CN1383510A - 存储媒体上的数据管理方法、系统和计算机程序 - Google Patents

Abstract

一种存储媒体(10)上的数据管理方法,存储媒体(10)包括多个可以存储数据的块(21)。当要擦除第一块(22)时,针对该擦除操作,确定第一块(22)的磨损程度是否是可接收的。如果是,则擦除第一块(22)上的数据。否则,选择一个具有比第一块(22)磨损程度低的一个第二块(23),并复制该第二块(23)的数据到第一块(22)。最好是,每个块(22)具有一个关联计数器,记录它被擦除的次数。由于在过去很少被擦除的块在将来也可能很少被擦除,第一块(22)在随后将可能很少被擦除,因此延长了它的使用寿命。现在第二块(23)可以被用来存储新的数据,并较频繁地使用。

Description

存储媒体上的数据管理方法、系统和计算机程序

本发明涉及一种存储媒体上的数据管理方法，存储媒体包括不同的可以存储数据的块，选择这些块中的第一块，来执行一个变更。

本发明还涉及一个存储媒体上的数据管理系统，存储媒体包括不同的可以存储数据的块，该系统被配置成从块簇中选择一个第一块，来执行一个变更。

美国专利US5,896,393中介绍了开始段落中定义的方法。永久存储器，如电可擦可编程只读存储器(EEPROM)和闪存储器是具有优势的，因为当切断电流时，数据会存储其上。但是，除了具有相当长的存储时间之外，它们还具有一些缺陷，每次写入操作都需要事先进行一个删除操作，每次写入和删除操作降低了存储媒体的性能。这样一种存储媒体通常被细分为可以单独写入、读出和删除的块。其中的一个问题是在块损坏之前，仅可进行有限数量的变更，如擦除和写入操作。

美国专利US5,896,393描述了一种包括不同的块的存储媒体的管理方法。该方法一开始是在存储媒体中选择一个第一块，作为一个存储块(存储阵列)，和一个第二块，作为一个更新块(更新阵列)。文件被储存到第一块中，然后被标明是“活动的”。可以擦除存储的文件。这是通过将其标注为“非活动的”来完成的，而不用在一个块中执行一个擦除操作。定期地将标注为“活动”的存储块复制到第二块中，然后，擦除第一块。接下来，第二块被标志为一个存储块，另一个块被选择为更新块。通过从块簇中选择一个任意的块，或在逻辑上选择该存储块前面的块，来选择另外的块。定期地将所有存储的文件复制到第二块是不利的，因为有些文件是不需复制的。任意选择是不利的，因为不能保证所有的块都曾被选作一个存储块，这样一些块就会比其它的块磨损得多些。此外，该方法是不利的，还因为没有考虑有些文件需要改写许多，而其它的很少需要改写。通常，所有的文件都是一样复制的，即使这是不必要的。结果是，存储媒体磨损不均匀，某些部分先于其它部分损坏。

本发明的一个目的是提供一种存储媒体上数据管理的方法，延长存储媒体在最大可用容量下的使用寿命。

采用本发明的方法，来实现这一目的，确定第一块的磨损程度是否是可接受进行数据变更的，如果是，则在第一块上执行数据变更，否则

●从块簇中选择一个具有比第一块磨损程度低的一个第二块，和

●复制该第二块的数据到第一块。

本发明是基于这样的考虑：当一个块中的数据在过去很少变化时，它们在将来也不会变化很多。一个存储媒体通常包括一个程序代码和程序代码所用的数据的混合体。程序代码很少改变，而数据会经常改写。这样，包含程序代码的块的磨损程度要低于包括数据的块。从本发明的这一认识出发，通过复制一个具有较低磨损程度的第二块的数据到第一块，可以限制第一块在将来的变更次数。这样就延长了第一块的使用寿命。而且，如果有磨损程度低于第一块的其它块，将不选择第一块来承担数据变更。这样，在其它块达到同样的磨损程度之前，第一块将不会有磨损。这就均匀地分布了整个存储媒体的磨损，延长了存储媒体的使用寿命。

在一个特定的实施方案中，块簇中的块具有一个关联计数器，来记录所关注的块的变更次数，当第一块的计数器的值小于一个限定值时，增加计数器的值，并执行变更操作，否则，一个计数器的值低于第一块计数器的值的块被选择作为第二块。计数器用来计数相应块上的变更次数。每一次变更，计数器的值就会增加。当计数器超过限定值时，表明相应的块已经经历了多次的变更。该块经受了过多的磨损，损坏的可能性很大，因此将计数器的值低于第一块计数器值的块中的数据复制到第一块中。使用计数器是一个非常简单而有效的掌握磨损程度的方法。

