CN115359830B - Scm介质存储模块的读方法写方法，以及存储控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种表项，用于记载存储于存储级内存(Storage Class Memory，SCM)介质存储模块的流动数据的物理地址；所述流动数据为SCM介质存储模块中发生过迁移的数据；所述物理地址包括：流动数据迁移前的第一物理地址和迁移后的第二物理地址。根据所述表项，本发明还提供了一种SCM介质存储模块的寻址方法、一种SCM介质存储模块的读方法与一种SCM介质存储模块的写方法。本发明通过提供了一种表项以及配套的读写操作方案，可以减少读写时延，保证数据的高效处理。基于所述的表项，本发明还提供了一种存储控制器，解决了使用SCM存储介质时存储控制器的架构问题。本发明为实现反应灵敏，控制精准，算法简单的SCM存储介质控制器大规模商业化应用打下了深厚基础。

Description

SCM介质存储模块的读方法写方法，以及存储控制器

技术领域

本发明属于数据存储领域，有关于存储级内存（Storage Class Memory,SCM），尤其涉及一种表项、一种SCM介质存储模块的寻址方法、一种SCM介质存储模块的读方法、一种SCM介质存储模块的写方法、一种存储控制器和一种固态硬盘。

背景技术

目前存在各种类型的存储器装置及存储单元，包含非易失性闪存存储器（NANDFlash）、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、动态RAM(DRAM)、静态RAM(SRAM)等等。存储器单元可为易失性或非易失性的。即使在不存在外部电源的情况下，非易失性存储器(例如，闪存存储器 NAND Flash)也可长时间维持它们的存储逻辑状态。当与外部电源断开时，易失性存储器装置(例如，DRAM)可能丢失它们的存储状态。

目前主流的闪存存储器在存储数据时需要维护一个映射表，映射表用来存储主机下发的数据的逻辑地址以及器件为数据分配的物理地址。当主机下发某数据的读命令时，首先要去映射表里根据数据的逻辑地址查找对应的数据的物理地址，找到数据的物理地址后才能将此物理地址的数据读取到缓存，从而完成读操作。当主机下发写操作命令时，首先主机要为数据分配一个逻辑地址，器件也要为数据分配一个物理地址，当器件成功写入数据时，也要在上述映射表中记录写入数据的逻辑地址与物理地址的映射关系。但是NANDFlash的读写速度最快只能达到毫秒量级，与CPU的数据处理速度造成了严重的失配，并且数据移动造成的功耗较高，这就是著名的“存储墙”问题。随着科技的发展，新型介质为解决“存储墙”问题带来了希望。

存储级内存（Storage Class Memory）,例如：铁电RAM(FeRAM)、磁性RAM(MRAM)、电阻式RAM(ReRAM)、相变存储器(PCM)技术等，具有大容量、非易失的存储特性，为存储技术革命提供了良好的基础。存储级内存SCM具有读写延迟低（DRAM-like）、每比特价格低廉（SSD-like）的突出优点，是可以替代非易失性闪存NAND Flash的良好存储介质。为了使得SCM存储介质能够应用于存储系统，亟需提出管理SCM介质存储模块的方法与SCM存储介质应用于存储系统（例如：固态硬盘）的具体思路。然而，由于SCM存储介质的制造工艺尚未完全成熟，SCM存储页在使用一定次数后会失效，耐久性较差，此时必须将SCM存储页存储的有效数据迁移至其他空闲SCM存储页。这使其数据寻址成为一个难点，亟需提出SCM存储介质的数据寻址方法。

发明内容

在现有技术中，目前主流的NAND Flash非易失性闪存存储器在存储数据时需要维护一个映射表，映射表用来存储主机下发的数据的逻辑地址以及器件为数据分配的物理地址。当主机下发某数据的读命令时，首先要去映射表里根据数据的逻辑地址查找对应的数据的物理地址，找到数据的物理地址后才能将此物理地址的数据读取到缓存，从而完成读操作。当主机下发写操作命令时，首先主机要为数据分配一个逻辑地址，器件也要为数据分配一个物理地址，当器件成功写入数据时，也要在上述映射表中记录写入数据的逻辑地址与物理地址的映射关系。非易失性闪存存储器的读写粒度为4K,相比之下，由于存储级内存SCM的就地更新特性，SCM可以达到较小的读写粒度（例如64B），如果延用闪存存储器的映射方式，即维护一个逻辑地址-物理地址映射表的话，相同存储容量下需维护映射表的容量将急剧增加（64倍，以SCM读写粒度64B为例），导致主机查询表项的时延急剧增加，对应用存储级内存SCM极为不利。

