TW201324144A - 快閃記憶體儲存陣列控制方法、與快閃記憶體 - Google Patents

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Abstract

快閃記憶體儲存陣列控制方法與快閃記憶體。所述快閃記憶體儲存陣列包含複數個群組。各群組包含至少一個區塊。所述方法包括以下步驟：判斷主機所供應的資料之屬性，並將資料依屬性確認其儲存群組，再儲存至該儲存群組的區塊中，使屬於同一群組的所有區塊儲存的資料擁有同樣的屬性；並且限定對同一群組的區塊作有效資料整合以釋出區塊空間。

Description

快閃記憶體儲存陣列控制方法、與快閃記憶體
本發明係有關於快閃記憶體以及快閃記憶體儲存陣列的控制方法。
快閃記憶體為常見的一種非揮發性儲存技術，牽涉電性抹除與編程技術。
以非及閘型的快閃記憶體(NAND FLASH)為例，主要用作記憶卡(memory card)、通用序列匯流排閃存裝置(USB flash device)、固態硬碟(SSD)…等產品。
非及閘型的快閃記憶體之儲存陣列包括複數個區塊(blocks)，且是以完整區塊為抹除單位。使用過的區塊需整區塊抹除(erase)後，方能視為閒置區塊(spare block)待配置使用。「垃圾收集(Garbage Collection)」用於收集多個區塊中零散的有效資料至特定區塊，使只殘留無效資料的該些區塊得以被抹除為閒置區塊。
然而，「垃圾收集」應用在傳統技術上需要相當的運算資源。本技術領域亟需一種高效操作快閃記憶體儲存陣列的方法。
本發明揭露一種快閃記憶體儲存陣列控制方法、與快閃記憶體。
所述方法用於操作一快閃記憶體儲存陣列。該快閃記憶體儲存陣列包含複數個群組。各群組包含至少一個區塊。所述方法包括：判斷一主機所供應的資料之屬性，並將資料依屬性確認其儲存群組，再儲存至該儲存群組的區塊中，使屬於同一群組的所有區塊儲存的資料擁有同樣的屬性；並且限定對同一群組的區塊作有效資料整合以釋出區塊空間。
根據本發明一種實施方式所實現的一快閃記憶體包括一快閃記憶體儲存陣列以及一控制單元。該快閃記憶體儲存陣列包括複數個群組。各群組包含至少一個區塊。該控制單元設置於該快閃記憶體儲存陣列與一主機之間，且包括一分屬性寫入控制器以及一分屬性區塊管理器。該分屬性寫入控制器用於判斷該主機所供應的資料之屬性、並將資料依屬性確認其儲存群組，再儲存至該儲存群組的區塊中，使屬於同一群組的所有區塊儲存的資料擁有同樣的屬性。該分屬性區塊管理器限定對同一群組的區塊作有效資料整合以釋出區塊空間。
為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖示，詳細說明如下。
第1圖為一方塊圖，包括根據本發明一種實施方式所實現的一快閃記憶體100。快閃記憶體100包括一快閃記憶體儲存陣列102以及一控制單元104。
快閃記憶體儲存陣列102提供資料儲存空間，且包括複數個區塊(blocks)，並以一整個區塊為抹除單位。在一種實施方式中，該快閃記憶體儲存陣列102可以非及閘(NAND gates)實現。在一種實施方式中，快閃記憶體儲存陣列102可包括複數個群組，各群組包含至少一個上述區塊。
控制單元104設置於快閃記憶體儲存陣列102與主機(host)106之間。在第1圖所示實施方式中，控制單元104包括一介面108、一快閃記憶體控制器110以及一微控制器(MCU)112。介面108在微控制器112的控制下接收主機106所供應的資料。根據一韌體，微控制器112操作該快閃記憶體控制器對該快閃記憶體儲存陣列102提供一分屬性寫入控制以及一分屬性區塊管理-將主機106供應的資料存入該快閃記憶體儲存陣列102並管理之。
第2A圖以流程圖說明所揭露之分屬性寫入控制。步驟S202判斷該主機106所供應的資料之屬性。了解資料之屬性後，步驟S204依屬性確認資料之儲存群組，並將資料儲存至該儲存群組的區塊中，使同一群組的所有區塊儲存的資料擁有同樣的屬性。
第2B圖以流程圖說明所揭露之分屬性區塊管理。步驟S206對同一群組的區塊作有效資料整合以釋出區塊空間。步驟S208用於監控資料之屬性判斷是否正確；若有錯誤發生，則所揭露方法提供步驟S210，訂正誤判者；反之，若無監控到錯誤，則持續步驟S206之區塊空間釋放操作。
特別聲明之，第2B圖之步驟S208與步驟S210為非必要步驟。凡包括步驟S206的技術即涉及本說明書所揭露之分屬性區塊管理技術。
以下更詳細討論「分屬性寫入控制」以及「分屬性區塊管理」。
