CN110633056A - 在操作系统层面的Flash芯片的页面管理方法及存储设备 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及存储技术领域，尤其涉及一种在操作系统层面的Flash芯片的页面擦写管理方法及存储设备，其中，在操作系统层面的Flash芯片的页面擦写管理方法，包括：根据IO命令指示的NVM的用户数据存储区的物理地址，查询NVM的损坏页面记录区；若所述物理地址被记录在损坏页面记录区，从损坏页面记录区中获得与所述物理地址相映射的替代物理地址；向所述替代物理地址指示的NVM的备用数据区中的替代页面写入数据，或者从所述替代物理地址指示的NVM的备用数据区中的替代页面读出数据。本申请针对一定范围的NVM页面去做擦写管理，不仅避免了因Flash芯片部分页面损坏导致整颗芯片或者整个产品不能使用的情况，还保证了NVM的擦写性能和操作系统的性能。

Description

在操作系统层面的Flash芯片的页面管理方法及存储设备
技术领域
本申请涉及存储技术领域，尤其涉及一种在操作系统层面的Flash芯片的页面管理方法及存储设备。
背景技术
目前，Flash存储器已被大量的使用在芯片产品中，其中Flash芯片的擦写主要针对非易失存储器(简称NVM)，具体采用按页或者按扇区进行擦写。然而，由于Flash芯片的设计和生产工艺不同，所以Flash芯片的每个页面的擦写寿命存在或多或少的差异，通常Flash芯片的页面的擦写支持10万次。Flash芯片应用在不同使用场景的硬件产品中，对Flash芯片的擦写要求通常不因芯片本身的能力来决定，大多数情况下，需要让Flash芯片具备更高或更持久的擦写能力，以避免因Flash芯片部分页面损坏导致整颗芯片或者整个产品不能使用的情况。
Flash芯片的NVM可以使用页擦页写、页擦字写或者页擦字节写等不同的操作方式，但是不管使用哪种操作方式，每次操作均会带来Flash芯片寿命的损失，因此Flash芯片的页面的寿命损失是不可避免的。
现有技术中，在芯片层对物理地址和逻辑地址进行映射，每次擦写后，物理地址都会轮换成最近没有被使用过的地址，以在芯片底层实现页面擦写次数的记录，从而从芯片层做到页面擦写的均摊，进而大大提高了NVM的擦写寿命，与此同时，必然损失了NVM的擦写性能，
若在操作系统层面上实现页面擦写次数的记录，达到页面擦写的均摊，然而在擦写过程中页面映射关系每次都会变化，因此每次擦写一个页面，操作系统都需要在NVM中另一个页面记录页面擦写次数，导致操作系统整体性能大幅降低。
因此，如何避免因Flash芯片部分页面损坏导致整颗芯片或者整个产品不能使用，并且同时还要保证NVM的擦写性能和操作系统的性能，是本领域技术人员目前急需解决的技术问题。
发明内容
本申请提供了一种在操作系统层面的Flash芯片的页面擦写管理方法及存储设备，以避免因Flash芯片部分页面损坏导致整颗芯片或者整个产品不能使用的情况，并且同时还要保证NVM的擦写性能和操作系统的性能。
为解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：
一种在操作系统层面的Flash芯片的页面擦写管理方法，包括以下步骤：根据IO命令指示的NVM的用户数据存储区的物理地址，查询NVM的损坏页面记录区；若所述物理地址被记录在损坏页面记录区，从损坏页面记录区中获得与所述物理地址相映射的替代物理地址；向所述替代物理地址指示的NVM的备用数据区中的替代页面写入数据，或者从所述替代物理地址指示的NVM的备用数据区中的替代页面读出数据。
