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Ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung betrifft allgemein Massenspeicherungsvorrichtungen
und -verfahren, und insbesondere betrifft es eine Löschstrategie
für Löschblöcke in einer
Flash-Speichervorrichtung.
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Massenspeicherungs-Speichervorrichtungen
wie zum Beispiel Flash-Speicherkarten,
USB-(„universeller
serieller Bus”)-Sticks
oder Festkörperplatten
(Solid State Disks) verwenden Flash-Halbleiterstrukturen, um Daten
in einer nichtflüchtigen
Speichervorrichtung zu speichern. Eine nichtflüchtige Speichervorrichtung bezieht
sich auf eine Speichervorrichtung, für die eine Stromquelle „ab”-geschaltet
werden kann, ohne dass die Inhalte des Speichers verloren gehen.
Nichtflüchtige
Speichervorrichtungen umfassen Flash-Speichervorrichtungen, die
eine elektrische Ladung semipermanent halten können, um ein oder mehrere Bits
darzustellen, oder ein „Festplattenlaufwerk” bzw. eine „Festplatte” (die auch
als Hard Disk oder Hard Drive bezeichnet werden), das bzw. die eine
magnetische Ladung semipermanent halten kann, um ein oder mehrere
Bits zu speichern. Halbleitervorrichtungen wie etwa SRAMs (Static
Random Access Memories; statische RAM-Speicher) und DRAMs (Dynamic
Random Access Memories; dynamische RAM-Speicher) werden als flüchtige Speichervorrichtungen
bezeichnet, weil sie die Inhalte ihrer Speicher verlieren, wenn
eine Vorspannungsquelle abgeschaltet wird.
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Die
heutigen, auf Magnetkraft basierenden Massenspeicherungsvorrichtungen,
wie zum Beispiel Disketten (Floppy Disks) oder Festplatten (Hard
Disks), sind in sogenannte Sektoren organisiert (wobei ein Sektor ein
Teil einer „Spur” auf der
Diskette bzw. Platte ist), wobei jeder Sektor (bei Magnetplatten)
typischerweise 512 Byte speichert und jeder Sektor mit einer individuellen
logischen Blockadresse (LBA) gekennzeichnet ist. Eine LBA ist ein
logisches Adressierungsverfahren, bei dem eine feste Eins-zu-Eins-Beziehung
zwischen einem Sektor von Daten und der physischen Stelle auf der
Diskette bzw. Platte, an der der jeweilige Datensektor gespeichert
ist, hergestellt wird. Das Betriebssystem eines Computers handhabt
die LBAs der Massenspeicherungsvorrichtung kollektiv und baut darauf
ein Dateisystem auf. Das Betriebssystem des Computers liest bzw. schreibt
sequentielle Mengen von LBAs mit unterschiedlichen Blockgrößen aus
der Massenspeicherungsvorrichtung aus bzw. in diese hinein. Bei
einer Festplatte können
Daten in einer Art und Weise von jeweils einem oder mehreren Sektoren
sequentiell frei geschrieben, gelesen oder ersetzt bzw. neu geschrieben
werden.
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Anders
als bei magnetischen Speichervorrichtungen gibt es bei Flash-Speichervorrichtungen
einige Beschränkungen
bezüglich
des Lesens und Schreibens von Daten. Flash-Speichervorrichtungen
sind in Speicherseiten bzw. Seiten, typischerweise mit einer Größe von 4
kB (Kilobyte) plus Spielraum für
den Datenschutz, und in Löschblöcke (die
hier auch als „Block” bezeichnet
werden) organisiert, wobei ein Löschblock zum
Beispiel eine Größe von 64
Seiten aufweist. Dementsprechend kann eine 4 kB-Seite eines Flash-Speichers acht 512-Byte-Sektoren
speichern. Eine Seite eines Flash-Speichers, die nicht programmiert
ist, d. h., eine Seite, die nicht bereits Daten enthält, kann
nur als eine ganze Seite beschrieben werden. In ähnlicher Weise können Daten
nur jeweils seitenweise gelesen werden. Ein Flash-Speicher weist
eine weitere Beschränkung
dahingehend auf, dass immer nur ein Block gleichzeitig gelöscht werden
kann. Somit muss ein ganzer Block gelesen, gelöscht, die neuen Daten mit den
vorhergehenden Daten gemischt und die gemischten Daten als ein Block
wieder neu eingeschrieben werden, damit ausgewählte Daten in einem Abschnitt
des Speichers neu geschrieben werden können, d. h., eine Kopier- und
Mischoperation muss durchgeführt
werden. Somit können
Daten nur als ein ganzer Block überschrieben
werden.
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Das
Schreiben und Neuschreiben bzw. Ersetzen wird allgemein als Programmieren
bezeichnet. In einem typischen (NAND-strukturierten) Flash-Speicher wird eine
Seite komplett insgesamt auf 1en geschrieben, um vorher gespeicherte
Daten zu löschen,
und kann dann mit den zugedachten Daten neu beschrieben werden.
Ein Block von Daten in einer Flash-Speichervorrichtung wird typischerweise
in einen anderen physischen Abschnitt der Flash-Speichervorrichtung geschrieben, um
ein Verschleißproblem
abzuschwächen,
das mit einem wiederholten Speichern von Daten an derselben Speicherstelle
verbunden ist. Eine Übersetzungs-(Mapping-)Tabelle,
die in dem nichtflüchtigen
Speicher der Flash-Speichervorrichtung gespeichert ist, wird somit
in der Datenübertragungsverbindung
mit einem Hostcomputer benötigt,
um einen Sektor von Daten logisch mit seiner physischen Speicherstelle
zu assoziieren. Eine Übersetzungstabelle
wird im Allgemeinen auch jedes Mal dann, wenn sie neu beschrieben
wird, woanders hin verschoben. Die Beschränkungen bezüglich des Lesens, Schreibens
und Neuschreibens in einer Flash-Speichervorrichtung sind auch auf
die Übersetzungstabelle
zutreffend, die darin gespeichert ist.