在该方法的一个特定的实施方案中，较低的值是上述块簇中的最低的计数器值。该实施方案的优势是所有的块最终都曾被选择为第二块，这样，实际上是所有的块都是被等同使用的。如果该较低值不是最低值，那么就有可能存在一个没有被选择或很少选择的块，这样该块很少被使用，比其它块经历较少的磨损。采用该实施方案，达到了所有的块都等同使用，最大限度延长存储媒体的使用寿命。

在本方法的一个特定的实施方案中，当大多数块的计数器超过限定值时，增加该限定值。这一实施方案的优势是限定值最初可以设置为一个较低的值，这样，存储媒体的磨损是均匀分布的，不同块的关联计数器的值不会有很大的差别。利用一个较大的限定值，计数器值的差别会变得很大，这样会使得有些块很快接近寿命，而其它的块却只经历很少几次变更，还可以持续使用很长的时间。

在本方法的一个特定的实施方案中，在将数据从第二块复制到第一块之后，擦除第二块。这一实施方案的优势是该第二块现在可以立即用于存储新的数据。

在本方法的一个特定的实施方案中，变更包括擦除第一块。这一实施方案的优势在于擦除次数可以相当精确地衡量磨损程度，因为在擦除时，一个块的磨损是特别严重的。

本发明的另一个目的是提供一个存储媒体上数据管理的系统，由此可以延长存储媒体在最大可用容量下的使用寿命。

依照本发明，通过一个系统来实现这一目的，该系统的特征是具有控制装置，确定第一块的磨损程度是否是可接收的，如果是，则在第一块上执行数据变更，否则

●从块簇中选择一个具有比第一块磨损程度低的一个第二块，和

●复制该第二块的数据到第一块。

在该系统的一个特定的实施方案中，不同的块具有一个关联计数器，来记录所关注的块的变更次数，配置该控制装置，使得当第一块的计数器的值小于一个限定值时，增加计数器的值，并执行变更操作，否则，一个计数器值低于第一块计数器的值的块被选择作为第二块。

在该系统的一个特定的实施方案中，系统配置为，最初建立一个表，表示计数器的值。例如，可以通过启动该系统使之生效。该实施方案的优势在于该表可以随后存储到一个快速的永久存储器中，这样相对于从相关块中读取计数器而言，可以加速查考该表格。

在本系统的一个特定的实施方案中，配置控制装置，在将数据从第二块复制到第一块之后，擦除第二块。这一实施方案的优势在于如果在复制过程中系统的功能中断，例如，在断电时，数据仍然留在第二块中。

本发明进一步涉及一个计算机程序，依照本发明，允许一个可编程设备充当一个依照本发明的系统。

参考附图，对本发明的这些和其它的方面进行详细的解释，附图中：

图1概要表示一个存储媒体；和

图2概要表示一个依照本发明的数据管理系统。

在全部的图中，相同的标号表示相似的或相应的部件。图中表示的有些部件通常是用软件实现的，因而表示的是软件实体，如软件块或对象。

图1显示了用于本发明的系统的存储媒体10。该存储媒体10包括不同的块。一个块11又包括多个页。一个页12可能包括一个第一部分13和一个第二部分14，第一部分13被用于存储数据，第二部分14被用于存储相关的信息，诸如存储在第一部分13的数据的误差校正码。这种存储媒体10的一个例子是Samsung KM29U128T NAND闪存储器。该存储媒体被细分为1024个块，每个块有16K字节。一个页再被细分为512个字节的第一部分和16个字节的第二部分。

利用诸如NAND闪存储器的存储媒体，不能直接访问单独的字节。对每个页12的数据进行读和写是有效的。通过一次性擦除一个具有页的完整块11来完成擦除操作。在某种限度内(通常5-10次)可以重写一页，而不用擦除包含该页的块。

在一页上的数据不再有效时擦除整个块是不理想的。解决该问题的一种已知的方法是定义一个页的各种可能的状态。一个页12的状态可以被存储在第二部分14中，例如，以一个或多个位的方式。

然后，可以通过将该状况更改为“已擦除”来擦除一个页12。当一个块被擦除时，该块的所有页的状态也被更改为“空闲的”。一个被写入的页被更改为“已写入”状态。这样，不能再使用一个具有“已擦除”状态的页，直到其所在的块被擦除为止。

