TWI395102B

TWI395102B - 資料儲存裝置與方法

Info

Publication number: TWI395102B
Application number: TW98133555A
Authority: TW
Inventors: Bo Zhang; Honggang Chai; Liang Chen
Original assignee: Via Tech Inc
Priority date: 2009-10-02
Filing date: 2009-10-02
Publication date: 2013-05-01
Also published as: TW201113702A

Description

資料儲存裝置與方法

本發明係有關於一種資料儲存裝置、以及所使用之資料儲存方法。

除了盤式硬碟、光碟…等，現今已發展出其他資料儲存技術。以固態式硬碟(Solid State Disc，SSD)為例，其中利用NAND Flash(NAND快閃記憶體)作為資料儲存單元，並搭配一記憶體控制單元控制NAND快閃記憶體之讀寫；固態式硬碟常被用來取代傳統之盤式硬碟技術。

第1圖圖解一以NAND快閃記憶體作為資料儲存單元的資料儲存裝置100。資料儲存裝置100包括NAND快閃記憶體101和記憶體控制單元102，其中NAND快閃記憶體101具有複數個區塊(blocks，編號為block₁ 、block₂ 、…、block_n )。該些區塊各自包括複數個頁(pages)；例如，區塊block₁ 即包括複數個頁page(1)、page(2)、…、page(m)。

主機(host，未繪示)通過該記憶體控制單元102對該NAND快閃記憶體101進行讀寫。於讀/寫操作中，主機端程序所使用的位址資訊稱為「邏輯位址」，需先轉換為「物理位址」才能對應至NAND快閃記憶體101所提供的物理空間。資料儲存裝置100通常需要另行提供空間儲存上述邏輯-物理位址映射。一般而言，所有的邏輯-物理位址映射關係構成一邏輯-物理位址映射表(稱為mapping table)；該邏輯-物理位址映射表的內容通常由資料儲存裝置100的記憶體控制單元102決定。

在以NAND快閃記憶體為資料存儲單元的資料儲存裝置的應用中，上述邏輯位址、物理位址通常以「頁/page」為單位運作。寫入操作可令第1圖所示之NAND快閃記憶體101的物理空間以「頁」為單位被填寫，例如，寫入資料至第1圖所示之物理空間-頁page(1)。然而，NAND快閃記憶體有一特性：使用過的物理空間必須經過一擦除動作後才能再被寫入資料。因此，若寫入動作為覆寫(overwrite)一邏輯位址，資料並非覆寫至該邏輯位址原本對應的物理空間，記憶體控制單元102必須重新配置一閒置的物理空間給該邏輯位址使用。因此，邏輯位址覆寫操作需要修改關於該邏輯位址的邏輯-物理位址映射。至於該邏輯位址先前所對應的物理位址則視為無效物理地址，其上資料亦被視為無效(dirty)。

至於NAND快閃記憶體儲存空間的擦除則通常以「區塊/block」為單位，本技術領域通常稱此以區塊為單位進行擦除以釋放出可寫入區塊(free block)之技術為垃圾收集(garbage collection)。舉例說明之，垃圾收集會選定一區塊(block)-例如block₁ -來釋放；在釋放該區塊前，必須先將該區塊內的有效資料拷貝至其他區塊例如block₂ ，再將該區塊擦除，使其為可寫入區塊。

上述NAND快閃記憶體101的寫入規則在檔案安全性管理上有極大的漏洞。例如，覆寫動作所產生的無效物理位址之資料其實並未被擦除，而由於覆蓋寫後邏輯位址映射至新的物理位址，該無效物理位址上之無效資料則失去了與邏輯位址的映射關係，造成主機端無法追蹤這些無效資料。經時間累積，這些無效資料可能散落在NAND快閃記憶體101多個不同的區塊，這些無效資料極有可能被有心人士回復，對於安全性要求較高的檔案資料來說，這是較大的安全隱患。此外，垃圾收集時，可能發生釋放的區塊仍存在重要資料的狀況。例如，普通垃圾收集釋放區塊時，對區塊上的有效資料僅進行普通擦除，然而，普通擦除並不能保證其上已無效的重要資料不會被有心人士恢復。因此，本技術領域需要發展新的技術，以提高資料安全性。

