CN202352352U

CN202352352U - 用于自主nand刷新的系统

Info

Publication number: CN202352352U
Application number: CN2011204187748U
Authority: CN
Inventors: A.齐默曼; J.伊莫托; L.塞奇
Original assignee: Avocent Corp
Current assignee: Victor Information Technology Systems Inc.
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2021-10-28
Also published as: CN102568609A; CN102568609B; WO2012078285A1; TW201232553A; US20120151260A1; US8656086B2

Abstract

本实用新型涉及用于自主NAND刷新的系统。提供了一种后台调度器，其利用低级通信（例如，与通用或控制器专用的固态非易失性存储器驱动器的通信）来控制非易失性存储器中的数据页面的锁定、读、重写和解锁。此类低级通信促使数据被独立于文件系统重写到非易失性存储器，努力地想避免估计的数据保持时段之前的数据损失。

Description

用于自主NAND刷新的系统

技术领域

本实用新型针对一种用于避免非易失性固态存储器中的数据丢失的系统和方法，并且在一个实施例中，针对一种在数据丢失发生之前自主地（autonomously）刷新NAND存储器的系统和方法。

背景技术

NAND存储器中的数据位被作为注入到MOSFET的浮栅单元中的电荷存储。NAND架构的设计由于制造过程中和在其使用中逐渐产生的缺陷而允许一定百分比的坏块的存在。当存储单元变坏时，块被标记为无效，所述变坏可能由于许多因素（例如，写或程序干扰、读干扰、疲劳破损或栅极电荷损失）而发生。由于存储器错误是NAND存储器的无法改变的事实，所以纠错码（ECC）被广泛地用于错误检测和纠正，但是当用一般ECC算法不可纠正的错误可能产生时，数据保持在高温应用中是主要关心的问题。制造商规定的数据保持已被引用为在25℃下10年，但是放电速率是随温度而变的，因为其是由下式所给出的阿累尼乌斯（Arrhenius）等式所支配的物理现象：

其中，A_F是加速度因数，Ea＝激活能（对于数据保持而言为0.6eV），K＝玻尔兹曼常数（8.623×10^-5eV/K），T₁＝以开（Kelvin）为单位的施加结温度，并且T₂＝以开为单位的加速应力结温度。该等式在下表中给出温度特性，

以摄氏度为单位的温度	以月为单位的保持时间
		25	120
30	82
		35	56
40	39
		45	28
50	20
		55	14
60	10
		65	8
70	6

该表清楚地示出存储在存储器中的数据的可靠性随温度上升而急剧下降。

这会引起超过嵌入式ECC算法的能力的数据损坏，导致灾难性的系统故障。用于阿累尼乌斯加速度因数的值表明如果器械被暴露于环境，使得存储器的硅管芯的温度（等式中的结温度）达到约60℃，则可能在不到一年内发生。

现有解决方案利用能够检测并纠正每页的少量位翻转的纠错码（ECC）算法。为了纠正更大数目的位翻转，要求更复杂的ECC算法并通常由软件来实现所述ECC算法。由于在每次NAND访问时需要ECC计算，所以软件ECC算法影响CPU的总体可用性，同时如果其在没有对页面进行重写的情况下在读取期间纠正错误，则其并不防止数据保持丢失。由此，由于NAND器件的物理特性和工作温度，从长远来看最终将产生数据保持丢失。

实用新型内容

根据本实用新型的一个实施例，公开了一种具有存储在计算机文件系统中的文件的计算机系统，该计算机系统包括；

中央处理单元；

非易失性存储器，其被耦合到中央处理单元；以及

存储器，其包括嵌入在其中的计算机程序代码，其中，该计算机程序代码控制中央处理单元来确定是否应发生与文件系统无关的重写过程，并且如果应发生与文件系统无关的重写过程，则控制中央处理单元来读取非易失性存储器的至少一个页面并将非易失性存储器的所述至少一个页面重写到非易失性存储器中，使得所述至少一个页面的每个重写页面对于文件系统而言看起来在被重写之后处于与被重写之前相同的位置。

