CN108121664A - 数据储存装置以及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及数据储存装置以及其操作方法。混和型数据储存装置，除了提供一非挥发性存储器，还规划其中一挥发性存储器提供一特定使用暂存区，分担该非挥发性存储器的存储工作，使写入该特定使用暂存区的数据更存留于该特定使用暂存区，以回应读取要求。

Description

数据储存装置以及其操作方法
技术领域
本发明有关于数据储存装置，特别有关于混和型(hybrid)数据储存技术。
背景技术
数据储存装置所采用的非挥发性存储器有多种形式─例如，快闪存储器(flashmemory)、磁阻式随机存取存储器(Magnetoresistive RAM)、铁电随机存取存储器(Ferroelectric RAM)、电阻式随机存取存储器(Resistive RAM)…等，用于长时间数据保存。然而，数据储存装置的操作效率受限于非挥发性存储器的物理操作特性。如何增进数据储存装置的操作效率为本技术领域一项重要课题。
发明内容
一数据储存装置除了非挥发性存储器、其控制单元还有使用一挥发性存储器。本发明是在该挥发性存储器规划一特定使用暂存区，分担该非挥发性存储器的存储功能，以避免数据储存装置操作效能过度受限于非挥发性存储器物理操作特性。
根据本发明一种实施方式所实现的一数据储存装置包括一非挥发性存储器、一挥发性存储器以及一微控制器。该微控制器，规划该挥发性存储器提供一特定使用暂存区分担该非挥发性存储器的存储工作，使写入该特定使用暂存区的数据更存留于该特定使用暂存区，以回应读取要求。
根据本发明一种实施方式所实现的一数据储存装置控制方法包括：规划该数据储存装置的一挥发性存储器提供一特定使用暂存区；且以该特定使用存储空间分担该数据储存装置的一非挥发性存储器的存储工作，使写入该特定使用暂存区的数据更存留于该特定使用暂存区，以回应读取要求。
下文特举实施例，并配合附图，详细说明本发明内容。
附图说明
图1图解了一快闪存储器(flash memory)100的储存空间规划；
图2A、2B、2C显示了动态随机存取存储器上一特定使用暂存区的不同规划；
图3以方块图图解了根据本发明种实施方式实现的一数据储存装置300；
图4图解了数据储存装置300所需维护的映射资讯；
图5为流程图，根据本发明一种实施方式图解了数据储存装置300的操作；且
图6为流程图，根据本发明另一种实施方式图解了数据储存装置300的操作。
符号说明
100～快闪存储器；
300～数据储存装置；
304～控制单元；
306～主机；
310～线上烧录区块池；
312～系统资讯区块池；
314～闲置区块池；
316～主动区块；
318～数据区块池；
320～微控制器；
322～随机存取记忆空间；
324～只读存储器；
330～动态随机存取存储器；
332～动态利用暂存区；
334～特定使用暂存区；
BLK#1、BLK#2、BLK#Z～物理区块；
B#～物理区块编号；
DRAM_Addr～动态随机存取存储器地址；
DRAM_Tab～映射表；
Flash_Tab～映射表；
LBA#～逻辑区块地址；
S502…S512、S602…S610～步骤；
U#～单位编号。
具体实施方式
以下叙述列举本发明的多种实施例。以下叙述介绍本发明的基本概念，且并非意图限制本发明内容。实际发明范围应依照申请专利范围界定。
非挥发性存储器可以是快闪存储器(flash memory)、磁阻式随机存取存储器(Magnetoresistive RAM)、铁电随机存取存储器(Ferroelectric RAM)、电阻式存储器(Resistive RAM，RRAM)、自旋转移力矩随机存取存储器(Spin Transfer Torque-RAM，STT-RAM等具有长时间数据保存的存储器装置，以下特别以快闪存储器(flash memory)为例进行讨论，但并不意图对其限定。图1图解了一快闪存储器(flash memory)100的储存空间规划，划分为多个物理区块(physical blocks)BLK#1、BLK#2…BLK#Z等，Z为正整数。各物理区块包括多物理页(physical pages)，例如：256个物理页。每一物理页可储存预设长度的数据，例如：16KB长度的数据。
