TW202032375A

TW202032375A - 資料儲存裝置以及非揮發式記憶體控制方法

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Publication number: TW202032375A
Application number: TW108127457A
Authority: TW
Inventors: 沈揚智; 張仕昌
Original assignee: 慧榮科技股份有限公司
Priority date: 2019-02-26
Filing date: 2019-08-02
Publication date: 2020-09-01
Also published as: TW202032377A; TWI724483B; TWI713032B; TWI726381B; TW202032563A; TWI706250B; TW202032374A

Abstract

高效能之資料儲存裝置，其記憶體控制器在一暫存記憶體上動態維護映射資訊，顯示一主機辨識之邏輯位址映射之實體空間資訊。該記憶體控制器以該實體空間資訊的第一位元至第N位元標示一非揮發式記憶體的實體空間、或標示一資料快取空間內的位址。該記憶體控制器不在該實體空間資訊中規劃特定位元區別該實體空間資訊是指向該非揮發式記憶體、或該資料快取空間。該記憶體控制器是以該第一至該第N位元組成的數值中，相對該非揮發式記憶體的實體空間無意義的數值，區別該實體空間資訊是指向該非揮發式記憶體、或該資料快取空間。

Description

資料儲存裝置以及非揮發式記憶體控制方法

本發明係有關於資料儲存裝置，特別有關於映射資訊之維護。

非揮發式記憶體有多種形式─例如，快閃記憶體（flash memory）、磁阻式隨機存取記憶體（magnetoresistive RAM）、鐵電隨機存取記憶體（ferroelectric RAM）、電阻式隨機存取記憶體（resistive RAM）、自旋轉移力矩隨機存取記憶體（Spin Transfer Torque-RAM， STT-RAM）…等，用於長時間資料保存。

非揮發式記憶體有其特殊之儲存特性，其操作以及管理需特殊設計。

本案提出一種實體空間資訊格式，用於管理一資料儲存裝置的映射資訊。

根據本案一種實施方式實現的一資料儲存裝置包括一非揮發式記憶體、一記憶體控制器以及一暫存記憶體。該記憶體控制器根據一主機之要求存取該非揮發式記憶體。該記憶體控制器在該暫存記憶體上規劃一資料快取空間。該記憶體控制器在該暫存記憶體上動態維護映射資訊，顯示該主機辨識之邏輯位址映射的實體空間資訊。該記憶體控制器以該實體空間資訊的第一位元至第N位元(N為大於1的數值)標示該非揮發式記憶體的實體空間、或標示該資料快取空間內的位址。該記憶體控制器不在該實體空間資訊中規劃特定位元區別該實體空間資訊是指向該非揮發式記憶體、或該資料快取空間。該記憶體控制器是以該第一至該第N位元組成的數值中，相對該非揮發式記憶體的實體空間無意義的數值，區別該實體空間資訊是指向該非揮發式記憶體、或該資料快取空間。

根據本案技術，實體空間資訊的位元被最佳化利用，足以應付大尺寸的非揮發式記憶體。

一種實施方式中，該記憶體控制器以一遮罩（Mask）處理該實體空間資訊所獲得的數值，辨識該實體空間資訊是指向該非揮發式記憶體、或該資料快取空間。

該記憶體控制器更可以該遮罩處理該實體空間資訊所獲得的數值，辨識該實體空間資訊是否為虛置數據。

一種實施方式中，該記憶體控制器以一遮罩處理該實體空間資訊，並在獲得一第一數值時判定該實體空間資訊為虛置數據，獲得一第二數值時判定該實體空間資訊是指向該資料快取空間，獲得非該第一數值、也非該第二數值時判定該實體空間資訊指向該非揮發式記憶體。

該記憶體控制器可以該遮罩對該實體空間資訊進行邏輯及運算。

一種實施方式中，該非揮發式記憶體為一快閃記憶體。該快閃記憶體的複數個區塊是以一區塊位元數BlkBits區別。各區塊中的複數個單位是以一單位位元數UnitBits區別。該記憶體控制器進行運算： Mask=（（（1>> BlkBits）-1）*（1>> UnitBits）），其中Mask為該遮罩。

