CN114063906A - Nand闪存中物理块的管理方法、装置及ssd设备 - Google Patents

Nand闪存中物理块的管理方法、装置及ssd设备 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种NAND闪存中物理块的管理方法、装置及SSD设备，所述方法包括：获取NAND闪存中各个物理块的状态；根据物理块的状态查找NAND闪存中处于编程状态的物理块；判断处于编程状态的物理块中的存储数据是否被标记为无用数据；若处于编程状态的物理块中的存储数据被标记为无用数据，则将当前物理块记录为第一目标物理块；保留第一目标物理块的编程状态不变，直到对第一目标物理块进行数据写入时，对所述第一物理块进行擦除操作。本发明提出的NAND闪存中物理块的管理方法、装置及SSD设备，避免物理块在擦除态下长时间放置产生的self‑recovery效应对后续写入后数据保存产生的负面影响，可以更好的对物理块进行保护，提高数据存储的安全性和稳定性。

Description

NAND闪存中物理块的管理方法、装置及SSD设备
技术领域
本发明涉及数据存储技术领域，尤其涉及一种NAND闪存中物理块的管理方法、装置及SSD设备。
背景技术
NAND闪存因其高性能、低功耗、体积小、高稳定性和与硅工艺兼容等特点已经成为目前主流的非易失性存储器在消费级、企业级以及工控市场得到了广泛的应用，主要产品形态包括SSD(Solid State Drives，固态硬盘)。其中，NAND闪存可以由大量Block(物理块，也可以称为数据块)组成，物理块是NAND闪存做擦除操作的基本单元，每个物理块可以由大量页(Page)组成，里面包含数量众多的存储单元。
SSD主控在做Block管理时，通常把未在使用的或将要使用的Block进行擦除，来方便后续将信息写入这些Block，SSD出厂前会对整个SSD进行一系列操作，以及SSD在上电后会对整块盘中的闪存进行擦除处理，使NAND闪存中的Block处于擦除状态。同样的，在SSD使用过程中也会有数量众多的Block长时间处于擦除状态。当NAND闪存单元处于擦除态时，特别是以整个Block处于擦除态为通常的情况，表明当前Block是暂时还未写入数据的Block，当这些处于擦除态的Block处于一定环境温度(通常SSD的环境温度比较高)并且经过一段时间(即经历了self-recovery)后，再次进行擦除和编程操作写入数据后，Block的数据保持能力不但没有改善，相反会变得更差，这加剧了存储信息错误的风险，影响数据存储的安全性和稳定性。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的NAND闪存中物理块的管理方法、装置及SSD设备。
本发明的一个方面，提供了一种NAND闪存中物理块的管理方法，该方法包括：
获取NAND闪存中各个物理块的状态；
根据物理块的状态查找NAND闪存中处于编程状态的物理块；
判断处于编程状态的物理块中的存储数据是否被标记为无用数据；
若处于编程状态的物理块中的存储数据被标记为无用数据，则将当前物理块记录为第一目标物理块；
保留第一目标物理块的编程状态不变，直到对第一目标物理块进行数据写入时，对所述第一物理块进行擦除操作。
进一步地，在获取NAND闪存中各个物理块的状态之后，所述方法还包括：
根据物理块的状态查找NAND闪存中处于擦除状态的物理块；
将处于擦除状态的物理块记录为第二目标物理块；
在所述第二目标物理块中写入无效数据。
进一步地，所述在第二目标物理块中写入无效数据包括：
在第二目标物理块中写入指定阈值电压的无效数据。
进一步地，在第二目标物理块中写入无效数据之后，所述方法还包括：
将所述第二目标物理块从擦除状态修改为编程状态，并将当前物理块中的存储数据标记为无用数据。
本发明的又一个方面，提供了一种NAND闪存中物理块的管理装置，该装置包括：
获取模块，用于获取NAND闪存中各个物理块的状态；
查找模块，用于根据物理块的状态查找NAND闪存中处于编程状态的物理块；
判断模块，用于判断处于编程状态的物理块中的存储数据是否被标记为无用数据；
配置模块，用于当处于编程状态的物理块中的存储数据被标记为无用数据时，将当前物理块记录为第一目标物理块；
处理模块，用于保留第一目标物理块的编程状态不变，直到对第一目标物理块进行数据写入时，对所述第一物理块进行擦除操作。
进一步地，所述查找模块，还用于在获取NAND闪存中各个物理块的状态之后，根据物理块的状态查找NAND闪存中处于擦除状态的物理块；
所述配置模块，还用于将处于擦除状态的物理块记录为第二目标物理块；
所述处理模块，还用于在所述第二目标物理块中写入无效数据。
进一步地，所述处理模块，具体用于在第二目标物理块中写入指定阈值电压的无效数据。
进一步地，所述处理模块，还用于在第二目标物理块中写入无效数据之后，将所述第二目标物理块从擦除状态修改为编程状态，并将当前物理块中的存储数据标记为无用数据。
此外，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上所述方法的步骤。