现今数据储存装置常以快闪存储器100为储存媒体，常用来实现记忆卡(memorycard)、通用串行总线闪存装置(USB flash device)、固态硬碟(SSD)…等产品。有一种应用是采多芯片封装、将快闪存储器100与其控制器包装在一起─称为嵌入式快闪存储器模组(如eMMC)。
快闪存储器100的数据更新并非对同样储存空间作复写，而是将更新数据储存在闲置空间；至于原储存空间的储存内容则转为无效。频繁的写入操作容易致使储存空间充斥无效的储存内容，致使快闪存储器100的储存内容的有效率低落。快闪存储器100的读写速度因而也会被拖累。此涉及快闪存储器100的读/写效能问题(read/writeperformance)。
另外，对于充斥无效物理页的物理区块，快闪存储器100具有垃圾收集(GarbageCollection)设计。待整理的物理区块的有效物理页将被复制至其他物理区块，使该物理区块空留无效物理页，得以藉抹除(erase)操作释出其空间。然而，各个物理区块可容许的抹除次数有限。频繁的写入操作会使得物理区块因过度抹除而导致严重的数据保存(dataretention)的问题。此为快闪存储器的物理区块抹除限制(erase endurance)。
快闪存储器更有读取扰动议题(read disturbance issues)。读取操作时，目标字线(WL)的周边字线须备施加高电压，将使得周边字线的所操控的记忆单元内容产生扰动。快闪存储器可靠度因而降低。
因应快闪存储器至少以上的操作瓶颈，本发明提出一种混和型(hybrid)数据储存装置。该种数据储存装置除了以快闪存储器100实现数据的非挥发性存储，更规划让数据储存装置的控制单元连接至一挥发性存储器。此挥发性存储器提供一特定使用暂存区，分担该快闪存储器的存储功能。数据储存装置上电后，数据储存装置所面临的写入要求将部分改以该特定使用暂存区为目标，以避免频繁写入数据至该快闪存储器。此外，该特定使用暂存区的数据将直接用来回应读取要求，避免频繁读取该快闪存储器。如此一来，发生在快闪存储器100的上述读/写效能问题、物理区块抹除限制、以及读取扰动议题皆可被有效解决。所述挥发性存储器可为一动态随机存取存储器(DRAM)。
图2A是规划动态随机存取存储器提供上述特定使用暂存区对应快闪存储器最起始配置使用的空间。例如，8GB的快闪存储器，其最前端的128MB系统档案对应同为128MB的上述特定使用暂存区。更有其他实施方式是规划动态随机存取存储器提供上述特定使用暂存区对应快闪存储器其他的固定使用区段。
另一种实施方式中，动态随机存取存储器提供128MB的特定使用暂存区作为特定逻辑区块地址(LBA)编号范围的数据的暂存区。例如，LBA#0～#262,143的数据的暂存区，或者，最先建立的262,144个LBA的数据的暂存区。所述最先建立的LBA的数据可能是作业系统档案或是应用程序档案，数据存取的频率较高。本发明技术将作业系统档案或是应用程序档案上传至动态随机存取存储器中所规划的该特定使用暂存区，方便及时回应存取要求。如此一来，数据存取的效率可显著提升，且也克服快闪存储器的物理区块抹除限制以及读取扰动议题。
图2B显示了动态随机存取存储器提供上述特定使用暂存区的另一种规划。相较于图2A，图2B图并不令动态随机存取存储器提供上述特定使用暂存区对应快闪存储器固定使用区段，而是对应快闪存储器中动态配置给特定档案的储存空间。例如，提供动态随机存取存储器的128MB特定使用暂存区作为数据储存装置的特定档案的暂存区。例如，动态随机存取存储器提供的上述特定使用暂存区可作为游戏登录档(log file)的存储。游戏登录档的频繁读写行为是施作在动态随机存取存储器上，而非快闪存储器上，因此，游戏登录档的读写效率可显著提升，且也不涉及快闪存储器的物理区块抹除限制以及读取扰动议题。