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Zum
Ausführen
einer Kopier- und Mischoperation müssen nicht programmierte Speicherblöcke zur Verfügung stehen.
Deshalb gibt es nach mehreren Kopier- und Mischoperationen Löschoperationen,
die notwendig sind, um eine Verfügbarkeit
von leeren Blöcken
für weitere
Löschoperationen
aufrecht zu erhalten.
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Während des
normalen Betriebs einer Flash-Speichervorrichtung, d. h., einer
Festkörperplatte
(„SSD”; Solid-State
Disk), die mit einem Host-Computer gekoppelt ist, gibt es typischerweise
kleine Beträge
an neuen Daten, die kopiert und mit alten Daten, die in einem Löschblock
gespeichert sind, gemischt werden müssen. Die gemischten Daten
werden in einer neuen Flash-Speicherstelle gespeichert. Dies führt dazu,
dass für
einen kleinen Betrag an neuen Daten, die gespeichert werden sollen,
ein beträchtlicher
Betrag an Daten kopiert und gemischt werden muss, und zwar bedingt
durch die Notwendigkeit, dass alle unveränderten Daten, die ursprünglich in
dem Löschblock
gespeichert worden sind, kopiert und gemischt werden müssen.
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Eine
herkömmliche
Art und Weise zur Handhabung von freien Speicherblöcken in
einem USB-Flash-Speicher-Stick ist die Verwendung von sogenannten
Log-Blöcken.
Ein Log-Block stellt einen temporären Speicherbereich (d. h.,
einen vorher gelöschten
Löschblock)
bereit, um fortlaufend gemischte Daten mit entsprechenden Aktualisierungen
der Mapping-Tabelle anzusammeln. Nachdem gültige Daten in einem Löschblock
in einen Log-Block gemischt sind, wird die vorherige Löschblockstelle
als ungültig
gekennzeichnet und kann gelöscht
werden, wodurch sie für
eine andere Löschblock-Mischoperationen
verfügbar
gemacht wird. Diese Prozedur wird fortgesetzt, bis alle Sektoren
des Log-Blocks gefüllt
sind. Wenn ein Log-Block voll ist, dann kann ein neuer Log-Block
gestartet werden. Ein Speicherbereinigungsprozess bezieht sich auf
das Löschen
von Löschblöcken, die
ungültige
Daten enthalten, um den Löschblock
für die
Wiederverwendung frei zu geben.
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Der
Nachteil dieser Prozedur liegt darin, dass typischerweise ein enormer
Betrag an Daten kopiert wird, bevor ein einziger (ungültiger)
Block gelöscht
werden kann. Für
einen USB-Speicher-Stick, bei dem normalerweise große Mengen
an aufeinanderfolgenden Sektoren geschrieben werden, stellt diese
Prozedur eine einigermaßen
zufriedenstellende Leistung bereit, da Sektoren aufeinanderfolgend
in dem Log-Block gespeichert werden. Aber für eine SSD mit häufigen zufälligen Schreibvorgängen von
kleinen Beträgen
an Daten führt
diese Prozedur zu einer beträchtlichen
Ineffizienz für
Löschoperationen.
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In
Folge der Beschränkungen
beim Schreiben von neuen Daten in Flash-Speichervorrichtungen unter Verwendung
von herkömmlichen
Prozeduren, wie sie oben beschrieben worden sind, bei denen ein
großer
Betrag an Daten für
jeden Schreibzugriff kopiert und gemischt werden muss, bevor ein
einziger Block gelöscht werden
kann, wird eine effizientere Lösung
für die
Verwaltung der Speicherung von neuen Daten in solchen Vorrichtungen
benötigt.
Somit besteht ein Bedarf an einem Prozess und einem damit verbundenen
Verfahren für
eine effiziente Löschoperation,
die für
die Speicherung von neuen Daten in dem nichtflüchtigen Speicher einer Flash-Speichervorrichtung
durchgeführt
werden muss, der die Ineffizienzen der herkömmlichen Prozesse vermeidet.
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Die
Erfindung löst
diese bzw. andere Aufgaben durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und
11. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In Übereinstimmung
mit einem exemplarischen Ausführungsbeispiel
werden eine Massenspeicherungsvorrichtung und ein damit verbundenes
Verfahren bereitgestellt. In einem Ausführungsbeispiel wird die Massenspeicherungsvorrichtung
mit einer nichtflüchtigen
Speichervorrichtung, wie etwa einer Flash-Speichervorrichtung, gestaltet,
wobei die nichtflüchtige
Speichervorrichtung eine Vielzahl von Löschblöcken umfasst und jeder Löschblock
mit Speicherverwaltungsblöcken
ausgebildet ist. Ein Controller ist mit der nichtflüchtigen Speichervorrichtung
gekoppelt. In einem Ausführungsbeispiel
ist der Controller so konfiguriert, dass er einen Löschblock
in der nichtflüchtigen
Speichervorrichtung identifiziert, der wenigstens eine Anzahl k
an Verwaltungsblöcken
enthält,
die als ungültig
markiert sind, um Daten aus dem Löschblock, der wenigstens die
Anzahl k an Verwaltungsblöcken
enthält,
die als ungültig
markiert sind, zu kopieren und zu mischen, um die gemischten Daten
in einem neuen Verwaltungsblock zu speichern, und um den Löschblock,
der wenigstens die Anzahl k an Verwaltungsblöcken enthält, die als ungültig markiert
sind, zu löschen.