此外，本发明实施例还提供了一种SSD设备，该SSD设备包括存储控制器，所述存储控制器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述方法的步骤。
本发明实施例提供的NAND闪存中物理块的管理方法、装置及SSD设备，不用提前对物理块进行擦除操作，避免物理块在擦除态下长时间放置产生的self-recovery效应对后续写入后数据保存产生的负面影响，减少物理块损坏和数据丢失等问题，对物理块进行合理保护，尤其是在高温环境下环境，可以更好的对物理块进行合理保护，提高数据存储的安全性和稳定性，减弱数据丢失风险。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例的一种NAND闪存中物理块的管理方法的流程图；
图2为TLC NAND闪存中Block八个编程状态Level0～7的分布图；
图3为TLC NAND闪存中处于擦除状态的Block所有存储单元信息状图；
图4为本发明另一实施例的一种NAND闪存中物理块的管理方法的流程图；
图5为本发明实施例的一种NAND闪存中物理块的管理装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明提出一种NAND闪存中物理块的管理方法，可以应用于存储设备，该存储设备可以是采用固态硬盘(即SSD)存储数据的设备。为了追求更大容量和更好性能，NAND闪存芯片已由最初的二维结构发展成为三维结构，单元存储容量已经从存储1个bit(SLC)变成存储2个bit(MLC)、3个bit(TLC)甚至4个bit(QLC)，芯片的特性和存储密度大大提高。
Self-recovery：self-recovery是NAND闪存里面存在的一种普遍现象。NAND闪存在经过编程擦除操作后，存储单元的结构材料会出现损伤，导致的结果就是存储单元保持数据的能力变差，因而NAND闪存的使用寿命是有限的。编程和擦除过程对存储单元产生的损伤在一定的环境温度下放置一段时间是可以达到部分修复的，这种NAND闪存自我修复的现象就称为self-recovery。
Retention：NAND闪存通过编程过程将电子存储在存储单元中，存储电子的多少来表示不同的编程态，达到信息编码的效果。当NAND闪存存储单元中存储了电子，但随着时间和环境温度的影响，存储单元中存储电子的数量会发生变化(通常存储的电子数量会减少)，阈值电压Vth发生变化，导致NAND闪存芯片可能将原来写入的信息判断成其他信息，进而导致存储的信息发生错误，这种NAND保持信息的能力用retention来描述。
加扰:SSD为了实现对NAND闪存存储单元损伤均衡化，以及retention和编解码的需要，会将来至主机端的数据进行随机化处理，使存储的信息中0/1的数量尽量相等，也就是处于不同的存储态的存储单元的数量会尽可能的相等，这个随机化的过程就是加扰。
由于NAND闪存堆叠层数越来越多，工艺越来越复杂，以及一个cell在有限的编程和擦除窗口内容纳的存储态越来越多，NAND闪存的Retention特性越来越差，导致存储的信息错误的风险越来越大。为此，本发明实施例提出了一种NAND闪存中物理块的管理方法，通过优化主控的设计和固件算法，使物理块被写满数据，避免物理块在擦除态下长时间放置产生的self-recovery效应对后续写入后数据保存产生的负面影响，减少物理块损坏和数据丢失等问题，对物理块进行合理保护，尤其是在高温环境下环境，可以更好的对物理块进行合理保护，提高数据存储的安全性和稳定性，减弱数据丢失风险。
图1示意性示出了本发明一个实施例的NAND闪存中物理块的管理方法的流程图。参照图1，本发明实施例的NAND闪存中物理块的管理方法具体包括以下步骤：
S11、获取NAND闪存中各个物理块的状态。
其中，物理块的状态包括编程状态和擦除状态。NAND闪存的一个单元可以存储多个bit的信息，如一个存储单元存储2bit信息(MLC)，存储的信息对应会有四个高低不同的Vth分布态，这四个分布态就是编程状态，其编码可以通过00,01,10,11表示，同样的，一个存储单元存储3bit信息(TLC)，相应的八个编程状态可以编码为000,001,010,011,100,101,110,111。
如图2所示，是TLC NAND闪存八个编程状态Level0～7的分布图，每一个编程状态表示一个信息编码，如111,001,110等，其中Level0表示擦除状态，通常从主机端来的数据SSD都会进行加扰，可以保证所有写入了信息的存储单元存储的信息能够均匀的分布在这八个存储态中。在NAND闪存中的Block在写入信息前要保证Block是擦除状态，因而处于擦除状态的Block所有存储单元信息状图如图3所示。
S12、根据物理块的状态查找NAND闪存中处于编程状态的物理块。
S13、判断处于编程状态的物理块中的存储数据是否被标记为无用数据。
S14、若处于编程状态的物理块中的存储数据被标记为无用数据，则将当前物理块记录为第一目标物理块。
S15、保留第一目标物理块的编程状态不变，直到对第一目标物理块进行数据写入时，对所述第一物理块进行擦除操作。
通过本申请的技术方案，不用提前对处于编程状态的被标记为无用数据的物理块进行擦除操作，避免物理块在擦除态下长时间放置产生的self-recovery效应对后续写入后数据保存产生的负面影响，从而对物理块进行合理保护，避免物理块损坏和数据丢失。
