TW201348959A - 資料儲存裝置與快閃記憶體操作方法 - Google Patents

資料儲存裝置與快閃記憶體操作方法 Download PDF

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Abstract

資料儲存裝置、與快閃記憶體操作方法。所述資料儲存裝置包括一快閃記憶體以及一控制器。該快閃記憶體包括第一寫入區塊與第二寫入區塊；該第一寫入區塊與該第二寫入區塊各自包括複數頁。該控制器執行一韌體，以判斷來自一主機端的一第一待存資料是否為完整頁資料。若該第一待存資料是完整頁資料，該控制器將該第一待存資料存至該第一寫入區塊。若該第一待存資料為非完整頁資料，該控制器將該第一待存資料存至該第二寫入區塊。

Description

資料儲存裝置與快閃記憶體操作方法
本發明係有關於一種資料儲存裝置與其中快閃記憶體之操作方法，特別有關於快閃記憶體(Flash memory)之資料儲存技術。
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。「數據合併」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，「數據合併」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。
本發明揭露一種資料儲存裝置、與快閃記憶體操作方法。
根據本發明一種實施方式所實現的一資料儲存裝置包括一快閃記憶體以及一控制器。該快閃記憶體包括第一寫入區塊與第二寫入區塊；該第一寫入區塊與該第二寫入區塊各自包括複數頁。該控制器執行一韌體，以判斷來自一主機端的一第一待存資料是否為完整頁資料。若該第一待存資料是完整頁資料，該控制器將該第一待存資料存至該第一寫入區塊。若該第一待存資料為非完整頁資料，該控制器將該第一待存資料存至該第二寫入區塊。
根據本發明一種實施方式所實現的一快閃記憶體操作方法包括：於一快閃記憶體提供一第一寫入區塊與一第二寫入區塊，該第一寫入區塊與該第二寫入區塊各自包括複數頁；以及判斷來自一主機端的一第一待存資料是否為完整頁資料，若該第一待存資料是完整頁資料，將該第一待存資料存至該第一寫入區塊，若該第一待存資料為非完整頁資料，將該第一待存資料存至該第二寫入區塊。
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圖圖解根據本發明一種實施方式所實現的資料儲存裝置102，係由主機端104控制。資料儲存裝置102包括一快閃記憶體106、一控制器108以及一系統資訊暫存區110。
快閃記憶體106包括第一寫入區塊1121、第二寫入區塊1141、第一區塊集合1120、第二區塊集合1140與閒置 區塊集合116，且第一區塊集合1120與第二區塊集合1140各自包括複數區塊、又各區塊各自包含複數頁。
控制器108係用以執行一韌體(可儲存在控制器108的唯讀記憶體、或儲存在快閃記憶體106中)，以判斷由主機端104傳送給資料儲存裝置102的待存資料的資料屬性，並依照不同的資料屬性，將資料分類存於第一寫入區塊1121與第二寫入區塊1141。例如，判斷該待存資料是否為完整頁資料，進而將非完整頁資料與完整頁資料分別儲存至第一寫入區塊1121與第二寫入區塊1141。
當第一寫入區塊1121存滿後，第一寫入區塊1121將被歸入第一寫入區塊集合1120；同理，當第二區塊1141存滿後，第二寫入區塊1141將被歸入第二區塊集合1140。
系統資訊暫存區110係用於記錄該些待存資料的相關資訊。例如，存於系統資訊暫存區110的該待存資料相關資訊包含：非完整頁待存資料的相關資訊-用以分析該些非完整頁資料相關性，進而將數個具有相關性的非完整頁資料結合成為一完整頁資料，再將該完整頁資料存至第二寫入區塊1141。
此外，控制器108除了考慮資料是否為完整頁外，更可根據主機提供的資訊(可由資料標籤或內容標籤取得)判斷該主機端104所指示的資料的型態。在一種實施方式中，不同型態的完整頁之資料儲存至不同類的資料區塊，且不同型態的非完整頁之資料儲存至同類的資料區塊(對應第6圖)。在一種實施方式中，不同型態的資料係由不同類的資料區塊儲存(對應第7圖)。此外，資料之型態區分 更可以過往經驗(例如，分析主機端位址的跳躍邏輯、或者分析資料的長度與邏輯位址)獲得。所述學習機制可以韌體方式實現，交由控制器108執行。