图2C显示动态随机存取存储器上述特定使用暂存区的另一种规划，是关于一种打印机应用。一打印机上可安装一数据储存装置，其中快闪存储器用于储存连线使用者打印资讯，待排程打印。该数据储存装置如前述，其控制单元采用一动态随机存取存储器，且该动态随机存取存储器规划有一特殊使用暂存区。根据图2C图概念，机密的打印资讯是以该特殊使用暂存区实现打印机端的存储。特别是，机密的打印资讯并不储存至该快闪存储器，而是限定在该动态随机存取存储器的该特殊使用暂存区，此外，此机密的打印资讯较佳经过数据储存装置进行加密处理。仅非机密的打印资讯会储存至该快闪存储器。一旦打印机关闭或断电，机密的打印资讯确定将随着该动态随机存取存储器断电而永久销毁，达到资讯保密的目的。相较于动态随机存取存储器，快闪存储器上的资讯即使断电、甚至已被标示为无效，也还是存留在快闪存储器上。机密资讯如果储存在快闪存储器上，在资讯保密上会有一定的风险。
图3以方块图图解了根据以上概念实现的一数据储存装置300，其中包括快闪存储器100以及一控制单元304。控制单元304耦接于一主机306与该快闪存储器100之间，包括根据主机306所下达的指令操作该快闪存储器100。
快闪存储器100的较佳储存空间规划包括：线上烧录区块池310、系统资讯区块池312、闲置区块池314、主动区块316、以及数据区块池318。线上烧录区块池310的区块储存线上烧录(in-system programming，ISP)的程序。系统资讯区块池312的区块储存系统资讯─如，映射表。主动区块316由闲置区块池314供应，负责接收来自于主机306的数据，待完成数据储存后即推入数据区块池318。
控制单元304包括一微控制器320、一随机存取记忆空间322以及一只读存储器324。该随机存取记忆空间322可分内部、以及外部随机存取存储器。内部随机存取存储器是与微控制器320置于同一个晶粒(die)外部随机存取存储器则未与微控制器320置于同一个晶粒。该随机存取记忆空间322可由动态随机存取存储器(DRAM)或/以及静态随机存取存储器(SRAM)实现。只读存储器324存有只读程序码(如，ROM code)。微控制器320执行该只读存储器324所载的只读程序码或/以及该快闪存储器100的该线上烧录区块池310所载的线上烧录的程序，以进行运作。
本发明令属于该随机存取记忆空间322的一动态随机存取存储器330(不限定为上述内部或外部随机存取存储器)除了提供一动态利用暂存区332，更规划一特定使用暂存区334。动态利用暂存区332可用作映射表或运算资讯的暂存。所述运算资讯的暂存包括实现快取(cache)功能，用于实施指令预测或数据预取…等。特定使用暂存区334分担该快闪存储器100的存储功能，以避免数据储存装置300操作效能过度受限于快闪存储器100物理操作特性。特定使用暂存区334的使用可参照图2A、图2B以及图2C的描述。例如，特定使用暂存区334可用来分担作业系统档案或是应用程序档案的存储(图2A)、或游戏登录档(logfile)的存储(图2B)，甚至独立于快闪存储器100用作列表机机密数据的存储(图2C)。
图3还显示，控制单元304以及快闪存储器100之间可有互动，以满足特定使用暂存区334的非挥发性存储需求。数据储存装置300上电时，微控制器320将快闪存储器100的特定数据上传至该特定使用暂存区334，并改以该特定使用暂存区334为目标回应数据读/写的要求─即，无须即时将写入数据自该特定使用暂存区334同步至该快闪存储器100、且无须访问该快闪存储器100即以该特定使用暂存区334内容回应读取要求。关于该特定使用暂存区334中因为写入要求而变动过的数据，使用者可自设快闪存储器100同步条件。例如，每达一时限即将该特定使用暂存区334的已更新数据同步至该快闪存储器100，以应对非预期掉电/断电事件。数据储存装置300关闭前也需要将该特定使用暂存区334的已更新数据同步至该快闪存储器100，以确保该快闪存储器100掉电/断电后维持的是最新版本数据。
图4图解了数据储存装置300所需维护的映射资讯。映射表DRAM_Tab显示动态随机存取存储器330该特定使用暂存区334所映射的主机306端逻辑地址。图例以动态随机存取存储器地址DRAM_Addr为索引，显示该特定使用暂存区334各地址单位对应的逻辑区块地址LBA#。映射表Flash_Tab显示主机306端逻辑地址所映射的快闪存储器位置。图例显示各逻辑区块地址LBA#是对应快闪存储器100某一物理区块B#的某一单位U#(通常一物理页是划分为四个单位编号U0～U3)。在另一实施例中，映射表DRAM_Tab不以动态随机存取存储器地址DRAM_Addr为索引，而是以逻辑区块地址LBA#为索引。映射表Flash_Tab也可以其他足以表现主机306端以及快闪存储器100之间逻辑-物理映射关系的表格取代。