存储级内存SCM支持直接寻址（DRAM-like），通过寻找块后行列寻址，能够直接定位到寻址的存储单元。但是不同于DRAM，SCM存储介质的制造工艺尚未完全成熟，SCM存储页在使用一定次数后会失效，耐久性较差。若始终维持直接寻址方式，当主机寻址至失效单元时，便无法找到有效数据，丧失了基于SCM存储系统的可靠性。这就要求，当某些SCM失效时，必须将SCM存储页存储的有效数据迁移至其他空闲SCM存储页。这使其数据寻址成为一个难点，亟需提出SCM存储介质的数据寻址方法。

本发明提供一种表项，用于解决上述SCM存储介质的读、写问题。该表项中含有：用于记载存储于存储级内存（Storage Class Memory，SCM）介质存储模块的流动数据的物理地址；物理地址和物理存储单元一一对应。当一存储单元磨损较为严重时，其数据将迁移至其他性能较好的物理单元，本申请中，将这种磨损严重的存储单元称为第一物理单元，其对应第一物理地址。而数据迁移后所在物理单元称为第二物理单元，其对应第二物理地址。因此，本申请所述流动数据为SCM介质存储模块中发生过迁移的数据；所述物理地址包括：流动数据迁移前所在第一物理单元的第一物理地址和迁移后所在第二物理单元的第二物理地址。解决了SCM介质存储模块中数据迁移的跟踪问题，为SCM介质存储提供一种新的解决方案。与现有技术中地址映射关系中的逻辑地址和物理地址映射关系相比，本实施例适合于使用SCM介质的存储模块。

根据本发明提出的一种表项，本发明提供一种SCM介质存储模块的寻址方法。以从所述的表项中读取流动数据迁移前所在第一物理单元的第一物理地址，并映射到所述迁移后所在第二物理单元的第二物理地址。具体的，根据输入的物理页编号（物理地址）在表项中查询获取与所述物理地址匹配的第一物理地址；然后映射至对应的第二物理地址，寻址结束。

当无法在表项中查询获取与所述物理地址匹配的第一物理地址时，表明该物理地址所对应的存储单元为可用的存储单元。

寻址到迁移后的第二物理单元后，本发明提供一种SCM介质存储模块的读方法。需要读取数据时，可以从所述表项中寻找数据迁移后的物理地址，也可以直接根据物理页编号寻址，寻址完毕后可以根据找到的物理地址读取数据。具体的：

①通过根据物理页编号在该物理地址的物理存储单元中进行搜索；若没有找到数据，则该物理地址为第一物理地址；从所述表项中搜索该第一物理地址对应的第二物理地址；从所述第二物理地址的物理存储单元中进行搜索；

②或，根据物理页编号，在表项搜索第一物理地址；根据搜索到的第一物理地址，映射至第二物理地址；从所述第二物理地址的物理存储单元中进行搜索；若在表项的第一物理地址中无法找到对应的第一物理地址，则直接根据物理页编号在该物理地址的物理存储单元中进行搜索。

根据本发明提出的一种表项，本发明提供一种SCM介质存储模块的写方法。当主机下发写命令时，为数据分配的物理地址为第二物理地址或第三物理地址。第三物理地址不与表项中的第一物理地址、第二物理地址重合。其中，写入第二物理地址对应的第二存储单元的数据为就地更新的数据；写入第三物理地址对应的存储单元的数据为新写入的数据。因此，写入的数据均避开了表项中的第一物理地址。

本发明提供一种存储控制器，存储控制器用于控制SCM介质存储模块。目前通用的存储系统架构中，存储控制器通常包括缓存、主控芯片等。由于SRAM、DRAM的极低读写延迟，目前主流的缓存通常使用SRAM、DRAM。同时，存储级内存SCM的低读写延迟也体现出作为缓存的优越性。目前的存储系统架构中，缓存通常包括读写缓存、映射表等，本申请中所述缓存存储有所述的本发明提供的表项。

