CN114510198B - 一种提高nvm擦写效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种提高NVM擦写效率的方法，该方法除使用一般的缓存机制缓存待写入数据之外，还加入了LRU算法用于优化CACHE中的页面置换方法，使得频繁更新的数据能够一直存储在CACHE中，加快写的效率，同时频繁更新的数据在修改时也不用每次都从NVM中读取，进一步加快写的效率。本发明主要解决NVM存储的寿命问题以及更新数据的效率问题，通过间接减少NVM的擦写次数来提高NVM的寿命，同时通过减少NVM的读的次数提高整体写性能与功耗。

Description

一种提高NVM擦写效率的方法

技术领域

本发明涉NVM存储与更新技术领域，以及智能卡、SE、MCU等需要用到NVM擦写的所有芯片。PC机端作为对比测试也可以使用本发明中提到的方法。

背景技术

一般芯片中都会有NVM作为存储代码和数据使用，在实际使用当中会有更新数据的需求。但由于目前NVM的技术，擦写次数有限，长时间擦写会使得芯片NVM报废，同时应用层对于指令的执行时间有苛刻的要求，所以需要通过减少NVM的擦写次数来提高寿命，加快指令处理时间。

一般减少NVM擦写次数的方法是定义N页RAM(称之为CACHE，下同)，单页大小和NVM的单页大小相同，假如是N＝6页(本文的其他描述有关于CACHE页数总大小的都按照6页来描述)。当准备执行写行为时，先根据写入的地址计算待写页号PN，然后从CACHEPN[i](其中0≤i＜6，下同)中查找有没有相同的PN，找到相同的直接更新CACHE[i]，没找到则查看CACHE中是否存满了用户待写入数据，如果存满了则执行把数据全部进行提交到NVM的行为，然后再把待写入的页的内容从NVM中读取到CACHE中，然后再根据传入的修改数据修改这页CACHE。待这条指令结束时，再把这页CACHE提交到NVM中，并清空CACHE。

这样做虽然可以有效减少擦写NVM的次数，但是如果写入数据比较多，且处于不同页，并且不同页的数量大于6，则依然会出现多次擦写NVM的情况。且每条指令结束后，全部数据提交后，下一条指令执行写操作时，依然需要先把数据读到CACHE再修改。

因此，为了进一步提高擦写性能，减少擦写次数，在CACHE满了之后，此时并不能把所有CACHE都提交到NVM中，而是需要选择一页最久未更新的CACHE页进行提交，然后把新的需要写入的页读到该页CACHE中，然后进行修改。与此同时，在每条指令结束前进行CACHE提交时，提交之后不应该清空CACHE，但是需要每页置一个标记，标明该页数据不需要提交，当下条指令写入的数据正好处于CACHE中时，直接修改CACHE，而不再需要从NVM中读取一整页数据，加快整体性能，降低整体功耗。

发明内容

在具体讲解发明内容之前先介绍一些基本概念，有助于理解整个发明内容。

1、NVM一般指FLASH或E2P，其中E2P可以按字节进行更新，FLASH只能按页更新，且必须先擦再写。本文提到的NVM一般指FLASH。

2、NVM中存储的数据，掉电之后不丢失，RAM中存储的数据掉电之后丢失，更新NVM的时间很长，且只能按页更新；更新RAM的时间很短，可以按字节更新。

3、更新NVM会产生很大的功耗，读NVM也会产生功耗，而读写RAM的功耗很低。

4、NVM擦写有次数限制，一般单页是10W次，当擦写次数超过此限制时，数据将不可写入，如果软件没有做其他处理，芯片将无法继续使用；RAM没有限制，可以写无数次。

5、CACHE是一种RAM缓存，本质是RAM，大小以NVM一页为单位，一页大小必须是2的幂次，一般是512。每一个CACHE页都会对应某一个物理页中的一整页数据，同时附加两个数据，一个是该页对应的物理页号，记做CACHEPN，一个是该页的更新标记，记做CACHEFLAG。

我们执行读写数据的原则是功耗尽量低，速度尽量快，尽可能少的擦写FLASH次数，尽可能少的读FLASH次数。

我们使用CACHE[i]表示某一页CACHE数据，i是CACHE索引代号，0≤i＜N,使用CACHEPN[i]表明该页CACHE对应的物理页号，也就是执行提交操作时，需要把该页CACHE数据提交到哪个物理页中；使用CACHEFLAG[i]表明该页CACHE数据是否需要提交到NVM，如果CACHEFLAG[i]为标记A，则表明该页CACHE数据需要提交到NVM中，如果CACHEFLAG[i]为标记B，则表明该页CACHE数据不需要提交到NVM中。

本发明提供一种加速NVM擦写的方法，以通过减少NVM擦写次数来变相降低总擦写时间。

为了实现此目标，我们需要预置一些RAM作为存储待写入数据的CACHE缓存，这里假定CACHE的页数为6，当一条指令中多次出现对同一页的更新时，只需要修改CACHE即可。

