CN117457039A - 不可更改数据的闪存芯片、固态硬盘ssd及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了不可更改数据的闪存芯片、固态硬盘SSD及其控制方法，属于半导体闪存芯片、固态硬盘设计制造的技术领域，该闪存芯片的控制电路包括：指令控制电路、擦除电路、自毁电路、地址计数器，所述指令控制电路用于接收并执行读数据、写数据和读计数器指令；所述擦除电路，用于初始化芯片时擦除全部存储页成空白状态；所述自毁电路用于永久地破坏所述擦除电路；所述地址计数器用于指定下一个可写入数据的空白存储页地址。通过对闪存芯片的全新设计或对闪存芯片内控制电路或对固态硬盘主控制器的局部改变，实现数据一旦被写入就不能改写或删除的目的。实施本发明制造的存储器，具有对计算机病毒和加密勒索攻击的物理免疫力。

Description

不可更改数据的闪存芯片、固态硬盘SSD及其控制方法

技术领域

本发明属于半导体FLASH芯片、SSD设计制造的技术领域，具体而言，涉及一种不可更改数据的闪存芯片、固态硬盘SSD及其控制方法。

背景技术

计算机行业中大容量持久数据存储设备经历了磁芯、磁盘、光盘、半导体固态存储器等发展阶段。一般这些存储器都是可读可写的，但是在计算机信息安全方面，为了保证存储器内的数据持久不变，不被恶意篡改，需要一种可增可查不可改不可删的专门的大容量的存储设备。

曾经光盘是一种不可篡改的存储设备，但是光盘存储容量太小，读写速度过慢，不适合大规模在线数据管理，目前已经被淘汰。当前半导体固态硬盘SSD逐渐成为主流的大容量持久数据存储设备，SSD包含多片闪存芯片FLASH MEMORY，芯片内的最小存储单元FAMOS是由静电荷来表示数据0，1的，FAMOS电路具有电荷可擦除的物理特性。但是为了确保数据安全，数据不丢失不被篡改，我们需要一种新型的不可改写的闪存芯片及SSD，用于长期保存类似出生证、毕业证等重要数据。

在计算机应用项目中，大部分项目需要一定程度的数据安全保护，特别是需要防止持久存储器中的数据被非法修改和被恶意删除。但是现今世界计算机存储设备中常用的各种类型的FLASH芯片、SSD中，其一般在只读状态能读不能写，又或在写入状态能写也能改，计算机数据安全主要靠应用层软件和数据加密，没有可寻址并增添新数据同时又禁止擦除或更新老数据的硬件产品，不能实现数据一旦被写入就不能改写或删除。

发明内容

鉴于此，为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种不可更改数据的闪存芯片、固态硬盘SSD及其控制方法，通过闪存芯片的重新设计、SSD主控制器或者闪存芯片内指令控制电路的局部改变，达到数据一旦被写入就不能改写或删除的目的。

本发明所采用的技术方案为：一种不可更改数据的闪存芯片，该闪存芯片的控制电路包括：

指令控制电路，所述指令控制电路用于接收并执行读数据、写数据和读地址计数器指令，且该电路对于接收到的擦除数据、删除数据或更新数据的指令作为错误指令处理；

地址计数器，所述地址计数器用于指定下一个可写入数据的空白存储页地址，所述指令控制电路提供外部可用的指令，用于读取地址计数器现值。

进一步地，该闪存芯片还包括：

擦除电路，所述擦除电路用于在制造厂初始化芯片时，对闪存芯片内所有的存储块执行N遍擦除数据指令，直至全部存储块成空白状态，其中，N≥1；

进一步地，所述闪存芯片还包括自毁电路，所述自毁电路用于在制造厂初始化擦除存储块后，利用自毁电路破坏闪存芯片内的擦除电路，用高电压大电流击穿擦除电路的零部件，使其永久失去擦除功能。

为了降低闪存芯片的制造成本，在闪存芯片内不设计存储页位图、坏块位图、磨损平衡、页面搬迁等逻辑电路。此设计简化了闪存芯片的半导体电路，可大幅降低产品制造成本，同时由于减少了擦除操作的次数，有助于增加闪存产品使用寿命。