第2A圖圖解一快閃記憶體之結構。快閃記憶體200包括複數個區塊(blocks)BLK1、BLK2…BLKK。各區塊包括複數頁(pages)-例如，區塊BLK1包括複數頁P1、P2…PM。
第2B圖圖解主機端定義之主機頁Hpage與快閃記憶體之物理頁(即第2A圖所定義之「頁」)PhysicalPage的對應關係。主機頁Hpage與物理頁PhysicalPage之尺寸可相等(例如，同為16KB)。一個主機頁Hpage需配置一物理頁PhysicalPage。
基於第2A圖與第2B圖之定義，主機端所指示的資料若為完整的一主機頁(對應完整的一物理頁)，則可視之為完整頁。倘若主機端所指示的資料不為完整的一主機頁(僅需求一物理頁的部分空間作儲存)，則可視之為非完整頁。
第3圖簡單圖解本案資料儲存裝置的操作，描述所揭露之資料分流系統架構。參考圖中所示資料儲存裝置302，控制器308係用由閒置區塊集合316取出第一寫入區塊3121與第二寫入區塊3141，並判斷由主機端304傳入的待存資料的資料屬性，進而依據不同資料屬性將待存資料分類儲存於第一寫入區塊3121或第二寫入區塊3141。例如，該控制器接收到來自該主機端304的一待存資料，將控制器判斷其是否屬於一完整頁資料：若是，則將其寫入該第二寫入區塊3141；若否，則將其寫入該第一寫入區塊 3121，並將該非完整頁資料的相關資訊存至系統資訊暫存區310。
當第一寫入區塊3121填滿後，將被歸入該第一區塊集合3120；且當第二寫入區塊3141填滿後，將被歸入該第二區塊集合3140。
此外，第3圖所示實施方式更設置各區塊有效頁監控表318。當閒置區塊集合中的閒置區塊數量少於一預設值時，為了增加閒置區塊的數量，以提升系統效能，則將於第一區塊集合3120及/或第二區塊集合3140進行合併。其中，當第一區塊集合3120進行合併時，僅以第一區塊集合中的區塊，如區塊3122、3123、3124等，進行合併；同理，當第二區塊集合3140進行合併時，僅以第二區塊集合中的區塊，如區塊3142、3143、3144等，進行合併。合併後，將產生數個有效頁數量為零的資料區塊(未圖示)，而這些有效頁數量為零的資料區塊將被歸入閒置區塊集合316，以釋放出閒置空間。
在一種實施方式中，存在非揮發性記憶體或動態隨機存取記憶體中的各區塊有效頁監控表318，係用以監控快閃記憶體的管理區塊有效頁的分佈狀況。此外，資料判斷與合併…等程序係由該資料儲存裝置之控制器執行一韌體實現。
根據所揭露技術，第4圖圖解一種資料分流狀況。如圖所示，主機端指示寫入一段連續的待存資料，其長度係對應快閃記憶體的八個物理頁，且其頭、尾資料402、404係對應為非完整頁資料，其餘均對應為完整頁資料。根據 所揭露技術，該段連續資料的頭、尾資料402與404(非完整頁)將以第一類資料區塊406儲存。至於其餘資料(完整頁)則是以第二類資料區塊408儲存。如此一來，資料儲存過程中出現的無效資料將集中於第一類資料區塊406，而第二類資料區塊408無效資料將大幅較少，以大幅提升儲存效率。
第5A圖圖解所揭露之資料分流的另一種實施方式。如該圖所示，主機端將指示寫入一段具有連續邏輯位址之待存資料502、510A~510C、504、506、512A~512B、508。其中，資料502、504、506、508為非完整頁資料：資料502為頁LBA_N後段的資料，資料504為頁LBA_N+4前段的資料，資料506為頁LBA_N+4後段的資料，資料508為頁LBA_N+7前段的資料。又資料510A、510B、510C、512A、512B為完整頁資料：資料510A為頁LBA_N+1的資料、資料510B為頁LBA_N+2的資料，資料510C為頁LBA_N+3的資料，資料512A為頁LBA_N+5的資料，資料512B為頁LBA_N+6的資料。
值得注意的是，當資料儲存裝置302收到非完整頁資料時，會在系統資訊暫存區310記錄一個代表該非完整資料頁的LBA(邏輯區塊位址)相關資料或LBA標籤。該LBA相關資料或LBA標籤係用以提供資料儲存裝置102判斷後續收到的非完整頁資料可否與該非完整頁資料結合成一完整頁資料。申言之，若該非完整資料頁的LBA位址與該後續收到的非完整頁資料LBA位址為連續LBA位址，該非完整資料頁與該後續收到的非完整頁資料則可結合成一完 整頁資料。