本發明提供一種資料儲存裝置，其中包括一記憶體控制單元、與一第一、一第二以及一第三記憶體。第一記憶體的儲存空間由多個物理位址區分。第二記憶體儲存一邏輯-物理位址映射表。第三記憶體儲存至少一關鍵邏輯位址。記憶體控制單元耦接於一主機與上述第一、第二和第三記憶體之間，於一寫入操作下自該主機接收一邏輯位址與一寫入資料。該記憶體控制單元更包括：一安全性模組以及一邏輯-物理位址配置模組。安全性模組負責判斷該邏輯位址是否等於上述關鍵邏輯位址之一，如果相等則依據該關鍵邏輯位址查詢該第二記憶體，以得到一關鍵物理位址。在該安全性模組查詢到該關鍵物理位址後，邏輯-物理位址配置模組配置閒置的一物理位址給該邏輯位址儲存上述寫入資料，並據以更新該第二記憶體所儲存的上述邏輯-物理位址映射表。

基於第三記憶體所紀錄的內容，記憶體控制單元可掌握高重要性檔案所相關之所有邏輯位址，有助於提高資料儲存安全性。

此外，本發明亦提供一種資料儲存方法，包括：在一寫入操作下接收一邏輯位址以及一寫入資料；判斷該邏輯位址是否等於一第三記憶體中所儲存之至少一關鍵邏輯位址之一；如果該邏輯位址等於其中一關鍵邏輯位址，則依據該關鍵邏輯位址查詢一第二記憶體所儲存的一邏輯-物理位址映射表，以得到一關鍵物理位址；以及，在查詢到該關鍵物理位址後，配置閒置的一物理位址給該邏輯位址儲存上述寫入資料，並據以更新該第二記憶體所儲存的上述邏輯-物理位址映射表。

同樣地，基於該第三記憶體所紀錄的內容，使用者可掌握高重要性檔案所相關之所有邏輯位址，有助於提高資料儲存安全性。

第2圖以方塊圖圖解本案一種實施方式，其中資料儲存裝置202至少包括：一記憶體控制單元204、一第一記憶體206、一第二記憶體208、以及一第三記憶體210。記憶體控制單元204具有一邏輯物理位址配置模組212與一安全性模組214。上述邏輯物理位址配置模組212與安全性模組214可以韌體方式實現、或以硬體電路方式實現、或以軟硬體共同設計完成之。上述第一、第二以及第三記憶體206～210可為同一記憶體元件、亦或為不同的記憶體元件組合為之。例如，第一記憶體206可為一NAND記憶體，第二與第三記憶體可為一RAM或其他。

第一記憶體206負責提供物理儲存空間實現此資料儲存裝置202之資料儲存功能，其中空間以「物理位址」區分。第二記憶體208則負責儲存邏輯-物理位址映射表(mapping table)，其內容由記憶體控制單元204之邏輯物理位址配置模組212決定。第三記憶體210則用來紀錄具有高重要性的邏輯位址，其中內容由安全性模組214決定。

此段落舉例說明上述三部分記憶體206～210之運作，其中，一高重要性檔案的資料為2kB，而第一記憶體206中一個「物理位址」對應的儲存空間的大小為512byte。邏輯-物理位址配置模組212會將該高重要性檔案的資料劃分至4個「邏輯位址」分別儲存在該第一記憶體206中對應的4個「物理位址」中。安全性模組214會將此4個「邏輯位址」視為「關鍵邏輯位址」(key Logic Page Address,key LPA)紀錄在第三記憶體210中。第三記憶體210所紀錄的內容將有助於提升資料儲存安全。高重要性檔案是指其資料的安全級別較高，需要本發明所揭露之技術來保障的檔案，而一檔案是否為高重要性檔案是由使用者決定並記錄在主機222，後面第6圖會詳細說明。

