CN111966299A - 一种用于Nand Flash的磨损均衡方法及装置 - Google Patents

一种用于Nand Flash的磨损均衡方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于Nand Flash的磨损均衡方法及装置，该方法包括：检测到写操作指令，获取待写入的目标数据；判断目标数据是否需要分配新的空闲物理块；若需要分配新的空闲物理块，则获取空闲队列中擦除次数最小的空闲物理块，将目标数据写入空闲物理块中，生成数据物理块；判断所有物理块是否满足预设的磨损均衡条件；若满足预设的磨损均衡条件，则将擦除次数最小的数据物理块的数据迁入空闲队列中擦除次数最大的空闲块中，生成目标数据块；重复上述操作，直至所有物理块满足预设的磨损均衡条件。本发明实施例可以最大化闪存使用寿命，解决数据随机性对闪存使用寿命的影响，不消耗大量内存资源的情况记录每个物理块的擦除次数。

Description

一种用于Nand Flash的磨损均衡方法及装置
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种用于Nand Flash的磨损均衡方法及装置。
背景技术
Nand Flash存储器是flash存储器的一种，其内部采用非线性宏单元模式，为固态大容量内存的实现提供了廉价有效的解决方案。Nand flash存储器具有容量较大，改写速度快等优点，适用于大量数据的存储，因而在业界得到了越来越广泛的应用。
由于Nand flash没有重写机制，所以在一个块写满数据后，需要擦除块中的数据，才可以写入新数据。当数据更新时，将新数据重新写入，标记原数据为无效，进入待擦除状态。固态硬盘的物理特性决定了它的可擦写次数是有限的。为了提高Nand flash的使用寿命，需要对各个块的擦除次数进行均衡处理。
现有的磨损均衡算法是通过在每次写或擦除操作后，按照某一概率来触发磨损均衡处理。按照均匀分布的概率，随机选择某个块执行擦除操作。不论块上放的是“冷”数据还是“热”数据，让每个块得到相等的擦除机会。最后将选中块上的有效数据复制到空块后擦除此块。将数据移动到哪个空闲块上，也是随机选择，因为没有记录块的擦除情况，存在将“冷”数据又移动到一个“冷”块上的情况，结果此块并没有增加擦除次数，这种情况尤其会发生在有大量“冷”数据的系统里。
算法的效果受随机因素影响较大，在擦除前，并不知道各个块被擦除的情况，同时对逻辑页的随机性请求并不能做到完全等概率，所以虽然是等概率地选择处理页，但每个块的擦除次数并不能达到等概率分布，不能达到很好的磨损均衡效果。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于Nand Flash的磨损均衡方法及装置，旨在解决现有技术中磨损均衡算法的效果受随机因素影响较大，在擦除前并不知道各个块被擦除的情况，同时对逻辑页的随机性请求并不能做到完全等概率，因此每个块的擦除次数并不能达到等概率分布，不能达到很好的磨损均衡效果的技术问题。
本发明的技术方案如下：
一种用于Nand Flash的磨损均衡方法，所述方法包括：
检测到写操作指令，获取待写入的目标数据；
判断目标数据是否需要分配新的空闲物理块；
若需要分配新的空闲物理块，则获取空闲队列中擦除次数最小的空闲物理块，将目标数据写入空闲物理块中，生成数据物理块；
判断所有物理块是否满足预设的磨损均衡条件；若满足预设的磨损均衡条件，则将擦除次数最小的数据物理块的数据迁入空闲队列中擦除次数最大的空闲块中，生成目标数据块；
继续判断所有物理块是否满足预设的磨损均衡条件，根据判断结果执行对应的物理块数据迁入操作，直至所有物理块满足预设的磨损均衡条件。
进一步地，所述判断目标数据是否需要分配新的空闲物理块后，还包括：
若不需要分配新的空闲物理块，则将目标数据写入已存在的数据物理块中。
进一步优选地，所述检测到写操作指令，获取待写入的目标数据，包括：
检测到写操作指令，获取待写入的目标数据的数据类型，所述数据类型包括热数据和冷数据。
进一步优选地，所述将目标数据写入已存在的数据物理块中，包括：
判断目标数据的类型为热数据或冷数据；
若目标数据为热数据，则将目标数据写入已存在的热数据所在数据物理块中；
若目标数据为冷数据，则将目标数据写入已存在的冷数据所在数据物理块中。
优选地，所述将擦除次数最小的数据物理块的数据迁入空闲队列中擦除次数最大的空闲块中，生成目标数据块之后，包括：
将目标数据块放入对应的块映射表，将所述擦除次数最小的数据物理块变更为空闲块。
进一步地，所述预设的磨损均衡条件为任何两个物理块的擦除次数之差超过预定的阈值或是某个数据块的擦除次数超过所有物理块的平均擦除次数。
进一步地，所述物理块包括未写入数据的空闲物理块和已写入数据的数据物理块。