該記憶體控制器更可進行運算： DummySrc = Mask；以及 DRAMSrc = （（（1>> BlkBits）-2）*（1>> UnitBits）），其中，DummySrc為該第一數值，且DRAMSrc為該第二數值。

以上記憶體控制器對非揮發式記憶體之操作也可以由其他結構實現。本案更可以前述概念實現非揮發式記憶體的控制方法，包括：根據一主機之要求存取一非揮發式記憶體；在一暫存記憶體上規劃一資料快取空間；在該暫存記憶體上動態維護映射資訊，顯示該主機辨識之邏輯位址映射的實體空間資訊；以該實體空間資訊的第一位元至第N位元標示該非揮發式記憶體的實體空間、或標示該資料快取空間內的位址，且不在該實體空間資訊中規劃特定位元區別該實體空間資訊是指向該非揮發式記憶體、或該資料快取空間；且以該第一至該第N位元組成的數值中，相對該非揮發式記憶體的實體空間無意義的數值，區別該實體空間資訊是指向該非揮發式記憶體、或該資料快取空間。

下文特舉實施例，並配合所附圖示，詳細說明本發明內容。

以下敘述列舉本發明的多種實施例。以下敘述介紹本發明的基本概念，且並非意圖限制本發明內容。實際發明範圍應依照申請專利範圍界定之。

非揮發式記憶體可以是快閃記憶體（Flash Memory）、磁阻式隨機存取記憶體（Magnetoresistive RAM）、鐵電隨機存取記憶體（Ferroelectric RAM）、電阻式記憶體（Resistive RAM，RRAM）、自旋轉移力矩隨機存取記憶體（Spin Transfer Torque-RAM，STT-RAM）…等，提供長時間資料保存之儲存媒體。以下特別以快閃記憶體為例進行討論。

現今資料儲存裝置常以快閃記憶體為儲存媒體，用以儲存來自於主機的使用者資料。資料儲存裝置的種類眾多，包括記憶卡（Memory Card）、通用序列匯流排閃存裝置（USB Flash Device）、固態硬碟（SSD） …等產品。有一種應用是採多晶片封裝、將快閃記憶體與其控制器包裝在一起─稱為嵌入式快閃記憶體模組（如eMMC）。

以快閃記憶體為儲存媒體的資料儲存裝置可應用於多種電子裝置中。所述電子裝置包括智慧型手機、穿戴裝置、平板電腦、虛擬實境設備…等。電子裝置的運算模塊可視為主機（Host），操作所使用的資料儲存裝置，以存取其中快閃記憶體。

以快閃記憶體為儲存媒體的資料儲存裝置也可用於建構數據中心。例如，伺服器可操作固態硬碟（SSD）陣列形成數據中心。伺服器即可視為主機（Host），操作所連結之固態硬碟，以存取其中快閃記憶體。

第2圖為方塊圖，圖解根據本案一種實施方式所實施的資料儲存裝置200，其中包括快閃記憶體202、記憶體控制器204以及暫存記憶體206。主機208係透過記憶體控制器204操作快閃記憶體202。資料儲存裝置200內部也可發動快閃記憶體202之最佳化操作；例如，記憶體控制器204可對快閃記憶體202進行垃圾回收（Garbage Collection）、空間修整（Trimming）、區塊資料搬移（Block Data Transfer）…等。記憶體控制器204進行運算時是以暫存記憶體206暫存資料。暫存記憶體206可為動態隨機存取記憶體（DRAM）或SRAM。

快閃記憶體202除了具有系統資訊區塊池210儲存邏輯-實體位址映射表（Logical-to-Physical Addresses Mapping Table，L2P映射表）外，更有許多區塊在多種狀態間變化。取自閒置區塊池212的主動區塊214用於接收主機208要求的寫入資料。主動區塊214關閉後（例如，寫入區塊結尾（End Of Block，簡稱EOB）資訊後），將視為資料區塊，屬於資料區塊池216。閒置區塊池212將重新提供主動區塊214。資料區塊經抺除後，可被推入閒置區塊池212。主動區塊214也可以是配置做快閃記憶體202內部資料搬移的目的地。