Vorzugsweise ist die Anzahl k größer als
Null. In einem Ausführungsbeispiel
ist der Controller des Weiteren so konfiguriert, dass er weitere Löschblöcke, die
wenigstens die Anzahl k an Verwaltungsblöcken, die als ungültig markiert
sind, enthalten, löscht,
bis ein Betrag an Verwaltungsblöcken
in den Löschblöcken in
der Massenspeicherungsvorrichtung frei ist. In einem Ausführungsbeispiel
ist der Controller des Weiteren so konfiguriert, dass er alle Löschblöcke in der
Massenspeicherungsvorrichtung, die wenigstens die Anzahl k an Verwaltungsblöcken aufweisen,
die als ungültig
markiert sind, löscht.
In einem Ausführungsbeispiel
ist der Controller des Weiteren so konfiguriert, dass er eine Identifikation
des Löschblocks,
der wenigstens die Anzahl k an Verwaltungsblöcken enthält, die als ungültig markiert
sind, auf den Löschblock
oder die Löschblöcke in der
Massenspeicherungsvorrichtung begrenzt, der bzw. die die größte Anzahl
an Verwaltungsblöcken,
die als ungültig
markiert sind, aufweist/aufweisen. Der Controller kann eine Verwaltungstabelle
umfassen, die die Anzahl an ungültigen
Verwaltungsblöcken
in Löschblöcken in
der Massenspeicherungsvorrichtung auflistet. Die Verwaltungstabelle
kann in einer flüchtigen
Speichervorrichtung gespeichert werden, die mit dem Controller gekoppelt
ist. Vorzugsweise befindet sich der neue Verwaltungsblock zum Speicher
der gemischten Daten in einem Löschblock,
der verschieden von dem identifizierten Löschblock ist, also ein anderer
als der identifizierte Löschblock
ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Einzelheiten von einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung sind in den beigefügten
Zeichnungen und der unten gegebenen Beschreibung dargelegt. Weitere
Merkmale, Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
aus der Beschreibung und den Zeichnungen sowie aus den Patentansprüchen deutlich.
In den Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen im Allgemeinen
die gleichen Bauteile quer durch die verschiedenen Ansichten, die
im Interesse der Kürze
im Allgemeinen nicht noch einmal beschrieben werden. Für ein vollständigeres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung wird nun Bezug auf die nachfolgenden
Beschreibungen genommen, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
vorgenommen werden, in denen:
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1 ein
Blockdiagramm eines Löschblocks
einer Massenspeicherungsvorrichtung, der in Verwaltungsblöcke organisiert
ist, aufgebaut in Übereinstimmung
mit einem exemplarischen Ausführungsbeispiel
veranschaulicht; und
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2 ein
Blockdiagramm einer Massenspeicherungsvorrichtung, die flüchtige und
nichtflüchtige
Speicher umfasst, die mit einem Controller gekoppelt sind, aufgebaut
in Übereinstimmung
mit einem exemplarischen Ausführungsbeispiel
veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON VERANSCHAULICHENDEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Die
Ausführung
und die Verwendung der vorliegend bevorzugten Ausführungsbeispiele
werden unten im Einzelnen erörtert.
Es sollte aber klar sein, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare
erfinderische Konzepte bereitstellt, die in einer breiten Vielfalt
von spezifischen Kontexten verwirklicht werden können. Die erörterten
spezifischen Ausführungsbeispiele
dienen lediglich zur Veranschaulichung spezifischer Möglichkeiten,
wie die Erfindung umgesetzt und verwendet werden kann, und beschränken nicht
den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung.
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Die
vorliegende Erfindung wird im Hinblick auf exemplarische Ausführungsbeispiele
in einem spezifischen Kontext beschrieben werden, nämlich einer
Massenspeicherungsvorrichtung, in der Daten in Blöcken gelöscht werden,
um die Speicherung neuer Daten zu ermöglichen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung kann auf eine Massenspeicherungsvorrichtung angewendet werden,
zum Beispiel auf ein Festkörperlaufwerk
(Solid State Drive), das mit einer Flash-Speichervorrichtung ausgebildet
ist. Andere Massenspeicherungsvorrichtungen können gestaltet werden, die
eine Speichervorrichtung umfassen, bei der Daten in Blöcken gelöscht werden,
um die Speicherung neuer Daten zu ermöglichen, wie dies hier in unterschiedlichen
Kontexten unter Verwendung erfinderischer Konzepte, die hier beschrieben werden,
eingeführt
wird, wie zum Beispiel ein Festkörper-Speicher-Stick
(Solid State Memory Stick) für
eine Digitalkamera.
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Unter
Verwendung von Prozessen und Verfahren, wie sie hier eingeführt werden,
wird der Betrag an Daten in einer Festkörperplatte, der aus einem Löschblock
heraus kopiert und gemischt werden muss, um einen vollständig ungültigen Löschblock
für eine
Löschoperation
zu erzeugen, reduziert. Die Beziehung zwischen dem Betrag an Verwaltungsblöcken, die
kopiert und gemischt werden müssen,
und Verwaltungsblöcken,
die mit einer Löschoperation
frei gesetzt werden, wird in hohem Maße verbessert. Der Begriff „Verwaltungsblock”, wie er
hier verwendet wird, bezieht sich auf eine Gruppe von Speicherseiten,
die dies hier weiter unten noch beschrieben werden wird. Ein Löschblock
wird als eine Sequenz von Verwaltungsblöcken gebildet.