本发明还提供了一种不可更改数据的闪存芯片的控制方法，该控制方法应用于上述的不可更改数据的闪存芯片，该控制方法包括但不限于下述步骤：

S1：闪存芯片的指令控制电路接收来自外部的指令，根据指令类型的不同，指令控制电路做不同的操作；

S2：对于读数据类型的指令，指令控制电路根据指令携带的地址，正常读取数据，并返回成功/失败信号或代码；

S3：对于写数据类型的指令，指令控制电路利用闪存芯片内的地址计数器，指定一个空白存储页写入新数据，若写入并验证成功，则返回成功代码；否则返回错误代码；地址计数器自动步进一次；

S4：对于擦除数据、删除数据或更新数据类型的指令作为错误指令处理，返回错误信号或错误代码；

S5：对于读取计数器类型的指令，指令控制电路读取地址计数器的现值，返回成功/失败信号或代码。

由于该闪存芯片在运行时，只能按芯片内规定的地址顺序写入数据，不是按常规的指令携带的地址写入数据，闪存芯片中无须动态记录页面位图等元数据，只需记录当前空白页面的地址指针或地址计数器，遇到写入失败或遇到坏块，可简单跳过此存储页。

本发明还提供了另一种不可更改数据的闪存芯片的控制方法，其特征在于，在闪存芯片的指令控制电路中实现该方法，不涉及闪存芯片内的其他功能电路，该控制方法为：

S31：闪存芯片的指令控制电路接收来自外部的操作指令，根据指令类型和指令指定的逻辑地址，指令控制电路执行不同的操作；

S32：对于读数据类型指令，指令控制电路按指定逻辑地址正常执行读操作，返回成功/失败信号或代码；

S33：对于写数据类型指令，闪存芯片的指令控制电路利用其芯片内部的逻辑地址与物理地址映射表和页面位图，判定指令指定的逻辑地址对应的物理地址是否是空白存储页；若指令指定的逻辑地址对应的物理地址是空白存储页则正常执行写入数据操作并更新逻辑地址与物理地址映射表和页面位图,否则返回错误信号或错误代码。

S34: 对于擦除数据、删除数据或更新数据等类型的指令，则返回错误信号或错误代码；

该方法只需设计修改闪存芯片的指令控制电路，在集成电路EDA设计方面的工作量小，可快速完成设计，批量投产。

本发明还提供了一种不可更改数据的固态硬盘SSD的控制方法，其特征在于：在固态硬盘SSD的主控制器中实现该方法，不涉及固态硬盘SSD的其他功能电路，该控制方法为：

S41：固态硬盘SSD的主控制器接收来自外部的操作指令，根据指令类型和指令指定的逻辑地址，主控制器执行不同的操作；

S42：对于读数据类型的指令，主控制器按指定地址正常执行读操作，返回成功/失败信号或代码；

S43：对于写数据类型的指令，SSD主控制器利用逻辑地址与物理地址映射表和页面位图，判定指令指定的逻辑地址对应的物理地址是否是空白存储页；

若指令指定的逻辑地址对应的物理地址是空白存储页则正常执行写入数据操作并更新逻辑地址与物理地址映射表和页面位图，否则返回错误信号或错误代码；

S44：对于擦除数据、删除数据或更新数据类型的指令，则作为错误指令处理，直接返回错误信号或错误代码。

所述主控制器是SSD中重要的组件，它是一种SoC集成电路，它负责管理和控制存储器颗粒（NAND芯片）的读写操作，更新地址映射表和页面位图以及处理通信和错误处理等任务，主控制器具有可编程的特性，可以进行固件升级和功能扩展。本方案在实施时，可以将上述的控制方法固化在主控制器的可编程固件中。

本发明所提供的不可更改数据的闪存芯片，配上适当的控制器、电路板和外壳可以制造不可更改数据的U盘或固态硬盘。

本发明所提供的不可更改数据的固态硬盘SSD的控制方法，通过对固态硬盘SSD的主控制的固件进行升级，无需更换闪存颗粒，也可制造一种不可更改数据的固态硬盘。

使用N个（N>=1)上述的不可更改数据的固态硬盘,配上主板和处理器CPU或GPU，可以制造大容量的持久存储设备，用于建设数据库、数据中心。

本发明的有益效果为：

采用本发明所提供的不可更改数据的闪存芯片，该闪存芯片不设计能够擦除数据、删除数据或更新数据的电路，对半导体产业来说，实施本发明制造的闪存芯片，简化了相对复杂的“先擦后写”电路、“擦除平衡”电路等，减少闪存芯片制造成本，增加芯片存储容量，延长闪存芯片使用寿命。