使用这种技术，擦除一页不会在存储媒体上腾出空间。存储媒体使用得越多，可用的空间越少。回收这一自由空间的唯一方法是擦除一个块。例如，定期地，或者当自由空间的数量低于某一限定值时，擦除块来回收自由空间是有效的。

最好是擦除没有“已写入”状态的页的块，因为这样在擦除时没有数据丢失。但是，如果没有这样的块，或者所需的自由空间多于仅通过擦除这些块可回收的空间，那么就不得不擦除包括“已写入”状态的页的块。这意味着要找到第一个另外的块，将所有具有“已写入”状态的页复制到该块中，以保存这些页中的数据。

在复制操作之后，可能需要改写管理的数据。例如，如果文件存储在存储媒体10上，可能存在一个属于存储媒体10的文件定位表，其中说明了一个文件和一个或多个包含该文件内容的页之间的对应关系。而后该表被改写，表明属于该文件的正确的页。另外，可能存在一个接口，通过该接口，存储数据的逻辑地址被转化为相应的存储这些数据的页。在这种情况下，接口所用的信息被改写。对于其它的系统，可采用类似的方法。

由于这种方法中回收自由空间是耗时的，建议限制擦除块的数量，例如，限制为存储新数据所需的，或不超过某一上限值的块数量。

存储媒体的每个块仅可以承受有限次数的擦除操作。当一个块被擦除的次数过多时，磨损的程度就会很大，以至于损坏，不能再用于存储新的数据。对于典型的NAND闪存储器，可以在不使用误差校正码时操作100,000次，在使用误差校正码时，可以操作1,000,000次。

图2显示了一个在存储媒体10上管理数据的系统。例如，存储媒体10为NAND闪存储器。它具有图1所描述的特征组件，因此包括不同的块21，块簇21中的每个块22包括多个可以存储数据的页25。

该系统进一步包括一个控制单元26。该单元可以在页上读和写数据，并能够擦除块。控制单元26还记录什么样的数据被存储到哪里，并执行存储媒体10管理所需的其它管理任务。尽管此处控制单元26被认为是系统的一个独立的部分，但还有可能在一个装置驱动器的软件中实现控制单元26的功能，来控制存储媒体10，或者将其作为存储媒体所处的计算机系统的操作系统的一部分。

控制单元26的一个任务是擦除块来回收自由空间。当要写入数据而且没有足够的自由空间时，可能需要控制系统26来进行此项操作。控制系统26还可以定期擦除块，或者，例如了解计数器中的自由空间的数量，当该数量低于一个规定的限度时擦除块。

由于块的变更带来磨损，了解一个块所经历的变更次数是很有用的。因此，在一个优选实施方案中，上述的块簇21中的块具有一个关联计数器，来记录所执行的块变更的次数。在一个优选的实施方案中，这一计数器计数块擦除操作的次数。该计数器可以存储在块11的一个存储空间中，例如，在块11的一个或多个页14的第二部分14中。除了采用一个计数器，块还可以具有其它的关联标识，来表明已达到不能接收的磨损程度。控制单元26还可以采用直观推断，如单个块的平均擦除次数，作为衡量磨损程度的尺度。

例如，也可在一个表格中包含计数器，这样，它可以快速读取计数器的值。同样，可以配置系统，例如，当系统启动时，通过读取存储器10的所有块的计数器的值并将其存储到表中，来初始建立一个表。而后，该表可以被存储到一个快速易失存储器中，这样相对于从存储器10中直接读取相关块的计数器而言，可以加速查考该表。

现在，控制单元26确定了所选择块22被擦除的频度。如果所选块22将再次被擦除，例如，因为要在存储媒体10上腾出空间，或者因为要擦除所选块22上的数据，在该优选实施方案中，控制单元26检查相关计数器的值。当计数器的值小于一个限定的值时，控制单元26擦除块22并增加计数器。

当要擦除第一块22在存储媒体10上腾出空间时，在擦除之前，控制单元26必须将该块22中的“已写入”状态页复制到另一块24中，如参考图1所解释的那样。

可能会发现第一块22将要达到不能接收的磨损程度。在该优选实施方案中，恰巧相关的计数器的值将大于限定的值。为了避免块22被擦除更多次，使得块22的磨损程度大到损坏的程度，控制单元从块簇21中选择一个第二块23，最好是通过检查所有块的关联计数器并选择一个计数器值低于第一块22的计数器值的块来完成。

