TWI516922B - 資料儲存裝置及快閃記憶體零散資料收集方法 - Google Patents

Description

資料儲存裝置及快閃記憶體零散資料收集方法

本發明係有關於快閃記憶體，特別是有關於具有快閃記憶體之資料儲存裝置及快閃記憶體零散資料收集方法。

快閃記憶體為一種普遍的非揮發性資料儲存裝置，係以電性方式抹除與程式化。以非及閘型的快閃記憶體(即NAND FLASH)為例，常用作記憶卡(memory card)、通用序列匯流排閃存裝置(USB flash device)、固態硬碟(SSD)、嵌入式快閃記憶體模組(eMMC)…等使用。

快閃記憶體(如，NAND FLASH)的儲存陣列包括複數個區塊(blocks)。各區塊包括複數頁(pages)。若欲釋放使用過的區塊為備用區塊(spare block)，整個區塊的所有頁都必須一次性抹除。零散資料收集(garbage collection)用於將分散於多個區塊中的有效資料移動到一備用空間，使得該些多個區塊僅遺留下無效資料，因而得以被抹除且釋放作備用區塊。

然而，傳統的零散資料收集方法通常耗費大量資源以及運算，而且往往無法有效地進行快閃記憶體之耗損平衡。

本發明係提供一種資料儲存裝置，耦接至一主機，該資料儲存裝置包括：一快閃記憶體，包括一備用區塊池以及一資料區塊池，其中該備用區塊池包括複數個備用區塊，且該資料區塊池包括複數個資料區塊；以及一控制器，接收來自該主機的一目標資料，將該目標資料寫至該等資料區塊之一目前資料區塊中，其中當該控制器判斷需執行一耗損平衡程序以寫入該目標資料時，該控制器係將各資料區塊之一抹除次數進行排序；其中當該控制器判斷該等資料區塊中之任意兩個區塊未同時具有一最小抹除次數時，該控制器更判斷該等資料區塊中之至少一第一區塊所相應的該抹除次數與該最小抹除次數之差值是否小於一第一臨界值，其中當該等資料區塊中之至少一第一區塊所相應的該抹除次數與該最小抹除次數之差值小於一第一臨界值，該控制器係由該至少一第一區塊中選擇具有一最小有效分頁數量之一第二區塊以執行一資料清除程序，藉以將該第二區塊中之有效分頁寫入該等備用區塊中之一者。

本發明更提供一種快閃記憶體資料清除方法，用於耦接至一主機之一快閃記憶體，其中該快閃記憶體包括一備用區塊池以及一資料區塊池，其中該備用區塊池包括複數個備用區塊，且該資料區塊池包括複數個資料區塊，該方法包括：接收來自該主機的一目標資料，將該目標資料寫至該等資料區塊之一目前資料區塊；當執行一耗損平衡程序以寫入該目標資料時，將各資料區塊之一抹除次數進行排序；當該等資料區塊中之任意兩個區塊未同時具有該最小抹除次數時，判斷該等資 料區塊中之至少一第一區塊所相應的該抹除次數與該最小抹除次數之差值是否小於一第一臨界值；以及當該等資料區塊中之至少一第一區塊所相應的該抹除次數與該最小抹除次數之差值小於一第一臨界值，由該至少一第一區塊中選擇具有一最小有效分頁數量之一第二區塊，並將該第二區塊中之有效分頁寫入該等備用區塊中之一者以執行一資料清除程序。

本發明更提供一種資料儲存裝置，耦接至一主機，該資料儲存裝置包括：一快閃記憶體，包括一備用區塊池以及一資料區塊池，其中該備用區塊池包括複數個備用區塊，且該資料區塊池包括複數個資料區塊；以及一控制器，接收來自該主機的一目標資料，將該目標資料寫至該等資料區塊之一目前資料區塊中，其中當該控制器判斷需執行一耗損平衡程序以寫入該目標資料時，該控制器係將各資料區塊之一抹除次數進行排序；其中當該控制器判斷該等資料區塊中之至少兩個第一區塊同時具有一最小抹除次數時，該控制器係對各第一區塊之一有效分頁數量進行排序，由該等第一區塊中選擇具有一最小有效分頁數量之一第二區塊，並將該第二區塊中之有效分頁寫入該等備用區塊中之一者以執行一資料清除程序。

本發明更提供一種快閃記憶體資料清除方法，用於耦接至一主機之一快閃記憶體，其中該快閃記憶體包括一備用區塊池以及一資料區塊池，其中該備用區塊池包括複數個備用區塊，且該資料區塊池包括複數個資料區塊，該方法包括：接收來自該主機的一目標資料，將該目標資料寫至該等資料區塊之一目前資料區塊；當執行一耗損平衡程序以寫入該目標資 料時，將各資料區塊之一抹除次數進行排序；當該等資料區塊中之至少兩個第一區塊同時具有一最小抹除次數時，對各第一區塊之一有效分頁數量進行排序；以及由該等第一區塊中選擇具有一最小有效分頁數量之一第二區塊，並將該第二區塊中之有效分頁寫入該等備用區塊中之一者以執行一資料清除程序。

