TWI428917B - 快閃記憶裝置、資料儲存系統、以及資料儲存系統之運作方法 - Google Patents

Description

快閃記憶裝置、資料儲存系統、以及資料儲存系統之運作方法

本發明係有關於快閃記憶體，特別是有關於快閃記憶體之資料儲存方法及裝置。

快閃記憶體包括多個區塊(block)，每一區塊包括多個頁(page)，用以儲存資料。快閃記憶體係以頁為單位進行資料寫入，而以區塊為單位進行資料抹除。亦即，當快閃記憶體接收資料時，可以個別地將資料寫入快閃記憶體之各頁中。當快閃記憶體之多個頁被寫入資料後，必須先經資料抹除，該等頁才能再度被寫入資料。然而，當快閃記憶體欲抹除資料時，必須將包含多個頁的整個區塊中所儲存的資料一併抹除。因此，唯有欲拋棄一區塊的所有頁中所儲存資料時，快閃記憶體才會對該區塊進行資料抹除。

基於上述原因，快閃記憶體之控制器對快閃記憶體進行資料抹的頻率較低。為了節省快閃記憶體的記憶空間，快閃記憶體之控制器必須在將資料寫入快閃記憶體時盡量地將資料填滿快閃記憶體的一頁。當控制器將資料寫入快閃記憶體之一特定頁時，若資料量不足填滿該特定頁，則控制器通常會先以一緩衝器儲存資料。等到緩衝器中儲存的資料已達到一頁的資料量時，控制器才會將緩衝器中儲存的資料寫入該特定頁。控制器係依據一主機的指示將資料寫入快閃記憶體。由於主機向控制器傳送的寫入資料並不一定剛好為一頁的資料量的倍數，因此控制器必須時常進行資料緩衝的動作，從而增加控制器的工作負擔，並造成寫入動作的延遲。

第1圖為將資料寫入一快閃記憶體之習知方法100的流程圖。首先，主機向快閃記憶裝置傳送資料，以供寫入快閃記憶裝置之一快閃記憶體(步驟102)。接著，快閃記憶裝置自主機接收資料(步驟104)。接著，快閃記憶裝置之一控制器是否資料的長度為快閃記憶體之一頁資料量的倍數(步驟106)。若資料的長度為快閃記憶體之一頁資料量的倍數，控制器可直接將資料寫入快閃記憶體的多個頁(步驟118)。若資料的長度不為快閃記憶體之一頁資料量的倍數，則控制器以一緩衝器儲存未滿一頁資料量之最後資料(步驟108)，並將資料中除了最後資料以外的其他資料寫入快閃記憶體的多個頁(步驟110)。接著，快閃記憶裝置自主機接收後續資料至緩衝器中(步驟112)，直到緩衝器儲存之資料已達一頁資料量為止(步驟114)。此時，控制器可再將緩衝器中所儲存之資料寫入快閃記憶體之一頁(步驟116)。

如第1圖中的步驟108~116所示，由於主機一般並不會剛好傳送資料量為一頁資料量之倍數的資料至快閃記憶裝置，因此每當主機指示快閃記憶裝置進行資料寫入時，快閃記憶裝置之控制器必須以緩衝器反覆對未滿一頁資料量的資料最後部份進行儲存，直到資料滿一頁資料量才可再次進行快閃記憶體之寫入。相較於主機發送的資料長度剛好為快閃記憶體之一頁資料量的倍數之情形，快閃記憶裝置之控制器需多進行108、112、114、116的步驟，增加控制器的工作負擔，並造成寫入動作的延遲。因此，需要一種資料儲存系統之運作方法，可以減輕控制器的工作負擔，加速寫入動作的完成，以提升快閃記憶裝置之效能。