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Wie
dies hier eingeführt
wird, wird ein ausgewogener Betrag an benutzten, freien und ungültigen Blöcken aufrecht
erhalten, und ein Lösungsweg,
der von einer Anzahl an ungültigen
Verwaltungsblöcken
in einem Löschblock
abhängt,
wird dafür
verwendet zu entscheiden, welche Löschblöcke für eine Löschoperation ausgewählt werden
sollen. In einem Ausführungsbeispiel
wird eine Löschoperation
bei Löschblöcken durchgeführt, die
die meisten ungültigen
Verwaltungsblöcke
in einer Speichervorrichtung enthalten, bis ein festgelegter Betrag
an Verwaltungsblöcken
in den Löschblöcken frei
ist. In einem weiteren Ausführungsbeispiel
wird eine Löschoperation
bei Löschblöcken in
einer Speichervorrichtung durchgeführt, bis alle Löschblöcke, die
eine Anzahl k oder eine größere Anzahl
an ungültigen
Verwaltungsblöcken
aufweisen, kopiert und gemischt und dann gelöscht worden sind. In einem
anderen Ausführungsbeispiel
wird eine Kombination aus diesen Löschoperationen durchgeführt. Somit
werden diejenigen Löschblöcke mit
dem meisten ungültigen
Verwaltungsblöcken kopiert
und gelöscht.
Vorzugsweise wird die Löschoperation
im Hintergrund durchgeführt,
wenn nicht gerade aktiv Daten in der Speichervorrichtung gespeichert
werden oder nicht gerade aktiv Daten aus der Speichervorrichtung
ausgelesen werden.
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Nun
wird Bezug auf 1 genommen, in der eine repräsentative
Zeichnung eines Abschnitts eines Speichers einer Flash-Speichervorrichtung
veranschaulicht ist, die einen repräsentativen Löschblock 101 aus den
vielen, die in der Figur veranschaulicht sind, und mehrere repräsentative
Verwaltungsblöcke 102 in
einem Löschblock 101 identifiziert.
Die Verwaltungsblöcke
werden als benutzt, ungültig
oder frei bezeichnet. Verwaltungsblöcke, die (nur) gültige Daten
enthalten, werden als „benutzt” markiert,
und Verwaltungsblöcke,
die alte, nun ungültige
Daten enthalten, die vorher kopiert und in benutzte Verwaltungsblöcke gemischt
worden sind, aber noch nicht gelöscht
worden sind, werden als „ungültig” bezeichnet.
Verwaltungsblöcke,
die gelöscht
worden sind und nun für
die Speicherung neuer Daten zur Verfügung stehen, sind in der Figur
als „frei” gekennzeichnet.
Die meisten der Verwaltungsblöcke
in der Figur enthalten gültige
Daten, was in vielen Anwendungen häufig vorkommt, und relativ
wenige Verwaltungsblöcke
sind als ungültig
oder frei gezeigt.
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Anstatt
herkömmlicherweise
eine Kopier-, Misch- und Löschoperation
sofort dann durchzuführen, wenn
ein oder mehrere Verwaltungsblöcke
eines Löschblocks
als ungültig
markiert worden sind, identifiziert in einem Ausführungsbeispiel
ein Controller zunächst
Löschblöcke, die
eine große
Anzahl an Verwaltungsblöcken
enthalten, die als ungültig
markiert sind. Der Vorteil liegt darin, dass nur die wenigen restlichen
gültigen Verwaltungsblöcke in einem
solchen Löschblock,
die eine beträchtliche
Anzahl an ungültigen
Verwaltungsblöcken
enthalten, kopiert und gemischt werden müssen, um den gesamten Löschblock
ungültig
zu machen und deshalb für
eine Löschoperation
vorzubereiten. Dieser Lösungsweg
ist insbesondere dann hilfreich, wenn es wahrscheinlich ist, dass
eine vernünftige
Anzahl an Löschblöcken mit
vielen Verwaltungsblöcken,
die als ungültig
markiert sind, gefunden wird. Dies kommt häufig vor, wie dies unten beschrieben
werden wird.
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Da
Löschoperationen
hauptsächlich
während
Ruhezuständen
der SSD durchgeführt
werden, d. h., wenn gerade keine Daten aktiv von einem Host in der
SSD gespeichert werden oder aktiv von einem Host aus der SSD gelesen
werden, ist es notwendig, einen wohldefinierten Betrag an Blöcken für Schreiboperationen frei
zu halten, um eine Lese-/Schreib-Geschwindigkeit der SSD aufrecht
zu erhalten. Wenn ein Host eine Schreiboperation initiiert, dann
sollte es nicht von der SSD verlangt werden, die Löschprozedur
zu starten und somit die Schreiboperation des Host zu verzögern.
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Der
Prozess kann darüber
hinaus mit einem numerischen Beispiel erläutert werden. Eine beispielhafte SSD,
die einen Gesamtspeicherbereich von 256 GB mit einer Seitengröße von 4
kB aufweist, wobei ein Verwaltungsblock 4 Seiten umfasst, weist
eine Löschblockgröße von 64
Seiten auf. Somit gibt es in diesem Beispiel 16 Verwaltungsblöcke pro
Löschblock.
In dieser exemplarischen SSD ist 1/32 des gesamten Speicherbereichs
für Verwaltungsdaten,
schadhafte Blöcke,
Firmware, etc., reserviert, 1/32 des gesamten Speicherbereichs soll
als freie Blöcke
bewahrt werden, und 1/16 des gesamten Speicherbereichs ist für ungültige Blöcke reserviert.
