CN109739776B - 用于NAND Flash主控芯片的Greedy垃圾回收系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于芯片技术领域，具体涉及一种用于NAND Flash主控芯片的Greedy垃圾回收系统。与现有技术相比较，本发明提供一种可靠性高、实现简单、回收效率高的垃圾回收系统，并嵌入到NAND Flash的主控芯片中。嵌入了本发明设计的高可靠、高效率垃圾回收系统的主控芯片相比于一般的采用Greedy回收策略的垃圾回收模块具有在保证高可靠性的前提下能极大提升工作效率的优点。
Description
技术领域
本发明属于芯片技术领域，具体涉及一种用于NAND Flash主控芯片的Greedy垃圾回收系统。
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。闪存主要分为两大类，NOR Flash和NAND Flash，NOR Flash适合存储系统中的关键性代码，而NAND Flash与之相比具有容量大、成本低、能耗小、擦除时间短等特点，更适用于存储用户数据。因此，NAND Flash被广泛应用于数码产品和嵌入式的开发。
NAND Flash颗粒不同于传统的机械硬盘可以直接被主机识别使用，需要闪存主控芯片对物理地址和逻辑地址进行一些列的映射操作才能实现数据的读取。同时由于自身存在的物理特性，闪存采用异地更新的存储策略和先擦后写的操作方式，并且闪存块具有一定的擦除次数上限，因此NAND Flash主控芯片还需要加入损耗均衡模块、垃圾回收模块和坏块管理模块来提升存储设备的使用性能。
垃圾回收模块作为闪存主控芯片中保障闪存芯片正常运行和提升性能的关键处理模块之一，目前国外已经有许多值得借鉴的研究成果，其中可靠性及执行效率最高的是采用了贪心选择机制的Greedy垃圾回收方式，操作简单，容易实现，是早期的经典算法。但是，随着闪存设备容量和闪存块数量的增加，这种垃圾回收方式在执行的过程中因其自身机制而导致时间开销也在不断增加。
目前，追求高可靠、高执行效率的NAND Flash存储设备通常需要性能更稳定的主控芯片。在追求主控芯片的工作效率和可靠性、稳定性的工作环境下，Greedy垃圾回收方式是此类芯片中垃圾回收模块惯用的的回收策略。
嵌有Greedy垃圾回收模块的主控芯片在闪存容量小、闪存块少时回收效率高，但是随着大数据的发展，目前大多闪存设备都需要有相当大的存储空间，也就是说闪存块的数量会非常多，这就会导致垃圾回收模块因其检索机制和触发机制问题使得主控芯片的性能大大降低。
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：如何提供一种可靠性高、实现简单、回收效率高的垃圾回收系统。
（二）技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于NAND Flash主控芯片的Greedy垃圾回收系统，所述Greedy垃圾回收系统包括：存储空间监测模块4、目标筛选模块2、写入地址监测模块1、回收模块3；
所述存储空间监测模块4包括：数据信息维护单元9、存储空间判定单元10；
所述目标筛选模块2包括：分组单元5、局部检索单元6；
所述回收模块3包括：数据迁移单元7、擦除单元8；
其中，
所述存储空间监测模块4的数据信息维护单元9用于在上电后维护一个记录表格，该记录表格用于记录闪存块的擦除次数，在每次擦除操作后更新相应的数据；
所述写入地址监测模块1用于监控闪存存储设备工作时数据写入Flash颗粒的写入地址，当判定写入地址为某一闪存块的末地址时向目标筛选模块2发出触发信号；
所述目标筛选模块2用于接收上电信息，由分组单元5将用户可用闪存块以相同的方式进行均匀分组，并标记组号Group ID和闪存块在组内的IDBlock ID；
所述目标筛选模块2接收到写入地址监测模块1发来的触发信号后，局部检索单元6负责在某一个闪存块组中查找可被回收的闪存块，再次触发时顺次从下一个组检索，所有闪存块组都被检索完毕后再回到第一组，完成末地址写入数据的闪存块的分组检索并传递待回收闪存块相应的组号和闪存块的组中ID到回收模块3；
所述回收模块3用于在接到待回收闪存块相应的组号和闪存块的组中ID后，进行数据迁移操作和擦除操作，分别由回收模块3中的数据迁移单元7和擦除单元8来完成，而后向存储空间监测模块4输出一个监测信号；