由於第三記憶體210記錄有「關鍵邏輯位址」的資訊，後續的寫入操作可以以下方式實現。第3圖圖解其流程圖。寫入操作發生時，主機222傳送一邏輯位址以及一寫入資料由記憶體控制單元204接收(步驟S300)。安全性模組214必須進行步驟S301判斷該邏輯位址是否已經由第三記憶體210標示為關鍵邏輯位址。若該邏輯位址屬於關鍵邏輯位址，則安全性模組214執行步驟S302，查詢第二記憶體208所儲存的邏輯-物理位址映射表，找到該邏輯位址即將被標示為無效的物理位址，以下稱之為關鍵物理位址(key Physical Page Address,key PPA)。接著，安全性模組214實行步驟S303，對該關鍵物理位址內的即將無效的資料進行安全擦除，以避免有心人士將其回復利用。此外，在本次寫入操作下的寫入資料也有可能不屬於高重要性檔案，但若該邏輯位址仍作為關鍵邏輯位址殘留在第三記憶體210中不刪除，則主機222下達指令指示完整刪除該高重要性檔案時，則會錯誤刪除已不屬於該高重要性檔案的資料。因此，安全性模組214更可執行第3圖流程之步驟S304，確認該寫入資料是否仍屬於高重要性檔案。若該寫入資料已經不屬於高重要性檔案，安全性模組214執行步驟S305，將該邏輯位址自該第三記憶體210刪除，以維持第三記憶體210的正確性。若確認該寫入資料仍是一高重要性檔案的一部分，則邏輯一物理位址配置模組212開始動作，配置一個閒置的物理位址給該邏輯位址，該寫入資料將根據該物理位址寫入該第一記憶體206，且第二記憶體208所儲存的邏輯一物理位址映射表也會隨之更新。

另外，若步驟S301中，安全性模組214判斷第三記憶體210根本沒有該邏輯位址的資料，則安全性模組214執行步驟S306，確認該寫入資料是否屬於一高重要性檔案。此步驟是用來應付某些特定狀況，例如，在高重要性檔案對應的資料增加時，主機222會分配新的邏輯位址給新增加的寫入資料，但該邏輯位址之前並未記錄在第三記憶體210中，因此需要在步驟S301後更設計步驟S306，以避免誤判發生。若步驟S306也確定該寫入資料不屬於高重要性檔案，則改由邏輯物理位址配置模組212動作，執行步驟S308，配置一個閒置的物理位址給該邏輯位址，該寫入資料將根據該物理位址寫入該第一記憶體206，且第二記憶體208所儲存的邏輯-物理位址映射表也會隨之更新。反之，若步驟S306判斷出，該寫入資料事實上屬於一高重要性檔案，則安全性模組214會將該邏輯位址增添至該第三記憶體210，視之為關鍵邏輯位址(步驟S307)。

關於步驟S303「安全擦除動作」，有多種實施方式。第4圖以NAND快閃記憶體為例，舉例說明該「安全擦除動作」；其中，NAND快閃記憶體的擦除動作需以「區塊/block」為單位。參閱圖示，頁402為圖3步驟S302所取得之關鍵物理位址所在，由於其所對應之邏輯位址已有新的寫入動作發生，故該關鍵物理位址的內容將成為無效之高重要性資料，需被安全擦除。在此說明例中，頁402所屬之區塊block_k 仍存有有效資料404、406，其餘為無效之不重要資料如408、410。為了安全擦除頁402內的無效但高重要性資料，本發明先把區塊block_k 內的有效資料404、406拷貝到另一個區塊block_l ，再對整個區塊block_k 進行安全擦除。安全擦除的程序可包括：將整個區塊block_k 寫入資料’1’；再將整個區塊block_k 寫入資料’0’。若欲提高安全等級，可反覆進行上述擦除程序。

在某些實施方式中，第二與第三記憶體208與210可能具有揮發性(volatile)。為了避免第二與第三記憶體208與210所儲存的資料因為掉電而流失，第二記憶體208和第三記憶體210所存儲的邏輯-物理位址映射表(mapping table)和關鍵邏輯位址可在資料儲存裝置202上電前與資料一起存儲在第一記憶體206中，而在資料儲存裝置202上電後，由記憶體控制單元204載入第二記憶體208和/或第三記憶體210中。