舉例來說，當資料儲存裝置302收到非完整頁資料504時，會在系統資訊暫存區310記錄頁LBA_N+4後段的LBA標籤，並將非完整頁資料504存入第一類資料區塊514。接著，當資料儲存裝置302又收到非完整資料頁506時，由於非完整資料頁506為頁LBA_N+4後段的資料，因此將檢查系統資訊暫存區310內是否記錄有頁LBA_N+4前段的標籤。若有，則將自第一類資料區塊514中讀出非完整頁資料504，並結合非完整頁資料504、506成一完整頁資料，再將該完整頁資料存至第二類資料區塊516。以避免將非完整頁資料506存入該第一類資料區塊514所造成的空間浪費。
第5B圖係圖解第5A圖待存資料在第一、第二類資料區塊514、516上的實際分佈。其中，非完整頁資料502係由第一類資料區塊514儲存，完整頁資料510A、510B、510C係由第二類資料區塊516儲存，非完整頁資料504係儲存於第一類資料區塊514。值得注意的是，利用本發明揭露的技術，非完整頁資料504、506則係組成完整頁後，再存至第二類資料區塊516(如箭頭所示)。以避免將完整頁資料(由504與506組成)寫入第一類資料區塊514所產生的空間浪費。
申言之，當系統傳輸錯誤、不明斷電、或主控端分段傳輸...等原因，將原本屬於同一LBA的資料分段傳輸，產生例如上述非完整頁資料504、506此類分段傳輸的情形時，利用本發明所揭露的技術，將減少可組成完整頁之資 料誤存至非完整頁之對應區塊，避免空間浪費，進而大幅提升快閃記憶體效能。
更有其他實施方式將主機端資訊-如，資料標籤(data tag)或內容標籤(context ID)等-也考慮於資料分流技術中。
第6圖圖解一種實施方式，其中，主機端所指示的資料係根據主機資訊-如，資料標籤(data tag)或內容標籤(context ID)等-有型態之分。主機端係要求寫入型態A的長資料602、型態A的短資料604、型態B的短資料606、以及型態B的長資料608。此實施例中快閃記憶體的資料區塊分類包括：非完整頁資料區塊610、型態A之完整頁資料區塊612、以及型態B之完整頁資料區塊614。其中，型態A之長資料602的頭、尾資料616、618係儲存至非完整頁的資料區塊610，而其餘的完整頁資料係儲存至型態A之完整頁資料區塊612。型態A之非完整頁資料604係儲存至非完整頁資料區塊610。型態B之非完整頁資料606係儲存至非完整頁資料區塊610。型態B之連續區塊608的頭、尾資料620、622係儲存至非完整頁的資料區塊610，且其餘的完整頁資料係儲存至型態B之完整頁資料區塊614。以上技術使不同型態的完整頁之資料儲存至不同類的資料區塊，且使不同型態的非完整頁之資料儲存至同類的資料區塊。分型態的完整頁資料區塊可減少記憶體資料產生無效頁的機率，並大幅提升快閃記憶體效能。
第7圖圖解本發明另外一種實施方式，其中更將非完整頁資料也依照主機端資訊分開存放。此實施例對快閃記憶體的資料區塊分類包括：型態A之完整頁資料區塊702、 型態A的非完整頁資料區塊704、型態B之非完整頁資料區塊706、以及型態B之完整頁資料型態708。相較於第6圖所示實施方式，此資料分流方式更提高快閃記憶體效率。
一種實施方式更在第3圖控制器308功能中設計一學習機制，以過往經驗學習資料型態分類。例如，分析主機端所指示資料的邏輯位址的跳躍模式，據以分類資料之型態。或者，分析主機端所指示資料的長度與邏輯位址使用，據以分類資料之型態。所述學習機制可由資料儲存裝置的控制器執行一韌體實現。
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。
102‧‧‧資料儲存裝置
104‧‧‧主機端
106‧‧‧快閃記憶體
108‧‧‧控制器
110‧‧‧系統資訊暫存區
1120‧‧‧第一區塊集合
1121‧‧‧第一寫入區塊
1140‧‧‧第二區塊集合
1141‧‧‧第二寫入區塊
116‧‧‧閒置區塊集合
200‧‧‧快閃記憶體
302‧‧‧資料儲存裝置
304‧‧‧主機端
308‧‧‧控制器
310‧‧‧系統資訊暫存區
3120‧‧‧第一區塊集合
3121‧‧‧第一寫入區塊
3122、3123、3124‧‧‧區塊
3140‧‧‧第二區塊集合
3141‧‧‧第二寫入區塊
3142、3143、3144‧‧‧區塊
316‧‧‧閒置區塊集合
318‧‧‧各區塊有效頁監控表
402、404‧‧‧非完整頁資料
