CN109684119B - 应用于NAND Flash损耗均衡的优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于计算机技术领域，具体涉及一种应用于NAND Flash损耗均衡的优化方法。与现有技术相比较，本发明的优化方法以芯片中闪存块的磨损程度划分闪存芯片的寿命阶段，推迟了损耗均衡处理的开始时间，减少了一定的损耗均衡处理到来的额外开销。动态阈值计算单元的加入可以确保闪存芯片在擦除次数处于不同数值范围对磨损不均衡度有不同程度的控制，而不是只能控制在一个固定的较大的范围内，提高了闪存芯片在使用后期时的利用率。此外，数据迁移单元提供的数据迁移机制可以保护擦除次数较大的闪存块，降低它们被垃圾回收模块选中擦除的概率。

Description

应用于NAND Flash损耗均衡的优化方法
技术领域
本发明属于计算机技术领域，具体涉及一种应用于NAND Flash 损耗均衡的优化方法。
背景技术
随着计算机技术的发展，以闪存为存储介质的固态存储设备以其 优良的性能逐渐取代了传统的机械存储设备，NAND Flash被广泛应 用于数码产品和嵌入式的开发。
由于Flash存储单元的工艺问题和自身物理特性，Flash存储设备 采用先擦后写和异地更新的机制，并且Flash存储单元有限次的擦除次 数限制了Flash存储设备的使用寿命。理想的情况下，每个闪存块在使 用过程中时刻都应保持相同的擦除次数，这样所有的闪存块就可以同 时达到擦除上限，闪存芯片的存储寿命也就在最大限度上得到了延伸。但实际上，由于数据更新频率的不同会导致有个别闪存块会被频 繁擦除而提前到达可擦除上限，当闪存芯片中完全磨损的闪存块达到 一定的数目时，整个闪存芯片的性能就会将大大折扣，甚至将无法再 继续使用，为了解决这一问题就有了损耗均衡。
损耗均衡处理的目的就是推迟闪存块到达擦除次数上限的时间， 尽可能的在使用过程中让闪存芯片中每个块都被高效的利用，各个块 的擦除次数更均匀化，减少不必要的数据迁移操作和块擦除操作，延 长Flash存储设备可靠工作的时间。
目前，在嵌入式开发领域，损耗均衡处理大多采用易于实现的阈 值触发机制，通过将闪存块之间擦除次数之差和给定的阈值相比较来 触发损耗均衡操作，在存有高频更新数据的闪存块和存有低频更新数 据的闪存块之间进行数据交换。在这一过程中，会带来额外的读写及 擦除开销。
损耗均衡处理的根本目的是充分利用闪存芯片内的各个闪存块， 使闪存块的擦除次数尽可能的平均化，保证芯片中不会出现局部块被 频繁擦除提前“出局”；采用的基本思想是将擦除次数较大的块合理 的保护起来，把冷数据存放到上面抑制无效页的产生或是直接控制这 些块不被使用。
目前采用阈值触发机制的损耗均衡处理往往是从Flash存储设备 投入使用时就实时监控，并且阈值固定不变，也就是说触发损耗均衡 处理的阈值决定了芯片使用过程中闪存块之间损耗程度差距的大小。 阈值设计的过大，损耗均衡处理触发的次数就会相对较少，而损耗程 度的差距也会相对较大；阈值设计的过小就会导致损耗均衡处理被频 繁触发，虽然各个块之间的擦除次数会相对更加均匀化，但是算法的 频繁触发也会带来额外的开销。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何提供一种应用于NAND Flash 损耗均衡的优化方法。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种应用于NAND Flash损耗 均衡的优化方法，所述方法基于损耗均衡系统来实施，所述损耗均衡 系统包括：数据维护单元、寿命阶段判定单元、动态阈值计算单元、 比较单元、
所示方法包括如下步骤：
步骤1：闪存设备上电后，数据维护单元维护一个闪存块的擦除 次数表，并在每次擦除操作后更新数据；
步骤2：寿命阶段判定单元根据擦除次数表来判断闪存芯片当前 使用寿命，若判断结果为磨损过度则向动态阈值计算单元发出损耗均 衡预处理信号；
步骤3：动态阈值计算单元接收该损耗均衡预处理信号，定期的 根据当前使用情况来计算动态阈值，并将该动态阈值发送给比较单 元；
步骤4：比较单元接收动态阈值，并利用擦除次数表来计算闪存 芯片损耗的不均衡程度，根据比较的不同结果输出信号不同，若不均 衡程度超过了阈值则输出处理信号到数据迁移单元，否则反馈到寿命 阶段判定单元；
步骤5：数据迁移单元接收到处理信号后把擦除次数小的数据块 检索出来，将上面的数据迁移到当前擦除次数最大的空闲块上，并向 擦除单元发出擦除信号；
步骤6：擦除单元在接收到信号后将选中的数据块擦除，输出信 号给数据维护单元，更新记录数据的表格。
其中，所述步骤2中，由寿命阶段判定单元监控闪存芯片上闪存 块的最大磨损程度，若存在闪存块的最大磨损程度大于设定值，则输 出损耗均衡预处理信号到动态阈值计算单元。