附图说明

参考附图的非限制性示例，可以更好地理解相对于附图给出的以下说明，在附图中：

图1是示出应用与非易失性固态存储器之间的交互的方框图；

图2是重写整个非易失性存储器的内容以减少数据丢失的后台调度器的概念图；

图3是擦除并重写整个非易失性存储器的内容以减少数据丢失的后台调度器的概念图；

图4是重写非易失性存储器中的非空块的内容以减少数据丢失的后台调度器的概念图；以及

图5是重写非易失性存储器中的未使用块的内容以减少数据丢失的后台调度器的概念图。

具体实施方式

转到图1，方框图示出通过文件系统接口以及使用低级I/O控制调用（例如，在Unix型操作系统上称为“ioctls”）来与非易失性固态存储器（例如，NAND闪速存储器）相交互的应用。一般应用通常利用文件系统接口来操纵文件（例如，通过利用文件系统例程来创建、打开、读、写和删除文件）。此类应用与文件系统的交互通常隐藏介质（例如，非易失性固态介质、易失性固态介质、磁性、不可移动介质和可移动介质（光学和磁性两者））的细节。然而，根据本实用新型的一方面，提供了一种后台调度器，除了利用文件系统接口之外或替代文件系统接口，其还能利用低级通信（例如，与通用或控制器专用的NAND驱动器的通信）。此类低级通信能够如下文更详细描述的那样执行页面重写操作。后台调度器被实现为嵌入计算机存储器中的一系列计算机程序代码，其控制微处理器、嵌入式处理器或另一可编程中央处理单元以执行嵌入式计算机程序代码的指令。可以在执行期间将用于后台调度器的程序代码存储在系统的非易失性存储器和/或中央DRAM中。

可以将非易失性存储器（例如，NAND存储器）划分成两部分：主区域和备用区域。主区域用来存储数据，而备用区域（也称为带外（oob））通常存储纠错码（ECC）信息、坏块的指示和用于某些文件系统的日志。当对非易失性存储器再充电时，必须将这两个区域重写，保持其原始内容且优选地保持其原始位置。本文所使用的块是被一起擦除的一组页面。例如，在一个实施例中，将2k字节页面分组成32个页面的多组以形成64k字节块，并且将64k字节块作为整体擦除，即使能够单独地读取和/或重写2k页面。因此，对于其中不需要擦除操作的下文所讨论的实施例而言，能够读取并重写单个页面。然而，在其中需要擦除操作的实施例中，对整个块进行读取、擦除和重写。因此，虽然按照对块的操作来描述以下操作，但本领域的技术人员将理解的是在不需要擦除操作时可以替代地对页面执行操作。

为了获得最大的可靠性，在写之前将要写入的NAND存储器的块擦除。（对于有限数目的写而言，可以简单地将NAND存储器重写以在不首先执行擦除操作的情况下向MOSFET的浮栅单元中重新注入电荷。）因此，通常，对器件再充电的过程是：首先读取块并随后将内容写回到相同的位置，其中，擦除操作可以在写回过程之前。在读操作期间的错误的情况下或者如果块被标记为坏的，则不能将其擦除，因为其内容将不会被恢复。每个操作的故障时的重试增加使页面被适当地再充电的机会。

对块再充电的过程必须是原子操作，即从读到重写的步骤不可中断。（这帮助避免在另一过程能够在后台调度器已读取块的内容之后但在后台调度器已对块进行重写之前对块进行重写的情况下可能发生的过程可能数据损坏。）为此，在操作期间必须将NAND的块锁定以便防止在正在对块中的页面再充电的同时对其进行的任何外部访问。因此，后台调度器执行I/O控制调用以在开始读操作之前将块锁定并执行I/O控制调用以在证实重写操作已成功地完成之后将页面解锁。（在其中可能仅存在一个写入者的存储器区域的情况下（例如，在如下文更详细地描述的备用区域中的预留块的库中），可以省略锁定。）。