本发明的另一实施例提供了一种用于Nand Flash的磨损均衡装置，所述装置包括至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述的用于Nand Flash的磨损均衡方法。
本发明的另一实施例还提供了一种非易失性计算机可读存储介质，所述非易失性计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个处理器执行时，可使得所述一个或多个处理器执行上述的用于Nand Flash的磨损均衡方法。
本发明的另一种实施例提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非易失性计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被处理器执行时，使所述处理器执行上述的用于Nand Flash的磨损均衡方法。
有益效果：本发明实施例可以最大化闪存使用寿命，解决数据随机性对闪存使用寿命的影响，不消耗大量内存资源的情况记录每个物理块的擦除次数。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明一种用于Nand Flash的磨损均衡方法较佳实施例的流程图；
图2为本发明一种用于Nand Flash的磨损均衡装置的较佳实施例的硬件结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。以下结合附图对本发明实施例进行介绍。
本发明实施例提供了一种用于Nand Flash的磨损均衡方法。请参阅图1，图1为本发明一种用于Nand Flash的磨损均衡方法较佳实施例的流程图。如图1所示，其包括步骤：
步骤S100、检测到写操作指令，获取待写入的目标数据；
步骤S200、判断目标数据是否需要分配新的空闲物理块，如果是，则执行步骤S300，如果否，则执行步骤S600；
步骤S300、获取空闲队列中擦除次数最小的空闲物理块，将目标数据写入空闲物理块中，生成数据物理块；
步骤S400、判断所有物理块是否满足预设的磨损均衡条件，如果是，则执行步骤S500，如果否，则执行步骤S700；
步骤S500、将擦除次数最小的数据物理块的数据迁入空闲队列中擦除次数最大的空闲块中，生成目标数据块，之后执行步骤S400；
步骤S600、将目标数据写入已存在的数据物理块中；
步骤S700、结束。
具体实施时，物理块包括未写入数据的空闲物理块和已写入数据的数据物理块。
检测到写操作指令，获取待执行写操作的目标数据；判断写操作是否需要分配新的物理块；
若需要分配新的空闲物理块，则获取擦除次数最小的空闲物理块，将目标数据写入空闲物理块；判断写入的物理块是否满足预设的磨损均衡条件；预设的磨损均衡条件为任何两个物理块的擦除次数之差超过预定的阈值或是某个数据块的擦除次数超过所有物理块的平均擦除次数。若满足预设的磨损均衡条件，则将最冷的数据物理块中的数据搬移到最热空闲物理块中；最冷的数据物理块为擦写次数最小的数据物理块，最热空闲物理块为擦写次数最大的空闲物理块。数据多次交换后，使得冷的物理块和原来热的物理块擦除次数达到平衡。
若不需要分配新的空闲物理块，则获取已存在的数据物理块，将目标数据写入已存在的数据物理块。
本发明实施例可以最大化闪存使用寿命，解决数据随机性对闪存使用寿命的影响，不消耗大量内存资源的情况记录每个物理块的擦除次数。
进一步地，检测到写操作指令，获取待写入的目标数据，包括：
检测到写操作指令，获取待写入的目标数据的数据类型，所述数据类型包括热数据和冷数据。
具体实施时，检查当前写操作的目标数据冷热数据类型，判断数据是经常访问的热数据或是不经常访问的冷数据。
进一步地，将目标数据写入已存在的数据物理块中，包括：
判断目标数据的类型为热数据或冷数据；
若目标数据为热数据，则将目标数据写入已存在的热数据所在数据物理块中；
若目标数据为冷数据，则将目标数据写入已存在的冷数据所在数据物理块中。
具体实施时，若目标数据为热数据，写入数据时，直接写入热数据对应的数据物理块中的空闲地址，若检测到目标数据为冷数据，写数据时直接写入冷数据对应的数据物理块中的空闲地址，从而提高数据物理块的利用效率。
进一步地，将擦除次数最小的数据物理块的数据迁入空闲队列中擦除次数最大的空闲块中，生成目标数据块之后，包括：
将目标数据块放入对应的块映射表，将所述擦除次数最小的数据物理块变更为空闲块。
具体实施时，将最冷的物理块数据块搬移到最热空闲块中；数据多次交换后，将写入数据后的热空闲块放入到对应的块映射表，冷数据对应的数据物理块作为新的空闲块。
由以上方法实施例可知，本发明实施例提供了一种用于Nand Flash的磨损均衡方法，将磨损均衡的随机性算法和确定性算法结合起来，在未达到确定条件之前采用随机性算法，来保证闪存写入的速度减少写放大，在达到磨损均衡条件时采用确定性算法使闪存达到全局磨损均衡，延长闪存整体使用寿命。