其中，所述步骤2中，闪存芯片整体擦除次数每增加一定的数值 则由寿命阶段判定单元判定一次寿命阶段。
其中，所述步骤3中，所述损耗均衡预处理信号由动态阈值计算 单元接收，每当闪存芯片总体的擦除次数增加一定数值时，该动态阈 值计算单元则根据当前闪存块的综合磨损程度计算现阶段的动态阈 值。
其中，所述步骤3中，所述动态阈值处理的计算依据为：
Figure BDA0001894241090000031
其中，maxEC为当前闪存块最大擦除次数，lifephase为芯片寿命阶 段划分参数，EClimit为闪存块可擦除次数上限，n为阈值控制参数。
其中，所述步骤4中，比较单元接收动态阈值后，从擦除次数表 中读取擦除次数数据，计算闪存芯片磨损的不均衡程度并与接收到的 当前的动态阈值进行比较；如果超过动态阈值则输出处理信号给数据 迁移单元，若未超过动态阈值则反馈给寿命阶段判定单元。
其中，所述闪存芯片磨损的不均衡程度是指：闪存块最大擦除次 数与最小擦除次数之间的差值。
(三)有益效果
对于闪存芯片而言，只有当某些闪存块十分频繁的擦除提前达到 最大擦除次数而成为坏块时，芯片的存储性能才会受到影响。假设芯 片中所有的块都还没有完全磨损，只是其中的部分块已经有了较高的 擦除次数，此时忽略擦除次数这一因素来看的话，全部的闪存块都是 可以正常工作的，闪存芯片对外展现的存储性能也是与刚出厂时的新 闪存芯片没有差别。
综上，损耗均衡处理只要能够保证在闪存芯片达到最大使用寿命 前各个闪存块的擦除次数都接近最大可擦除次数即可保证芯片的存 储性能不受影响。
与现有技术相比较，本发明的优化方法以芯片中闪存块的磨损程 度划分闪存芯片的寿命阶段，推迟了损耗均衡处理的开始时间，减少 了一定的损耗均衡处理到来的额外开销。动态阈值计算单元的加入可 以确保闪存芯片在擦除次数处于不同数值范围对磨损不均衡度有不 同程度的控制，而不是只能控制在一个固定的较大的范围内，提高了 闪存芯片在使用后期时的利用率。
此外，数据迁移单元提供的数据迁移机制可以保护擦除次数较大 的闪存块，降低它们被垃圾回收模块选中擦除的概率。
附图说明
图1为损耗均衡处理基本思想示意图。
图2为优化的损耗均衡模块详细设计框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实 施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决上述问题，本发明提出一种动态阈值触发的优化方法，在 损耗均衡处理模块原来的比较单元、数据迁移单元和擦除单元的基础 上添加了动态阈值计算单元，并新增了一个判定系统是否进入损耗均 衡模块的闪存芯片寿命阶段判定单元。
闪存芯片控制系统维护一个闪存块擦除次数的表格，上电后由芯 片寿命阶段判定单元来监控闪存芯片上闪存块的最大磨损程度，若存 在闪存块的最大磨损程度大于设定值则输出损耗均衡预处理信号到 损耗均衡模块，闪存芯片整体擦除次数每增加一定的数值则判定一次 寿命阶段。
该预处理信号由动态阈值计算单元接收，每当闪存芯片总体的擦 除次数增加一定数值时，该计算单元会根据当前闪存块的综合磨损程 度计算出现阶段的触发阈值，输出此阈值后由比较单元从系统维护的 擦除次数表格中读取数据，计算磨损不均衡程度并与接收到的当前阈 值进行比较。如果超过阈值则输出处理信号给数据迁移单元，若未超 过阈值则反馈给寿命阶段判定单元。
闪存芯片磨损的不均衡程度是指闪存块最大擦除次数与最小次 数之间的差值。
动态阈值处理的计算依据为：
Figure BDA0001894241090000051
其中，maxEC为当前闪存块最大擦除次数，lifephase为芯片寿命阶 段划分参数，EClimit为闪存块可擦除次数上限，n为阈值控制参数。 上述参数可以根据闪存颗粒选取的不同而调整。(SLC颗粒可擦除上 限为100000次，MLC颗粒可擦除上限为10000次)
处理信号被数据迁移单元接收后，擦除次数小的数据块会被找出 来，上面的有效数据会被迁移到当前擦除次数最大的空闲块上，处理 完成后向擦除单元发出擦除信号，由擦除单元对选中的数据块进行擦 除操作，而后输出信号给闪存芯片的控制系统，更新记录数据的表格。
具体设计如附图1及图2。
具体而言，为解决上述技术问题，本发明提供一种应用于NAND Flash损耗均衡的优化方法，所述方法基于损耗均衡系统来实施，所 述损耗均衡系统包括：数据维护单元、寿命阶段判定单元、动态阈值 计算单元、比较单元、
所示方法包括如下步骤：
步骤1：闪存设备上电后，数据维护单元维护一个闪存块的擦除 次数表，并在每次擦除操作后更新数据；
步骤2：寿命阶段判定单元根据擦除次数表来判断闪存芯片当前 使用寿命，若判断结果为磨损过度则向动态阈值计算单元发出损耗均 衡预处理信号；