406、408‧‧‧第一、第二類資料區塊
502、504、506、508‧‧‧非完整頁資料
510A、510B、510C、512A、512B‧‧‧完整頁資料
514、516‧‧‧第一、第二類資料區塊
602‧‧‧型態A的長資料
604‧‧‧型態A的短資料
606‧‧‧型態B的短資料
608‧‧‧型態B的長資料
610‧‧‧非完整頁資料區塊
612‧‧‧型態A之完整頁資料區塊
614‧‧‧型態B之完整頁資料區塊
616、618‧‧‧型態A之長資料602的頭、尾資料
620、622‧‧‧型態B之連續區塊608的頭、尾資料
702‧‧‧型態A之完整頁資料區塊
704‧‧‧型態A的非完整頁資料區塊
706‧‧‧型態B之非完整頁資料區塊
708‧‧‧型態B之完整頁資料型態
BLK1、BLK2…BLKK‧‧‧區塊
HPage‧‧‧主機頁
LBA‧‧‧邏輯區塊位址
LBA_N…LBA_N+7‧‧‧頁
P1、P2…PM‧‧‧頁(物理頁)
PhysicalPage‧‧‧物理頁
第1圖圖解根據本發明一種實施方式所實現的資料儲存裝置102，係由主機端104控制；第2A圖圖解一快閃記憶體之結構；第2B圖圖解主機端定義之主機頁Hpage與快閃記憶體之物理頁(即第2A圖所定義之「頁」)PhysicalPage的對應關係；第3圖簡單圖解本案資料儲存裝置的操作，描述所揭露之資料分流系統架構；第4圖圖解一種資料分流狀況；第5A圖圖解所揭露之資料分流的另一種實施方式；第5B圖係圖解第5A圖待存資料在第一、第二類資料區塊514、516上的實際分佈；第6圖圖解一種資料分流狀況，除了將完整頁與非完整頁的資料分開儲存，更使不同型態的完整頁之資料儲存至不同類的資料區塊、不同型態的非完整頁之資料儲存至同類的資料區塊；第7圖圖一種資料分流狀況，相較於第6圖，第7圖之實施方式更將非完整頁資料也依照主機端資訊分開存放。
102‧‧‧資料儲存裝置
104‧‧‧主機端
106‧‧‧快閃記憶體
108‧‧‧控制器
110‧‧‧系統資訊暫存區
1120‧‧‧第一區塊集合
1121‧‧‧第一寫入區塊
1140‧‧‧第二區塊集合
1141‧‧‧第二寫入區塊
116‧‧‧閒置區塊集合

Claims (24)

  1. 一種資料儲存裝置，包括：一快閃記憶體，包括第一寫入區塊與第二寫入區塊，且該第一寫入區塊與該第二寫入區塊各自包括複數頁；以及一控制器，執行一韌體，以判斷來自一主機端的一第一待存資料是否為完整頁資料，若該第一待存資料是完整頁資料，將該第一待存資料存至該第一寫入區塊，若該第一待存資料為非完整頁資料，將該第一待存資料存至該第二寫入區塊。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之資料儲存裝置，更包括一系統資訊暫存區，其係用以儲存待存資料相關資訊。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之資料儲存裝置，其中，該待存資料相關資訊包含非完整頁待存資料相關資訊。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之資料儲存裝置，其中，該非完整頁待存資料相關資訊包含一非完整頁待存資料的邏輯區塊位址資訊。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之資料儲存裝置，其中，當該資料儲存裝置接收到一第二待存資料時，該控制器判斷該第二待存資料是否為完整頁資料。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之資料儲存裝置，其中，若該第二待存資料為非完整頁待存資料，該控制器則檢查該非完整頁待存資料相關資訊，以判斷該第一待存資料與該第二待存資料可否結合成一完整頁資料。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之資料儲存裝置，其 中，若該第一待存資料與該第二待存資料得以結合成一完整頁資料，則該控制器結合上述第一待存資料與該第二待存資料為一完整頁資料，並將上述第一待存資料與該第二待存資料結合而成的該完整頁資料存入該第二寫入區塊。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之資料儲存裝置，其中，該控制器判斷該第一待存資料與該第二待存資料可否結合成一完整頁資料的操作係判斷該第一待存資料的邏輯區塊位址與該第二待存資料邏輯區塊位址是否連續。