建议该较低值为块簇21中的块的计数器的最低值。在这种情况下，所有的块最终都曾被选择为第二块23，这样，实际上是所有的块都是被等同使用的。如果该较低值不是最低值，那么就有可能存在一个没有被选择或很少选择的块，这样该块很少被使用，比其它块经历较少的磨损。

现在，在擦除之前，控制单元26将块22中的“已写入”状态页复制到另一块24中。此后，控制单元26可以擦除第一块22，将数据从第二块23复制到第一块22中。这样，可以跳过第二块23的具有“已擦除”状态的页。

将数据从第二块23复制到第一块22中之后，控制单元26可以擦除第二块23。第二块23上的空间可直接用来存储新的数据。

存储媒体10的所有块计数器的绝大多数超过或达到限定值时，可以提高该限定值。控制单元26可以很容易验证情况是否如此，因为要选择第二块23，控制单元要检查所有块的关联计数器，然后可以直接验证在限定值之下是否还有足够的空间。为了避免太多次数地增加该限定值，最好是在所有的计数器达到或超过该限定值之前不增加该值。增加该限定值意味着此时那些计数器值已经超过该限定值的块，又一次符合了被擦除的条件。理想情况下，这种情况仅应在所有的块都达到该限定值时才会发生，因为此时所有的块是被擦除同样多的次数，整个存储媒体10是均匀磨损的。

选择该限定值，使得第一块22的计数器值不会频繁超过限定值。上面描述的操作占用额外的时间，既在第一块22中，也在第二块23中产生一些磨损。

为了最大限定地延长存储媒体10的寿命，要求所有块的磨损程度相同。理论上，可以将限定值设为1来到达这一要求，这样一个块在第一次擦除后，直到所有的其它块也被擦除一次后，方可再次擦除。此后，该限定值加1。但是，实际上这是不可行的。

实际中，一个合适的初始限定值为存储媒体使用寿命的1％。当绝大多数的计数器达到该值时，可以将该限定值再增加使用寿命的1％。

Claims (13)

1.一种存储媒体(10)上的数据管理方法，存储媒体(10)包括不同的可以存储数据的块(21)，选择块簇(21)中的第一块(22)，来执行一个变更，其特征是确定第一块(22)的磨损程度是否是可接受进行变更的，如果是，则在第一块(22)上执行数据变更，否则

●从块簇中选择一个具有比第一块(22)磨损程度低的一个第二块(23)，和

●复制该第二块(23)的数据到第一块(22)。

2.如权利要求1的方法，其特征是块簇(21)中的块具有一个关联计数器，来记录所关注的块的变更次数，当第一块(22)的计数器的值小于一个限定值时，增加计数器的值，并执行变更操作，否则，一个计数器的值低于第一块(22)计数器的值的块被选择作为第二块(23)。

3.如权利要求2的方法，其特征是该较低值是该块簇中的块计数器值的最低值。

4.如权利要求2的方法，其特征是当该块簇中绝大多数块计数器超过该限定值时，增加该限定值。

5.如权利要求1的方法，其特征是在第二块(23)的数据被复制到第一块(22)之后，擦除第二块(23)。

6.如权利要求1的方法，其特征是变更包括擦除第一块(22)。

7.一种在存储媒体(10)上的数据管理系统，存储媒体(10)包括不同的可以存储数据的块，配置该系统，选择块簇(21)中的第一块(22)，来执行一个变更，其特征是确定第一块(22)的磨损程度是否是可接受进行变更的，如果是，则在第一块(22)上执行数据变更，否则

●从块簇中选择一个具有比第一块(22)磨损程度低的一个第二块(23)，和

●复制该第二块(23)的数据到第一块(22)。

8.如权利要求7的系统，其特征是块簇(21)中的块具有一个关联计数器，来记录所关注的块的变更次数，配置控制单元(26)，当第一块(22)的计数器的值小于一个限定值时，增加计数器的值，并执行变更操作，否则，一个计数器的值低于第一块(22)计数器的值的块被选择作为第二块(23)。

9.如权利要求8的系统，其特征是该较低值是该块簇中的块的计数器值的最低值。

10.如权利要求8的系统，其特征是配置控制单元(26)，当该块簇中绝大多数块计数器超过该限定值时，增加该限定值。

11.如权利要求8的系统，其特征是配置该系统，初始建立一个表，表明块计数器的值。

12.如权利要求7的系统，其特征是配置控制单元(26)，在第二块(23)的数据被复制到第一块(22)之后，擦除第二块(23)。

13.一个计算机程序，允许一个可编程设备充当依照权利要求7的系统。

Images