需要说明的是，上述各步骤之间并不必然存在一定的先后顺序，本领域普通技术人员，根据本发明实施例的描述可以理解，不同实施例中，上述各步骤可以有不同的执行顺序，亦即，可以并行执行，变可以交换执行等等。
本发明另一实施例提供一种用于Nand Flash的磨损均衡装置，如图2所示，装置10包括：
一个或多个处理器110以及存储器120，图2中以一个处理器110为例进行介绍，处理器110和存储器120可以通过总线或者其他方式连接，图2中以通过总线连接为例。
处理器110用于完成，装置10的各种控制逻辑，其可以为通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、单片机、ARM(Acorn RISCMachine)或其它可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立的硬件组件或者这些部件的任何组合。还有，处理器110还可以是任何传统处理器、微处理器或状态机。处理器110也可以被实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器结合DSP核、或任何其它这种配置。
存储器120作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的用于Nand Flash的磨损均衡方法对应的程序指令。处理器110通过运行存储在存储器120中的非易失性软件程序、指令以及单元，从而执行装置10的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的用于Nand Flash的磨损均衡方法。
存储器120可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作装置、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据装置10使用所创建的数据等。此外，存储器120可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器120可选包括相对于处理器110远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至装置10。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
一个或者多个单元存储在存储器120中，当被一个或者多个处理器110执行时，执行上述任意方法实施例中的用于Nand Flash的磨损均衡方法，例如，执行以上描述的图1中的方法步骤S100至步骤S700。
本发明实施例提供了一种非易失性计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个处理器执行，例如，执行以上描述的图1中的方法步骤S100至步骤S700。
作为示例，非易失性存储介质能够包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦ROM(EEPROM)或闪速存储器。易失性存储器能够包括作为外部高速缓存存储器的随机存取存储器(RAM)。通过说明并非限制，RAM可以以诸如同步RAM(SRAM)、动态RAM、(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据速率SDRAM(DDR SDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、Synchlink DRAM(SLDRAM)以及直接Rambus(兰巴斯)RAM(DRRAM)之类的许多形式得到。本文中所描述的操作环境的所公开的存储器组件或存储器旨在包括这些和/或任何其他适合类型的存储器中的一个或多个。
本发明的另一种实施例提供了一种计算机程序产品，计算机程序产品包括存储在非易失性计算机可读存储介质上的计算机程序，计算机程序包括程序指令，当程序指令被处理器执行时，使处理器执行上述方法实施例的用于Nand Flash的磨损均衡方法。例如，执行以上描述的图1中的方法步骤S100至步骤S700。
以上所描述的实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
通过以上的实施例的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施例可借助软件加通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件实现。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对相关技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存在于计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机装置(可以是个人计算机，服务器，或者网络装置等)执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。