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之資料儲存裝置，其中，執行該韌體的該控制器更根據主機資訊判斷該主機端所指示的資料的型態，使不同型態的完整頁之資料儲存至不同類的資料區塊，且使不同型態的非完整頁之資料儲存至同類的資料區塊。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之資料儲存裝置，其中，上述主機資訊係由資料標籤或內容標籤取得。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之資料儲存裝置，其中，執行該韌體的該控制器更根據主機資訊判斷該主機端所指示的資料的型態，使不同型態的資料儲存至不同類的資料區塊。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之資料儲存裝置，其中，上述主機資訊係由資料標籤或內容標籤取得。
  13. 一種快閃記憶體操作方法，包括：於一快閃記憶體提供一第一寫入區塊與一第二寫入區塊，該第一寫入區塊與該第二寫入區塊各自包括複數頁；以及 判斷來自一主機端的一第一待存資料是否為完整頁資料，若該第一待存資料是完整頁資料，將該第一待存資料存至該第一寫入區塊，若該第一待存資料為非完整頁資料，將該第一待存資料存至該第二寫入區塊。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之快閃記憶體操作方法，更包括：提供一系統資訊暫存區，用以儲存待存資料相關資訊。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之快閃記憶體操作方法，其中，該待存資料相關資訊包含非完整頁待存資料相關資訊。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之快閃記憶體操作方法，其中，該非完整頁待存資料相關資訊包含一非完整頁待存資料的邏輯區塊位址資訊。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之快閃記憶體操作方法，更在接收到來自該主機端的一第二待存資料時判斷該第二待存資料是否為完整頁資料。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之快閃記憶體操作方法，更包括：於該第二待存資料為非完整頁待存資料時檢查該非完整頁待存資料相關資訊，以判斷該第一待存資料與該第二待存資料可否結合成一完整頁資料。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之快閃記憶體操作方法，更包括：於該第一待存資料與該第二待存資料得以結合成一完整頁資料時結合上述第一待存資料與該第二待存資料為一 完整頁資料，並將上述第一待存資料與該第二待存資料結合而成的該完整頁資料存入該第二寫入區塊。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之快閃記憶體操作方法，其中，上述判斷該第一待存資料與該第二待存資料可否結合成一完整頁資料的步驟包括：判斷該第一待存資料的邏輯區塊位址與該第二待存資料邏輯區塊位址是否連續。
  21. 如申請專利範圍第13項所述之快閃記憶體操作方法，更包括：根據主機資訊判斷該主機端所指示的資料的型態；令不同型態的完整頁之資料儲存至不同類的資料區塊；並且令不同型態的非完整頁之資料儲存至同類的資料區塊。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之快閃記憶體操作方法，其中，上述主機資訊係由資料標籤或內容標籤取得。
  23. 如申請專利範圍第13項所述之快閃記憶體操作方法，更包括：根據主機資訊判斷該主機端所指示的資料的型態；以即令不同型態的資料儲存至不同類的資料區塊。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之快閃記憶體操作方法，其中，上述主機資訊係由資料標籤或內容標籤取得。
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