当主机306欲存取一个特定的逻辑区块地址LBA#时，控制单元304可依据映射表DRAM_Tab而得知其是否对应有动态随机存取存储器地址DRAM_Addr。寻有动态随机存取存储器地址DRAM_Addr时，该个特定的逻辑区块地址LBA#的存取是以寻得的动态随机存取存储器地址DRAM_Addr为目标。反之，该个特定的逻辑区块地址LBA#的存取是参照映射表Flash_Tab，以该快闪存储器100为目标。
关于该特定使用暂存区334上有非挥发性存储需求的数据，其除了可在映射表DRAM_Tab找到其至该特定使用存储区334的映射外，在映射表Flash_Tab也有需要维护的映射信息。微控制器320可以利用暂存区332动态维护所述映射资讯(包括映射表DRAM_Tab与Flash_Tab)。微控制器320还包括将上述映射资讯自该动态利用暂存区332更新至该快闪存储器100作非挥发性储存。
图5为流程图，图解了数据储存装置300操作的一种实施方式。数据储存装置300上电后，根据步骤S502，微控制器320自快闪存储器100上传映射表DRAM_Tab与Flash_Tab至动态利用暂存区332，并基于映射表DRAM_Tab与Flash_Tab，将特定使用暂存区334所对应的内容自快闪存储器100上传至该特定使用暂存区334。若步骤S504判断有数据存取要求(写/读)发生，流程进行步骤S506，核对映射表DRAM_Tab，检查该数据存取要求是否指向该特定使用暂存区334，为以该特定使用站存区334为存取目标的特定数据。若否，根据步骤S508，微控制器330查询映射表Flash_Tab，以快闪存储器100为标的进行存取。反之，微控制器330进行步骤S510，依据映射表DRAM_Tab，以该特定使用暂存区334为存取标的。快闪存储器100的频繁存取有效由该特定使用暂存区334分担。步骤S512还判断该特定使用暂存区334以及该快闪存储器100之间的同步条件是否满足。若满足，微控制器330进行步骤S514，将该特定使用暂存区334的更新同步至该快闪存储器100，并更新映射表Flash_Tab。步骤S504的存取要求监控可持续至断电。
图6为流程图，图解数据储存装置300操作的另一种实施方式，其中为了确保数据不掉失，快闪存储器100即时与该特定使用暂存区334同步，至于特定使用暂存区334分担快闪存储器100频繁读取操作的概念则延续图5内容。简明起见，图6仅叙述写入操作。数据储存装置300上电后，根据步骤S602，微控制器320自快闪存储器100上传映射表DRAM_Tab与Flash_Tab至动态利用暂存区332，并基于映射表DRAM_Tab与Flash_Tab，将特定使用暂存区334所对应的内容自快闪存储器100上传至该特定使用暂存区334。若步骤S604判断有数据写入要求发生，流程进行步骤S606，微控制器320即时将数据写入快闪存储器100，并相应更新映射表Flash_Tab。根据步骤S608，微控制器320还核对映射表DRAM_Tab，检查该数据写入要求是否为写入特定数据，需在该特定使用暂存区334有备份，以分担快闪存储器100频繁的读取操作，解决快闪存储器100读取扰动。若是，微控制器320进行步骤S610，更新该特定使用暂存区334，使该特定使用暂存区334内容同步该快闪存储器100。步骤S604的写入要求监控可持续至断电。
其他采用上述概念完成混和型数据储存的技术都属于本发明所欲保护的范围。基于以上技术内容，本发明更涉及数据储存装置操作方法。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉本技术领域者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与润饰，因此本发明的保护范围当由权利要求书界定为准。

Claims (20)

1.一种数据储存装置，包括：
一非挥发性存储器；
一挥发性存储器；以及
一微控制器，规划该挥发性存储器提供一特定使用暂存区分担该非挥发性存储器的存储工作，使写入该特定使用暂存区的数据更存留于该特定使用暂存区，以回应读取要求。
