CN109542667B - 一种提高nand闪存数据可靠性的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种提高NAND闪存数据可靠性的方法及装置，针对现有技术的不足，设计了一种判断数据健康状态的ECC纠错位阈值随闪存块的真实擦写次数变化而动态可调的方法，包括以下步骤，S100)向闪存中的第一块发送读操作；S200)获取当前块的实际擦写次数；S300)计算当前块的基于实际擦写次数的ECC纠错位阈值E；S400)对比当前块中的数据ECC纠错位数D与当前块的ECC纠错位阈值E，若D>E，则执行步骤S500；S500)将当前块中的所有有效数据复制到第二块中。通过上述方法步骤，做到数据健康状态检查操作的精细化管理，从而使得数据更可靠，整个NAND闪存设备的使用寿命更长。

Description

一种提高NAND闪存数据可靠性的方法及装置

技术领域

本发明涉及闪存数据管理技术领域，特别涉及一种提高NAND闪存数据可靠性的方法及装置。

背景技术

NAND闪存作为一种重要的存储设备，可以提供较高存储性能，但是也存在擦写寿命、数据保存力，读取干扰等问题。如何在使用过程中尽可能保持数据的正确性，防止在NAND闪存介质未损坏之前丢失数据，是闪存转换层(FTL)设计的一个关键环节。本发明通过改善检查数据ECC(Error Checking and Correcting，指令纠错技术)纠错情况的方法，做到更有效地判断数据的健康状况，提前将数据重新刷新，从而确保数据不会丢失。

NAND闪存设备存在数据保存力的问题，数据只能在NAND闪存介质中稳定保留一段时间，若时间过长，则数据可能出现错误并且无法纠正。

NAND闪存中对于每个块的读取访问次数也是有限制的，存在读取干扰现象，即读取某个块的某个页，会对这个块的其他页产生影响，导致其他页的数据存储状态发生变化，当这个影响累积到一定程度则可能导致数据损坏。

由于数据保存力和读取干扰的问题存在于NAND闪存设备的整个生命周期，FTL设计时需要处理这两种现象带来的影响。

现有的FTL设计中，通常考虑在读操作后检查ECC纠错状态来判断数据的可靠性。程序设定一个判断数据健康状态的ECC纠错位阈值，当读取某个页时发现真实的ECC纠错数量超过这个阈值，则需要将这个块中的所有有效数据搬到新的块中，刷新这笔数据，从而达到保证数据不丢失的效果。

NAND闪存的PE Cycle(Program/Erase Cycle擦写循环)与数据保存力和读取干扰存在一定关联，某个块的数据保存力和读取干扰的影响随着已使用擦写次数的增加而增加，即已使用擦写次数越高，数据保持时间越短，同一个块的读取循环越少。

现有的设计中，在NAND闪存的生命周期内，判断数据健康状态的ECC纠错位阈值被设定为一个固定值，没有考虑整个生命周期中NAND闪存真实的擦写次数的影响。这样造成的结果就是生命周期的前期可能加大了数据搬移的次数，增加了无效的写入操作；而在生命周期的后期则有可能延误了数据刷新的时机，导致数据丢失。这些使得NAND闪存的使用寿命降低、设备可靠性降低。

发明内容

本申请针对现有技术中判断数据健康状态的ECC纠错位阈值被设定为一个固定值，而没有考虑整个生命周期中NAND闪存真实的擦写次数的影响的不足，提出了一种提高NAND闪存数据可靠性的方法及装置。