独立于文件系统运行对块的再充电/重写，并且下面更详细地描述独立于文件系统的重写过程。通过直接与非易失性存储器或其控制器相交互，该过程可以单独地对块和页面进行寻址，跳过从文件系统映射的任何可能的地址并保证所有页面被再充电。为了使系统竞争最小化，还可以在重写页面或块之间添加延迟以便允许两次连续页面再充电或块擦除/重写之间的对NAND的其它访问。这样，系统不停下来等待NAND重写/再充电过程的完成。

最后，数据的可靠性问题随着存储器制造商设法通过转到更小的平版印刷术和更小的单元尺寸以在相同尺寸的管芯中装配更多的位来保持具有竞争力而变得更为关键。每个单元存储多个位已是事实，其要求更精心制作的软件来改善可靠性，比如多位纠错ECC。

如图2所示，后台调度器的一个实施例通过以重现的间隔（例如，通过利用来自时钟/计时器的时间信息）用完全相同的内容对整个非易失性存储器（例如，NAND存储器）进行重写，但是不要求读和重写之间的擦除操作，来解决由电荷损失引起的数据损坏的潜在可能。在重写操作已发生之后，后台调度器可以执行重写页面/块的读以保证其已被适当地重写。如果没有，则可以利用许多重试操作，可选地在试图重试重写之前进行擦除。

在一个实施例中，基于将非易失性存储器进行操作时的温度考虑在内的设计参数来固定频率。优选地将频率选择为使得对非易失性存储器的写不是如此频繁，以至于其显著地减少可能由除后台调度器之外的应用进行的对非易失性存储器的重写的次数。优选地将频率选择为使得对非易失性存储器的写不是如此频繁，以至于其显著地干扰来自除后台调度器之外的应用的对非易失性存储器的读和/或写。优选地将频率选择为使得对非易失性存储器的写频繁到足以使得其在可能发生不可逆数据丢失之前避免数据丢失。在其中在已知工作温度范围内使用非易失性存储器的一个实施例中，将频率设置为不超过估计的数据保持时间的75%。例如，对于在30～35℃左右工作的非易失性存储器而言，估计数据保持时间在82～56个月变化。因此，平均值是69个月，并且69个月的75%是约52个月。然而，在更保守的实施例中，在以上示例中该频率被设定为不超过估计的数据保持时间的50%或约34个月。在甚至更保守的实施例中，在以上示例中该频率被设定为不超过估计的数据保持时间的25%或约17个月。

替换地，在一些实施例中，例如，其中，非易失性存储器的工作温度可以广泛地变化，或者设计师期望极端保守，可以将该时间设置为一个时段（例如，每个月一次或每个星期一次），在该时段内，数据丢失极其不可能，但是其基本上不损害通过其它应用的数据写入或引起干扰，如上所述。

在同样在图2中示出的另一实施例中，可以为后台调度器提供到温度传感器的接口，其使得后台调度器能够跟踪容纳非易失性存储器的系统的工作范围。在此类实施例中，可以基于变化的温度来动态地调整由后台调度器提供的更新的频率以说明估计的数据保持时间的变化。

在另一实施例中，可以通过将新的更新频率告知后台调度器来动态地更新频率。例如，后台调度器可以读取配置文件（例如，在启动时或周期性地）以确定要使用的频率。

如图3所示，后台调度器可以基于数据块来利用重写/更新过程，其中，每个块包含至少一个数据页面。在图3的原子重写/更新过程中，将要更新的块被锁定、读取、擦除、重写并解锁，必要时利用重试。可以与图2的实施例交替地或单独地使用此类实施例。例如，如果能够在不执行擦除操作的情况下将页面重写约四次，则后台调度器可以每当其利用图2的实施例时利用图3的实施例几次（例如，2次）。

如图4所示，可以增强后台调度器以利用存储在非易失性存储器中的信息来确定是否需要执行特定页面的重写。例如，如果后台调度器确定页面是空的（例如，包含全1），则不需要重写页面，因为没有电荷被注入到随着时间的推移可能丢失的页面的浮栅单元中。