Als Folge wird der restliche Speicherbereich für Benutzerdaten 7/8 (d. h.,
1 – 1/32 – 1/32 – 1/16)
des gesamten Speicherbereichs betragen (wobei 1 GB = 1024 MB = 10242 kB = 10243 Byte).
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Deshalb
gibt es in diesem Beispiel insgesamt 64 M Seiten, 16 M Verwaltungsblöcke (von
jeweils 4 Seiten) und 1 M Löschblöcke (von
jeweils 64 Seiten). Folglich sind 1 M ungültige Verwaltungsblöcke über 15 M Verwaltungsblöcke (etwa
960 k Löschblöcke) verteilt.
Da die ungültigen
Verwaltungsblöcke
willkürlich über den Speicherbereich
verteilt sind, beträgt
die Wahrscheinlichkeit, dass ein Verwaltungsblock als ungültig markiert ist,
1/15. Die Wahrscheinlichkeit „p”, dass
ein Löschblock
von 16 Verwaltungsblöcken
(von denen im Durchschnitt ein einziger Verwaltungsblock kollektiv
für Verwaltungsdaten,
schadhafte Blöcke,
Firmware und freie Blöcke
reserviert ist) „k” Verwaltungsblöcke, die
als ungültig
markiert sind, aufweist, kann mit der folgenden Gleichung (1) berechnet
werden: p = (115 )k· (1415 )16_k·(16k ) (1)wobei die
Notation ( 16 / k) die kombinatorische Funktion 16!/{[k!]·[(16 – k)!]}
repräsentiert.
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Die
Tabelle I unten zeigt die Wahrscheinlichkeiten für verschiedene Werte von k
von 0 bis 16 und auch die erwartete Anzahl an Löschblöcken un ter den insgesamt 960
k Löschblöcken. Genauer
gesagt wird in der Tabelle I die „Anzahl an Löschblöcken” (natürlich mit
einer numerischen Rundung) als (1024)
2·(15/16)·p(k) berechnet.
Die Spalte „Ausbeute” ist das
Verhältnis
der Anzahl k an Verwaltungsblöcken
in einem Löschblock, die
ungültige
Daten enthalten und die pro Kopier- und Mischoperation bei einem
einzigen Löschblock
während der
Löschprozedur
frei werden, zu der Anzahl 16 – k
an Verwaltungsblöcken,
die gültige
Daten enthalten, die in den neuen Löschblock gemischt werden müssen. Somit
ist die Zahl der Ausbeute k/(16 – k). Aus der Tabelle I wird
ersichtlich, dass es vorteilhaft ist, eine Kopier- und Mischoperation
bei einem Löschblock
durchzuführen, der
eine große
Anzahl an ungültigen
Verwaltungsblöcken
enthält,
d. h., die „Ausbeute” ist groß. Aus der
Tabelle 1 wird auch ersichtlich, dass es statistisch gesehen sehr
unwahrscheinlich ist, dass ein bestimmter Löschblock eine beträchtliche
Anzahl an ungültigen
Verwaltungsblöcken
enthalten wird. Tabelle I
| k | p(k) | Anzahl
an Löschblöcken | Ausbeute |
| 0 | 3,3158010E–01 | 325956 | 0 |
| 1 | 3,7894870E–01 | 372522 | 0,0667 |
| 2 | 2,0300820E–01 | 199565 | 0,1429 |
| 3 | 6,7669400E–02 | 66522 | 0,2308 |
| 4 | 1,5708970E–02 | 15443 | 0,3333 |
| 5 | 2,6929660E–03 | 2647 | 0,4545 |
| 6 | 3,5265030E–04 | 347 | 0,6000 |
| 7 | 3,5984730E–05 | 35 | 0,7778 |
| 8 | 2,8916300E–06 | 3 | 1,0000 |
| 9 | 1,8359550E–07 | 0 | 1,2857 |
| 10 | 9,1797770E–09 | 0 | 1,6667 |
| 11 | 3,5765370E–10 | 0 | 2,2000 |
| 12 | 1,0644450E–11 | 0 | 3,0000 |
| 13 | 2,3394400E–13 | 0 | 4,3333 |
| 14 | 3,5807760E–15 | 0 | 7,0000 |
| 15 | 3,4102630E–17 | 0 | 15,000 |
| 16 | 1,5224390E–19 | 0 | 00 |
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Statistisch
gesehen gibt es gute Löschblockkandidaten
für die
Löschprozedur,
wenn eine beträchtliche Anzahl
an Verwaltungsblöcken
bereits als ungültig
markiert ist. Wenn man bedenkt, dass eine Menge an Daten in einer
SSD oft statische Daten bzw. Stammdaten sind, die sequentiell gespeichert
sind, dann enthalten die Löschblöcke, die
diese Daten enthalten, nicht gemeinhin ungültige Verwaltungsblöcke. Angenommen,
dass von den 14 M Verwaltungsblöcken
7 M Verwaltungsblöcke
in den gesamten Löschblöcken mit
statischen Daten gefüllt
sind (d. h., 458.752 Löschblöcke sind
statisch, wobei k = 0), dann ändern
sich die Wahrscheinlichkeiten geringfügig, da nun die Wahrscheinlichkeit,
dass ein Verwaltungsblock als ungültig markiert ist, gleich 1/8
ist: p = (18 )k· (78 )(16_k)·(16k ). (2)
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Diese
Ergebnisse sind unten in der Tabelle II veranschaulicht. Tabelle II
| k | p(k) | Anzahl
an Löschblöcken | Ausbeute |
| 0 | 1,180671E–01 | 462855 | 0 |
| 1 | 2,698676E–01 | 159174 | 0,0667 |
| 2 | 2,891439E–01 | 170544 | 0,1429 |
| 3 | 1,927626E–01 | 113696 | 0,2308 |
| 4 | 8,949692E–02 | 52787 | 0,3333 |
| 5 | 3,068466E–02 | 18099 | 0,4545 |
| 6 | 8,036458E–03 | 4740 | 0,6000 |
| 7 | 1,640093E–03 | 967 | 0,7778 |
| 8 | 2,635864E–04 | 155 | 1,0000 |
| 9 | 3,347129E–05 | 20 | 1,2857 |
| 10 | 3,347129E–06 | 2 | 1,6667 |
| 11 | 2,608153E–07 | 0 | 2,2000 |
| 12 | 1,552472E–08 | 0 | 3,0000 |
| 13 | 6,824052E–10 | 0 | 4,3333 |
| 14 | 2,088996E–11 | 0 | 7,0000 |
| 15 | 3,979039E–13 | 0 | 15,000 |
| 16 | 3,552714E–15 | 0 | ∞ |
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In
einem Ausführungsbeispiel
ist eine Verwaltungstabelle aufgebaut, die die Anzahl an ungültigen Verwaltungsblöcken in
jedem Löschblock
identifiziert. Anstatt eine Löschoperation
für einen
Löschblock
zu initiieren, nachdem die ersten Löschblöcke als ungültig markiert worden sind,
ist es effektiver, einen Betrag an Speicherbereich für ungültige Blöcke reserviert
zu haben, zu warten, bevor die Löschoperation
gestartet wird, und eine Verwaltungstabelle zu besitzen, die die
Anzahl an ungültigen
Verwaltungsblöcken
in Löschblöcken auflistet.