所述存储空间监测模块4在收到监测信号后，数据信息维护单元9先根据所擦除的闪存块相应的组号和闪存块的组中ID对记录表格进行更新，存储空间判定单元10再对闪存芯片当前可用空闲闪存块的数量进行检验，并视情况向目标筛选模块2或是写入地址监测模块1发出信号。
其中，所述目标筛选模块2顺次以闪存块组为单位查找目标块，每次检索一个闪存块组。
其中，所述待回收闪存块为当前组中无效页最多的闪存块。
其中，所述数据迁移单元7将待回收闪存块上的有效数据拷贝至当前擦除次数最小的空闲闪存块上。
其中，在所述数据迁移单元7完成数据迁移后，擦除单元8完成待回收闪存快的擦除操作。
其中，所述存储空间判定单元10对闪存芯片当前可用空闲闪存块的数量进行检验，判断存储空间是否充足，根据判定的不同结果输出不同的信号到不同的模块。
其中，当判断到存储空间不足时，输出回收信号给目标筛选模块2。
其中，当判断存储空间充足时，则向写入地址监测模块1输出监测信号。
其中，所述系统应用于NAND Flash主控芯片的垃圾回收。
其中，该系统可以保护磨损程度较大的闪存块，降低其使用频率。
（三）有益效果
与现有技术相比较，本发明提供一种可靠性高、实现简单、回收效率高的垃圾回收系统，并嵌入到NAND Flash的主控芯片中。嵌入了本发明设计的高可靠、高效率垃圾回收系统的主控芯片相比于一般的采用Greedy回收策略的垃圾回收模块具有在保证高可靠性的前提下能极大提升工作效率的优点。
模块1的设计可以保证每当有一个闪存块被完全使用后就会有一个存有无效数据较多的闪存块被回收掉，释放存储空间，确保闪存存储设备长期保持较多的可用存储空间，避免垃圾回收算法的集中触发。模块2的分组单元5将数量庞大的闪存块化整为零，并通过局部检索单元6进行查找，大大降低了查找的时间开销。相比于Greedy回收策略把所有闪存块都遍历一次后只得到一个可回收块的方式，模块2确保垃圾回收模块在把所有闪存块遍历一次后每个闪存块都只会被检索一次，并且回收了闪存块组数个存有较多无效数据的闪存块，提升了垃圾回收模块的工作效率。
此外，模块3中的数据迁移单元7可以应对计算机数据访问的局部性原理（即刚刚被访问或是更新的数据在接下来的短时间里有很大可能性又会被访问或更新），在一定程度上保护磨损程度较大的闪存块，降低它们的使用频率。
附图说明
图1为嵌有Greedy垃圾回收系统的NAND Flash主控芯片示意图。
图2为嵌有本发明垃圾回收系统的NAND Flash主控芯片示意图。
图3为垃圾回收模块的具体设计框图和信号流向示意图。
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。
为了解决这一问题，本发明设计了一种可靠性高、实现简单、回收效率高的垃圾回收模块，并嵌入到NAND Flash的主控芯片中。
图3为本发明垃圾回收模块的具体细节设计框图。本发明设计的高可靠、高效率垃圾回收模块主要包含4个功能子模块，分别是写入地址监测子模块1、目标筛选子模块2、回收子模块3和存储空间监测子模块4，其中目标筛选模块由分组单元5和局部检索单元6组成，回收模块包含数据迁移单元7、块擦除单元8。
写入地址监测子模块1负责监控闪存存储设备工作时数据写入Flash颗粒的写入地址，当判定写入地址为某一闪存块的末地址时向目标筛选模块2发出触发信号。
目标筛选模块2包含分组单元5和局部检索单元6。存储设备上电后，分组单元5会将用户可用闪存块以相同的方式均匀分组，并标记组号Group ID及每个闪存块在组中的Block ID。模块2接收到模块1发来的触发信号后，局部检索单元6负责在某一个闪存块组中查找可被回收的闪存块，再次触发时顺次从下一个组检索，所有闪存块组都被检索完毕后再回到第一组。查找完成后模块2输出Group ID和Block ID，由模块3接收。
回收模块3负责在接收到模块2发出的两个ID号之后对待回收的闪存块进行处理。数据迁移单元7负责把待回收闪存块上的数据拷贝到当前存储设备中擦除次数最小的空闲闪存块中，块擦除单元8负责将待回收闪存块擦除，处理完成后输出一个监测信号到模块4。
存储空间监测模块4由数据信息维护单元9和存储空间判定单元10构成，其功能是维护系统数据信息表并监测、判定当前闪存存储设备剩余的可用空闲闪存块的数量，根据不同的判定结果向模块2发出回收信号或是向模块1发出监测信号。