快閃記憶體202之物理空間是劃分為複數個區塊（Blocks）配置使用。第1圖圖解一區塊BLK之結構，其中包括複數頁面（Pages），例如，頁面0…頁面255。各頁面包括複數個區段（Sectors），例如：16KB空間的頁面可包括32個區段來儲存使用者資料，每一區段大小為512B。另外，在4KB資料管理模式下，可將8個區段作為最小的資料管理單位，此時，資料管理單位的大小為4KB，可儲存8個區段大小的使用者資料。為了簡化說明，下述中將以4KB資料管理模式為例進行說明，但不以此為限。

隨著主動區塊214之填寫，記憶體控制器204可在暫存記憶體206上維護實體-邏輯位址映射表（Physical-Logical Addresses Mapping Table，P2L映射表）218，顯示主動區塊214之實體位址究竟儲存那些邏輯位址的使用者資料，或實體位址至邏輯位址的映射資訊。如P2L映射表218所載，主動區塊214用於多個邏輯位址之使用者資料儲存，其反向的映射資訊可以用以更新邏輯-實體位址映射表（Logical-to-Physical Addresses Mapping Table，L2P映射表）的內容。另外，記憶體控制器204可將L2P映射表(局部或完全)上載至暫存記憶體206的空間220，以加速L2P映射表的存取。

一種實施方式中，記憶體控制器204根據頁面編號，由低至高編號（例如，頁面0至頁面255），而將使用者資料儲存至區塊。一種實施方式中，資料儲存裝置200採用多通道技術，係將不同通道之間的區塊視為一個超級區塊（Super Block），將不同通道之間的頁面視為超級頁面（Super Page），再以超級區塊或超級頁面的作為資料抺除（Erase）或資料寫入的單位，採用此架構下可提升資料儲存裝置200的數據吞吐量。

快閃記憶體202有其特殊的儲存特性。舊資料更新並非同空間複寫。新版的資料需被寫入閒置空間，而舊空間內容將被標為無效。區塊可能零星留存有效資料，可以執行垃圾回收程序將有效資料搬移到閒置空間。徒留無效資料的區塊得以被抹除再利用。

快閃記憶體202的實體空間是動態地被配置使用。相較於主機（Host）端是以邏輯位址（例如，邏輯區塊位址LBA或全域主機頁編號GHP…等）區別使用者資料，各邏輯位址究竟對應至快閃記憶體哪一個實體位置（位址）則記錄在L2P映射表，其中，實體位址主要可由區塊編號、頁面編號以及資料管理單位編號來表示，資料管理單位編號又可由偏移量（Offset）來表示。在多通道存取（Multi-Channel Accessing）架構下，實體位址更可包括：通道編號、邏輯單位編號（LUN）、平面編號等資訊。

記憶體控制器204在操作快閃記憶體202時都需參考或更新L2P映射表的映射資訊，例如：從快閃記憶體202中讀取使用者資料時需要參考映射資訊，對快閃記憶體202寫入使用者資料則需更新映射資訊。除了因應主機（Host）的讀、寫要求，記憶體控制器204還會主動或被動地對快閃記憶體202執行其他操作，例如：垃圾回收、空間修整、區塊資料搬移…等，以上操作也都涉及L2P映射表的映射資訊之參考或更新。

暫存記憶體206除了用以暫存L2P映射表，也可能有部分空間被規劃作為資料快取（Cache）空間222。當使用者資料被快取在暫存記憶體206的資料快取空間222時，L2P映射表中的實體位址為暫存記憶體206的實體位址，而非快閃記憶體202的實體位址。為了避免暫存記憶體206的實體位址以及快閃記憶體202的實體位址的混淆，記憶體控制器204可以在L2P映射表的實體位址中利用其中一個位元作為旗標，例如，32位元（四位元組）的實體位址規劃如下： l 位元[31]：UNC位元，供非揮發式記憶體高速通訊介面（NVMe）的UNC指令使用。 l 位元[30：29]：資訊模式（Pattern Mode）位元，00/01代表後續位元[28：0]標示快閃記憶體202的實體位址，10代表後續位元[28：0]標示暫存記憶體206的實體位址，11代表後續位元[28：0]為無意義的虛置（Dummy）數據。 l 位元[28：0]：實體位址的數值，其中，位元[28：20]記錄區塊編號，位元[19：00]記錄頁面編號以及額外資訊，例如：偏移量（offset）、通道編號CH#、邏輯單元編號（LUN）、晶片致能信號編號CE#、平面編號等。