2.如权利要求1所述的数据储存装置，其特征在于：
该微控制器令该特定使用暂存区对应该非挥发性存储器的一固定区段。
3.如权利要求2所述的数据储存装置，其特征在于：
该数据储存装置上电时，该微控制器自该固定区段读出数据，据以修复该特定使用暂存区的内容；且
该微控制器是以该特定使用暂存区的内容回应关于该非挥发性存储器的该固定区段的读取要求。
4.如权利要求3所述的数据储存装置，其特征在于：
该微控制器自该固定区段读出、且修复至该特定使用暂存区的内容为作业系统档案或是应用程序档案。
5.如权利要求1所述的数据储存装置，其特征在于：
该微控制器令该特定使用暂存区分担一特定档案的存储，且该特定档案对应的是该非挥发性存储器中动态配置的空间。
6.如权利要求5所述的数据储存装置，其特征在于：
该数据储存装置上电时，该微控制器自该非挥发性存储器动态配置给该特定档案的空间读出数据，据以修复该特定使用暂存区的内容；且
该微控制器是以该特定使用暂存区的内容回应关于该特定档案的读取要求。
7.如权利要求6所述的数据储存装置，其特征在于：
该微控制器是以该特定使用暂存区为目标实现关于该特定档案的写入要求；
该微控制器还依循一同步条件，将该特定使用暂存区的内容同步至该非挥发性存储器；且
该同步条件为一时限、或该特定使用暂存区内容的变动次数限制、或一关机要求。
8.如权利要求7所述的数据储存装置，其特征在于：
该特定档案为游戏登录档。
9.如权利要求1所述的数据储存装置，其特征在于，设置于一打印机以储存连线使用者的打印资讯，其中，该微控制器令机密打印资讯是以该特定使用暂存区存储。
10.如权利要求1所述的数据储存装置，其特征在于：
该微控制器更维护一第一映射表以及一第二映射表；
该第一映射表显示该挥发性存储器映射一主机发出的哪些逻辑地址；且
该第二映射表显示该主机发出的逻辑地址与该非挥发性存储器的映射关系。
11.一种数据储存装置操作方法，包括：
规划该数据储存装置的一挥发性存储器提供一特定使用暂存区；且
以该特定使用存储空间分担该数据储存装置的一非挥发性存储器的存储工作，使写入该特定使用暂存区的数据更存留于该特定使用暂存区，以回应读取要求。
12.如权利要求11所述的数据储存装置操作方法，其特征在于，还包括：
令该特定使用暂存区对应该非挥发性存储器的一固定区段。
13.如权利要求12所述的数据储存装置操作方法，其特征在于，还包括：
在该数据储存装置上电时，自该固定区段读出数据，据以修复该特定使用暂存区的内容；且
以该特定使用暂存区的内容回应关于该非挥发性存储器的该固定区段的读取要求。
14.如权利要求13所述的数据储存装置操作方法，其特征在于：
自该固定区段读出、且修复至该特定使用暂存区的内容为作业系统档案或是应用程序档案。
15.如权利要求11所述的数据储存装置操作方法，其特征在于，还包括：
令该特定使用暂存区分担一特定档案的存储，且该特定档案对应的是该非挥发性存储器中动态配置的空间。
16.如权利要求15所述的数据储存装置操作方法，其特征在于，还包括：
在该数据储存装置上电时，自该非挥发性存储器动态配置给该特定档案的空间读出数据，据以修复该特定使用暂存区的内容；且
以该特定使用暂存区的内容回应关于该特定档案的读取要求。
17.如权利要求16所述的数据储存装置操作方法，其特征在于，还包括：
以该特定使用暂存区为目标，实现关于该特定档案的写入要求；
依循一同步条件，将该特定使用暂存区的内容同步至该非挥发性存储器，
其中，该同步条件为一时限、或该特定使用暂存区内容的变动次数限制、或一关机要求。
18.如权利要求17所述的数据储存装置操作方法，其特征在于：
该特定档案为游戏登录档。
19.如权利要求11所述的数据储存装置操作方法，其特征在于，令该数据储存装置设置于一打印机以储存连线使用者的打印资讯，且令机密打印资讯是以该特定使用暂存区存储。
20.如权利要求11所述的数据储存装置操作方法，其特征在于，还维护一第一映射表以及一第二映射表，其中：
该第一映射表显示该挥发性存储器映射一主机发出的哪些逻辑地址；且
该第二映射表显示该主机发出的逻辑地址与该非挥发性存储器的映射关系。
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