采用本发明所提供的不可更改数据的闪存芯片，其通过对闪存芯片中控制电路的运行逻辑设计，仅提供读数据和写数据的外部操控指令，不提供外部可用的擦除存储页、删除数据或更新数据等可能更改数据的操控指令，对各类计算机应用项目提供了一种全新、可靠的保护数据的硬件产品，极大地简化了应用软件层面的安全措施。

对固态硬盘SSD产业来说，本发明可制造出一种专门的用于保护关键数据的SSD，可用来制造高度安全的大容量数据存储设备和数据库。

附图说明

图1是本发明提供的一种不可更改数据的闪存芯片在实施例1运行时的控制逻辑框图；

图2是本发明提供的另外一种不可更改数据的闪存芯片在实施例2运行时的控制逻辑框图；

图3是本发明提供的固态硬盘SSD在实施例3运行时的控制逻辑框图。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

实施例1

如图1所示，在本实施例中具体提供了一种不可更改数据的闪存芯片，对闪存芯片的控制电路进行重新设计，该闪存芯片的控制电路包括：指令控制电路，所述指令控制电路用于与外部通信并执行读数据、写数据和读地址计数器指令。该闪存芯片在设计指令控制电路时，仅设计读数据、写数据和读计数器功能的指令，不设计擦除数据、删除数据或更新数据等功能的指令。所述指令控制电路也可以将擦除数据、删除数据、更新数据指令识别为错误指令，直接返回错误信号或错误代码。通过对该闪存芯片的指令控制电路设计，实现对用户主要提供读数据和写数据两种功能，达到数据一旦被写入就不可更改或删除的目的。

闪存芯片的控制电路还包括地址计数器，所述地址计数器用于指定下一个可写入数据的空白存储页地址，所述指令控制电路提供外部读取地址计数器现值的指令。

在闪存芯片控制电路还包括自毁电路和擦除电路，所述擦除电路用于在制造阶段初始化芯片，对闪存芯片内所有的存储块执行N遍擦除数据指令，直至全部存储块成空白状态，其中，N≥1。在制造阶段最后一步，利用自毁电路破坏上述擦除电路，具体可用高电压大电流击穿擦除电路的零部件，使其永久失去擦除功能。

为了降低芯片制造成本，在闪存芯片内不设计存储页位图、坏块位图、磨损平衡、页面搬迁等逻辑电路，简化比较复杂的“先擦后写”逻辑电路和“擦除平衡”逻辑电路。闪存芯片制造厂家通过重新设计闪存芯片的半导体电路，从而降低闪存芯片产品的制造成本，同时由于减少了擦除操作的次数，大幅度增加闪存产品使用寿命。

基于本实施例中不可更改数据的闪存芯片，其在运行时的逻辑运算方法包括：

S1：闪存芯片的指令控制电路接收来自外部的指令，根据指令类型的不同，指令控制电路做不同的处理；

S2：对于读数据类型的指令，指令控制电路根据指令携带的地址，正常读取数据,并返回成功/失败信号或代码；

S3：对于写数据类型的指令，指令控制电路利用闪存芯片内的地址计数器，指定一个空白存储页写入新数据，若写入并验证成功，则返回成功代码；否则返回错误代码；地址计数器自动步进一次。

S4: 对于擦除数据、删除数据或更新数据类型的指令，作为错误指令处理，返回错误信号或错误代码。

S5: 对于读取计数器类型的指令，指令控制电路读取地址计数器的现值，返回成功/失败信号或代码。

基于上述运行逻辑，闪存芯片的存储页在制造出厂时，闪存芯片的存储页全部初始化于空白状态，用户无需擦除可以直接按闪存芯片内预设的地址顺序写入数据，（由闪存芯片内的地址计数器来实现），由于只能按规定地址顺序写入数据，闪存芯片中无需动态更新物理地址映射表和页面位图的状态，只需记录当前空白页的位置。本方案简化了闪存芯片的半导体电路，可大幅降低产品制造成本，同时由于消除或减少了擦除操作的次数，增加闪存芯片的产品使用寿命。

在实际市场应用时，实施本实例所制造的产品是一种物理保护数据安全的闪存芯片（flash ROM），由于其硬件不可改写的特性，对计算机病毒、加密勒索等黑客攻击具有物理免疫力。