本發明除了對第一記憶體206(NAND快閃記憶體)中資料的覆寫進行安全性保護，更對其中「檔案刪除」、釋放空間之「垃圾收集」提出安全性問題的解決方案。該些技術皆基於第三記憶體210所紀錄的內容。

參閱第2圖，若主機222指示完整刪除一份高重要性檔案，記憶體控制單元204之安全性模組214將查詢該第三記憶體210，找出其中該高重要性檔案對應的所有關鍵邏輯位址，並據以自該第二記憶體208找出對應的所有關鍵物理位址。安全性模組214將對查詢到的所有關鍵物理位址進行前述「安全擦除動作」。

本發明更揭露一種高安全性的垃圾收集技術(釋放第一記憶體206之物理空間)，以避免釋放出的儲存空間包含無效之高重要性資料。在第一記憶體206為NAND快閃記憶體的例子中，於釋放該第一記憶體206之空間時，可以安全性模組214確認所釋放的區塊不包含關鍵物理位址。如此一來，便不會發生將未安全擦除之重要資料釋出的狀況。然而，此方式會使可釋放的區塊數量受限制，影響系統效能。因而，本案更揭露另一種實施方式，其中，於釋放第一記憶體206之空間前，安全性模組214會先判斷所欲釋放的區塊是否包含關鍵物理位址。若包含關鍵物理位址，則記憶體單元204在釋放該區塊時會進行前述「安全擦除動作」。

然而，前述「安全擦除動作」的頻率過高，對系統效能有很大的影響。因此，本案更揭露其他實施方式。參閱第2圖，其中第四記憶體216即為該些實施方式所設置。該第四記憶體216乃用來紀錄需要進行「安全擦除動作」的物理位址(本說明書稱之為無效關鍵物理位址，dirty key PPA)。如此一來耗費資源的「安全擦除操作」無須時時執行，可在累積至一定量、或一定時間後再一併執行。第5圖為此種類實施方式之覆寫操作(overwrite)的流程圖。第5圖與第3圖不同之處僅在於步驟S503(取代步驟S303)：安全性模組214會將步驟S302所取得的關鍵物理位址標識為「無效關鍵物理位址」紀錄於第四記憶體216中，而非立即對其進行安全擦除。安全性模組214可以時間為單位，每隔一定時間對第四記憶體216中累積的無效關鍵物理位址進行前述「安全擦除動作」。或者，在另一種實施方式中，安全性模組214於第四記憶體216中累積的無效關鍵物理位址達到一定數量後對其進行前述安全擦除動作。

對應第5圖之技術，討論相關的一檔案刪除操作。當主機222(host)下達指令刪除一高重要性檔案時，此類實施方式不僅需要考慮第三記憶體210內的資料(即所記錄的關鍵邏輯位址)，更要考慮第四記憶體216的內容(即所記錄的無效關鍵物理位址)。安全性模組214所執行的動作包括：根據第三記憶體210內關於該高重要性檔案的所有關鍵邏輯位址自該第二記憶體208找出對應的所有關鍵物理位址，並對其進行上述安全擦除動作；以及對該第四記憶體216內關於該高重要性檔案的所有無效關鍵物理位址進行上述安全擦除動作。

此外，對應第5圖之技術，討論相關的一垃圾收集技術，其中需根據第三記憶體210紀錄之所有關鍵邏輯位址查詢第二記憶體208所儲存的邏輯-物理位址映射表以得到該些關鍵邏輯位址所映射的該些關鍵物理位址，並查詢第四記憶體216累積記錄的所有的無效關鍵物理位址。在第一記憶體206為NAND快閃記憶體的例子中，進行垃圾收集釋放該第一記憶體206之空間時，安全性模組214將作用，以避免釋放包含關鍵物理位址和無效關鍵物理位址的區塊(block)。另有一種實施方式，其中，進行垃圾收集釋放第一記憶體206之空間時，安全性模組214會先判斷所欲釋放的區塊是否包含關鍵物理位址或無效關鍵物理位址，若包含，則在釋放該區塊時會進行前述安全擦除動作。