有鑑於此，本發明之目的在於提供一種快閃記憶裝置，以解決習知技術存在之問題。於一實施例中，該快閃記憶裝置耦接至一主機，包括一快閃記憶體以及一控制器。該快閃記憶體包括多個寫入單元以供儲存資料，其中每一該等寫入單元之資料容量為一寫入單元大小。當該快閃記憶裝置自該主機接收到一讀取容量(read capacity)命令時，該控制器決定一邏輯區塊大小為該快閃記憶體之該寫入單元大小之一特定倍數，並依據該邏輯區塊大小向該主機發送該讀取容量命令之回應資料，其中該特定倍數為大於或等於一的正整數。其中當該主機收到該讀取容量命令之回應資料後，該主機由該回應資料取得該邏輯區塊大小，並僅向該快閃記憶裝置傳送長度為該邏輯區塊大小之倍數的寫入資料。

本發明提供一種資料儲存系統。於一實施例中，該資料儲存系統包括一快閃記憶裝置以及一主機。該快閃記憶裝置具有一快閃記憶體以供儲存資料。該快閃記憶體包括多個寫入單元以供儲存資料，每一該等寫入單元之資料容量為該寫入單元大小。當該快閃記憶裝置自該主機接收到一讀取容量(read capacity)命令時，該快閃記憶裝置決定一邏輯區塊大小為該快閃記憶體之一寫入單元大小之一特定倍數，並依據該邏輯區塊大小向該主機發送該讀取容量命令之回應資料，其中該特定倍數為大於或等於一的正整數。該主機向該快閃記憶裝置發送該讀取容量命令，當該主機自該快閃記憶裝置收到該讀取容量命令之回應資料後，該主機由該回應資料取得該邏輯區塊大小，並僅向該快閃記憶裝置傳送長度為該邏輯區塊大小之倍數的寫入資料。

本發明更提供一種資料儲存系統之運作方法。於一實施例中，該資料儲存系統包括一主機及一快閃記憶裝置，該快閃記憶裝置具有一快閃記憶體包括多個寫入單元以供儲存資料，每一該等寫入單元之資料容量為一寫入單元大小。首先，由該主機向該快閃記憶裝置發送一讀取容量(read capacity)命令。接著，當該快閃記憶裝置自該主機接收到一讀取容量命令時，該快閃記憶裝置決定一邏輯區塊大小為該快閃記憶體之該寫入單元大小之一特定倍數，其中該特定倍數為大於或等於一的正整數。接著，該快閃記憶裝置依據該邏輯區塊大小向該主機發送該讀取容量命令之回應資料。接著，該主機由該回應資料取得該邏輯區塊大小。最後，該主機僅向該快閃記憶裝置傳送長度為該邏輯區塊大小之倍數的寫入資料。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數較佳實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下：

第2圖為依據本發明之資料儲存系統200的區塊圖。資料儲存系統200包括主機202及快閃記憶裝置204。快閃記憶裝置204為主機202儲存進行資料儲存。於一實施例中，快閃記憶裝置204包括控制器212以及快閃記憶體214。快閃記憶體214包括多個寫入單元供儲存資料，其中每一寫入單元之資料容量為一寫入單元大小。於一實施例中，快閃記憶體214以寫入單元為單位進行資料寫入，且該等寫入單位一但被寫入資料後於未經資料抹除前無法被再度寫入資料。例如，寫入單元可為快閃記億體214之頁(page)。控制器212則依據主機202所發出的命令為主機202存取快閃記憶體214所儲存之資料。

於一實施例中，快閃記憶裝置204與主機202間溝通的介面為一通用序列匯流排(Universal Serial Bus,USB)介面，且控制器212及主機202皆支持小型計算機系統介面(Small computer system interface,SCSI)通信協議。小型計算機系統介面通信協議中包含一讀取容量(read capacity)命令，該讀取容量命令之命令代碼為0x25。當快閃記憶裝置204剛耦接至主機202時，主機202會向快閃記憶裝置204發送讀取容量命令，向快閃記憶裝置204詢問其可儲存的資料容量。第3A圖顯示讀取容量命令的格式。