实施例2

如图2所示，在本实施例中，具体提供了另外一种不可更改数据的闪存芯片，其旨在对闪存芯片的控制电路做优化设计，为用户主要提供读数据和写数据两种功能，不提供改写数据的功能。闪存芯片制造厂家，将禁止用户擦除和改写的逻辑计算设计到闪存芯片的控制电路中，在闪存芯片内部自动实现保护已存在的数据，闪存芯片内仍保留专门用来管理存储资源的元数据。该闪存芯片在运行时，包括但不限于下述逻辑步骤：

S31：闪存芯片的控制电路接收来自外部的操作指令，根据指令类型和指令指定的逻辑地址，控制电路执行不同的操作；

S32：对于读数据类型指令，闪存控制电路按指定地址正常执行读操作，返回成功/失败信号或代码；

S33：对于写数据类型指令，闪存芯片的控制电路利用其芯片内部的逻辑地址与物理地址映射表和页面位图，判定指令指定的逻辑地址对应的物理地址是否是空白存储页；若所述指令指定的逻辑地址对应的物理地址是空白存储页，则正常执行写入数据操作并更新逻辑地址与物理地址映射表和页面位图,否则返回错误信号或错误代码。

S34：对于擦除数据、删除数据或更新数据等类型指令，则直接返回错误信号或错误代码；

实施本实例，仅局部地改变闪存芯片的控制电路，不涉及闪存芯片内的其他功能电路，可以减少集成电路EDA设计的工作量和测试量，以助力快速地批量投产不可改写的闪存颗粒。

实施例3

如图3所示，在本实施例中，具体提供了一种不可更改数据的固态硬盘SSD，本实施例通过仅改变固态硬盘SSD中主控制器的设计，达到不可更改已有数据的目的。该固态硬盘SSD在运行时，其控制方法包括但不限于下述步骤：

S41：固态硬盘SSD的主控制器接收来自外部的操作指令，根据指令类型和指令指定的逻辑地址，主控制器执行不同的操作；

S42：对于读数据类型指令，主控制器按指定地址正常执行读操作，返回成功/失败信号或代码；

S43：对于写数据类型指令，主控制器利用其芯片内部的逻辑地址与物理地址映射表和页面位图，判定指令指定的逻辑地址对应的物理地址是否是空白存储页；若所述指令指定的逻辑地址对应的物理地址是空白存储页，则正常执行写入数据操作并更新逻辑地址与物理地址映射表和页面位图,否则返回错误信号或错误代码。

S44：对于擦除数据、删除数据或更新数据等类型指令，则作为错误指令处理，直接返回错误信号或错误代码；

所述主控制器是SSD中重要的组件，它是一种SoC集成电路，它负责管理和控制存储器颗粒（NAND芯片）的读写操作，更新地址映射表和页面位图以及处理通信和错误处理等任务，主控制器具有可编程的特性，可以进行固件升级和功能扩展。本方案在实施时，可以将上述的控制方法固化在主控制器的可编程固件中。

本实施例通过局部地改变固态硬盘SSD的主控制器，达到数据一旦被写入固态硬盘SSD就不可更改的目的。本方案不涉及固态硬盘SSD的其他功能电路，也与固态硬盘SSD包含的闪存芯片无关。

在计算机应用项目需要记账时，无论那种记账体制，其基本要求都包含每笔记账记录不可删除、不可修改。如果需要改正前期记账错误，可以增加一笔红字记录来对冲。采用具有禁止删除数据和更新数据功能的固态硬盘SSD，可

以满足上述记账的需求。当操作系统发出写入数据的指令时，固态硬盘SSD主控制器通过查询逻辑地址与物理地址映射和页面位图，识别正在被使用的存储页，禁止对这些存储着数据的存储页执行擦除和/或写入的操作，总是选择空白页写入新数据。这就保证了账本中的记录不可删除、不可修改，只能增添记录。

又或者，计算机人事管理项目需要保存个人的历史档案，其中可能包括个人出生证、毕业证、职称证、任命书等终生不变的数据记录。这些档案记录总是只增不减的。如果采用本实施例中不可更改数据的固态硬盘SSD来记录这些数据，当操作系统发出写入数据的指令时，固态硬盘SSD主控制器通过查询逻辑地址与物理地址映射和页面位图，总是选择一个空白存储页写入新数据，并更新地址映射表和页面位图。