当一条指令中写入的不同数据页的页数大于6时，此时需要从当前的CACHE中，选择一页进行提交NVM的操作，选择的原则是根据引用矩阵，依照某个法则，确保选择的页是最久未更新的页，这样留下的页都是后续被更新几率更大的，也就有更大的几率在更新时命中CACHE，进而执行修改RAM的操作，否则如果没命中CACHE，就又要根据引用矩阵，依照某个法则选择一页执行提交NVM的操作，进而降低效率。当提交完该页数据后，立即正向更新引用矩阵。

所有进到CACHE中的数据，都额外需要一个标记，这个标记用于控制该页CACHE是否需要提交，当标记值为标记A时，表示该页CACHE中的数据需要被提交到NVM中；当标记值为标记B时，表明该页不需要被提交到NVM中。在一条指令准备结束之时，需要把CACHE中的所有有效数据提交到NVM中。这里的有效数据指CACHEFLAG[i]为标记A。任何一页CACHE的提交都会触发一次正向更新引用矩阵的行为。

这么做的目的是每次对应页CACHE数据提交到NVM后，并不清空该页CACHE[i]和CACHEPN[i]，只把CACHEFLAG[i]写成标记B，这样的好处有两个：

1、当用户执行读行为时，可以通过CACHEPN[i]来命中CACHE，因为针对该页的最后一次NVM提交之后，该页中存储的数据实际上和NVM相同，此时不需要再去读NVM，而是直接读RAM，这样读行为就可以命中CACHE，减少由于读NVM造成的额外功耗。

2、当用户对该页执行写行为时，由于该页一直存储在CACHE中，所以不需要把存储在NVM中的一页数据读到CACHE中，直接修改CACHE即可，减少一个页读行为，降低功耗，提升速度。

当用户期望把某个存储于CACHE中的数据，取消提交时(无论该CACHE页是否被修改过)，需要执行反向更新引用矩阵的操作，同时把CACHEPN[i]设成无效页号,并把CACHEFLAG[i]设成标记B。

下面来介绍引用矩阵以及引用矩阵的正向更新和反向更新的方法。

引入引用矩阵的目的，或者说我们要解决的问题是：如果发生“缓存落空”(也就是没找到匹配的CACHEPN)，那么为了确保新的待写入的数据进入CACHE，我们应该把哪一块现有缓存进行提交，然后留出空块用于存储待写入数据块。我们无法预知下一次用户会写入哪一页，但最理想的做法是把上一次使用时间距离现在最久的那块CACHE替换掉，也就是LRU策略(least recently used)。

引用矩阵为一个N*N的数组，每个元素为0或者1，该策略的核心是当第i缓存块被使用后，把矩阵中第i行元素设为1，然后将第i列元素设为0。下图依次演示了矩阵初始状态和矩阵后续变化，即第3，0，5，1，4，5，2，3块缓存被使用时的矩阵状态。

在每个矩阵的6行中，有一行含有五个“1”，有一行含有四个“1”，有一行含有三个“1”，有一行含有两个“1”，有一行含有一个“1”，还有一行没有“1”。没有“1”的那行，其行号也就代表上次使用时间距现在最远的那块缓存，“1”的个数越多，表明上次使用时间据现在越近。当发生“缓存落空”时，我们需要找到全是“0”的那一行，并且将该块缓存进行提交，然后存入待写入数据页，把该行元素全设为1.表示此缓存块是刚使用过的，然后将矩阵中该列元素置0。

以上均是引用矩阵的正向更新，也就是期望利用LRU策略把某一页数据剔除CACHE，然后把新数据写进CACHE。但是还有一种情况是用户主动想取消某一个物理页的写行为，且该页数据已经进了CACHE。这时就要用到引用矩阵的反向更新。

反向更新引用矩阵的方法是：根据输入的待取消的PN，到CACHEPN[i]中查找，如果找到了，则先把引用矩阵中第i列元素置1，再把第i行元素置0。我们在图4的基础上取消第二页缓存，得到图5。

附图说明：

图1为本发明用户的写NVM行为示意图；

图2为本发明用户的读NVM行为示意图；

图3用户取消某一个存在于CACHE中的物理页的示意图；

图4为引用矩阵的正向更新示例；

图5为引用矩阵的正向更新和一个反向更新示例。

图6本发明的实施例一之前的数据准备状态。

图7本发明的实施例一执行之后的数据状态。

图8本发明的实施例二执行之后的数据状态。

图9本发明的实施例三执行之后的数据状态。

图10本发明的实施例四执行之后的数据状态。

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行实际数据的举例说明。标记A用0x55表示，标记B用0xAA表示，无效页号用0xFFFF表示。