然而，隨著快閃記憶體202製造技術之演進，每個區塊具有更多頁面數量，快閃記憶體202具有更多的資料儲存空間，因此，L2P映射表中的實體位址需要使用更多位元數才能正確地標示使用者資料的儲存位置，原本的實體位址格式已不再適用。

因此，本案提出一種實體位址格式，可應用在L2P映射表，本案中32位元的實體位址規劃如下： l 位元[31]：UNC位元，供非揮發式記憶體高速通訊介面（NVMe）的UNC指令使用； l 位元[30：0]：實體位址的數值，其中，位元[30：22]記錄區塊編號，位元[21：00]記錄頁面編號以及額外資訊。另外，本發明利用不存在的實體位址的數值來作為資訊模式位元。本發明中實體位址由31個位元所表示，而非29個位元，理論上可記錄4倍的實體位址，即4倍的資料儲存空間。

在本案實體位址格式中，資訊模式位元不再獨占任何專屬位元，而是與實體位址共用位元，並利用不存在的數值來表示資訊模式，例如，記錄區塊編號的位元[31:0]中，位元[30：22]記錄區塊編號，因此，其最大值為511。但是，快閃記憶體202的區塊編號的最大值為504，所以，數值505~511為不存在或未使用的數值，因此，資訊模式位元可由不存在或未使用的數值來替代。例如，如果數值為508，則將實體位址判斷成暫存記憶體206的實體位址；如果數值為511，則將實體位址判斷成無意義的虛置數據，其中邏輯運算可利用及、或、位移或遮罩等運算來作為位元[30：22]的數值的判斷。

第3圖為本案判斷實體位址類別方法的流程圖。步驟S302，記憶體控制器204接收來自主機208的主機命令，其中，主機命令包括命令類別以及邏輯位址，命令類別可為資料讀取、資料寫入、空間修整等等。

步驟S304，記憶體控制器204依據主機命令查詢L2P映射表以獲得實體位址。記憶體控制器204依據主機命令的邏輯位址L2P映射表以獲得實體位址，例如，獲得的實體位址Phy[31:0]是0x1F054321。

步驟S306，記憶體控制器204對實體位址(甚至，實體位址的特定位元)進行邏輯運算以取得結果值。一種實施方式是對位元[31:0] 進行邏輯運算。一種實施方式中，記憶體控制器204是對實體位址的局部位元[30:24] 進行邏輯運算，結果值為”7D”。

步驟S308，記憶體控制器204依據結果值來判斷實體位址的類別。若為第一數值，記憶體控制器204進行步驟S310，判定實體位址為無意義的虛置數據。若為第二數值，記憶體控制器204進行步驟S312，判定實體位址為暫存記憶體206的實體位址。若非第一、也非第二數值，記憶體控制器204進行步驟S314，判定實體位址為快閃記憶體202的實體位址。

第4圖為例舉(如表格400所示)本案判斷實體位址類別方法中第一數值與第二數值的設定，其中，第一數值（標號：DummySrc）以及第二數值（標號：DRAMSrc）可由下列方程式計算取得： ValidBlk = （TotalFBlk >> ShiftCnt）（方程式1） Mask=（（（1>> BlkBits）-1）*（1>> ShiftCnt））（方程式2） DummySrc = Mask （方程式3） DRAMSrc = （（（1>> BlkBits）-2）*（1>> ShiftCnt））（方程式4）