如图5所示，可以增强后台调度器以利用存储在非易失性存储器中的文件系统特定信息来确定是否需要执行特定页面的重写。例如，如果后台调度器确定页面未被文件系统使用（即使它在其中具有旧数据），则不需要将页面重写，因为该页面中的数据丢失将不会对在系统中使用的任何文件造成错误。

在另一实施例中，如果后台调度器不能在页面已被擦除之后将其重写，则后台调度器将促使相应的页面被标记为坏页面（或块），使得稍后从该页面（或块）的读取将失败（与读取不正确的数据相反）。

在此类实施例的另一修改中，如图5所示，后台调度器可以能够将数据重写到预留块的库中的许多预留块的预留块中（例如在备用区域中）并随后告知驱动器中的至少一个要求动态块重新映射，使得替代地由预留区域来处理对于原始块位置的文件系统读取访问。如果且当文件系统对正在由预留块处理的块进行重写时，驱动器可以返回用于尝试对该块进行写入的错误代码，使得文件系统将把该块标记为坏块，并且文件系统然后将把块内容写入另一位置。可以将预留块添加回预留块的库以便在将来另一块的重写失败的情况下供另一块使用。

在后台调度器的另一实施例中，调度器可以在单独调度的部分中执行重写过程。例如，非易失性存储器可以被认为是被分成多组的块（例如，四组块），使得在特定时间只有特定组中的块被重写。在此类实施例中，可以在第一时间（例如，在当月的第一星期期间）将属于第一组的块重写，而属于第二、第三和第四组的块将分别在第二、第三和第四时间（例如，分别在当月的第二、第三和第四星期期间）被重写。在此类实施例中，图2～5的每个优化能够同样地应用于组内的各个块。

在另一实施例中，可以将备用区域进一步配置为包括用于非易失性存储器中的每个块的时间戳，使得能够确定到页面的最后的块的时间。如果自从最后一次写入以来的时间小于用于重写的时段的已知分数部分（例如，一个月重写时段的50%），则可以将后台调度器配置为跳过重写此类块。

可以将以上系统结合到独立计算机系统以及嵌入式系统两者中。例如，诸如键盘、视频鼠标（KVM）开关的远程访问设备能够充当利用本文所述的数据丢失预防方法的嵌入式系统。

虽然已经出于介绍本实用新型的基本结构的目的举例说明了结构的特定配置，但本领域的普通技术人员将认识到其它变型是可能的，其仍在所附权利要求的范围内。例如，虽然已按照特定种类的非易失性存储器给出了以上讨论，但还可以使用经受数据损失的其它非易失性存储器。例如，其它基于半导体的存储器（例如，铁电存储器）、基于磁性的存储器（例如，软盘、磁带和硬盘）和光学存储器（例如，可重写CD和DVD）也可以使用本文所述的过程。

Claims

1.一种具有存储在计算机文件系统中的文件的计算机系统，该计算机系统包括；

中央处理单元；

非易失性存储器，其被耦合到中央处理单元；以及

2.如权利要求1所述的计算机系统，其中，确定是否应发生与文件系统无关的重写过程包括确定自从发生最后的重写过程以来是否已逝去至少固定的时间段。

3.如权利要求1所述的计算机系统，其中，确定是否应发生与文件系统无关的重写过程包括确定自从发生最后的重写过程以来是否已逝去至少在文件系统的配置文件中指定的时间段。

4.如权利要求1所述的计算机系统，其中，确定是否应发生与文件系统无关的重写过程包括确定嵌入式系统的温度并基于该温度来确定自从发生最后的重写过程以来是否已逝去至少温度特定的时间段。

5.如权利要求2所述的计算机系统，其中，所述固定的时间段约为一个月。

6.如权利要求1所述的计算机系统，其中，所述至少一个页面包括第一组页面中的所有页面，但不包括第二组页面中的所有页面。

7.如权利要求1所述的计算机系统，其中，所述至少一个页面包括第一组页面中的所有非空页面，但不包括第一组页面中的所有空页面及第二组页面中的所有空和非空页面。

8.如权利要求1所述的计算机系统，其中，所述至少一个页面包括在文件系统中使用的第一组页面中的所有页面，但不包括（1）未在文件系统中使用的第一组页面中的所有页面和（2）第二组页面中的所有页面。

