CN114238158A - 数据存储管理方法和存储装置 - Google Patents

Abstract

本申请提出了一种可调整映射表的数据管理方法，可以根据外部内存的大小、有无和存储装置总容量的规格，动态选择最利于效能的运行模式，来管理映射表。首先，所述存储装置在开机后，执行固件中的程序，以检查存储装置中是否具有外部内存。当所述存储装置具有所述外部内存并为可用状态，进一步计算所述存储单元阵列和所述外部内存的可用容量的容量比例。当所述容量比例不大于阈值，使用所述外部内存执行一级映射模式。当所述容量比例大于等于所述阈值，使用所述外部内存和所述控制芯片中的內部内存执行二级映射模式。当所述外部内存不存在或不可用，使用所述內部内存和所述存储单元阵列执行所述二级映射模式。

Description

数据存储管理方法和存储装置

技术领域

本申请涉及储存设备领域，尤其涉及一种可动态调整的管理映射表的方法。

背景技术

存储装置(例如：固态硬盘、随身碟、…)内部维护了一张逻辑页到物理頁地址转换的映射表(Map Table)，用户每写入一个逻辑页，就会产生一个新的映射关系，这个映射关系会加入(第一次写)或者更改(覆盖写)映射表；当用户读取某个逻辑页时，存储装置首先查找映射表中该逻辑页对应的物理页，然后再访问闪存(Flash Memory)读取相应的资料数据。

对于板载大容量外部内存(例如：动态内存(DRAM))的存储装置，一般会将映射表全部存储在外部内存上，即全外部内存模式，映射关系可以快速访问。另一种板载小容量外部内存的存储装置，会将部分映射表存储在外部内存上，即部分外部内存模式。还有一种无外部内存模式(RAM-less Mode)的存储装置，采用二级映射。一级映射是指所有的资料数据都由一个映射表直接管理。二级映射会新增、更新第二个较小的映射表在控制芯片的内部内存中，用来管理第一个映射表，再由第一个映射表来管理整个资料数据。所谓的外部内存系位于控制芯片之外的内存，而所谓的内部内存系位于控制芯片之内的内存，而外部内存与内部内存皆位于存储装置之内。

对于大部分存储装置，不同硬件架构和闪存容量，会采用不同的映射管理方式，就会发布不同版本的固件(Firmware)，相互之间无法适配。因此，一种可动态调整的映射管理表的方法，来匹配上述三种存储管理映射表的方式，减少固件开发和维护成本，是有待开发的。

发明内容

为了解决不同硬件条件下的存储装置管理映射表的问题，本申请提出了一种可动态调整映射表的数据管理方法，可以根据外部内存的有无、大小和存储装置总容量的规格，选择最利于效能的运行模式，来管理映射表。

在一实施例中，提出了一种数据存储管理方法，用于使存储装置进行数据存取。所述存储装置至少可包括控制芯片，固件，及存储单元阵列。所述存储装置可能包含或不包外部内存。本数据存储管理方法可以实时判断是否有外部内存，来决定运行模式。

首先，所述存储装置在开机后，执行固件中的程序，以检查存储装置中是否具有不在所述控制芯片中的外部内存。当所述存储装置具有所述外部内存并为可用状态，进一步计算所述存储单元阵列和所述外部内存的可用容量的容量比例。

当所述容量比例不大于阈值，使用所述外部内存执行一级映射模式。

当所述容量比例大于等于所述阈值，使用所述外部内存和所述控制芯片中的內部内存执行二级映射模式。

当所述外部内存不存在或不可用，使用所述內部内存和所述存储单元阵列执行所述二级映射模式。

在进一步的实施例中，所述存储装置连接一主机，用于接收存取要求。所述存取要求包含数据的逻辑地址。当使用所述外部内存执行所述一级映射模式时，在所述外部内存中建立第一映射表，用于对应所述逻辑地址至所述存储单元阵列中的物理地址。