除了其他之外，诸如"能够'、"能"、"可能"或"可以"之类的条件语言除非另外具体地陈述或者在如所使用的上下文内以其他方式理解，否则一般地旨在传达特定实施方式能包括(然而其他实施方式不包括)特定特征、元件和/或操作。因此，这样的条件语言一般地还旨在暗示特征、元件和/或操作对于一个或多个实施方式无论如何都是需要的或者一个或多个实施方式必须包括用于在有或没有输入或提示的情况下判定这些特征、元件和/或操作是否被包括或者将在任何特定实施方式中被执行的逻辑。
已经在本文中在本说明书和附图中描述的内容包括能够提供用于Nand Flash的磨损均衡方法及装置的示例。当然，不能够出于描述本公开的各种特征的目的来描述元件和/或方法的每个可以想象的组合，但是可以认识到，所公开的特征的许多另外的组合和置换是可能的。因此，显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下能够对本公开做出各种修改。此外，或在替代方案中，本公开的其他实施例从对本说明书和附图的考虑以及如本文中所呈现的本公开的实践中可能是显而易见的。意图是，本说明书和附图中所提出的示例在所有方面被认为是说明性的而非限制性的。尽管在本文中采用了特定术语，但是它们在通用和描述性意义上被使用并且不用于限制的目的。

Claims (10)

1.一种用于Nand Flash的磨损均衡方法,其特征在于,所述方法包括：
检测到写操作指令，获取待写入的目标数据；
判断目标数据是否需要分配新的空闲物理块；
若需要分配新的空闲物理块，则获取空闲队列中擦除次数最小的空闲物理块，将目标数据写入空闲物理块中，生成数据物理块；
判断所有物理块是否满足预设的磨损均衡条件；若满足预设的磨损均衡条件，则将擦除次数最小的数据物理块的数据迁入空闲队列中擦除次数最大的空闲块中，生成目标数据块；
继续判断所有物理块是否满足预设的磨损均衡条件，根据判断结果执行对应的物理块数据迁入操作，直至所有物理块满足预设的磨损均衡条件。
2.根据权利要求1所述的用于Nand Flash的磨损均衡方法，其特征在于，所述判断目标数据是否需要分配新的空闲物理块后，还包括：
若不需要分配新的空闲物理块，则将目标数据写入已存在的数据物理块中。
3.根据权利要求2所述用于Nand Flash的磨损均衡方法，其特征在于，所述检测到写操作指令，获取待写入的目标数据，包括：
检测到写操作指令，获取待写入的目标数据的数据类型，所述数据类型包括热数据和冷数据。
4.根据权利要3所述的用于Nand Flash的磨损均衡方法，其特征在于，所述将目标数据写入已存在的数据物理块中，包括：
判断目标数据的类型为热数据或冷数据；
若目标数据为热数据，则将目标数据写入已存在的热数据所在数据物理块中；
若目标数据为冷数据，则将目标数据写入已存在的冷数据所在数据物理块中。
5.根据权利要求4所述的用于Nand Flash的磨损均衡方法，其特征在于，所述将擦除次数最小的数据物理块的数据迁入空闲队列中擦除次数最大的空闲块中，生成目标数据块之后，包括：
将目标数据块放入对应的块映射表，将所述擦除次数最小的数据物理块变更为空闲块。
6.根据权利要求1所述的用于Nand Flash的磨损均衡方法，其特征在于，所述预设的磨损均衡条件为任何两个物理块的擦除次数之差超过预定的阈值或是某个数据块的擦除次数超过所有物理块的平均擦除次数。
7.根据权利要求1所述的用于Nand Flash的磨损均衡方法，其特征在于，所述物理块包括未写入数据的空闲物理块和已写入数据的数据物理块。
8.一种用于Nand Flash的磨损均衡装置，其特征在于，所述装置包括至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-7任一项所述的用于Nand Flash的磨损均衡方法。
9.一种非易失性计算机可读存储介质，其特征在于，所述非易失性计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个处理器执行时，可使得所述一个或多个处理器执行权利要求1-7任一项所述的用于Nand Flash的磨损均衡方法。
10.一种计算机程序产品，其特征在于，所述计算机程序产品包括存储在非易失性计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被处理器执行时，使所述处理器执行权利要求1-7任一项所述的用于Nand Flash的磨损均衡方法。
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