當快閃記憶裝置204之控制器212自主機接收到讀取容量命令時，控制器212會先偵測快閃記憶體214之資料容量，再依據快閃記憶體214之資料容量向主機202發送讀取容量命令之一回應資料。第3B圖顯示讀取容量命令之回應資料的格式。讀取容量命令之回應資料包括兩段4位元組之資料，分別為邏輯區塊數目及邏輯區塊大小。邏輯區塊大小表示快閃記憶體214用以計算其容量大小的單位，係以一數值表示每個邏輯區塊包含多少個位元組。一實施例中，控制器212會以4個區段(sector)的大小之2048位元組對主機202進行回應。另一實施例中，控制器212會以8個區段(sector)的大小之4096位元組對主機202進行回應。邏輯區塊數目之數值表示快閃記憶體214總共包含多少個邏輯區塊。當主機202自快閃記憶裝置204收到讀取容量命令之回應資料後，便可依據邏輯區塊數目及邏輯區塊大小相乘所得之積了解快閃記憶裝置的資料容量為多少個位元組。

由於當快閃記憶裝置204自主機202收到讀取容量命令後，快閃記憶裝置204向主機202發送的回應資料包含邏輯區塊數目及邏輯區塊大小，因此快閃記憶裝置204可藉回應資料的邏輯區塊大小之值向主機202要求僅能傳送資料長度為邏輯區塊大小之倍數的資料。若主機202依據快閃記憶裝置204之要求僅向快閃記憶裝置204發送資料長度為邏輯區塊大小之倍數的寫入資料，則快閃記憶裝置204之控制器212可直接將自主機202所接收之資料寫入快閃記憶體214的多個寫入單元，而不需如第1圖的習知技術般反覆進行步驟108~116的資料緩衝。因此，控制器212的工作負擔可被顯著減輕，而快閃記憶裝置204的資料寫入動作可被加速，從而增進快閃記憶裝置204的效能。

第4圖為依據本發明之主機202與快閃記憶裝置204間傳送讀取容量命令與回應資料之方法400的流程圖。首先，快閃記憶裝置204耦接至主機202(步驟402)。接著，主機202向快閃記憶裝置204發送一讀取容量命令(步驟404)。接著，快閃記憶裝置204之控制器212檢查並取得快閃記憶體214之總資料容量及寫入單元大小(步驟406)。於一實施例中，該寫入單元大小之值為快閃記憶體214之一頁的資料量包含2048位元組。接著，控制器212決定一邏輯區塊大小之值為寫入單元大小之一特定倍數，其中該特定倍數為大於或等於一的正整數(步驟408)。

接著，控制器212將快閃記憶體214之總資料容量除以邏輯區塊大小以得到一邏輯區塊數目(步驟410)。接著，控制器212依據步驟408及410所決定的邏輯區塊數目及邏輯區塊大小值向主機202發送讀取容量命令之回應資料(步驟412)。亦即，控制器212藉讀取容量命令之回應資料要求主機202僅能向快閃記憶裝置204傳送資料長度為邏輯區塊大小之倍數的寫入資料。當主機202向快閃記憶裝置204所傳送的寫入資料之長度皆為邏輯區塊大小之倍數時，由於邏輯區塊大小為寫入單元大小之倍數，主機202向快閃記憶裝置204所傳送的寫入資料之長度亦為寫入單元大小之倍數，因此快閃記憶裝置204的控制器212不需如習知技術般進行額外的資料緩衝動作即可直接將寫入資料儲存入快閃記憶體214的多個寫入單元。

於一實施例中，快閃記憶體214的寫入單元為快閃記憶體214之頁(page)。控制器212可能因快閃記憶體214的種類而決定不同的邏輯區塊大小值。例如，當快閃記憶體214為一單層單元(single level cell,SLC)快閃記憶體時，控制器212決定邏輯區塊大小為快閃記憶體214之一頁的資料容量。當快閃記憶體214為一多層單元(multi level cell,MLC)快閃記憶體時，由於多層單元快閃記憶體的一記憶單元可儲存兩位元，控制器212決定邏輯區塊大小為快閃記憶體214之兩頁的資料容量，以便一次將快閃記憶體214之一記憶單元寫入兩位元資料。當快閃記憶體214為一三層單元(triple level cell,TLC)快閃記憶體時，由於三層單元快閃記憶體的一記憶單元可儲存三位元，控制器212決定邏輯區塊大小為快閃記憶體214之三頁的資料容量，以便一次將快閃記憶體214之一記憶單元寫入三位元資料。