具体而言，为解决上述技术问题，本发明提供一种用于NAND Flash主控芯片的Greedy垃圾回收系统，所述Greedy垃圾回收系统包括：存储空间监测模块4、目标筛选模块2、写入地址监测模块1、回收模块3；
所述存储空间监测模块4包括：数据信息维护单元9、存储空间判定单元10；
所述目标筛选模块2包括：分组单元5、局部检索单元6；
所述回收模块3包括：数据迁移单元7、擦除单元8；
其中，
所述存储空间监测模块4的数据信息维护单元9用于在上电后维护一个记录表格，该记录表格用于记录闪存块的擦除次数，在每次擦除操作后更新相应的数据；
所述写入地址监测模块1用于监控闪存存储设备工作时数据写入Flash颗粒的写入地址，当判定写入地址为某一闪存块的末地址时向目标筛选模块2发出触发信号；
所述目标筛选模块2用于接收上电信息，由分组单元5将用户可用闪存块以相同的方式进行均匀分组，并标记组号Group ID和闪存块在组内的IDBlock ID；
所述目标筛选模块2接收到写入地址监测模块1发来的触发信号后，局部检索单元6负责在某一个闪存块组中查找可被回收的闪存块，再次触发时顺次从下一个组检索，所有闪存块组都被检索完毕后再回到第一组，完成末地址写入数据的闪存块的分组检索并传递待回收闪存块相应的组号和闪存块的组中ID到回收模块3；
所述回收模块3用于在接到待回收闪存块相应的组号和闪存块的组中ID后，进行数据迁移操作和擦除操作，分别由回收模块3中的数据迁移单元7和擦除单元8来完成，而后向存储空间监测模块4输出一个监测信号；
所述存储空间监测模块4在收到监测信号后，数据信息维护单元9先根据所擦除的闪存块相应的组号和闪存块的组中ID对记录表格进行更新，存储空间判定单元10再对闪存芯片当前可用空闲闪存块的数量进行检验，并视情况向目标筛选模块2或是写入地址监测模块1发出信号。
其中，所述目标筛选模块2顺次以闪存块组为单位查找目标块，每次检索一个闪存块组。
其中，所述待回收闪存块为当前组中无效页最多的闪存块。
其中，所述数据迁移单元7将待回收闪存块上的有效数据拷贝至当前擦除次数最小的空闲闪存块上。
其中，在所述数据迁移单元7完成数据迁移后，擦除单元8完成待回收闪存快的擦除操作。
其中，所述存储空间判定单元10对闪存芯片当前可用空闲闪存块的数量进行检验，判断存储空间是否充足，根据判定的不同结果输出不同的信号到不同的模块。
其中，当判断到存储空间不足时，输出回收信号给目标筛选模块2。
其中，当判断存储空间充足时，则向写入地址监测模块1输出监测信号。
其中，所述系统应用于NAND Flash主控芯片的垃圾回收。
其中，该系统可以保护磨损程度较大的闪存块，降低其使用频率。
此外，本发明还提供一种针对NAND Flash主控芯片Greedy垃圾回收的优化方法，所述方法基于Greedy垃圾回收系统来实施，所述Greedy垃圾回收系统包括：存储空间监测模块4、目标筛选模块2、写入地址监测模块1、回收模块3；
所述存储空间监测模块4包括：数据信息维护单元9、存储空间判定单元10；
所述目标筛选模块2包括：分组单元5、局部检索单元6；
所述回收模块3包括：数据迁移单元7、擦除单元8；
所述方法包括如下步骤：
步骤1：上电后由存储空间监测模块4的数据信息维护单元9维护一个记录表格，该记录表格用于记录闪存块的擦除次数，在每次擦除操作后更新相应的数据；
步骤2：目标筛选模块2接收上电信息，由分组单元5将用户可用闪存块进行分组，并标记组号和闪存块在组内的ID；
步骤3：由写入地址监测模块1实时判断是否有数据写入到了闪存块的末地址；
步骤4：数据写入闪存块末地址时，写入地址监测模块1触发回收信号给目标筛选模块2，由局部检索单元6完成末地址写入数据的闪存块的分组检索并传递待回收闪存块相应的组号和闪存块的组中ID到回收模块3；
步骤5：回收模块3接到待回收闪存块相应的组号和闪存块的组中ID后，进行数据迁移操作和擦除操作，分别由回收模块3中的数据迁移单元7和擦除单元8来完成，而后向存储空间监测模块4输出一个监测信号；
步骤6：存储空间监测模块4在收到监测信号后，数据信息维护单元9先根据步骤5所擦除的闪存块相应的组号和闪存块的组中ID对记录表格进行更新，存储空间判定单元10再对闪存芯片当前可用空闲闪存块的数量进行检验，并视情况向目标筛选模块2或是写入地址监测模块1发出信号。
其中，所述步骤4中，目标筛选模块2顺次以闪存块组为单位查找目标块，每次检索一个闪存块组。
其中，所述步骤4中，所述待回收闪存块为当前组中无效页最多的闪存块。