以上可知，存储控制器需要包括缓存与主控芯片。所述缓存中包括主控芯片，用于控制缓存与存储控制器连接的外存。所述缓存可使用SRAM、DRAM、或存储级内存SCM包括ReRAM、PCM、MRAM、FeRAM。

目前主流的固态硬盘均以非易失性闪存NAND Flash为大容量存储，本发明提供一种固态硬盘，以SCM介质为大容量存储。固态硬盘包括SCM介质存储模块和存储控制器，存储控制器通常包括缓存、主控芯片等。由于SRAM、DRAM的极低读写延迟，目前主流的缓存通常使用SRAM、DRAM。同时，存储级内存SCM的低读写延迟也体现出作为缓存的优越性。所述缓存中存储有一所述表项，所述表项记载存储于SCM介质存储模块的流动数据的物理地址；所述流动数据为SCM介质存储模块中发生过迁移的数据；所述物理地址包括：流动数据迁移前的第一物理地址和迁移后的第二物理地址。目前主流的固态硬盘的存储容量中均存在预留空间，对垃圾回收、磨损均衡等功能起到很大帮助。本申请中固态硬盘存在用户无法感知的预留存储空间，当数据发生迁移时，选择预留存储空间中的物理地址作为第二物理地址，并在权利要求1所述表项中记录迁移前的第一物理地址和迁移后的第二物理地址。

以上可知，固态硬盘需要包括存储控制器与SCM介质存储模块。所述存储控制器包含缓存，所述缓存中存储有一表项；所述表项记载存储于SCM介质存储模块的流动数据的物理地址。所述缓存可选自SRAM、DRAM、或存储级内存SCM包括ReRAM、PCM、MRAM、FeRAM。

本发明具有以下有益效果：

1、记录SCM介质存储模块的流动数据的物理地址，包括迁移前的第一物理地址和迁移后的第二物理地址的映射关系，为使用SCM介质的存储模块提供一种解决方案。

2、提供一种SCM介质存储模块的寻址方法、读方法与写方法，可以减少读写时延，保证数据的高效处理。

3、提供一种使用表项的存储控制器架构，有利于实现对表项的使用和存储介质的控制。

4、提供一种使用表项的固态硬盘，为使用SCM介质存储模块和控制器提供一种思路。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的一范例实施例所示出的表项示意图。

图2为本发明的一范例实施例所示出的SCM介质存储模块的寻址方法流程图。

图3为本发明的一范例实施例所示出的SCM介质存储模块的读方法流程图。

图4为本发明的一范例实施例所示出的SCM介质存储模块的写方法流程图。

图5为本发明的一范例实施例所示出的存储控制器示意图。

图6为本发明的一范例实施例所示出的固态硬盘示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种表项，用于记载存储于存储级内存（Storage Class Memory，SCM）介质存储模块的流动数据的物理地址；所述流动数据为SCM介质存储模块中发生过迁移的数据；所述物理地址包括：流动数据迁移前的第一物理地址和迁移后的第二物理地址。根据所述表项，本发明还提供了一种SCM介质存储模块的寻址方法、一种SCM介质存储模块的读方法与一种SCM介质存储模块的写方法。本发明通过提供了一种表项以及配套的读写操作方案，可以减少读写时延，保证数据的高效处理。

基于所述的表项，本发明还提供了一种存储控制器，解决了使用SCM存储介质时存储控制器的架构问题。存储控制器需要包括缓存与主控芯片，所述缓存中包括主控芯片，用于控制缓存与存储控制器连接的外存，所述缓存可使用SRAM、DRAM、或存储级内存SCM包括ReRAM、PCM、MRAM、FeRAM。本发明为实现反应灵敏，控制精准，算法简单的SCM存储介质控制器大规模商业化应用打下了深厚基础。

基于所述的表项与存储控制器，本发明还提供了一种固态硬盘，提供了使用SCM存储介质时的一种固态硬盘架构。固态硬盘包括存储控制器、SCM介质存储模块等。存储控制器需要包括缓存与主控芯片，所述缓存中包括主控芯片，用于控制缓存与存储控制器连接的外存，所述缓存可使用SRAM、DRAM、或存储级内存SCM包括ReRAM、PCM、MRAM、FeRAM。同时，本发明提出了一种存在预留空间的固态硬盘，为基于SCM存储介质的固态硬盘大规模商业化应用打下了深厚基础。