以第4圖第一行為例，一個平面的總區塊數等於504，或16進位總區塊數（標號：TotalFBlk）等於0x1F8，位移量（標號：ShiftCnt，或各區塊中複數個(寫入/儲存)單位區別用的一單位位元數UnitBits）等於21位元，依據方程式1，將TotalFBlk向左位移ShiftCnt之後即可算出最大有效值（標號：ValidBlk）等於0x3F000000，而任一大於ValidBlk的數值可作為DummySrc或DRAMSrc。

選一個超過ValidBlk的數值作為遮罩（標號：Mask），如方程式2所示，令區塊位元數（標號：BlkBits）等於9以及ShiftCnt等於21，計算可得Mask等於0x3FE00000，Mask可用於本案判斷實體位址類別方法中步驟S306之運算。

如方程式3所示，採用Mask作為DummySrc，即Mask等於DummySrc也等於0x3FE00000。之後，再依方程式4的運算可得知DRAMSrc等於0x3FC00000，DummySrc以及DRAMSrc則可用於本案判斷實體位址類別方法中步驟S308之數值辨識。

以第4圖第二行為例，一個平面的總區塊數等於236，或TotalFBlk等於0xEC，ShiftCnt等於21位元，依據方程式1，將TotalFBlk向左位移ShiftCnt之後即可算出ValidBlk等於0x3B000000，此時，令DummySrc等於0x3FC00000或DRAMSrc等於0x3F800000。

以第4圖第三行為例，一個平面的總區塊數等於1008，或TotalFBlk等於0x3D0，ShiftCnt等於21位元，依據方程式1，將TotalFBlk向左位移ShiftCnt之後即可算出ValidBlk等於0x7E000000，此時，令DummySrc等於7FE00000或DRAMSrc等於0x7FC00000。

以上記憶體控制器204對快閃記憶體202之操作設計也可以由其他結構實現。凡是利用（方程式1）實體空間標示最大有效值ValidBlk以上閒置數值來區別資訊模式（Pattern Mode），都屬於本案欲保護範圍。本案更可以前述概念實現非揮發式記憶體的控制方法。

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。

200:資料儲存裝置； 202:快閃記憶體； 204:記憶體控制器； 206:暫存記憶體； 208:主機； 210:系統資訊區塊池； 212:閒置區塊池； 214:主動區塊； 216:資料區塊池； 218:實體-邏輯位址映射表； 220:空間，用於載入邏輯-實體位址映射表； 222:資料快取空間； 400:表格； BLK:區塊； S302…S314:步驟。

第1圖圖解一區塊BLK之結構；第2圖為方塊圖，圖解根據本案一種實施方式所實施的資料儲存裝置200；第3圖為本案判斷實體位址類別方法的流程圖；第4圖為例舉本案判斷實體位址類別方法中第一數值與第二數值的設定。