当实施本发明进行硬件产品制造时，电子产品制造厂可按下述方法制造、组装成可销售的产品：

使用实施例1或实施例2所述的闪存芯片，配上适当的控制器和电路板、外壳等，可以制造不可更改数据的U盘或固态硬盘。

单独使用实施例3中所述固态硬盘SSD在运行时的控制方法，对固态硬盘SSD的主控制的固件进行升级，无需更换闪存颗粒，也可制造一种不可更改数据的固态硬盘。

使用N个（N>=1)上述的不可更改数据的固态硬盘,配上主板和处理器CPU或GPU，可以制造大容量的持久存储设备，用于建设数据库、数据中心。

需要说明的是，流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模页、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种不可更改数据的闪存芯片，其特征在于，该闪存芯片包括：

A)、指令控制电路，所述指令控制电路用于接收和执行读数据、写数据和读计数器指令，且该指令控制电路对擦除数据、删除数据或更新数据的指令作为错误指令处理；

B）、擦除电路，所述擦除电路用于在初始化芯片时，对闪存芯片内所有的存储块进行N遍擦除，直至全部存储块成空白状态，其中，N≥1；

C）、自毁电路，所述自毁电路用于在初始化芯片后，永久地破坏所述擦除电路，并使其失去擦除存储块的功能；

D）、地址计数器，所述地址计数器用于指定下一个可写入数据的空白存储页地址，所述指令控制电路提供外部读取地址计数器的现值的指令。

2.一种闪存芯片的控制方法，其特征在于，该控制方法应用于权利要求1所提供的不可更改数据的闪存芯片，该控制方法包括以下步骤：

S1：闪存芯片的指令控制电路接收来自外部的指令，根据指令类型的不同，指令控制电路执行不同的操作；

S2：对于读数据类型的指令，指令控制电路根据指令携带的地址正常读取数据，返回成功/失败信号或代码；

S3：对于写数据类型的指令，指令控制电路利用闪存芯片内的地址计数器，指定一个空白存储页写入新数据，若写入并验证成功，则返回成功代码；否则返回错误代码；地址计数器自动步进一次；

S4：对于擦除数据、删除数据或更新数据类型的指令作为错误指令处理，直接返回错误信号或错误代码；

S5：对于读取计数器类型的指令，指令控制电路读取地址计数器的现值，返回成功/失败信号或代码。

3.一种不可更改数据的闪存芯片，其特征在于，该闪存芯片包括指令控制电路，在闪存芯片的指令控制电路中设计、实现下述指令控制方法，该控制方法为：

S31：闪存芯片的控制电路接收来自外部的操作指令，根据指令类型和指令指定的逻辑地址，控制电路执行不同的操作；

S32：对于读数据类型的指令，控制电路按指定地址正常执行读操作，返回成功/失败信号或代码；

S33：对于写数据类型的指令，闪存芯片的控制电路利用其芯片内部的逻辑地址与物理地址映射表和页面位图，判定指令指定的逻辑地址对应的物理地址是否是空白存储页；若指令指定的逻辑地址对应的物理地址是空白存储页则正常执行写入数据操作并更新地址映射表和页面位图，否则返回错误信号或错误代码；

S34：对于擦除数据、删除数据或更新数据类型的指令，则作为错误指令处理，直接返回错误信号或错误代码。

4.一种不可更改数据的固态硬盘SSD的控制方法，其特征在于，在固态硬盘SSD的主控制器中实现该方法，该控制方法为：

S41：固态硬盘SSD的主控制器接收来自外部的操作指令，根据指令类型和指令指定的逻辑地址，主控制器执行不同的操作；

S42：对于读数据类型的指令，主控制器按指定地址正常执行读操作，返回成功/失败信号或代码；

S43：对于写数据类型的指令，主控制器利用逻辑地址与物理地址映射表和页面位图，判定指令指定的逻辑地址对应的物理地址是否是空白存储页；若指令指定的逻辑地址对应的物理地址是空白存储页则正常执行写入数据操作并更新逻辑地址与物理地址映射表和页面位图，否则返回错误信号或错误代码；

S44：对于擦除数据、删除数据或更新数据类型的指令，则作为错误指令处理，直接返回错误信号或错误代码。

5.一种固态硬盘SSD，其特征在于它包含权利要求4所述的不可更改数据的固态硬盘SSD的控制方法，或包含权利要求1或3所述的不可更改数据的闪存芯片。

6.一种U盘，其特征在于包含权利要求1或3所述的不可更改数据的闪存芯片。

7.一种大容量数据存储设备，其特征在于它包含权利要求5所述的固态硬盘。