如上所述的在操作系统层面的Flash芯片的页面擦写管理方法，其中，优选的是，若所述物理地址没有被记录在损坏页面记录区，则向所述物理地址指示的用户数据存储区的页面写入数据，或者从所述物理地址指示的用户数据存储区的页面读出数据。
如上所述的在操作系统层面的Flash芯片的页面擦写管理方法，其中，优选的是，向备用数据区中的替代页面写入数据或向用户数据存储区中的页面写入数据过程中，若页面损坏，则从备用数据区中分配空闲的替代页面，并且在损坏页面记录区记录损坏页面的物理地址与新分配的替代页面的物理地址的对应关系；向新分配的替代页面写入数据。
如上所述的在操作系统层面的Flash芯片的页面擦写管理方法，其中，优选的是，页面擦写失败，则页面损坏。
如上所述的在操作系统层面的Flash芯片的页面擦写管理方法，其中，优选的是，对擦写之前读至易失性缓存页面中数据进行修改，若页面擦写失败，则将易失性缓存页面中进行修改后的数据写入新分配的替代页面。
如上所述的在操作系统层面的Flash芯片的页面擦写管理方法，其中，优选的是，页面写入数据失败，则页面损坏。
如上所述的在操作系统层面的Flash芯片的页面擦写管理方法，其中，优选的是，对擦写之前读至易失性缓存页面中数据进行修改，若页面写入数据失败，则将易失性缓存页面中进行修改后的数据写入新分配的替代页面。
如上所述的在操作系统层面的Flash芯片的页面擦写管理方法，其中，优选的是，擦写页面时，调用Flash芯片硬件擦写页面接口，Flash芯片底层硬件接口告知擦写失败。
如上所述的在操作系统层面的Flash芯片的页面擦写管理方法，其中，优选的是，在损坏页面记录区记录损坏页面的物理地址与新分配的替代页面的物理地址时，将损坏页面与新分配的替代页面的物理地址先写入备用数据区的空闲页面，再将损坏页面与新分配的替代页面的物理地址写入损坏页面记录区。
一种存储设备，包括NVM芯片，NVM芯片被划分为用户数据存储区、备用数据区和损坏页面记录区；用户数据存储区用来给操作系统或者应用提供数据存储；备用数据区的页面用来替代用户数据存储区中损坏的页面或者用来替代备用数据区中损坏的页面；损坏页面记录区用来记录已损坏的页面和替代页面的对应关系；并且存储设备还执行上述所述的方法之一。
相对上述背景技术，本发明所提供的在操作系统层面的Flash芯片的页面擦写管理方法及存储设备，针对一定范围的NVM页面去做擦写管理，在页面擦写出现损坏时，将损坏页面的物理地址映射到另外一个备用页面的物理地址，并在损坏页面记录区记录该损坏页面和备用页面的对应关系，从而使得在用户数据存储区数据分配和访问时，不再操作已损坏页面，避免因部分页面损坏导致应用或者操作系统无法正常运行，从而就避免了因Flash芯片部分页面损坏导致整颗芯片或者整个产品不能使用的情况；并且本申请还避免了在芯片层和操作系统层把所有页面进行均摊，进而保证了NVM的擦写性能和操作系统的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的NVM的示意图；
图2是本申请实施例提供的在操作系统层面的Flash芯片的数据写入的方法流程图；
图3是本申请实施例提供的在操作系统层面的Flash芯片的数据读取的方法流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
请参阅图1，图1是本申请实施例提供的NVM的示意图。
本申请中操作系统将存储设备的NVM划分为用户数据存储区(简称data)、备用数据区和损坏页面记录区，并且在Flash芯片的CPU运行有用户程序，所以该用户程序不是Flash芯片底层的代码，因此该用户程序是嵌入式操作系统，嵌入式操作系统(简称:COS)是指用于嵌入式系统的操作系统。