在本发明另一实施例中，如图4所示，在步骤S11中的获取NAND闪存中各个物理块的状态之后，所述方法还包括如下步骤：
S22、根据物理块的状态查找NAND闪存中处于擦除状态的物理块。
S23、将处于擦除状态的物理块记录为第二目标物理块。
S24、在所述第二目标物理块中写入无效数据。其中，在第二目标物理块中写入无效数据，具体包括：在第二目标物理块中指定阈值电压的无效数据。指定阈值电压优选为Level1编码状态或Level2编码状态。指定写入无效数据的阈值电压不仅可以减小self-recovery效应对后续写入后数据保存产生的负面影响，也可以减小对物理块的磨损。
进一步地，本发明实施例中在第二目标物理块中写入无效数据之后，将所述第二目标物理块从擦除状态修改为编程状态，并将当前物理块中的存储数据标记为无用数据。
在实际应用中，NAND闪存在经过了一定的编程擦除次数后，将不同的Block分别编程到不同的编程态Level0～7，然后将这些Block放置于高温环境进行Self-recovery(高温加速测试)，再将这些Block进行统一的擦除编程后写入加扰的数据，这些Block的Retention效果如下：只有处于擦除态(Level0)下进行Self-recovery的Block Retention的特性最差，甚至比没有进行Self-recovery的Block Retention特性差，而处于其他编程态(Level1～7)下的Block在经历了Self-Recovery之后的Retention特性比没有进行Self-recovery的Block Retention特性好。也即处于擦除态的Block在经历了Self-recovery之后，再重新擦除编程后，数据的保存会有很大的风险。
为解决上述技术问题，本发明提出了NAND闪存中物理块的管理方法，从固件和主控层面管理NAND闪存块，来保证闪存Retention特性的方法。对于已经写入了数据的，并后续被标记为无用的数据的Block，不立即做擦除处理，待需要使用这些Block重新写入有效数据前对这些Block进行擦除并尽快写入数据，对于必须要对NAND闪存进行擦除的Block，可以考虑擦除后写入无效的数据，为了减小这些额外的编程擦除过程对NAND的损伤，可以考虑不对编程的数据做加扰处理，将整个Block编程到比较低的态，优选为Level1或Level2。由编程到相应的态，然后擦除，反复这样操作后的retention性能对比可知，编程到Level1或Level2的retention性能明显优于编程时对数据加扰的retention性能。
本发明实施例提供的NAND闪存中物理块的管理方法，具有以下优点：
不需要复杂的调度算法以及消耗SSD的管理资源，就能够规避Block在擦除态下长时间放置产生的self-recovery效应对后续写入后数据保存产生的负面影响，可以更好的对物理块进行合理保护，提高数据存储的安全性和稳定性，减弱数据丢失风险。
在必须要做擦除处理的Block，写入无用数据规避上述问题时，将整个Block编程到较低的态Level1或Level2，可以减小对Block的磨损。
对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。
图5示意性示出了本发明一个实施例的NAND闪存中物理块的管理装置的结构示意图。参照图5，本发明实施例的NAND闪存中物理块的管理装置具体包括获取模块201、查找模块202、判断模块203、配置模块204以及处理模块205，其中：
获取模块201，用于获取NAND闪存中各个物理块的状态；
查找模块202，用于根据物理块的状态查找NAND闪存中处于编程状态的物理块；
判断模块203，用于判断处于编程状态的物理块中的存储数据是否被标记为无用数据；
配置模块204，用于当处于编程状态的物理块中的存储数据被标记为无用数据时，将当前物理块记录为第一目标物理块；
处理模块205，用于保留第一目标物理块的编程状态不变，直到对第一目标物理块进行数据写入时，对所述第一物理块进行擦除操作。
本发明实施例中，所述查找模块202，还用于在获取模块201获取NAND闪存中各个物理块的状态之后，根据物理块的状态查找NAND闪存中处于擦除状态的物理块；
配置模块204，还用于将处于擦除状态的物理块记录为第二目标物理块；
处理模块205，还用于在所述第二目标物理块中写入无效数据。具体的，处理模块205，用于在第二目标物理块中写入指定阈值电压的无效数据。
更进一步地，所述处理模块205，还用于在第二目标物理块中写入无效数据之后，将所述第二目标物理块从擦除状态修改为编程状态，并将当前物理块中的存储数据标记为无用数据。
对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
此外，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上所述方法的步骤。
本实施例中，所述NAND闪存中物理块的管理装置集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