本发明的目的，特点和优点将通过以下实施例进行阐述，值得说明的是，该实施例仅为本发明技术中的典型范例，凡采取等同替换或等效变换而形成的技术方案，均为本发明要求保护的范围内。

实施例1

本实施例中涉及了一种表项，用于记载存储于存储级内存SCM介质存储模块的流动数据的物理地址。

表项的建立与维护可通过一种表项添加器，包括：

一采集模块，检测数据迁移，当发生迁移时，采集数据迁移前所在的第一存储单元的第一物理地址和迁移后所在的第二存储单元的第二物理地址，并形成表项添加请求；

一添加模块，用于接收表项添加请求，所述表项添加请求中携带请求添加的第一物理地址和第二物理地址；

上述数据迁移由存储器的控制器控制，当一存储单元性能不佳时，即控制其中存储的数据向另一空闲的存储单元迁移。这种空闲的存储单元也可以为SCM介质存储模块的预留空间，可以避免数据冲突。

以图1举例，表项中包含100个映射（Entry）关系，每个映射代表不同的存储单元的第一物理地址-第二物理地址的映射关系。

实施例2

本实施例中，具体的还涉及了一种SCM介质存储模块的寻址方法。如图2所示。

发送物理地址至主机，主机根据该物理地址在表项中查询获取与所述物理地址匹配的第一物理地址；然后映射至对应的第二物理地址，寻址结束。

当无法在表项中查询获取与所述物理地址匹配的第一物理地址时，表明该物理地址所对应的存储单元为可用的存储单元。

实施例3

本实施例中，具体的还涉及了一种SCM介质存储模块的读方法，如图3所示。首先，步骤一为根据数据的物理地址在表项中搜索第一物理地址。步骤一之后，执行步骤二，判断是否在表项中找到对应的第一物理地址，是则在表项中搜索该第一物理地址对应的第二物理地址；否则找到物理地址对应的数据存储单元。步骤二之后，执行步骤三-1，若在表项中搜索到该第一物理地址对应的第二物理地址，则找到第二物理地址对应的存储单元，并将存储单元中的数据读取到缓存中；或执行步骤三-2，若找到物理地址对应的数据存储单元，则将存储单元中的数据读取到缓存中。

实施例4

本实施例中，具体的还涉及了一种SCM介质存储模块的写方法，如图4所示。本实施例的写数据的方法主要是通过表项确定数据的写入位置。具体的：

步骤一为将表项发送给主机。

将表项中记录的流动数据的物理地址传输给主机，主机读取后可以确认数据的有效位置并记录，此时下次寻址时可无需读取所述表项，减少寻址时读取表项的时间，所述表项也可以清空释放存储空间。

步骤二，识别写入的数据的类型：①新写入的数据，②就地更新的数据。

步骤三，若是新写入的数据，则将该输入的数据分配至一第三物理地址；该第三物理地址不与表项中的第一物理地址、第二物理地址重合；若是就地更新的数据，则关联到待更新数据所在存储单元的物理地址，按照实施例2进行寻址：主机根据该物理地址在表项中查询获取与所述物理地址匹配的第一物理地址；然后映射至对应的第二物理地址，寻址结束；然后对该第二物理地址对应的第二存储单元进行就地更新，完成写入操作。当无法在表项中查询获取与所述物理地址匹配的第一物理地址时，表明该物理地址所对应的存储单元为可用的存储单元，直接在该存储单元中就地更新，完成写入操作。

实施例5

本实施例中涉及了一种存储控制器架构如图5所示。存储控制器包括缓存和主控芯片等，主控芯片中包含了一表项添加器，表项添加器用于建立和维护表项，并存储于缓存中。具体的，表项添加器包含了一采集模块，检测数据迁移，当发生迁移时，采集数据迁移前所在的第一存储单元的第一物理地址和迁移后所在的第二存储单元的第二物理地址，并形成表项添加请求；一添加模块，用于接收表项添加请求，所述表项添加请求中携带请求添加的第一物理地址和第二物理地址；