第5圖為依據本發明之主機202將資料寫入快閃記憶裝置204之方法500的流程圖。首先，主機202自快閃記憶裝置204接收讀取命令之回應資料，以取得快閃記憶體之邏輯區塊大小(步驟502)。接著，若主機202欲傳送資料至快閃記憶裝置204以供寫入快閃記憶體214時(步驟504)，主機202檢查是否資料之長度為邏輯區塊大小的倍數(步驟506)。若資料長度為邏輯區塊大小的倍數(步驟506)，則主機202可直接向快閃記憶裝置204傳送資料(步驟510)。若資料長度不為邏輯區塊大小的倍數(步驟506)，則主機202必須將資料補足至邏輯區塊大小的倍數為止(步驟508)，再向快閃記憶裝置204傳送資料(步驟510)。

於一實施例中，當資料之長度不為邏輯區塊大小之倍數時(步驟506)，主機202於該資料之尾端補零，以使資料之長度為邏輯區塊大小之倍數(步驟508)。因此，主機202向快閃記憶裝置204所傳送的資料的長度永遠為邏輯區塊大小之倍數。接著，快閃記憶裝置204自主機202接收資料(步驟511)，而快閃記憶體214之控制器212將資料直接寫入快閃記憶體214的多個寫入單元(步驟512)。亦即，由於資料之長度為寫入單元大小的倍數，控制器212可直接將資料分割為資料量為寫入單元大小的多個寫入單元資料，並將該等寫入單元資料分別寫入快閃記憶體214的多個寫入單元。因此，快閃記憶裝置204的控制器212不需如習知技術般進行額外的資料緩衝動作即可直接將寫入資料儲存入快閃記憶體214的多個寫入單元，從而加速資料寫入動作，並增進快閃記憶裝置204的效能。

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，任何熟習此項技術者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，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．．．資料儲存系統

202．．．主機

204．．．快閃記憶裝置

212．．．控制器

214．．．快閃記憶體

第1圖為將資料寫入一快閃記憶體之習知方法的流程圖；

第2圖為依據本發明之資料儲存系統的區塊圖；

第3A圖顯示讀取容量命令的格式；

第3B圖顯示讀取容量命令之回應資料的格式；

第4圖為依據本發明之主機與快閃記憶裝置間傳送讀取容量命令與回應資料之方法的流程圖；

第5圖為依據本發明之主機將資料寫入快閃記憶裝置之方法的流程圖。

Claims (21)