在一種實施方式中，所揭露之分屬性寫入控制更在配置區塊供資料寫入時標示該區塊對應的屬性。如第1圖所示實施方式，快閃記憶體儲存陣列102內的區塊除了可作資料儲存用外(資料儲存用區塊114)，更可有一區塊是特別配置來紀錄該些區塊114所對應的屬性-如，區塊屬性紀錄表格116。當閒置的一區塊被配置來儲存主機端資料時，該區塊屬性紀錄表格116即可被更新，紀錄該區塊乃對應主機端該資料之屬性。
關於第2B圖之步驟S208之監控程序，有多種實施方式。在一種實施方式中，所揭露之分屬性區塊管理於特定屬性之區塊的總數超過一上限時判定該特定屬性其一區塊所儲存的資料之屬性被誤判。在另一種實施方式中，所揭露之分屬性區塊管理於閒置區塊的總數低於一下限時判定特定屬性之區塊中有區塊所儲存的資料之屬性被誤判。
關於第2B圖之步驟S210之訂正程序，主要有兩種實施方式。在一種實施方式中，所揭露之分屬性區塊管理藉由重新標示區塊對應的屬性訂正其中資料之屬性誤判；例如，訂正第1圖的區塊屬性紀錄表格116中關於該區塊所儲存之資料的屬性紀錄。在另一種實施方式中，所揭露之分屬性區塊管理藉由重存資料至正確屬性之區塊訂正該資料之屬性誤判；此程序可更包括抹除該資料的原儲存區塊，使之為閒置區塊，更可對應修正第1圖之區塊屬性紀錄表格116，更新標示該區塊為閒置，不對應任何屬性。
關於資料的屬性之階層劃分，本說明書亦揭露多種實施方式。
第3圖圖解一種實施方式，其中依照資料的更新率判斷其屬性。資料的更新率可由資料的尺寸(size)、邏輯位置(LBA)、內容(content)以及先前寫入動作之經驗(例如，採Fuzzy技術分析先前寫入動作，尋出其規則)其中至少一資訊觀察得知。例如，小尺寸的資料可判斷為隨散型資料，一般更新率高，可以HOT標示之；大尺寸的資料可判斷為連續型資料，一般更新率低，可以COOL標示之。主機端資料302會根據其HOT、COOL屬性分別儲存至HOT、COOL屬性的區塊304、306中。HOT屬性的該區塊304可歸類至群組I(308)。COOL屬性的該區塊306可歸類至群組II(310)。根據第2B圖的步驟S206，不同區塊的有效資料整合需限定於群組中。例如，皆屬於群組I之區塊的有效資料方能整合在一起；皆屬於群組II之區塊的有效資料方能整合在一起。至於釋出的區塊，則可經抹除操作後歸類為閒置的區塊312。用來儲存資料的區塊(無論是HOT屬性的區塊304或是COOL屬性的區塊306)即是自閒置的該些區塊312中選取而來。
此外，當HOT屬性之群組I的區塊總數超過一上限時，可將群組I中久無更新的區塊訂正標示為COOL區塊，或者，可將群組I中久無更新的區塊內的有效資料移至COOL屬性的群組II的一區塊中。當閒置區塊312的總數低於一下限，可將群組I中久無更新的區塊訂正標示為COOL區塊，或者，可將群組I中久無更新的區塊內的有效資料移至COOL屬性的群組II的一區塊中。
第4A圖與第4B圖舉例說明本發明所揭露技術之優勢。
第4A圖圖解垃圾收集(Garbage Collection)於傳統技術的操作；傳統技術沒有將屬性不同的資料分開存放。以第4A圖例子而言，低更新率的系統資料402與410以及高更新率的隨散資料404、406、408與412是混雜紀錄於區塊BLOCK_1…BLOCK_N中。基於非及閘型快閃記憶體的頁操作模式(page mode)之規則-資料更新後，先前紀錄的數值就為無效-有效、無效資料夾雜於區塊BLOCK_1…BLOCK_N。當有空間釋出需求時，區塊BLOCK_1…BLOCK_N內的有效資料需被收集至區塊BLOCK_(N+1)，僅餘無效資料的區塊BLOCK_1…BLOCK_N則釋出作閒置區塊使用。以上操作相當耗費系統資源。
第4B圖圖解垃圾收集於本說明書所揭露技術之操作；所揭露技術將屬性不同的資料分開存放，並分群組作垃圾收集。圖例專對第3圖之群組I(專供隨散型資料儲存的區塊)作討論。基於非及閘型快閃記憶體的頁操作模式之規則-資料更新後，先前紀錄的數值就為無效-較早使用的區塊BLOCK_1-BLOCK_(N-2)的資料已被更新至最近使用的區塊BLOCK_(N-1)、BLOCK_N，較早使用的區塊BLOCK_1-BLOCK_(N-2)僅剩下無效資料。因此，區塊BLOCK_1-BLOCK_(N-2)空間乃直接抹除釋出，無須耗費資源作垃圾收集。僅有少量區塊-BLOCK_(N-1)與BLOCK_N-需作垃圾收集操作，將其中夾雜的有效資料收集到區塊BLOCK_(N+1)，使區塊BLOCK_(N-1)與BLOCK_N的空間得以被釋出為閒置區塊。
比較第4A圖與第4B圖，本說明書所揭露之技術大幅提升快閃記憶體系統的運算效率。
