在所述MRAM中的对照表更新区记录所述更新数据。
8.根据权利要求7所述的一种存储装置，其特征在于，当所述存储装置运行时，每隔一段时间，把包括了所述MRAM中记录的全部所述更新数据的对照表写回到所述NAND中，并释放所述对照表更新区中的数据。
9.根据权利要求6所述的一种存储装置，其特征在于，所述NAND保留一份所述逻辑地址与物理地址的对照表，在所述存储装置开机时，把所述NAND保留的对照表上载到所述DRAM中。
10.根据权利要求1所述的一种存储装置，其特征在于，所述存储装置是指固态硬盘或存储卡。
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