Die Verwaltungstabelle kann Löschblockkandidaten
identifizieren, die bereits eine beträchtliche Anzahl an Verwaltungsblöcken enthalten,
die als ungültig
markiert sind. Eine Löschoperation
wird bei Löschblöcken durchgeführt, die
wenigstens eine Anzahl k an ungültigen
Verwaltungsblöcken
enthalten. Somit wird eine Löschoperation
bei Löschblöcken durchgeführt, die
die meisten ungültigen
Verwaltungsblöcke
enthalten. Die Löschoperation
kann fortgesetzt werden, bis ein festgelegter Betrag an Verwaltungsblöcken in
den Löschblöcken frei
für die
Speicherung neuer Daten ist. Alternativ dazu kann eine Löschoperation
bei Löschblöcken durchgeführt werden,
bis alle Löschblöcke, die
eine Anzahl k oder eine größere Anzahl
an ungültigen
Verwaltungs blöcken
enthalten, kopiert und gemischt und dann gelöscht worden sind, wodurch Verwaltungsblöcke für die Speicherung
neuer Daten frei gemacht werden. Es kann auch eine Kombination aus
diesen Löschoperationen
durchgeführt
werden. Je größer der
Betrag an Speicherbereich ist, der für ungültige Blöcke reserviert ist, und je
größer der
Betrag an statischen Daten ist, desto effektiver ist die Löschprozedur,
wie sie hier eingeführt worden
ist.
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Nun
wird Bezug auf 2 genommen, in der ein repräsentatives
Blockdiagramm einer Massenspeicherungsvorrichtung 200 veranschaulicht
ist, die in Übereinstimmung
mit einem Ausführungsbeispiel
gestaltet ist. Die Massenspeicherungsvorrichtung umfasst einen nichtflüchtigen
Speicher 202, der durch eine Leitung 204 mit einem
Host, wie zum Beispiel einem Host-Computer (nicht gezeigt), gekoppelt
ist, und einen SSD-Controller 201. Die Leitung 204 kann
eine Vielzahl von Stromleitern umfassen, um einen Stromversorgungs-Schaltkreis
ausgehend von dem Host-Computer zu der Massenspeicherungsvorrichtung
zu vervollständigen.
Die Massenspeicherungsvorrichtung umfasst des Weiteren einen flüchtigen
Speicher 203, wie etwa einen SDRAM, der mit dem Controller 201 gekoppelt
ist. Der flüchtige
Speicher 203 repräsentiert
einen Speicher, der für
Datenpflegefunktionen und temporäre
Datenspeicherungsfunktionen im Allgemeinen leicht überschrieben werden
kann, wie zum Beispiel jeweils ein Wort nach dem anderen. Eine Batterie
kann in der Massenspeicherungsvorrichtung enthalten sein, um den
flüchtigen
Speicher 302 während
Perioden ohne Strom von dem Host-Computer zu schützen. Wenn die Stromquelle
für den
Host-Computer zum Beispiel abgeschaltet bzw. deaktiviert wird, oder
wenn die Massenspeicherungsvorrichtung unsachgemäß von dem Host-Computer abgekoppelt
bzw. getrennt wird, dann kann der Controller 201 die Batterie
benutzen, um die Massenspeicherungsvorrichtung mit Strom zu versorgen,
so dass Daten von dem flüchtigen
Speicher zu dem nichtflüchtigen Speicher
transferiert werden können.
Auf diese Weise können
sensible Daten, die in dem flüchtigen
Speicher enthalten sind, im Falle eines Stromausfalls ausgehend
von dem Host-Computer geschützt
werden. Der SSD-Controller
umfasst die allgemeinen Funktionen eines Mikroprozessors und verwaltet
die Operationen der SSD-Speichervorrichtung.