在进一步的实施例中，当使用所述外部内存和所述內部内存执行所述二级映射模式时，在所述外部内存中建立第一映射表，用于对应所述逻辑地址至所述存储单元阵列中的物理地址，并在所述內部内存中建立第二映射表，用于管理所述第一映射表。更进一步地，所述存储装置可根据所述外部内存和所述內部内存的大小比例，调整所述第一映射表和所述第二映射表的映射粒度。

在进一步的实施例中，当使用所述內部内存和所述存储单元阵列执行所述二级映射模式时，在所述存储单元阵列中建立第三映射表，用于对应所述逻辑地址至所述存储单元阵列中的物理地址，并在所述內部内存中建立所述第二映射表，用于管理所述第三映射表。更进一步地，所述存储装置可根据所述內部内存和所述存储单元阵列的大小比例，调整所述第二映射表和所述第三映射表的映射粒度。

本申请另一实施例提出了一种存储装置，用于进接主机，接收存取要求以进行数据存取。其中至少包含存储单元阵列，控制芯片，及固件。所述存储单元阵列中包含多个存储块，每个存储块包含多个存储页，用于存放数据。所述控制芯片连接所述存储单元阵列，包含转换电路和內部内存，用于根据所述存取要求存取所述存储单元阵列中的数据。所述固件，连接所述控制芯片，用于使所述控制芯片中的所述转换电路执行数据管理方法。在执行所述数据管理方法时，所述控制芯片判断所述存储装置中是否具有外部内存。当所述存储装置具有所述外部内存并为可用状态，所述控制芯片计算所述存储单元阵列和所述外部内存的可用容量的容量比例。当所述容量比例不大于阈值时，所述控制芯片使用所述外部内存执行一级映射模式。当所述容量比例大于等于所述阈值时，所述控制芯片使用所述外部内存和所述控制芯片中的內部内存执行二级映射模式。当所述外部内存不存在或不可用，使用所述內部内存和所述存储单元阵列执行所述二级映射模式。

综上所述，本申请的存储装置可在外部内存、內部内存，及存储单元阵列中分别配置映射表，并调整这些映射表的映射粒度和FTL算法，以适配所述存储装置中的各种不同的硬件条件变化。本实施例的优势包含，只需要设计一套固件，就能在生产线上适配不同的硬件架构和闪存容量，大大减少了固件开发时间和维护成本。产品售出后，若在使用中发生内存故障、或是扩充内存，存储装置100也能在开机后通过自我检测而弹性地调整运作模式。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请实施例的存储装置100和主机130架构图；

图2是本申请实施例的存储单元阵列200架构图；及

图3是本申请实施例的数据管理方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1是本申请实施例的存储装置100和接收主机130架构图。本申请的实施例提出了一种存储装置100，可通过总线进接主机130，接收主机130传送的各种存取要求以进行数据存取。存储装置100至少包含一或多个存储单元阵列200，一个控制芯片110，及固件104。所述存储单元阵列200中可包含多个存储块，每个存储块包含多个存储页，而每个存储页中包含多个存储单元，每个存储单元分别可用于存放一或多个比特的数据。所述控制芯片110连接所述存储单元阵列200，其中包含转换电路112和內部内存114，用于根据所述主机130传送的存取要求而对所述存储单元阵列200中的数据进行读取或写入。所述固件104连接所述控制芯片110，用于使所述控制芯片110中的所述转换电路112执行数据管理方法。

所述转换电路112通常又称为闪存转换层(Flash Transition Layer；FTL)，负责将主机130的存取要求中的逻辑地址(Logical Block Address；LBA)转换为物理地址(Physical Block Address；PBA)。地址转换的运作需要使用映射表(Mapping Table)。映射表中存储逻辑地址和物理地址的对应关系。逻辑地址是主机130对数据存放位置的理解。由于存储装置100可能是自各种不同规格的设备架构，主机130实质上无法管理存储装置100中的存储单元阵列200，所以主机130对数据的存取是以一致化的逻辑地址来表达。至于数据实际上存放的物理地址，皆由控制芯片110中的转换电路112根据映射表而进行转换。举例来说，由控制芯片110中的转换电路112从映射表中读取映射信息#M，来处理主机130对数据#D的读出或写入要求。