另外，關於資料之屬性的階層劃分，除了考慮資料的更新率外，可更考慮資料之邏輯位址所在的區間。第5圖圖解一種實施方式，其中依照資料的邏輯位址所在區間以及更新率判斷其屬性。此實施例考慮四段邏輯位址區間(標視為LBA_1、LBA_2、LBA_3、LBA_4)以及兩種更新率標準(高更新率標號為HOT，低更新率標號為COOL)，形成八階層的屬性劃分：屬性1，落入LBA_1且HOT；屬性2，落入LBA_1且COOL；屬性3，落入LBA_2且HOT；屬性4，落入LBA_2且COOL；屬性5，落入LBA_3且HOT；屬性6，落入LBA_3且COOL；屬性7，落入LBA_4且HOT；屬性8，落入LBA_4且COOL。
主機端資料502經過屬性判斷後，儲存至對應屬性的區塊504-518中。LBA_1且HOT屬性的該區塊504歸類至群組A。LBA_1且COOL屬性的該區塊506歸類至群組B。LBA_2且HOT屬性的該區塊508歸類至群組C。LBA_2且COOL屬性的該區塊510歸類至群組D。LBA_3且HOT屬性的該區塊512歸類至群組E。LBA_3且COOL屬性的該區塊514歸類至群組F。LBA_4且HOT屬性的該區塊516歸類至群組G。LBA_4且COOL屬性的該區塊518歸類至群組H。
根據第2B圖的步驟S206，不同區塊的有效資料整合需限定於群組中。例如，皆屬於群組A之區塊的有效資料方能整合在一起；皆屬於群組B之區塊的有效資料方能整合在一起；皆屬於群組C之區塊的有效資料方能整合在一起；皆屬於群組D之區塊的有效資料方能整合在一起；皆屬於群組E之區塊的有效資料方能整合在一起；皆屬於群組F之區塊的有效資料方能整合在一起；皆屬於群組G之區塊的有效資料方能整合在一起；皆屬於群組H之區塊的有效資料方能整合在一起。至於釋出的區塊，則可經抹除操作後釋出為閒置的區塊520。區塊504-518即是自閒置的該些區塊520中選取而來。
關於邏輯位址區間LBA_1，當HOT屬性之群組A的區塊總數超過一上限時，可將群組A中久無更新的區塊訂正標示為COOL區塊，或者，可將群組A中久無更新的區塊內的有效資料移至群組B的一區塊中。同樣的監控、訂正程序，可實現在其他邏輯位址區間LBA_2至LBA_4中。另外，當閒置區塊520的總數低於一下限時，也可實行所揭露之屬性訂正程序。
特別聲明之，屬性之劃分可更有其他規則，並不限定於以上內容。
另外，特別聲明之，所揭露之分屬性寫入控制以及分屬性區塊管理並不限定以第1圖所示之控制單元104實現。第6圖圖解所揭露之控制單元的另外一種實施方式；在此實施方式中，控制單元104’包括一分屬性寫入控制器602以及一分屬性區塊管理器604，分別實現所揭露之分屬性寫入控制與分屬性區塊管理。該分屬性寫入控制器602以及該分屬性區塊管理器604可以硬體邏輯閘實現，或者，可以軟體方式由微控制器執行實現，也可以軟硬體聯合設計方式實現。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．快閃記憶體
102．．．快閃記憶體儲存陣列
104、104’．．．控制單元
106．．．主機
108．．．介面
110．．．快閃記憶體控制器
112．．．微控制器
114．．．資料儲存用區塊
116．．．區塊屬性紀錄表格
302．．．主機端資料
304．．．HOT屬性的區塊
306．．．COOL屬性的區塊
308．．．群組I：HOT屬性的所有區塊
310．．．群組II：COOL屬性的所有區塊
312．．．閒置的區塊
402-412．．．有效的資料
502．．．主機端資料
504．．．LBA_1且HOT的區塊
506．．．LBA_1且COOL的區塊
508．．．LBA_2且HOT的區塊
510．．．LBA_2且COOL的區塊
512．．．LBA_3且HOT的區塊
514．．．LBA_3且COOL的區塊
516．．．LBA_4且HOT的區塊
518．．．LBA_4且COOL的區塊
520．．．閒置區塊
602．．．分屬性寫入控制器
604．．．分屬性區塊管理器
BLOCK_1-BLOCK_(N+1)．．．區塊
第1圖為一方塊圖，包括根據本發明一種實施方式所實現的一快閃記憶體100；
第2A圖以流程圖說明所揭露之分屬性寫入控制；
第2B圖以流程圖說明所揭露之分屬性區塊管理；
第3圖圖解一種實施方式，其中依照資料的更新率判斷其屬性；
第4A圖與第4B圖舉例說明本發明所揭露技術之優勢；
第5圖圖解一種實施方式，其中依照資料的邏輯位址所在區間以及更新率判斷其屬性；且
第6圖圖解所揭露之控制單元的另外一種實施方式。
502．．．主機端資料
504．．．LBA_1且HOT的區塊
506．．．LBA_1且COOL的區塊