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Somit
ist das Konzept eingeführt
worden, eine Massenspeicherungsvorrichtung mit einer nichtflüchtigen
Speichervorrichtung zu gestalten, wobei eine nichtflüchtige Speichervorrichtung,
wie etwa eine Flash-Speichervorrichtung, eine Vielzahl von Löschblöcken umfasst
und jeder Löschblock
in Speicherverwaltungsblöcke
formiert ist. Ein Controller ist mit der nichtflüchtigen Speichervorrichtung
gekoppelt. In einem Ausführungsbeispiel
ist der Controller so konfiguriert, dass er einen Löschblock
in der nichtflüchtigen
Speichervorrichtung identifiziert, der wenigstens eine Anzahl k
an Verwaltungsblöcken
enthält,
die als ungültig
markiert sind, um Daten aus dem Löschblock, der wenigstens die
Anzahl k an Verwaltungsblöcken
enthält,
die als ungültig
markiert sind, zu kopieren und zu mischen, um die gemischten Daten
in einem neuen Verwaltungsblock zu speichern, und um den Löschblock,
der wenigstens die Anzahl k an Verwaltungsblöcken enthält, die als ungültig markiert
sind, zu löschen.
Vorzugsweise befindet sich der neue Verwaltungsblock in einem Löschblock, der
verschieden von dem identifizierten Löschblock ist.
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In
einem Ausführungsbeispiel
ist der Controller des Weiteren so konfiguriert, dass er weitere
Löschblöcke löscht, die
wenigstens eine Anzahl k an Verwaltungsblöcken enthalten, die als ungültig markiert
sind, bis ein Betrag an Verwaltungsblöcken in den Löschblöcken in
der Massenspeicherungsvorrichtung frei ist. In einem Ausführungsbeispiel
ist der Controller des Weiteren so konfiguriert, dass er alle Löschblöcke in der
Massenspeicherungsvorrichtung löscht,
die wenigstens eine Anzahl k an Verwaltungsblöcken enthalten, die als ungültig markiert
sind. In einem Ausführungsbeispiel
ist der Controller des Weiteren so konfiguriert, dass er die Identifikation
des Löschblocks,
der wenigstens die Anzahl k an Verwaltungsblöcken enthält, die als ungültig markiert
sind, auf den Löschblock
in der Massenspeicherungsvorrichtung begrenzt, der die größte Anzahl
an Verwaltungsblöcken,
die als ungültig
markiert sind, enthält.
Natürlich
kann die Anzahl k den Wert eins annehmen, wobei der Controller nur
den Löschblock
(oder die Löschblöcke) identifiziert,
der (bzw. die) die größte Anzahl
an Verwaltungsblöcken,
die als ungültig
markiert sind, enthält
(enthalten). Wenn mehr als ein Löschblock
die größte Anzahl
an Verwaltungsblöcken,
die als ungültig
markiert sind, enthalten, dann kann der Controller einen von diesen
oder mehr als einen von diesen auswählen.
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Der
Controller kann eine Verwaltungstabelle umfassen, die die Anzahl
an ungültigen
Verwaltungsblöcken
in Löschblöcken in
der Massenspeiche rungsvorrichtung auflistet. Die Verwaltungstabelle
kann in einer flüchtigen
Speichervorrichtung gespeichert werden, die mit dem Controller gekoppelt
ist.
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Die
Anzahl k kann so angepasst werden, dass eine Anzahl an freien Verwaltungsblöcken aufrecht
erhalten wird. Wenn die Anzahl an freien Verwaltungsblöcken zum
Beispiel über
eine Anzahl von Speicherlese- oder -schreibzyklen hindurch wächst oder
kleiner wird, dann kann die Anzahl k im Verhältnis zu einer gewünschten Änderung
bezüglich
der Anzahl an freien Verwaltungsblöcken inkrementiert oder dekrementiert werden.
Vorzugsweise ist die Anzahl k auf einen vorbestimmten Bereich beschränkt. In
einem Ausführungsbeispiel
wird das Identifizieren des Löschblocks
in der nichtflüchtigen
Speichervorrichtung, das Kopieren und Mischen der Daten aus dem
Löschblock
und das Löschen
des Löschblocks,
der wenigstens die Anzahl k an Verwaltungsblöcken, die als ungültig markiert
sind, enthält,
vorzugsweise dann durchgeführt,
wenn gerade keine Daten von einem Host in der Massenspeicherungsvorrichtung
gespeichert werden bzw. wenn gerade keine Daten von einem Host aus
der Massenspeicherungsvorrichtung ausgelesen werden.
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Ein
anderes exemplarisches Ausführungsbeispiel
stellt ein Verfahren zum Gestalten einer Massenspeicherungsvorrichtung
bereit. In einem Ausführungsbeispiel
umfasst das Verfahren das Gestalten der Massenspeicherungsvorrichtung
mit einer nichtflüchtigen
Speichervorrichtung, die mit einer Vielzahl von Löschblöcken ausgebildet
ist. Das Verfahren umfasst das Aufteilen bzw. Partitionieren der
Löschblöcke in Speicherverwaltungsblöcke, das
Markieren von Speicherverwaltungsblöcken, die Daten enthalten,
die geändert
wurden, als ungültig,
das Identifizieren eines Löschblocks
in der nichtflüchtigen
Speichervorrichtung, der wenigstens eine Anzahl k an Verwaltungsblöcken enthält, die
als ungültig
markiert sind, das Kopieren von gültigen Daten aus dem Löschblock,
der wenigstens die Anzahl k an Verwaltungsblöcken, die als ungültig markiert
sind, enthält,
das Mischen der kopierten gültigen
Daten in eine Liste von Daten, das Speichern der Liste von Daten
in einem neuen Verwaltungsblock und das Löschen des Löschblocks, der wenigstens die
Anzahl k an Verwaltungsblöcken,
die als ungültig
markiert sind, enthält.