其中，用户数据存储区用来给操作系统或者应用提供数据存储功能，即用户数据存储区的页面用来存储操作系统或者应用所涉及的数据，例如用户数据存储区按页面标记包括P1、P2、P3、P4、P5……Pn。
备用数据区的页面(也就是备用数据区的可用页面)用来替代用户数据存储区中损坏的页面或者用来替代备用数据区中损坏的页面，即备用数据区为用户数据存储区和备用数据区提供备用页面。例如备用数据区的页面包括P1’、P2’、P3’、P4’、P5’……Pn’，备用数据区的页面P2’替代用户数据存储区损坏的页面P2，备用数据区的页面P5’替代用户数据存储区损坏的页面P5。损坏的页面是用户存储区中或者备用数据区中的页面无法正常完成芯片底层物理擦写，从而导致页面寿命耗尽的页面。备用数据区中的可用页面替代了之前用户数据区中损坏页面，在使用过程中该备用数据区中的可用页面发生损坏，该损坏的页面即为备用数据区中损坏的页面。
由于备用数据区的页面用来替代用户数据存储区中损坏的页面，所以备用数据区的大小直接决定了能替换用户数据存储区中损坏的页面的多少。另外，还由于用户数据存储区的页面中的部分页面不会频繁擦写，即并非用户数据区中的所有页面都会出现擦写损坏的情况，因此可以将备用数据区的大小设置的要比用户数据存储区的大小小。
损坏页面记录区用来记录已损坏的页面和替代页面的对应关系，即用户数据存储区中的已损坏页面和备用数据区中的替代该损坏页面的替代页面的对应关系，或者备用数据区中的已损坏页面和备用数据区中的替代该损坏页面的替代页面的对应关系。例如损坏页面记录区记录了用户数据存储区损坏的页面P2与备用数据区的页面P2’的对应关系，损坏页面记录区记录了用户数据存储区损坏的页面P5与备用数据区的页面P5’的对应关系。
由于损坏页面记录区是在用户数据存储区的页面或者备用数据区的页面出现页面损坏时，才向损坏页面记录区记录损坏页面和替代页面的对应关系，因此在操作系统运行过程中损坏页面记录区的擦写可能性远远的要少于其他区域(用户数据存储区和备用数据区)的擦写可能性，所以虽然损坏页面记录区的寿命和其他区域的页面寿命一样长，但是在操作系统运行和本方法实施例运行过程中，擦写损坏页面记录区的次数很少，因此损坏页面记录区的页面要比其他区域的页面更加可靠。
操作系统和在Flash芯片CPU上运行的用户程序(嵌入式操作系统)的运行均是以数据的读写为基础的，下面介绍对于上述的NVM而言，数据的读写方法。
请参阅图2，图2是本申请实施例提供的在操作系统层面的Flash芯片的数据写入的方法流程图；
待接收到写数据命令时，依据写数据命令指示的逻辑地址获得相应的物理地址，该物理地址指示了用户数据存储区的页面。根据获得的写数据命令待写入数据存储的物理地址，查询该物理地址是否被记录在损坏页面记录区(S210
若该物理地址被记录在损坏页面记录区，则该物理地址指示的用户数据存储区中的页面已经损坏。从损坏页面记录区中获得与该物理地址形成对应关系的替代物理地址(S220)，依据损坏页面记录区中记录的替代物理地址，向该替代物理地址指示的备用数据区中的替代页面写入待写入的数据(S230)。
若该物理地址没有被记录在损坏页面记录区，则说明该物理地址指示的用户数据存储区中的页面没有损坏，则向该物理地址指示的用户数据存储区中的页面写入待写入的数据(S230)。
向替代物理地址指示的备用数据区中的替代页面写入数据或向依据写数据命令获得的物理地址指示的用户数据存储区中的页面写入数据，在写数据的过程中，若页面损坏(也就是写数据失败)(S240)，则从备用数据区中分配空闲的页面以替代损坏的页面，并且在损坏页面记录区记录损坏页面的物理地址与替代页面的物理地址，以建立损坏页面的物理地址与替代页面的物理地址的对应关系(S250)。判断映射关系是否建立成功(S260)，若成功则从损坏页面记录区中获得对应关系指示的替代物理地址(S220)，并向该替代物理地址中写入数据，直至写数据成功，退出流程；若失败，则直接退出流程。