508．．．LBA_2且HOT的區塊
510．．．LBA_2且COOL的區塊
512．．．LBA_3且HOT的區塊
514．．．LBA_3且COOL的區塊
516．．．LBA_4且HOT的區塊
518．．．LBA_4且COOL的區塊
以及
520．．．閒置區塊

Claims (16)

  1. 一種快閃記憶體儲存陣列控制方法，用以操作一快閃記憶體儲存陣列，其中該快閃記憶體儲存陣列包含複數個群組，各群組包含至少一個區塊，所述方法包括：判斷一主機所供應的資料之屬性，並將資料依屬性確認其儲存群組，再儲存至該儲存群組的區塊中，使屬於同一群組的所有區塊儲存的資料擁有同樣的屬性；並且限定對同一群組的區塊作有效資料整合以釋出區塊空間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之快閃記憶體儲存陣列控制方法，更監控資料之屬性判斷是否正確，並訂正誤判者。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之快閃記憶體儲存陣列控制方法，更於配置區塊供資料寫入時標示該區塊對應的屬性。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之快閃記憶體儲存陣列控制方法，包括藉由重新標示區塊對應的屬性訂正其中資料之屬性誤判。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之快閃記憶體儲存陣列控制方法，包括藉由重存資料至正確屬性之區塊訂正該資料之屬性誤判。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之快閃記憶體儲存陣列控制方法，包括依照更新率判斷該主機所供應的資料之屬性。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之快閃記憶體儲存陣列控制方法，包括自尺寸、邏輯位置、內容以及先前寫入動作之經驗其中至少一資訊觀察該主機所供應的資料之更新率。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之快閃記憶體儲存陣列控制方法，更判斷該主機所供應的資料之邏輯位址所在區間，使資料之屬性的階層劃分同時考慮邏輯位址所在區間與更新率。
  9. 一種快閃記憶體，包括：一快閃記憶體儲存陣列，包括複數個群組，且各群組包含至少一個區塊；以及一控制單元，設置於該快閃記憶體儲存陣列與一主機之間且包括：一分屬性寫入控制器，判斷該主機所供應的資料之屬性、並將資料依屬性確認其儲存群組，再儲存至該儲存群組的區塊中，使屬於同一群組的所有區塊儲存的資料擁有同樣的屬性；以及一分屬性區塊管理器，限定對同一群組的區塊作有效資料整合以釋出區塊空間。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之快閃記憶體，其中該分屬性區塊管理器更監控資料之屬性判斷是否正確、並訂正誤判者。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之快閃記憶體，其中該分屬性寫入控制器更在配置區塊供資料寫入時標示該區塊對應的屬性。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之快閃記憶體，其中該分屬性區塊管理器藉由重新標示區塊對應的屬性訂正其中資料之屬性誤判。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之快閃記憶體，其中該分屬性區塊管理器藉由重存資料至正確屬性之區塊訂正該資料之屬性誤判。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之快閃記憶體，其中該分屬性寫入控制器依照更新率判斷該主機所供應的資料之屬性。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之快閃記憶體，其中該分屬性寫入控制器自尺寸、邏輯位置、內容以及先前寫入動作之經驗其中至少一資訊觀察該主機所供應的資料之更新率。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之快閃記憶體，其中該分屬性寫入控制器更判斷該主機所供應的資料之邏輯位址所在區間，使資料之屬性的階層劃分同時考慮邏輯位址所在區間與更新率。
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