In einem Ausführungsbeispiel
umfasst das Verfahren des Weiteren das Bilden der Liste von Daten
als eine sequentielle Liste.
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In
einem Ausführungsbeispiel
umfasst das Verfahren des Weiteren das Ermitteln eines Betrags an Verwaltungsblöcken in
den Löschblöcken in
der Massenspeicherungsvorrichtung, der frei ist, und wenn der Betrag
an Verwaltungsblöcken
in der Massenspeicherungsvorrichtung, der als frei ermittelt wurde,
kleiner als ein gewünschter
Betrag ist, dann das Identifizieren eines weiteren Löschblocks
in der nichtflüchtigen
Speichervorrichtung, der wenigstens die Anzahl k an Verwaltungsblöcken enthält, die
als ungültig
markiert sind, das Kopieren von gültigen Daten aus dem weiteren
Löschblock,
das Mischen der kopierten gültigen
Daten aus dem weiteren Löschblock
in die Liste von Daten, das Speicher der Liste von Daten in einem
neuen Verwaltungsblock und das Löschen
des weiteren Löschblocks,
der wenigstens die Anzahl k an Verwaltungsblöcken enthält, die als ungültig markiert
sind.
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In
einem Ausführungsbeispiel
umfasst das Identifizieren eines Löschblocks in der nichtflüchtigen
Speichervorrichtung, der wenigstens eine Anzahl k an Verwaltungsblöcken enthält, die
als ungültig
markiert sind, des Weiteren das Begrenzen der Identifikation auf
einen Löschblock
in der Massenspeicherungsvorrichtung, der die größte Anzahl an Verwaltungsblöcken, die
als ungültig
markiert sind, enthält.
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In
einem Ausführungsbeispiel
umfasst das Verfahren des Weiteren das Bilden einer Verwaltungstabelle,
die die Anzahl an ungültigen
Verwaltungsblöcken
in Löschblöcken in
der Massenspeicherungsvorrichtung auflistet. Vorzugsweise umfasst
das Verfahren das Speichern der Verwaltungstabelle in einer flüchtigen
Speichervorrichtung, die mit dem Controller gekoppelt ist. In einem
Ausführungsbeispiel
wird der neue Verwaltungsblock in einem Löschblock gespeichert, der verschieden
von dem identifizierten Löschblock
ist.
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In
einem Ausführungsbeispiel
umfasst das Verfahren des Weiteren das Anpassen der Anzahl k, um eine
Anzahl an freien Verwaltungsblöcken
in der Massenspeicherungsvorrichtung aufrecht zu erhalten. Wenn zum
Beispiel die Anzahl an freien Verwaltungsblöcken über eine Anzahl von Speicherlese-
oder -schreibzyklen hindurch wächst
oder kleiner wird, dann umfasst das Verfahren das Inkrementieren
oder Dekrementieren der Anzahl k im Verhältnis zu einer gewünschten Änderung
bezüglich
der Anzahl an freien Verwaltungsblöcken. In einem Ausführungsbeispiel
umfasst das Verfahren des Weiteren das Begrenzen der Anzahl k auf
einen vorbestimmten Bereich.
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In
einem Ausführungsbeispiel
umfasst das Verfahren des Weiteren das Ermitteln, wann gerade keine Daten
von einem Host aktiv in der Massenspeicherungsvorrichtung gespeichert
werden bzw. wann gerade keine Daten von einem Host aktiv aus der
Massenspeicherungsvorrichtung ausgelesen werden, und wenn dies der
Fall ist, dann das Ermitteln eines Betrags an Verwaltungsblöcken in
den Löschblöcken in
der Massenspeicherungsvorrichtung, der frei ist, und wenn der Betrag
an Verwaltungsblöcken
in der Massenspeicherungsvorrichtung, der als frei ermittelt wurde,
kleiner als ein gewünschter
Betrag ist, dann das Identifizieren eines Löschblocks in der nichtflüchtigen
Speichervorrichtung, der wenigstens die Anzahl k an Verwaltungsblöcken, die
als ungültig
markiert sind, enthält,
das Kopieren von gültigen
Daten aus dem Löschblock,
das Mischen der kopierten gültigen
Daten aus dem Löschblock
in die Liste von Daten, das Speichern der Liste von Daten in einem neuen
Verwaltungsblock und das Löschen
des Löschblocks,
der wenigstens die Anzahl k an Verwaltungsblöcken, die als ungültig markiert
sind, enthält.
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Obwohl
eine Massenspeicherungsvorrichtung und darauf bezogene Verfahren
für die
Anwendung in digitalen Datensystemen, wie etwa einem Host-Computer,
beschrieben worden sind, sollte es klar sein, dass andere Anwendungen
einer Massenspeicherungsvorrichtung, wie zum Beispiel etwa der Mobilfunk
und photographische Systeme, innerhalb des breiten Schutzumfangs
der Erfindung in Betracht gezogen werden und nicht auf die Anwendungen
in digitalen Datensystemen beschränkt zu sein brauchen.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vor allem in Verbindung mit spezifischen
exemplarischen Ausführungsbeispielen
gezeigt und beschrieben worden ist, sollte es den Fachleuten auf
diesem Gebiet klar sein, dass diverse Änderungen bezüglich der
Konfiguration und der Einzelheiten davon durchgeführt werden
können,
ohne dass von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung,
wie sie von den nachfolgenden Patentansprüchen definiert sind, abgewichen
wird. Der Schutzumfang der Erfindung wird daher von den angehängten Patentansprüchen bestimmt,
und alle Abänderungen,
die in dem Be reich der Bedeutung und dem Bereich der Äquivalenz
der Patentansprüche
liegen, sollen von den Patentansprüchen eingeschlossen sein.