9.如权利要求1所述的计算机系统，其中，所述至少一个页面包括在至少一个块中的所有页面，所述与文件系统无关的重写过程还包括在读取和重写非易失性存储器的至少一个块之间擦除非易失性存储器的该至少一个块。

10.如权利要求1所述的计算机系统，还包括：

在读取非易失性存储器的至少一个页面之前锁定非易失性存储器的所述至少一个页面；以及

在确认所述非易失性存储器的所述至少一个页面的重写是成功的之后将非易失性存储器的所述至少一个页面解锁。

11.如权利要求1所述的计算机系统，还包括针对非易失性存储器的所述至少一个页面中的每个页面：

确定每个页面的重写是否失败并重试每个页面的重写直至发生成功的重写或阈值次数的重试中的至少一个为止。

12.如权利要求11所述的计算机系统，其中，所述至少一个页面包括在至少一个块中的所有页面，如果在针对每个块已发生阈值次数的重试之后每个块未被成功地重写，则所述与文件系统无关的重写过程还包括将每个块标记为坏块。

13.如权利要求11所述的计算机系统，还包括：

如果在针对每个页面已发生阈值次数的重试之后每个页面未被成功地重写，则将每个页面写入预留页面的库的相应预留页面；以及

如果在针对每个页面已发生阈值次数的重试之后每个页面未被成功地重写，则动态地将对于每个页面的读请求重新映射到每个页面已被写入到的相应预留页面。

14.如权利要求13所述的计算机系统，还包括：

在文件系统尝试向动态地重新映射的页面进行写入时返回错误代码，对于其，正在将数据存储在预留页面的库中；

将动态地重新映射的页面标记为坏页面；以及

从预留页面的库释放对应于动态地重新映射的页面的预留页面。

15.如权利要求1所述的计算机系统，其中，所述至少一个页面包括至少第一和第二页面且在重写第一页面与重写第二页面之间使用被编程的延迟以允许文件系统在重写第一页面与重写第二页面之间访问非易失性存储器。

16.如权利要求1所述的计算机系统，其中，包含用于控制与文件系统无关的重写过程的计算机程序代码的存储器是非易失性存储器。

17.如权利要求1所述的计算机系统，其中，包含用于控制与文件系统无关的重写过程的计算机程序代码的存储器是至少一个动态随机存取存储器（DRAM）模块。

18.如权利要求1所述的计算机系统，其中，所述非易失性存储器包括固态存储器。

19.如权利要求18所述的计算机系统，还包括：

在读取非易失性存储器的所述至少一个页面之前锁定非易失性存储器的至少一个页面；以及

20.如权利要求19所述的计算机系统，还包括在读取和重写非易失性存储器的至少一个页面之间擦除非易失性存储器的所述至少一个页面。

21.如权利要求1所述的计算机系统，其中，所述中央处理单元包括微处理器。

22.如权利要求1所述的计算机系统，其中，所述中央处理单元包括嵌入式处理器。

23.如权利要求18所述的计算机系统，其中，所述非易失性存储器包括NAND闪速存储器。

24.如权利要求1所述的计算机系统，其中，所述非易失性存储器包括基于磁性的存储器。

25.如权利要求24所述的计算机系统，其中，所述基于磁性的存储器包括硬盘驱动器的盘片。

26.如权利要求1所述的计算机系统，其中，所述非易失性存储器包括基于光学的存储器。

27.如权利要求26所述的计算机系统，其中，所述基于光学的存储器包括可重写CD和可重写DVD中的至少一个。

28.权利要求1所述的计算机系统，其中，所述计算机系统包括嵌入式系统。

29.如权利要求28所述的计算机系统，其中，所述计算机系统包括远程访问设备。

30.如权利要求29所述的计算机系统，其中，所述远程访问设备包括键盘、视频和鼠标（KVM）开关。