1. 一種快閃記憶裝置，耦接至一主機，包括：一快閃記憶體，包括多個寫入單元以供儲存資料，其中每一該等寫入單元之資料容量為一寫入單元大小；以及一控制器，當該快閃記憶裝置自該主機接收到一讀取容量(read capacity)命令時，決定一邏輯區塊大小為該快閃記憶體之該寫入單元大小之一特定倍數，並依據該邏輯區塊大小向該主機發送該讀取容量命令之回應資料，其中該特定倍數為大於或等於一的正整數；其中當該主機收到該讀取容量命令之回應資料後，該主機由該回應資料取得該邏輯區塊大小，並僅向該快閃記憶裝置傳送長度為該邏輯區塊大小之正整數倍數的寫入資料。
2. 如申請專利範圍第1項所述之快閃記憶裝置，其中當該快閃記憶裝置自該主機接收到該寫入資料，該控制器將該寫入資料分割為資料量為該寫入單元大小的多個寫入單元資料，並將該等寫入單元資料寫入該快閃記憶體的該等寫入單元。
3. 如申請專利範圍第1項所述之快閃記憶裝置，其中該快閃記憶體以該寫入單元為單位進行資料寫入，且該等寫入單位一但被寫入資料後於未經資料抹除前無法被再度寫入資料。
4. 如申請專利範圍第1項所述之快閃記憶裝置，其中當該快閃記憶裝置自該主機接收到該讀取容量命令時，該控制器取得該快閃記憶體之總資料容量，將該總資料容量 除以該邏輯區塊大小以得到一邏輯區塊數目，並依據該邏輯區塊大小以及該邏輯區塊數目向該主機發送該讀取容量命令之回應資料。
5. 如申請專利範圍第1項所述之快閃記憶裝置，其中該主機於傳送該寫入資料前檢查是否該寫入資料之長度為該邏輯區塊大小之倍數，當該寫入資料之長度不為該邏輯區塊大小之倍數時，該主機於該寫入資料之尾端補零，以使該寫入資料之長度為該邏輯區塊大小之倍數。
6. 如申請專利範圍第1項所述之快閃記憶裝置，其中該等寫入單元為該快閃記憶體之頁(page)。
7. 如申請專利範圍第1項所述之快閃記憶裝置，其中當該快閃記憶體為一單層單元(single level cell,SLC)快閃記憶體時，該控制器決定該邏輯區塊大小為該快閃記憶體之一頁的資料容量；當該快閃記憶體為一多層單元(multi level cell,MLC)快閃記憶體時，該控制器決定該邏輯區塊大小為該快閃記憶體之兩頁的資料容量；當該快閃記憶體為一三層單元(triple level cell,TLC)快閃記憶體時，該控制器決定該邏輯區塊大小為該快閃記憶體之三頁的資料容量。
8. 一種資料儲存系統，包括：一快閃記憶裝置，具有一快閃記憶體以供儲存資料，當該快閃記憶裝置自一主機接收到一讀取容量(read capacity)命令時，決定一邏輯區塊大小為該快閃記憶體之一寫入單元大小之一特定倍數，並依據該邏輯區塊大小向該主機發送該讀取容量命令之回應資料，其中該特定倍數 為大於或等於一的正整數，且該快閃記憶體包括多個寫入單元以供儲存資料，每一該等寫入單元之資料容量為該寫入單元大小；以及該主機，向該快閃記憶裝置發送該讀取容量命令，當該主機自該快閃記憶裝置收到該讀取容量命令之回應資料後由該回應資料取得該邏輯區塊大小，以及僅向該快閃記憶裝置傳送長度為該邏輯區塊大小之正整數倍數的寫入資料。
9. 如申請專利範圍第8項所述之資料儲存系統，其中當該快閃記憶裝置自該主機接收到該讀取容量命令時，該快閃記憶裝置取得該快閃記憶體之總資料容量，將該總資料容量除以該邏輯區塊大小以得到一邏輯區塊數目，並依據該邏輯區塊大小以及該邏輯區塊數目向該主機發送該讀取容量命令之回應資料。
10. 如申請專利範圍第8項所述之資料儲存系統，其中該主機於傳送該寫入資料前檢查是否該寫入資料之長度為該邏輯區塊大小之倍數，當該寫入資料之長度不為該邏輯區塊大小之倍數時，該主機於該寫入資料之尾端補零，以使該寫入資料之長度為該邏輯區塊大小之倍數。
11. 如申請專利範圍第8項所述之資料儲存系統，其中該快閃記憶體以該寫入單元為單位進行資料寫入，且該等寫入單位一但被寫入資料後於未經資料抹除前無法被再度寫入資料。