在存储装置100中，映射表的使用方式通常针对不同的硬件条件会有所不同。举例来说，存储装置100中的外部内存120大小和存储单元阵列200的容量比例，会影响映射表配置方式和粒度(Granularity)。在某些不具备外部内存120的存储装置100中，映射表的配置参数又完全不同。更进一步地说，通常外部内存120中会划分一个区域作为缓存124。缓存124的使用情况也会影响外部内存120的剩余空间，进一步影响映射表的配置粒度。在使用的过程中，外部内存120也有可能发生固障而被禁能或是需要扩充升级替换，使得原本配置的映射表参数不再适用。当一个存储装置100出厂时，固件104中的FTL算法和映射表配置参数已经是确定的。若是需要应付各种不同的情况，就必须准备多种版本的固件来更新替换，程序繁杂，有实现上的困难。因此，本申请提出一种具有弹性调整能力的数据管理方法，说明如下。

在存储装置100开机后，所述控制芯片110从固件104中加载并执行数据管理程序，以判断所述存储装置100中是否具有外部内存120。根据外部内存120是否存在，是否可用，以及其可用容量与存储单元阵列200的容量比例，可以区分为下列三种使用情况。

当所述存储装置100确认具有外部内存120，且所述外部内存120为可用状态时，所述控制芯片110计算所述存储单元阵列200和所述外部内存120的可用容量的容量比例。所述外部内存120可能划分一部份空间做为数据存取的缓存124，也可能有一部份是损坏的，或是用于存储其他内部运作需要的数据。因此可用容量可能比原设计的总容量少。

一般来说，映射表每个单元存储的是物理地址，其大小是32bits，指向4kB的数据空间，那么映射表的大小是存储装置总容量的1/1000。此映射粒度仅为举例，是综合效能和成本的考量所获得的平衡值，在实现设计时实际上所使用的映射粒度并不限为1/1000。

换句话说，本实施例可依据存储装置中的存储单元阵列200总容量和外部内存120大小的比例来作为动态调整映射管理表的依据。所述容量比例P可以表示为：

P＝存储单元阵列容量/外部内存可用容量

举例来说，如果存储单元阵列容量＝1TB，外部内存可用容量＝2GB，则P＝500。

当所述容量比例P不大于阈值时，所述控制芯片110使用所述外部内存120执行一级映射模式。在本实施例中，所述阈值可设定为1000。一级映射模式是指，使用一个映射表来处理全部的逻辑对物理地址转换。更具体地说，当使用所述外部内存120执行所述一级映射模式时，所述控制芯片110在所述外部内存120中建立第一映射表122，用于对应主机130使用的逻辑地址至存储单元阵列200中的物理地址。

当所述容量比例P大于等于所述阈值时，所述控制芯片110使用所述外部内存120和所述控制芯片110中的內部内存114执行二级映射模式。在使用所述外部内存120和所述內部内存114执行所述二级映射模式时，所述控制芯片110在所述外部内存120中建立第一映射表122，用于对应所述主机130所使用的逻辑地址至所述存储单元阵列200中的物理地址，并在所述內部内存114中建立第二映射表116，用于管理所述第一映射表122。內部内存114的容量通常小于外部内存120，但是速度效能较外部内存120为佳。换句话说，存储单元阵列200的容量超过外部内存120的可用容量的1000倍以上时，外部内存120中的第一映射表122无法有效管理存储单元阵列200中的地址转换。本实施例可弹性地针对这种情况，使用一个较小的第二映射表116与所述第一映射表122搭配运行于二级映射模式，借此有效的管理数据存取。更进一步地说，所述存储装置100可根据所述外部内存120和所述內部内存114的大小比例，调整所述第一映射表122和所述第二映射表116的映射粒度，以优化管理效能。