步骤3：动态阈值计算单元接收该损耗均衡预处理信号，定期的 根据当前使用情况来计算动态阈值，并将该动态阈值发送给比较单 元；
步骤4：比较单元接收动态阈值，并利用擦除次数表来计算闪存 芯片损耗的不均衡程度，根据比较的不同结果输出信号不同，若不均 衡程度超过了阈值则输出处理信号到数据迁移单元，否则反馈到寿命 阶段判定单元；
步骤5：数据迁移单元接收到处理信号后把擦除次数小的数据块 检索出来，将上面的数据迁移到当前擦除次数最大的空闲块上，并向 擦除单元发出擦除信号；
步骤6：擦除单元在接收到信号后将选中的数据块擦除，输出信 号给数据维护单元，更新记录数据的表格。
其中，所述步骤2中，由寿命阶段判定单元监控闪存芯片上闪存 块的最大磨损程度，若存在闪存块的最大磨损程度大于设定值，则输 出损耗均衡预处理信号到动态阈值计算单元。
其中，所述步骤2中，闪存芯片整体擦除次数每增加一定的数值 则由寿命阶段判定单元判定一次寿命阶段。
其中，所述步骤3中，所述损耗均衡预处理信号由动态阈值计算 单元接收，每当闪存芯片总体的擦除次数增加一定数值时，该动态阈 值计算单元则根据当前闪存块的综合磨损程度计算现阶段的动态阈 值。
其中，所述步骤3中，所述动态阈值处理的计算依据为：
Figure BDA0001894241090000071
其中，maxEC为当前闪存块最大擦除次数，lifephase为芯片寿命阶 段划分参数，EClimit为闪存块可擦除次数上限，n为阈值控制参数。
其中，所述步骤4中，比较单元接收动态阈值后，从擦除次数表 中读取擦除次数数据，计算闪存芯片磨损的不均衡程度并与接收到的 当前的动态阈值进行比较；如果超过动态阈值则输出处理信号给数据 迁移单元，若未超过动态阈值则反馈给寿命阶段判定单元。
其中，所述闪存芯片磨损的不均衡程度是指：闪存块最大擦除次 数与最小擦除次数之间的差值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以 做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种应用于NAND Flash损耗均衡的优化方法，其特征在于，所述方法基于损耗均衡系统来实施，所述损耗均衡系统包括：数据维护单元、寿命阶段判定单元、动态阈值计算单元、比较单元；
所述方法包括如下步骤：
步骤1：闪存设备上电后，数据维护单元维护一个闪存块的擦除次数表，并在每次擦除操作后更新数据；
步骤2：寿命阶段判定单元根据擦除次数表来判断闪存芯片当前使用寿命，若判断结果为磨损过度则向动态阈值计算单元发出损耗均衡预处理信号；
步骤3：动态阈值计算单元接收该损耗均衡预处理信号，定期的根据当前使用情况来计算动态阈值，并将该动态阈值发送给比较单元；
步骤4：比较单元接收动态阈值，并利用擦除次数表来计算闪存芯片损耗的不均衡程度，根据比较的不同结果输出信号不同，若不均衡程度超过了阈值则输出处理信号到数据迁移单元，否则反馈到寿命阶段判定单元；
步骤5：数据迁移单元接收到处理信号后把擦除次数小的数据块检索出来，将上面的数据迁移到当前擦除次数最大的空闲块上，并向擦除单元发出擦除信号；
步骤6：擦除单元在接收到信号后将选中的数据块擦除，输出信号给数据维护单元，更新记录数据的表格；
所述步骤3中，所述损耗均衡预处理信号由动态阈值计算单元接收，每当闪存芯片总体的擦除次数增加一定数值时，该动态阈值计算单元则根据当前闪存块的综合磨损程度计算现阶段的动态阈值；
所述动态阈值处理的计算依据为：
Figure FDA0003515527390000021
其中，maxEC为当前闪存块最大擦除次数，lifephase为芯片寿命阶段划分参数，EClimit为闪存块可擦除次数上限，n为阈值控制参数；
所述步骤4中，比较单元接收动态阈值后，从擦除次数表中读取擦除次数数据，计算闪存芯片磨损的不均衡程度并与接收到的当前的动态阈值进行比较；如果超过动态阈值则输出处理信号给数据迁移单元，若未超过动态阈值则反馈给寿命阶段判定单元；
所述闪存芯片磨损的不均衡程度是指：闪存块最大擦除次数与最小擦除次数之间的差值。
2.如权利要求1所述的应用于NAND Flash损耗均衡的优化方法，其特征在于，所述步骤2中，由寿命阶段判定单元监控闪存芯片上闪存块的最大磨损程度，若存在闪存块的最大磨损程度大于设定值，则输出损耗均衡预处理信号到动态阈值计算单元。
3.如权利要求1所述的应用于NAND Flash损耗均衡的优化方法，其特征在于，所述步骤2中，闪存芯片整体擦除次数每增加一定的数值则由寿命阶段判定单元判定一次寿命阶段。
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