表项用于记载存储于存储级内存（Storage Class Memory，SCM）介质存储模块的流动数据的物理地址。

实施例6

本实施例中涉及了一种固态硬盘架构如图6所示。固态硬盘包括存储控制器与SCM介质存储模块。存储控制器与主机进行信息交换，存储控制器包括缓存和主控芯片等，缓存中存储表项。表项用于记载存储于存储级内存SCM介质存储模块的流动数据的物理地址。

Claims (10)

1.一种存储级内存SCM介质存储模块的寻址方法，其特征在于，包括：从表项中读取流动数据迁移前的第一物理地址，并映射到所述迁移后的第二物理地址；所述表项用于记载存储级内存SCM介质存储模块中的流动数据的物理地址；

所述流动数据为存储级内存SCM介质存储模块中发生过迁移的数据；

所述物理地址包括：流动数据迁移前所在的第一存储单元的第一物理地址和迁移后所在的第二存储单元的第二物理地址。

2.一种存储级内存SCM介质存储模块的读方法，其特征在于，包括：

根据物理页编号，在表项中搜索物理页编号对应的第一物理地址；所述表项用于记载存储级内存SCM介质存储模块中的流动数据的物理地址；所述流动数据为存储级内存SCM介质存储模块中发生过迁移的数据；所述物理地址包括：流动数据迁移前所在的第一存储单元的第一物理地址和迁移后所在的第二存储单元的第二物理地址；

根据搜索到的第一物理地址，映射至第二物理地址；从所述第二物理地址对应的第二存储单元中进行读取；

若在所述表项的第一物理地址中无法找到物理页编号对应的第一物理地址，则直接在物理页编号对应的物理地址对应的第一存储单元中进行读取。

3.一种存储级内存SCM介质存储模块的写方法，其特征在于，包括：

读取表项中的第一物理地址和第二物理地址，将需要写入的数据分配至第一存储单元以外的存储单元，具体的：

所述表项用于记载存储级内存SCM介质存储模块中的流动数据的物理地址；所述流动数据为存储级内存SCM介质存储模块中发生过迁移的数据；所述物理地址包括：流动数据迁移前所在的第一存储单元的第一物理地址和迁移后所在的第二存储单元的第二物理地址；

若是新写入的数据，则将该新写入的数据分配至一第三物理地址；该第三物理地址不与表项中的第一物理地址、第二物理地址重合；

若是就地更新的数据，则关联到待更新数据所在存储单元的物理地址，根据该物理地址在表项中查询获取与所述物理地址匹配的第一物理地址；然后映射至对应的第二物理地址；寻址结束，对该第二物理地址对应的第二存储单元进行就地更新，完成写入操作；

当无法在表项中查询获取与所述物理地址匹配的第一物理地址时，表明该物理地址所对应的存储单元为可用的存储单元，直接在该存储单元中就地更新，完成写入操作。

4.一种存储控制器，包括缓存，所述缓存中存储有表项；用于记载存储级内存SCM介质存储模块中的流动数据的物理地址；

所述流动数据为存储级内存SCM介质存储模块中发生过迁移的数据；

所述物理地址包括：流动数据迁移前所在的第一存储单元的第一物理地址和迁移后所在的第二存储单元的第二物理地址。

5.根据权利要求4所述的控制器，其特征在于，还包括主控芯片。

6.根据权利要求4所述的控制器，其特征在于，所述缓存选自SRAM、DRAM、或存储级内存SCM。

7.一种固态硬盘，其特征在于包括存储级内存SCM介质存储模块和存储控制器，所述存储控制器包含缓存，所述缓存中存储有表项；所述表项记载存储于存储级内存SCM介质存储模块的流动数据的物理地址；

所述流动数据为存储级内存SCM介质存储模块中发生过迁移的数据；

所述物理地址包括：流动数据迁移前所在的第一存储单元的第一物理地址和迁移后所在的第二存储单元的第二物理地址。

8.根据权利要求7所述的固态硬盘，其特征在于，还包括主控芯片。

9.根据权利要求7所述的固态硬盘，其特征在于，所述缓存选自SRAM、DRAM、或存储级内存SCM。

10.根据权利要求7所述的固态硬盘，其特征在于，所述第二存储单元位于所述存储级内存SCM介质存储模块的预留空间。