在所述存储装置100中不具有外部内存120，所述外部内存120的状态无法使用，或所述外部内存120的可用容量不足的情况下，所述控制芯片110可使用所述內部内存114，搭配所述存储单元阵列200执行所述二级映射模式。更具体地说，在使用所述內部内存114和所述存储单元阵列200执行所述二级映射模式时，所述控制芯片110在所述存储单元阵列200中建立第三映射表212，用于对应主机130所使用的逻辑地址至所述存储单元阵列200中的物理地址，并在所述內部内存114中建立所述第二映射表116，用于管理所述第三映射表212。通常存储单元阵列200中的容量足够大，可以划分一块区域来作为所述第三映射表212。然而由于存储单元阵列200通常是使用闪存，在存取的速度效能方面无法和外部内存120和內部内存114相比。为了平衡效能和容量，本申请实施例采用二级映射模式使第二映射表116和第三映射表212协同运作。更进一步地说，所述存储装置100可根据所述內部内存114和所述存储单元阵列200的大小比例，调整所述第二映射表116和所述第三映射表212的映射粒度，以使数据管理的效能优化。

图2是本申请实施例的存储单元阵列200架构图。在存储单元阵列200中，通常包含多个晶粒206排列，每个晶粒206(Die)又称为LUN，其中又可分为多个面208(Plane)。每个面208中包含多个块202(Block)。每一个块202中，又可进一步细切为多个页(Page)(未图示)。每一个块202具有独立的地址号，而其中每一页的位置可由所述地址号加上偏移量(Offset)而查找。而每一页中包含多个存储单元，每一存储单元用于存储一或多个比特数据。

块202和页是映射表中常见作为数据存储的映射粒度单位。举例来说，控制芯片110的主要工作其一就是把主机130使用的逻辑地址转为存储单元阵列200中的物理地址，而这种对应关系就存在本实施例所述的映射表中。为了存取效率，映射表的内容会被快取在外部内存120中，并提供断电保护。

根据块202和页所实现的数据管理方法，基本上包含几种类型。一般来说，页级映射(page level mapping)是直接简单的映射模式。每个逻辑页都对应到各自的物理页。但由于存储单元阵列200中的页数量非常庞大，需要极更大容量的内存来处理，因此成本过高。

另一种实现映射模式的方法是块级映射(block level mapping)，可大量节省映射表所需要占用的内存。但由于每次数据写入的动作是以块为单位进行，而且每一个块所对应的存储容量较大。如果出现大数量的小数据写入，会使块的利用率严重下降。

换句话说，页级映射和块级映射是两种极端情况的应用，后来出现各种可以平衡两者优点的混合映射方式，例如记录块映射(log-block mapping)。简单地说，就是大数量的小数据写入要求会先暂时被映射到缓存124中，直到累积成完整的块数据，才正式将数据复制到一个独立的物理块中，并使逻辑块地址映射指向所述独立的物理块。

由上所述，本实施例所述的一级映射模式和二级映射模式，即是采用不同的存储方案和不同的映射表大小来搭配映射算法，弹性地适应各种不同的应用情况，有效率的实现地址转换功能。当转换电路112在使用所述第一映射表122，第二映射表116，及第三映射表212时，还能进一步搭配各种不同的FTL算法，来进一步优化管理效能，例如垃圾收集(Garbage Collection)，正向映射(Direct Mapping)，反向映射(Inverse Mapping)，变长映射(Variable Length Mapping)，需求基底转换层(Demand-based FTL)，惰性转换层(Lazy FTL)，集群页级映射(Clustered page-level Mapping)，及更多变体映射算法等。因此，本申请并不在于限定使用何种FTL算法及映射表的详细内部格式。只要基于本实施例提出的架构，各种硬件条件下可能遇到的情况皆能弹性的适应。