首先，本申请提出一种提高NAND闪存数据可靠性的方法，包括以下步骤：

S100)向闪存中的第一块发送读操作；

S200)获取当前块的实际擦写次数；

S300)计算当前块的基于实际擦写次数的ECC纠错位阈值E；

S400)对比当前块中的数据ECC纠错位数D与当前块的ECC纠错位阈值E，若D>E，则执行步骤S500；

S500)将当前块中的所有有效数据复制到第二块中。

根据上述本申请提出的提高NAND闪存数据可靠性的方法，步骤S200包括以下前置步骤：

S201)选取n个实际擦写次数判断点P1，P2…Pn，其中n为大于等于1的正整数；

S202)获取每个判断点P1，P2…Pn所对应的实际ECC纠错位阈值相对于最大ECC纠错位的百分比X1，X2…Xn。

根据上述本申请提出的提高NAND闪存数据可靠性的方法，P1<P2<…Pn并且1>X1>X2…>Xn。

根据上述本申请提出的提高NAND闪存数据可靠性的方法，步骤S300包括以下前置步骤：

S301)获取该闪存中每个ECC纠错单元最大可支持纠错位数Cmax，其中Cmax为正整的常数；

S302)根据下列公式计算第n个判断点Pn的ECC纠错位阈值En：

En＝Xn×Cmax。

根据上述本申请提出的提高NAND闪存数据可靠性的方法，步骤S300还包括以下前置步骤：

S303)判断当前块中的数据是否无法纠正，若是，执行步骤S500，若否，执行步骤S400。

根据上述本申请提出的提高NAND闪存数据可靠性的方法，步骤S500包括以下后置步骤：

S501)擦除第一块中的所有数据。

根据上述本申请提出的提高NAND闪存数据可靠性的方法，步骤S500由闪存转换层(FTL)执行。

根据上述本申请提出的提高NAND闪存数据可靠性的方法，所述NAND闪存包括以下中的一个或多个，固态硬盘,嵌入式多媒体卡,多媒体卡，SD卡，TF卡，U盘。

其次，本申请提出一种提高NAND闪存数据可靠性的装置，包括以下模块：

控制模块，用于向闪存中的第一块发送读操作；

获取模块，用于获取当前块的实际擦写次数；

计算模块，用于计算当前块的基于实际擦写次数的ECC纠错位阈值E；

判断模块，用于对比当前块中的数据ECC纠错位数D与当前块的ECC纠错位阈值E，若D>E，则启动转移模块；

转移模块，用于将当前块中的所有有效数据复制到第二块中。

最后，本申请提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于该指令被处理器执行时实现上述1至8项中任一项所述的方法的步骤。

本申请的有益成果是：设计了一种判断数据健康状态的ECC纠错位阈值随闪存块的真实擦写次数变化而动态可调的方法，通过计算当前闪存块的基于实际擦写次数的ECC纠错位阈值E，并根据当前块中的数据ECC纠错位数D与当前块的ECC纠错位阈值E的对比情况，将闪存中的数据存储到合适的闪存块中，做到数据健康状态检查操作的精细化管理，从而使得数据更可靠，整个NAND闪存设备的使用寿命更长。

附图说明

图1所示为本申请所提出的一种提高NAND闪存数据可靠性的方法的第一实施例流程图；

图2所示为本申请所提出的一种提高NAND闪存数据可靠性的方法的第二实施例流程图；

图3所示为本申请所提出的一种提高NAND闪存数据可靠性的方法的第三实施例流程图；

图4所示为本申请所提出的一种提高NAND闪存数据可靠性的方法的第四实施例流程图；

图5所示为本申请所提出的一种提高NAND闪存数据可靠性的装置的框架图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。附图中各处使用的相同的附图标记指示相同或相似的部分。

在说明书的结论部分中特别指出并清楚地要求保护本发明提出的主题。然而，当结合附图进行阅读时，通过参考以下详细描述，可以最好地理解本发明的组织和操作方法以及其目的，特征和优点。

因为本发明的所示实施例可以在大多数情况下使用本领域技术人员已知的电子部件和电路来实现，所以细节将只在如上所述认为必要的程度上进行解释，以便理解本发明的基本概念，以免混淆或分散本发明的教导。

参照图1所示的一种提高NAND闪存数据可靠性的方法的一个实施例的流程图，本发明提出一种提高NAND闪存数据可靠性的方法，包括以下步骤：

S100)向闪存中的第一块发送读操作；

S200)获取当前块的实际擦写次数；

S300)计算当前块的基于实际擦写次数的ECC纠错位阈值E；

S400)对比当前块中的数据ECC纠错位数D与当前块的ECC纠错位阈值E，若D>E，则执行步骤S500；

S500)将当前块中的所有有效数据复制到第二块中。

具体地，NAND闪存由block(中文称为“块”)构成,block的基本单元是page(中文成为“页”)。通常来说,每一个block由多个page组成。NAND闪存每一个page内包含Data area(数据存储区)。每一个page内包含有一个扩展的Spare area(备用区)。所以每一个page的大小为Data area+Spare area。spare备用区用于存储其他附加信息，其中就包括ECC校验码。当我们在写入数据的时候，我们就计算这一页数据的ECC校验码，然后把校验码存储到spare备用区的特定位置中，在下次读取这一页数据的时候，将有效数据和校验码等一并送入ECC引擎中计算，校验数据是否存在错误，并且可以在设定的纠错能力范围内将错误数据更正。