其中，所述步骤5中，所述数据迁移单元7将待回收闪存块上的有效数据拷贝至当前擦除次数最小的空闲闪存块上。
其中，所述步骤5中，在所述数据迁移单元7完成数据迁移后，擦除单元8完成待回收闪存快的擦除操作。
其中，所述步骤6中，存储空间判定单元10对闪存芯片当前可用空闲闪存块的数量进行检验，判断存储空间是否充足，根据判定的不同结果输出不同的信号到不同的模块。
其中，所述步骤6中，当判断到存储空间不足时，输出回收信号给目标筛选模块2。
其中，所述步骤6中，当判断存储空间充足时，则向写入地址监测模块1输出监测信号。
其中，所述方法应用于NAND Flash主控芯片的垃圾回收。
其中，该方法可以保护磨损程度较大的闪存块，降低其使用频率。
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 (6)
1.一种用于NAND Flash主控芯片的Greedy垃圾回收系统，其特征在于，所述Greedy垃圾回收系统包括：存储空间监测模块（4）、目标筛选模块（2）、写入地址监测模块（1）、回收模块（3）；
所述存储空间监测模块（4）包括：数据信息维护单元（9）、存储空间判定单元（10）；
所述目标筛选模块（2）包括：分组单元（5）、局部检索单元（6）；
所述回收模块（3）包括：数据迁移单元（7）、擦除单元（8）；
其中，
所述存储空间监测模块（4）的数据信息维护单元（9）用于在上电后维护一个记录表格，该记录表格用于记录闪存块的擦除次数，在每次擦除操作后更新相应的数据；
所述写入地址监测模块（1）用于监控闪存存储设备工作时数据写入Flash颗粒的写入地址，当判定写入地址为某一闪存块的末地址时向目标筛选模块（2）发出触发信号；
所述目标筛选模块（2）用于接收上电信息，由分组单元（5）将用户可用闪存块以相同的方式进行均匀分组，并标记组号Group ID和闪存块在组内的ID，即Block ID；
所述目标筛选模块（2）接收到写入地址监测模块（1）发来的触发信号后，局部检索单元（6）负责在某一个闪存块组中查找可被回收的闪存块，再次触发时顺次从下一个组检索，所有闪存块组都被检索完毕后再回到第一组，完成末地址写入数据的闪存块的分组检索并传递待回收闪存块相应的组号和闪存块的组中ID到回收模块（3）；
所述回收模块（3）用于在接到待回收闪存块相应的组号和闪存块的组中ID后，进行数据迁移操作和擦除操作，分别由回收模块（3）中的数据迁移单元（7）和擦除单元（8）来完成，而后向存储空间监测模块（4）输出一个监测信号；
所述存储空间监测模块（4）在收到监测信号后，数据信息维护单元（9）先根据所擦除的闪存块相应的组号和闪存块的组中ID对记录表格进行更新，存储空间判定单元（10）再对闪存芯片当前可用空闲闪存块的数量进行检验，并视情况向目标筛选模块（2）或是写入地址监测模块（1）发出信号；
所述存储空间判定单元（10）对闪存芯片当前可用空闲闪存块的数量进行检验，判断存储空间是否充足，根据判定的不同结果输出不同的信号到不同的模块；当判断到存储空间不足时，输出回收信号给目标筛选模块（2）；当判断存储空间充足时，则向写入地址监测模块（1）输出监测信号。
2.如权利要求1所述的用于NAND Flash主控芯片的Greedy垃圾回收系统，其特征在于，所述目标筛选模块（2）顺次以闪存块组为单位查找目标块，每次检索一个闪存块组。
3.如权利要求1所述的用于NAND Flash主控芯片的Greedy垃圾回收系统，其特征在于，所述待回收闪存块为当前组中无效页最多的闪存块。
4.如权利要求1所述的用于NAND Flash主控芯片的Greedy垃圾回收系统，其特征在于，所述数据迁移单元（7）将待回收闪存块上的有效数据拷贝至当前擦除次数最小的空闲闪存块上。
5.如权利要求1所述的用于NAND Flash主控芯片的Greedy垃圾回收系统，其特征在于，在所述数据迁移单元（7）完成数据迁移后，擦除单元（8）完成待回收闪存快的擦除操作。
6.如权利要求1所述的用于NAND Flash主控芯片的Greedy垃圾回收系统，其特征在于，所述系统应用于NAND Flash主控芯片的垃圾回收。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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