每个面208中又分别包含一个暂存器204，可存放关于所述面208的细部参数设定，例如时延参数，阶数(Cell Level)或其他属性。阶数可用来决定每个存储单元可代表的比特数，例如一层单元(Single Level Cell；SLC),多层单元(Multi LC；MLC),三层单元(Triple LC；TLC),四层单元(Quad LC；QLC)等。存储单元阵列200中包含一接口210，可通过控制芯片110连接至主机130。

图3是本申请实施例的数据管理方法流程图。本申请的数据管理方法可总结为图3的流程图。在步骤301中，使存储装置100开机。在步骤303中，由存储装置100获取硬件信息，例如存储单元阵列200是否存在，及其大小。举例来说，固件104中可以储存机码，记录存储装置100出厂时的硬件配置信息。另一方面，存储装置100开机时也可以进行自我检测，以确认硬件状态。在步骤305中，如果检测出存储装置100中包含可用的外部内存120，则进行步骤307，计算存储单元阵列200和外部内存120的容量比例P。

在步骤309中，判断所述容量比例P是否大于阈值。举例来说，如果P小于等于1000，则进行步骤313，使用外部内存120执行一级映射模式。这个步骤完全使用外部内存120来进行映射，又称为全内存模式(Full RAM Mode)。其中，控制芯片110中的FTL算法也可随着调整，例如选用适当的映射粒度和映射规则。

另一方面，如果在步骤309中判断容量比例P大于1000，则进行步骤311，使用外部内存120和內部内存114执行二级映射模式。这种情况又可称为部份内存模式(Partial RAMMode)。

如果步骤305中发现存储装置100中不存在外部内存120，或是外部内存120的状态不可用，则进行步骤315中，使用內部内存114和存储单元阵列200来执行二级映射模式。这种情况下，由于没有使用到外部内存120，又可称为无内存模式(RAM-less Mode)。最后，在步骤317中结束本实施例之映射表的使用模式的判定程序。

在本申请的实施例中，存储装置100可以是一个存储装置。与主机130的连接可以是通用序列总线(USB)或是外部序列工业标准接口(e-SATA)。外部内存120可以是一种同步动态随机存取内存(SDRAM)。在进一步的实施例中，与所述存储装置100连接的所述主机130中，也可在主机内存132中配置一个外部映射表134，做为与所述第一映射表122或所述第三映射表212的替代或同步备份。当主机130在存取存储装置100时，可通过所述外部映射表134增加效能，例如整理大量细碎的存取要求，或是快取大量重复的存取动作。虽然本实施例以图1所示的硬件架构表示，但可以理解的是，图1仅为功能上的示例，在实体设计中，存储装置100中还可以包含其他运作上的必要元件，而控制芯片110和存储单元阵列200的内部安排也可能存在其他的不同的变化。

在进一步的实施例中，虽未图示，但可理解所述第三映射表212可以是由控制芯片110从存储装置200中选择一或多个面208中的多个块202所映射而成。

综上所述，本申请的存储装置100可在外部内存120、內部内存114，及存储单元阵列200中分别配置映射表，并调整这些映射表的映射粒度，以适配所述存储装置100中的各种不同的硬件条件变化。本实施例的优势包含，只需要设计一套固件，就能在生产线上适配不同的硬件架构和闪存容量，大大减少了固件开发时间和维护成本。产品售出后，若在使用中发生内存故障、或是扩充内存，存储装置100也能在开机后通过自我检测而弹性地调整运作模式。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (10)