NAND闪存的读写以page为单位，在写入前(在这里称之为编程)，需要先擦除，擦除以block为单位，这些操作都会减少器件的寿命。由于NAND闪存的这种特性，使得它在编程时带来了写放大的副作用，并且管理算法更复杂，例如需要垃圾回收算法。闪存的擦除操作是以block为单位的，与此相对应的是其他很多存储设备，是以bit为最小读取/写入的单位，Flash是一次性地擦除整个块：在发送一个擦除命令后，一次性地将一个block擦除，常见的块的大小是128KB-32MB甚至更大，全部擦除为1，也就是里面的内容全部都是0xFF了，所以一般对NAND闪存编程的步骤是，先把其中的有效数据搬移其他block中，然后擦除这个block。这个过程造成了多余的写入和擦除，这就是所谓的写放大。

ECC是一种用于NAND的差错检测和修正算法。由于NAND本身的物理特性限制，在使用过程中每个ECC纠错单元可能存在若干bit错误，当错误数量少于或者等于这个纠错单元的最大纠错位数时，数据能够纠正，否则无法纠正错误。

优选地，参照图2所示的一种提高NAND闪存数据可靠性的方法的一个实施例的流程图，包括以下步骤：

S201)选取n个实际擦写次数判断点P1，P2…Pn，其中n为大于等于1的正整数；

S202)获取每个判断点P1，P2…Pn所对应的实际ECC纠错位阈值相对于最大ECC纠错位的百分比X1，X2…Xn。

具体地，P1，P2…Pn这些代表不同的擦除次数，将NAND flash总的擦除次数分成若干档，每一档就是一个判断点。

具体地，X1...Xn是一个百分比，本身为小于1的值，每一个擦除次数判断点，对应的ECC纠错位数阈值存在不同，这个不同由Xn定，即ECC纠错位判断阈值为最大ECC纠错位的百分之几(Xn)，Xn是实际ECC纠错位阈值相对于最大ECC纠错位的百分比。

优选地，参照图3所示的一种提高NAND闪存数据可靠性的方法的一个实施例的流程图，包括以下步骤：

S301)获取该闪存中每个ECC纠错单元最大可支持纠错位数Cmax，其中Cmax为正整的常数；

S302)根据下列公式计算第n个判断点Pn的ECC纠错位阈值En：

En＝Xn×Cmax。

优选地，参照图4所示的一种提高NAND闪存数据可靠性的方法的一个实施例的流程图，包括以下步骤：

S303)判断当前块中的数据是否无法纠正，若是，执行步骤S500，若否，执行

步骤S400。

优选地，步骤S500包括以下后置步骤：

S501)擦除第一块中的所有数据。

优选地，步骤S500由闪存转换层(FTL)执行。

所述FTL具备以下功能：

地址映射管理。闪存设备对外是一个黑盒子，里面集成了NAND闪存和FTL等，上层应用使用逻辑地址来访问，FTL把逻辑地址映射到不同物理地址上，管理着每个逻辑地址最新的数据存放的物理位置。

垃圾回收。随着数据的写入，闪存设备上有些块的部分数据已经无效了，需要把有效的数据从块上搬走，然后擦除用来接收新的数据。磨损均衡和坏块管理。因为每个块的P/E次数是有限的，某些块可能被重复使用而损坏了，而有些块数据很少被更新，所以一直没有进行操作过。为了避免这种情况，FTL加入磨损均衡的功能，大致是通过控制垃圾回收和空块池的管理，从而平衡每个块的使用次数，最理想是所有块一起达到磨损阈值。