12. 如申請專利範圍第8項所述之資料儲存系統，其中當該快閃記憶裝置自該主機接收到該寫入資料時，該快 閃記憶裝置將該寫入資料分割為資料量為該寫入單元大小的多個寫入單元資料，並將該等寫入單元資料寫入該快閃記憶體的該等寫入單元。
13. 如申請專利範圍第8項所述之資料儲存系統，其中該等寫入單元為該快閃記憶體之頁(page)。
14. 如申請專利範圍第8項所述之資料儲存系統，其中當該快閃記憶體為一單層單元(single level cell,SLC)快閃記憶體時，該快閃記憶裝置決定該邏輯區塊大小為該快閃記憶體之一頁的資料容量；當該快閃記憶體為一多層單元(multi level cell,MLC)快閃記憶體時，該快閃記憶裝置決定該邏輯區塊大小為該快閃記憶體之兩頁的資料容量；當該快閃記憶體為一三層單元(triple level cell,TLC)快閃記憶體時，該快閃記憶裝置決定該邏輯區塊大小為該快閃記憶體之三頁的資料容量。
15. 一種資料儲存系統之運作方法，其中該資料儲存系統包括一主機及一快閃記憶裝置，該快閃記憶裝置具有一快閃記憶體包括多個寫入單元以供儲存資料，每一該等寫入單元之資料容量為一寫入單元大小，該方法包括下列步驟：由該主機向該快閃記憶裝置發送一讀取容量(read capacity)命令；當該快閃記憶裝置自該主機接收到一讀取容量命令時，該快閃記憶裝置決定一邏輯區塊大小為該快閃記憶體之該寫入單元大小之一特定倍數，其中該特定倍數為大於或等於一的正整數； 該快閃記憶裝置依據該邏輯區塊大小向該主機發送該讀取容量命令之回應資料；該主機由該回應資料取得該邏輯區塊大小；以及該主機僅向該快閃記憶裝置傳送長度為該邏輯區塊大小之正整數倍數的寫入資料。
16. 如申請專利範圍第15項所述之資料儲存系統之運作方法，其中該快閃記憶體以該寫入單元為單位進行資料寫入，且該等寫入單位一但被寫入資料後於未經資料抹除前無法被再度寫入資料。
17. 如申請專利範圍第15項所述之資料儲存系統之運作方法，其中該讀取容量命令之回應資料之發送步驟更包括：該快閃記憶裝置取得該快閃記憶體之總資料容量；該快閃記憶裝置將該總資料容量除以該邏輯區塊大小以得到一邏輯區塊數目；以及該快閃記憶裝置依據該邏輯區塊大小以及該邏輯區塊數目向該主機發送該讀取容量命令之回應資料。
18. 如申請專利範圍第15項所述之資料儲存系統之運作方法，其中該寫入資料之傳送步驟包括：該主機於傳送該寫入資料前檢查是否該寫入資料之長度為該邏輯區塊大小之倍數；以及當該寫入資料之長度不為該邏輯區塊大小之倍數時，該主機於該寫入資料之尾端補零，以使該寫入資料之長度為該邏輯區塊大小之倍數。
19. 如申請專利範圍第15項所述之資料儲存系統之運 作方法，其中該方法更包括：當該快閃記憶裝置自該主機接收到該寫入資料時，該快閃記憶裝置將該寫入資料分割為資料量為該寫入單元大小的多個寫入單元資料；以及該快閃記憶裝置將該等寫入單元資料寫入該快閃記憶體的該等寫入單元。
20. 如申請專利範圍第15項所述之資料儲存系統之運作方法，其中該等寫入單元為該快閃記憶體之頁(page)。
21. 如申請專利範圍第15項所述之資料儲存系統之運作方法，其中該邏輯區塊大小之決定步驟包括：當該快閃記憶體為一單層單元(single level cell,SLC)快閃記憶體時，該快閃記憶裝置決定該邏輯區塊大小為該快閃記憶體之一頁的資料容量；當該快閃記憶體為一多層單元(multi level cell,MLC)快閃記憶體時，該快閃記憶裝置決定該邏輯區塊大小為該快閃記憶體之兩頁的資料容量；以及當該快閃記憶體為一三層單元(triple level cell,TLC)快閃記憶體時，該快閃記憶裝置決定該邏輯區塊大小為該快閃記憶體之三頁的資料容量。