本發明更揭露主機端的實施方式。參閱第2圖，主機222包括一控制單元224、一第五記憶體226、以及一第六記憶體228。使用者可根據自身需要將高重要性檔案標示於該第五記憶體226，控制單元224將上述高重要性檔案所使用之關鍵邏輯位址(key LPA)紀錄於第六記憶體228。第6圖圖解第五、第六記憶體226、228之間的關係。第五記憶體226記載的高重要性檔案包括：檔案1與檔案2，使用者可以根據需要增加或刪除第五記憶體226的記載。檔案1所使用到的關鍵邏輯位址紀錄於第六記憶體228之區域602中。檔案2所使用到的關鍵邏輯位址紀錄於第六記憶體228之區域604中。參閱第2圖，控制單元224與記憶體控制單元204溝通，使第三記憶體210與第六記憶體228同步。此外，控制單元224與記憶體控制單元204之間的溝通令記憶體控制單元204之安全性模組214可在前述第3圖之步驟S304及S306中根據第五記憶體226的記載就可以判斷寫入資料是否屬於一高重要性檔案。

參閱第2圖，記憶體控制單元204對第三記憶體210的前述內容控制，亦可改由主機222端控制單元224對第六記憶體228實行，再藉由控制單元224與記憶體控制單元204之通訊令第三記憶體210同步第六記憶體228。控制單元224對記憶體226和228的操作、以及與記憶體控制單元204進行通訊可藉由在主機222端增加一應用程式的方式實現，也可以是以硬體的方式實現。

本發明提供了資料儲存裝置，尤其是以快閃記憶體為資料儲存單元的儲存裝置。由於快閃記憶體每次寫入新資料都會映射至新的物理位址，則無效物理位址上之無效資料會失去與邏輯位址的映射關係而造成主機端無法追蹤這些無效資料的問題。本發明藉由記錄高重要性檔案所相關之所有邏輯位址，並在寫入資料、完整刪除和垃圾收集時採取相應的安全策略，例如對無效物理位址做即時的安全擦除或者將該無效物理位址記錄下來等安全策略，使得這些無效資料不會被有心人士恢復，有助於提高資料儲存安全性。

以上說明書敘述僅列舉本發明的某些實施方式，並非用來限定本發明範圍。本技術領域者根據本發明與現有技術所衍伸出來的任何變形與改良皆涉及本發明技術範圍。申請專利範圍並非僅限定於說明書實施例內容，更包括本技術領域者依照其敘述所能想像到的任何變形。

100．．．資料儲存裝置

101．．．NAND快閃記憶體

102．．．記憶體控制單元

202．．．資料儲存裝置

204．．．記憶體控制單元

206、208、210．．．第一、第二、第三記憶體

212．．．邏輯-物理位址配置模組

214．．．安全性模組

216．．．第四記憶體

222．．．主機

224．．．控制單元

226、228．．．第五、第六記憶體

402．．．具有無效之高重要性資料的頁

404、406．．．有效資料

408、410．．．無效之不重要資料

602．．．存有檔案1所使用到的關鍵邏輯位址紀錄

604．．．存有檔案2所使用到的關鍵邏輯位址紀錄

block₁ …block_n 、block_k 、block_l ．．．NAND快閃記憶體之區塊

以及

page(1)…page(m)．．．區塊block₁ 的複數個頁

第1圖圖解NAND快閃記憶體的物理空間；

第2圖以方塊圖圖解本案一種實施方式；

第3圖圖解本發明一實施方式的覆寫操作流程圖；

第4圖以NAND快閃記憶體為例，舉例說明本案安全擦除動作的一種實施方式；

第5圖圖解本發明另一實施方式的覆寫操作流程圖；以及

第6圖圖解第五、第六記憶體226、228之間的關係。