由于Flash本身就存在部分坏块，在使用的过程中部分块会变坏，所以FTL在管理的时候需要避开这些无用块，把使用后变得不稳定块上的数据及时拷贝到稳定位置。

优选地，所述NAND闪存包括以下中的一个或多个，固态硬盘(SSD),嵌入式多媒体卡(eMMC),多媒体卡(MMC)，SD卡，TF卡，U盘。

参照图5所示的一种提高NAND闪存数据可靠性的装置的框架图，包括以下模块，

控制模块，用于向闪存中的第一块发送读操作；

获取模块，用于获取当前块的实际擦写次数；

计算模块，用于计算当前块的基于实际擦写次数的ECC纠错位阈值E；

判断模块，用于对比当前块中的数据ECC纠错位数D与当前块的ECC纠错位阈

值E，若D>E，则启动转移模块；

转移模块，用于将当前块中的所有有效数据复制到第二块中。

最后，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令。该指令被处理器执行时实现如前述任一项方法的步骤。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作-根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

进一步，该方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

本文描述了本公开的实施例，包括发明人已知用于执行本发明的最佳模式。在阅读了上述描述后，这些所述实施例的变化对本领域的技术人员将变得明显。发明人希望技术人员视情况采用此类变型，并且发明人意图以不同于如本文具体描述的方式来实践本公开的实施例。因此，经适用的法律许可，本公开的范围包括在此所附的权利要求书中叙述的主题的所有修改和等效物。此外，本公开的范围涵盖其所有可能变型中的上述元素的任意组合，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。

尽管本发明的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本发明的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本发明进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本发明的非实质性改动仍可代表本发明的等效改动。

Claims (7)

1.一种提高NAND闪存数据可靠性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100)向闪存中的第一块发送读操作；

S200)获取当前块的实际擦写次数；

S300)计算当前块的基于实际擦写次数的ECC纠错位阈值E；

S400)对比当前块中的数据ECC纠错位数D与当前块的ECC纠错位阈值E，若D>E，则执行步骤S500；

S500)将当前块中的所有有效数据复制到第二块中；

其中，步骤S200包括以下前置步骤：

S201)选取n个实际擦写次数判断点P1，P2…Pn，其中n为大于等于1的正整数；

S202)获取每个判断点P1，P2…Pn所对应的实际ECC纠错位阈值相对于最大ECC纠错位的百分比X1，X2…Xn；

步骤S300包括以下前置步骤：

S301)获取该闪存中每个ECC纠错单元最大可支持纠错位数Cmax，其中Cmax为正整的常数；

S302)根据下列公式计算第n个判断点Pn的ECC纠错位阈值En：

En＝Xn×Cmax，

其中，P1<P2<…Pn并且1>X1>X2…>Xn。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S300还包括以下前置步骤：

S303)判断当前块中的数据是否无法纠正，若是，执行步骤S500，若否，执行步骤S400。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S500包括以下后置步骤：

S501)擦除第一块中的所有数据。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S500由闪存转换层(FTL)执行。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述NAND闪存包括以下中的一个或多个，固态硬盘,嵌入式多媒体卡,多媒体卡，SD卡，TF卡，U盘。

6.一种提高NAND闪存数据可靠性的装置，其特征在于，包括以下模块：

控制模块，用于向闪存中的第一块发送读操作；

获取模块，用于获取当前块的实际擦写次数；

计算模块，用于计算当前块的基于实际擦写次数的ECC纠错位阈值E；

判断模块，用于对比当前块中的数据ECC纠错位数D与当前块的ECC纠错位阈值E，若D>E，则启动转移模块；转移模块，用于将当前块中的所有有效数据复制到第二块中；

其中，所述获取模块包括判断点选取子模块和数据获取子模块，所述判断点选取子模块用于选取n个实际擦写次数判断点P1，P2…Pn，其中n为大于等于1的正整数；所述数据获取子模块用于获取每个判断点P1，P2…Pn所对应的实际ECC纠错位阈值和所述闪存中每个ECC纠错单元最大可支持纠错位数Cmax，其中Cmax为正整的常数；

所述计算模块包括纠错位概率计算子模块和纠错位阈值计算子模块，所述纠错位概率计算子模块用于计算所述每个判断点P1，P2…Pn所对应的实际ECC纠错位阈值相对于最大ECC纠错位的百分比X1，X2…Xn；所述纠错位阈值计算子模块用于基于下列公式计算第n个判断点Pn的ECC纠错位阈值En：

En＝Xn×Cmax，

其中，P1<P2<…Pn并且1>X1>X2…>Xn。

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于该指令被处理器执行时实现如权利要求1至5中任一项所述的方法的步骤。

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