本发明的核心框图如图1、图2所示，其中图1为用户写NVM行为，图2为用户读NVM行为。

图3为当用户取消某一个存在于CACHE中的物理页时的流程示意，避免该页数据后续被提交到NVM中。

图4为引用矩阵的8次正向更新示例图。

图5为引用矩阵的6次正向更新和1次反向更新示例图。。

图6为某个初始状态时，各个数据的状态，包括引用矩阵，CACHEPN[i]，CACHE[i]及CACHEFLAG[i]，其中0≤i≤5，下同。

图7为用户触发更新CACHE中已有的第四页数据为一整页0x06之后，各个数据的变化及当前状态。

图8为用户触发更新CACHE中没有的第七页数据为一整页0x07之后，各个数据的变化及当前状态。

图9为用户触发取消更新CACHE中已有的第四页数据之后，各个数据的变化及当前状态。

图10为用户把所有数据都提交到NVM之后，各个数据的变化及当前状态。

实施例1：

针对图6的初始状态，执行更新第四页为全0x06的行为，因为CACHEPN[4]＝0x0004，故在CACHEPN中直接找到了待更新的页，此时直接更新CACHE[4]中的一页数据为全0x06，同时更新引用矩阵，第四行更新成全1，第四列更新成全0，此时全0行为第二行，即当前最久未更新的页是第二页，第四行1的个数最多，即表明第四行是刚刚更新过的。CACHEFLAG[4]依然为0x55，因为该页最终需要提交到NVM中。最终结果见图7。

实施例2：

针对图7的状态，执行更新物理的第七页为全0x07的行为，因为CACHEPN[i]中不包含0x0007这个页号，所以此时需要通过引用矩阵淘汰掉一页最久未使用的缓存页。通过查找引用矩阵中的全0行，可以知道当前最久未更新的物理页是第二页，那么先把该页写到NVM中，再把CACHEPN[2]赋值成0x0007，最后把CACHE[2]一整页写成全0x07。因为物理的第七页最终也需要写入NVM，所以保持CACHEFLAG[2]为0x55。最终结果见图8。

实施例3：

针对图8的状态，执行取消物理第四页的写入行为，因为CACHEPN[4]＝0x0004，故在CACHEPN中找到了待取消更新的页，由于取消该页的更新行为，所以需要后续对物理第四页进行读取或更新时，不能再使用CACHE中的数据，所以需要把CACHEPN[4]赋值为0xFFFF，同时CACHEFLAG[4]应设为0xAA，表明该页数据无效，最终提交CACHE时不需要写入该页。而CACHE[4]中存储的一页数据，此时都是脏数据，不需要额外进行操作。最终结果见图9。

实施例4：

针对图9的状态，执行提交所有CACHE到NVM的操作。提交之后，CACHE中所有页的内容，和NVM中保持一致，后续读取NVM中的内容时，依然可以从CACHE中读取，所以图9和图10的CACHEPN[i]保持一致。但数据已经提交，在没有修改的情况下不需要提交第二次，所以需要把所有的CACHEFLAG[i]设为0xAA，表明该页不需要再次提交，除非有新的写行为。而引用矩阵保持不变，因为数据全部提交与否不影响之前数据的先后使用时间，即在图10中，即使提交了所有数据，后续有新的数据需要写入时，依然要根据引用矩阵把数据装载到CACHE[4]中，以确保更多的有效数据存储于CACHE中，减少NVM页读行为，加快整体读速度。

Claims (1)

1.一种提高NVM擦写效率的方法，其特征在于，措施包括：

1)写入操作：

执行写入操作时，根据写入地址计算待写页号PN，通过比较待写页号PN与CACHE中对应的若干个物理页号CACHEPN，判断当前CACHE缓存中是否存在待写入的页：

CACHE命中：如果PN和第i个CACHEPN相等,0≤i＜N，N为大于0的任意整数,则直接在该页CACHE数据CACHE[i]中更新待写入的数据；

CACHE未命中：如果PN不等于任何一个CACHEPN，则根据引用矩阵获取一个CACHE索引i，并把待写入的页号PN对应存储在NVM中的一整页数据读出来存储到CACHE[i]中，然后更新CACHE[i]中的数据，并正向更新引用矩阵，同时设置更新标记CACHEFLAG[i]为标记A，标明该页最终需要提交到NVM中；i是CACHE索引代号，0≤i＜N，所述CACHE命中和CACHE未命中里分别描述的i互相之间并无关联；

2)提交操作：

在当前指令全部结束后，执行提交操作，把CACHE中更新标记CACHEFLAG[i]为标记A的有效数据页更新到NVM中，然后设置更新标记CACHEFLAG[i]为标记B，标明该页不再需要提交到NVM中；

3)取消操作：

如需要执行某页的取消写入操作时，根据待取消写入地址计算待写页号PN，通过比较待取消页号PN与CACHE中对应的若干个物理页号CACHEPN，判断当前CACHE缓存中是否存在待写入的页，如果PN和第i个CACHEPN相同，则设置物理页号CACHEPN[i]为无效页号并反向更新引用矩阵，并设置更新标记CACHEFLAG[i]为标记B，所述取消操作和所述写入操作里分别描述的i互相之间并无关联。

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