具体的，将待写入数据的页面(记作页面A)存储的数据读出至易失性缓存页面中(记作缓存页面B)，将待写入的数据在缓存页面B的数据基础上进行修改，并且待页面A记载的数据读出至缓存页面B后，擦除页面A。
若擦除正常(成功)，则页面A没有损坏，将缓存页面B中的数据写入页面A，若写入数据正常，则页面A没有损坏，待写数据完成后，返回写数据完成的消息，退出流程。
若擦除不正常(失败)，则页面A损坏，将页面A的物理地址记录在损坏页面记录区，分配一个备用数据区的空闲页面A’以替代损坏的A页面，并且将分配的页面A’的物理地址记录在损坏页面记录区，与损坏页面记录区中记录的A页面的物理地址关联形成对应关系，将易失性缓存页面B中的数据写入替代页面A’中。
若写入数据失败，则页面A损坏，将A页面的物理地址记录在损坏页面记录区，分配一个备用数据区的空闲页面A’以替代损坏的A页面，并且将分配的页面A’的物理地址记录在损坏页面记录区，与损坏页面记录区中记录的A页面的物理地址关联形成对应关系，将易失性缓存页面B中的数据写入替代页面A’中，待写数据完成后，返回写数据完成的消息，退出流程。
在上述基础上，页面损坏由Flash芯片底层硬件控制；例如：通过调用Flash芯片硬件擦写页面接口时，Flash芯片底层硬件接口告知擦写失败，识别出页面损坏；通过调用Flash芯片硬件擦写接口正常，读取已写入数据与源数据比对不一致，识别出页面损坏；通过调用Flash芯片硬件擦写接口反复执行上述两种识别方法，依然不成功，识别出页面损坏。
另外，擦写损坏页面记录区时，为了避免因失电导致损坏页面记录区记录的已损坏的页面和替代页面的对应关系的数据丢失，向损坏页面记录区写入已损坏的页面和替代页面的对应关系数据时，将已损坏页面与替代页面的对应关系数据先写入备用数据区的空闲备用页面，然后再写入损坏页面记录区。在此过程中，即使在写入空闲备用页面时失电，已损坏页面与替代页面的对应关系尚未建立，在写入损坏页面记录区时失电，上电后依然可以从空闲备用页面读取已损坏页面与替代页面的对应关系数据写入损坏页面记录区。
请参阅图3，图3是本申请实施例提供的在操作系统层面的Flash芯片的数据读取的方法流程图。
待接收到读数据命令时，依据读数据命令指示的逻辑地址获得相应的物理地址，根据读数据命令获得待读出数据存储的物理地址时，先查询该物理地址是否被记录在损坏页面记录区(S310)。若该物理地址被记录在损坏页面记录区，则说明该物理地址指示的页面已经损坏，从损坏页面记录区获得与该物理地址存在对应关系的替代物理地址(S320)。依据替代物理地址从备用数据区中替代该物理地址指示的页面中读出待读取的数据(S330)。若该物理地址没有被记录在该损坏页面记录区，则说明该物理地址指示的页面没有损坏，则从该物理地址指示的用户数据区的页面读出待读取的数据(S330)。
本申请针对一定范围的NVM页面去做擦写管理，在页面擦写出现损坏时，将损坏页面的物理地址映射到另外一个备用页面的物理地址，并在损坏页面记录区记录该损坏页面和备用页面，从而使得在用户数据存储区数据分配和访问时，不再擦写已损坏页面。而操作系统的运行是以数据的正确读写为基础的，所以由于不再擦写已损坏页面，因此就避免了操作系统在访问数据时出现数据错误，从而也就避免了因部分页面损坏导致应用或者操作系统无法正常运行；另外，操作系统中会有系统区，如果系统区页面损坏，则整个系统运行时就不能读到正确数据，因此由于不再擦写已损坏页面，从而从另一方便也避免了操作系统无法正常运行。