1.一种数据存储管理方法，用于使存储装置进行数据存取，所述存储装置至少包括控制芯片，固件，及存储单元阵列；所述数据存储管理方法，其特征在于，包括：

判断所述存储装置中是否具有不在所述控制芯片中的外部内存；

当所述存储装置具有所述外部内存并为可用状态，计算所述存储单元阵列和所述外部内存的可用容量的容量比例；

当所述容量比例不大于阈值，使用所述外部内存执行一级映射模式；

当所述容量比例大于等于所述阈值，使用所述外部内存和所述控制芯片中的內部内存执行二级映射模式；及

当所述外部内存不存在或不可用，使用所述內部内存和所述存储单元阵列执行所述二级映射模式。

2.如权利要求1所述的数据存储管理方法，其特征在于，所述存储装置接收存取要求，所述存取要求包含数据的逻辑地址；其中：

当使用所述外部内存执行所述一级映射模式时，在所述外部内存中建立第一映射表，用于对应所述逻辑地址至所述存储单元阵列中的物理地址。

3.如权利要求1所述的数据存储管理方法，其特征在于，所述存储装置接收存取要求，所述存取要求包含数据的逻辑地址；其中：

当使用所述外部内存和所述內部内存执行所述二级映射模式时，在所述外部内存中建立第一映射表，用于对应所述逻辑地址至所述存储单元阵列中的物理地址，并在所述內部内存中建立第二映射表，用于管理所述第一映射表。

4.如权利要求3所述的数据存储管理方法，其特征在于，还包括：根据所述外部内存和所述內部内存的大小比例，调整所述第一映射表和所述第二映射表的映射粒度。

5.如权利要求1所述的数据存储管理方法，其特征在于，所述存储装置接收存取要求，所述存取要求包含数据的逻辑地址；其中：：

当使用所述內部内存和所述存储单元阵列执行所述二级映射模式时，在所述存储单元阵列中建立第三映射表，用于对应所述逻辑地址至所述存储单元阵列中的物理地址，并在所述內部内存中建立所述第二映射表，用于管理所述第三映射表。

6.一种存储装置，用于进接主机，接收存取要求以进行数据存取，其特征在于，包括：

存储单元阵列，包含多个存储块，每个存储块包含多个存储页，用于存放数据；

控制芯片，连接所述存储单元阵列，包含转换电路和內部内存，用于根据所述存取要求存取所述存储单元阵列中的数据；

固件，连接所述控制芯片，用于使所述控制芯片中的所述转换电路执行数据管理方法；其中：

在执行所述数据管理方法时，判断所述存储装置中是否具有不在所述控制芯片中的外部内存；

当所述存储装置具有所述外部内存并为可用状态，计算所述存储单元阵列和所述外部内存的可用容量的容量比例；

当所述容量比例不大于阈值，使用所述外部内存执行一级映射模式；

当所述容量比例大于等于所述阈值，使用所述外部内存和所述控制芯片中的內部内存执行二级映射模式；及

当所述外部内存不存在或不可用，使用所述內部内存和所述存储单元阵列执行所述二级映射模式。

7.如权利要求6所述的存储装置，其特征在于，其中：

所述存取要求包含数据的逻辑地址；

当使用所述外部内存执行所述一级映射模式时，所述控制芯片在所述外部内存中建立第一映射表，用于对应所述逻辑地址至所述存储单元阵列中的物理地址。

8.如权利要求6所述的存储装置，其特征在于：

所述存取要求包含数据的逻辑地址；

当使用所述外部内存和所述內部内存执行所述二级映射模式时，所述控制芯片在所述外部内存中建立第一映射表，用于对应所述逻辑地址至所述存储单元阵列中的物理地址，并在所述內部内存中建立第二映射表，用于管理所述第一映射表。

9.如权利要求8所述的存储装置，其特征在于，所述控制芯片根据所述外部内存和所述內部内存的大小比例，调整所述第一映射表和所述第二映射表的映射粒度。

10.如权利要求6所述的存储装置，其特征在于：

所述存取要求包含数据的逻辑地址；

当使用所述內部内存和所述存储单元阵列执行所述二级映射模式时，所述控制芯片在所述存储单元阵列中建立第三映射表，用于对应所述逻辑地址至所述存储单元阵列中的物理地址，并在所述內部内存中建立所述第二映射表，用于管理所述第三映射表。

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