此外，本发明实施例还提供了一种SSD设备，该SSD设备包括存储控制器，所述存储控制器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上所述方法的步骤。例如图1所示的S11～S15。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述NAND闪存中物理块的管理装置实施例中各模块/单元的功能，例如图5所示的获取模块201、查找模块202、判断模块203、配置模块204以及处理模块205。
本发明实施例提供的NAND闪存中物理块的管理方法、装置及SSD设备，不用提前对物理块进行擦除操作，避免物理块在擦除态下长时间放置产生的self-recovery效应对后续写入后数据保存产生的负面影响，减少物理块损坏和数据丢失等问题，对物理块进行合理保护，尤其是在高温环境下环境，可以更好的对物理块进行合理保护，提高数据存储的安全性和稳定性，减弱数据丢失风险。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述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。可以根据实际的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。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有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储在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设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种NAND闪存中物理块的管理方法，其特征在于，该方法包括：
获取NAND闪存中各个物理块的状态；
根据物理块的状态查找NAND闪存中处于编程状态的物理块；
判断处于编程状态的物理块中的存储数据是否被标记为无用数据；
若处于编程状态的物理块中的存储数据被标记为无用数据，则将当前物理块记录为第一目标物理块；
保留第一目标物理块的编程状态不变，直到对第一目标物理块进行数据写入时，对所述第一物理块进行擦除操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在获取NAND闪存中各个物理块的状态之后，所述方法还包括：
根据物理块的状态查找NAND闪存中处于擦除状态的物理块；
将处于擦除状态的物理块记录为第二目标物理块；
在所述第二目标物理块中写入无效数据。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述在第二目标物理块中写入无效数据包括：
在第二目标物理块中写入指定阈值电压的无效数据。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在第二目标物理块中写入无效数据之后，所述方法还包括：
将所述第二目标物理块从擦除状态修改为编程状态，并将当前物理块中的存储数据标记为无用数据。
5.一种NAND闪存中物理块的管理装置，其特征在于，该装置包括：
获取模块，用于获取NAND闪存中各个物理块的状态；
查找模块，用于根据物理块的状态查找NAND闪存中处于编程状态的物理块；
判断模块，用于判断处于编程状态的物理块中的存储数据是否被标记为无用数据；
配置模块，用于当处于编程状态的物理块中的存储数据被标记为无用数据时，将当前物理块记录为第一目标物理块；
处理模块，用于保留第一目标物理块的编程状态不变，直到对第一目标物理块进行数据写入时，对所述第一物理块进行擦除操作。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述查找模块，还用于在获取NAND闪存中各个物理块的状态之后，根据物理块的状态查找NAND闪存中处于擦除状态的物理块；
所述配置模块，还用于将处于擦除状态的物理块记录为第二目标物理块；
所述处理模块，还用于在所述第二目标物理块中写入无效数据。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述处理模块，具体用于在第二目标物理块中写入指定阈值电压的无效数据。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述处理模块，还用于在第二目标物理块中写入无效数据之后，将所述第二目标物理块从擦除状态修改为编程状态，并将当前物理块中的存储数据标记为无用数据。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任一项所述方法的步骤。
10.一种SSD设备，其特征在于，该SSD设备包括存储控制器，所述存储控制器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-4任一项所述方法的步骤。
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