基于此，本申请的技术方案就可以避免因Flash芯片部分页面损坏导致整颗芯片或者整个产品不能使用的情况；并且本申请还避免了在芯片层和操作系统层把所有页面进行均摊，进而保证了NVM的擦写性能和操作系统的性能。
本申请还提供了一种存储设备，存储设备的NVM芯片被划分为用户数据存储区、备用数据区和损坏页面记录区，用户数据存储区用来给操作系统或者应用提供数据存储，备用数据区的页面用来替代用户数据存储区中损坏的页面或者用来替代备用数据区中损坏的页面，损坏页面记录区用来记录已损坏的页面和替代页面的对应关系，并且存储设备还执行上述实施例中所涉及的方法。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种在操作系统层面的Flash芯片的页面擦写管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据IO命令指示的NVM的用户数据存储区的物理地址，查询NVM的损坏页面记录区；
若所述物理地址被记录在损坏页面记录区，从损坏页面记录区中获得与所述物理地址相映射的替代物理地址；
向所述替代物理地址指示的NVM的备用数据区中的替代页面写入数据，或者从所述替代物理地址指示的NVM的备用数据区中的替代页面读出数据。
2.根据权利要求1所述的在操作系统层面的Flash芯片的页面擦写管理方法，其特征在于，若所述物理地址没有被记录在损坏页面记录区，则向所述物理地址指示的用户数据存储区的页面写入数据，或者从所述物理地址指示的用户数据存储区的页面读出数据。
3.根据权利要求1或2所述的在操作系统层面的Flash芯片的擦写页面管理方法，其特征在于，
向备用数据区中的替代页面写入数据或向用户数据存储区中的页面写入数据过程中，
若页面损坏，则从备用数据区中分配空闲的替代页面，并且在损坏页面记录区记录损坏页面的物理地址与新分配的替代页面的物理地址的对应关系；
向新分配的替代页面写入数据。
4.根据权利要求3所述的在操作系统层面的Flash芯片的页面擦写管理方法，其特征在于，页面擦写失败，则页面损坏。
5.根据权利要求4所述的在操作系统层面的Flash芯片的页面擦写管理方法，其特征在于，对擦写之前读至易失性缓存页面中数据进行修改，若页面擦写失败，则将易失性缓存页面中进行修改后的数据写入新分配的替代页面。
6.根据权利要求3所述的在操作系统层面的Flash芯片的页面擦写管理方法，其特征在于，页面写入数据失败，则页面损坏。
7.根据权利要求6所述的在操作系统层面的Flash芯片的页面擦写管理方法，其特征在于，对擦写之前读至易失性缓存页面中数据进行修改，若页面写入数据失败，则将易失性缓存页面中进行修改后的数据写入新分配的替代页面。
8.根据权利要求3所述的在操作系统层面的Flash芯片的页面擦写管理方法，其特征在于，擦写页面时，调用Flash芯片硬件擦写页面接口，Flash芯片底层硬件接口告知擦写失败。
9.根据权利要求3所述的在操作系统层面的Flash芯片的页面擦写管理方法，其特征在于，在损坏页面记录区记录损坏页面的物理地址与新分配的替代页面的物理地址时，将损坏页面与新分配的替代页面的物理地址先写入备用数据区的空闲页面，再将损坏页面与新分配的替代页面的物理地址写入损坏页面记录区。
10.一种存储设备，包括NVM芯片，其特征在于，NVM芯片被划分为用户数据存储区、备用数据区和损坏页面记录区；用户数据存储区用来给操作系统或者应用提供数据存储；备用数据区的页面用来替代用户数据存储区中损坏的页面或者用来替代备用数据区中损坏的页面；损坏页面记录区用来记录已损坏的页面和替代页面的对应关系；并且存储设备还执行权利要求1-8之一所述的方法。
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