200:資料儲存裝置

202:快閃記憶體

204:記憶體控制器

206:暫存記憶體

208:主機

210:系統資訊區塊池

212:閒置區塊池

214:主動區塊

216:資料區塊池

218:實體-邏輯位址映射表

220:空間，用於載入邏輯-實體位址映射表

222:資料快取空間

Claims

一種資料儲存裝置，包括：一非揮發式記憶體；以及一記憶體控制器、與一暫存記憶體，其中：該記憶體控制器根據一主機之要求存取該非揮發式記憶體；該記憶體控制器在該暫存記憶體上規劃一資料快取空間；該記憶體控制器在該暫存記憶體上動態維護映射資訊，顯示該主機辨識之邏輯位址映射的實體空間資訊；該記憶體控制器以該實體空間資訊的第一位元至第N位元標示該非揮發式記憶體的實體空間、或標示該暫存快取空間內的位址，N為大於1的數值；且該記憶體控制器不在該實體空間資訊中規劃特定位元區別該實體空間資訊是指向該非揮發式記憶體、或該資料快取空間；且該記憶體控制器是以該第一至該第N位元組成的數值中，相對該非揮發式記憶體的實體空間無意義的數值，區別該實體空間資訊是指向該非揮發式記憶體、或該資料快取空間。
如申請專利範圍第1項所述之資料儲存裝置，其中：該記憶體控制器以一遮罩處理該實體空間資訊所獲得的數值，辨識該實體空間資訊是指向該非揮發式記憶體、或該資料快取空間。
如申請專利範圍第2項所述之資料儲存裝置，其中：該記憶體控制器更以該遮罩處理該實體空間資訊所獲得的數值，辨識該實體空間資訊是否為虛置數據。
如申請專利範圍第1項所述之資料儲存裝置，其中：該記憶體控制器以一遮罩處理該實體空間資訊，並在獲得一第一數值時判定該實體空間資訊為虛置數據，獲得一第二數值時判定該實體空間資訊是指向該資料快取空間，獲得非該第一數值、也非該第二數值時判定該實體空間資訊指向該非揮發式記憶體。
如申請專利範圍第4項所述之資料儲存裝置，其中：該記憶體控制器是以該遮罩對該實體空間資訊進行邏輯及運算。
如申請專利範圍第5項所述之資料儲存裝置，其中：該非揮發式記憶體為一快閃記憶體；該快閃記憶體的複數個區塊是以一區塊位元數BlkBits區別；各區塊中的複數個單位是以一單位位元數UnitBits區別；且該記憶體控制器進行運算： Mask=（（（1>> BlkBits）-1）*（1>> UnitBits）），其中Mask為該遮罩。
如申請專利範圍第6項所述之資料儲存裝置，其中該記憶體控制器更進行運算： DummySrc = Mask；以及 DRAMSrc = （（（1>> BlkBits）-2）*（1>> UnitBits）），其中，DummySrc為該第一數值，且DRAMSrc為該第二數值。
一種非揮發式記憶體控制方法，包括：根據一主機之要求存取一非揮發式記憶體；在一暫存記憶體上規劃一資料快取空間；在該暫存記憶體上動態維護映射資訊，顯示該主機辨識之邏輯位址映射的實體空間資訊；以該實體空間資訊的第一位元至第N位元標示該非揮發式記憶體的實體空間、或標示該資料快取空間內的位址，且不在該實體空間資訊中規劃特定位元區別該實體空間資訊是指向該非揮發式記憶體、或該資料快取空間，N為大於1的數值；且以該第一至該第N位元組成的數值中，相對該非揮發式記憶體的實體空間無意義的數值，區別該實體空間資訊是指向該非揮發式記憶體、或該資料快取空間。
如申請專利範圍第8項所述之非揮發式記憶體控制方法，更包括：以一遮罩處理該實體空間資訊所獲得的數值，辨識該實體空間資訊是指向該非揮發式記憶體、或該資料快取空間。
如申請專利範圍第9項所述之非揮發式記憶體控制方法，更包括：以該遮罩處理該實體空間資訊所獲得的數值，辨識該實體空間資訊是否為虛置數據。
如申請專利範圍第8項所述之非揮發式記憶體控制方法，更包括：以一遮罩處理該實體空間資訊，並在獲得一第一數值時判定該實體空間資訊為虛置數據，獲得一第二數值時判定該實體空間資訊是指向該資料快取空間，獲得非該第一數值、也非該第二數值時判定該實體空間資訊指向該非揮發式記憶體。
如申請專利範圍第11項所述之非揮發式記憶體控制方法，更包括：以該遮罩對該實體空間資訊進行邏輯及運算。
如申請專利範圍第12項所述之非揮發式記憶體控制方法，其中：該非揮發式記憶體為一快閃記憶體；該快閃記憶體的複數個區塊是以一區塊位元數BlkBits區別；各區塊中的複數個單位是以一單位位元數UnitBits區別；且所述方法更進行運算Mask=（（（1>> BlkBits）-1）*（1>> UnitBits）），其中Mask為該遮罩。
如申請專利範圍第13項所述之非揮發式記憶體控制方法，更進行運算： DummySrc = Mask；以及 DRAMSrc = （（（1>> BlkBits）-2）*（1>> UnitBits）），其中，DummySrc為該第一數值，且DRAMSrc為該第二數值。