100‧‧‧電子系統

110‧‧‧主機

120‧‧‧資料儲存裝置

130‧‧‧快閃記憶體

140‧‧‧控制器

142‧‧‧運算單元

144‧‧‧記憶體單元

150‧‧‧備用區塊池

160‧‧‧資料區塊池

151-15n‧‧‧備用區塊

161-16m‧‧‧資料區塊

S202-S230‧‧‧步驟

第1圖係本發明之一種實施例之電子系統之方塊圖。

第2A-2B圖係顯示依據本發明一實施例中之快閃記憶體零散資料收集方法的流程圖。

為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

第1圖係本發明之一種實施例之電子系統之方塊圖。電子系統100包括一主機110以及一資料儲存裝置120。資料儲存裝置120包括一快閃記憶體130以及一控制器140，且可根據主機110所下達的命令操作。控制器140包括一運算單元142以及一記憶體單元(如，唯讀記憶體ROM)144。記憶體單元144與所載之程式碼、資料組成韌體(firmware)，由運算單元142執行，使控制器140基於該韌體控制該快閃記憶體130。快閃記憶體130包括複數區塊(block)，並且每一區塊包括複數分頁(page)。

在一實施例中，快閃記憶體130包括備用區塊池 (spare block pool)150以及資料區塊池(data block pool)160。備用區塊池150包括用以儲存無效資料的複數備用區塊151~15n。資料區塊池130包括用以儲存資料的複數資料區塊161~16m。在一實施例中，控制器140根據主機110所送出的指令管理快閃記憶體130內之區塊。快閃記憶體130係根據一實體位址指定一區塊，而主機110係根據一邏輯位址指定一區塊。因此，控制器140必須將主機110所送出的邏輯位址轉換成一實體位址。在一實施例中，控制器140將區塊的邏輯位址及實體位址間的對應關係紀錄在一位址鏈結表內。

每一個資料區塊161~16m包括複數分頁。當資料儲存在資料區塊的一分頁時，該分頁被稱為一資料分頁。當該分頁具有一對應的邏輯位址時，該分頁稱為有效分頁。在一實施例中，控制器140個別地計算資料區塊161~16m中每一資料區塊的有效分頁之總數用以獲得一有效分頁數量，並且將資料區塊161~16m的有效分頁數量記錄到一有效數量表中。另外，區塊被抹除的次數被稱為該區塊的抹除次數。在一實施例中，控制器140亦將快閃記憶體130中所有區塊的抹除次數紀錄在一抹除次數表中。在一實施例中，快閃記憶體130更包括該有效數量表及該抹除次數表(第1圖未繪示)。

在一實施例中，當主機(host)110連續寫入資料至資料儲存裝置120，在快閃記憶體130之備用區塊池150中的有效備用區塊(spare block)的數量可能剩餘不多。接著，主機110再對資料儲存裝置120反覆不斷地讀取幾個分頁長度的資料後，並強制對資料儲存裝置120斷電再上電(意即電源間歇中斷 (power cycling))。在處理每次的電源間歇中斷時，控制器140會判斷備用區塊之數量是否低於一臨界值(critical threshold)。當備用區塊之數量低於該臨界值時，控制器140係啟動零散資料收集(garbage collection)的動作。

更進一步而言，在開始進行零散資料收集的動作之前，控制器140需先由資料區塊中決定一清除來源區塊(clean source block)，並由備用區塊中決定一清除目的區塊(clean destination block)。控制器140在決定清除來源區塊時，是先將各區塊的抹除次數(erase count)進行排序，選擇具有最小抹除次數的區塊以做為該清除來源區塊。若有多個區塊同時具有最小抹除次數，則控制器140係選擇在排序中具有最小抹除次數的第一個區塊。然而，若被選擇的該清除來源區塊中有太多有效分頁(valid page)，則表示該次執行的零散資料收集動作所能清出的備用區塊就愈少。在最差的情況下，控制器140需要執行多次的零散資料收集動作才能清出一個完整的備用區塊，而使得資料儲存裝置140的效能降低。

在另一實施例中，控制器140在決定清除來源區塊時，同樣是先將各區塊的抹除次數(erase count)進行排序，選擇具有最小的抹除次數的區塊以做為該清除來源區塊。若有多個區塊同時具有最小抹除次數，則控制器140則進一步對這些具有最小抹除次數的區塊之有效分頁數量(valid page number)再進行排序，並選擇具有最小有效分頁數量且具有最小抹除次數的區塊做為該清除來源區塊。如此一來，在選擇清除來源區塊時，可避免選擇到具有較多有效分頁數量的區塊，使得零散 資料收集更有效率，也不會讓耗損平衡程序(wear-leveling)之效果不彰。

在又一實施例中，控制器140在決定清除來源區塊時，同樣是先將各區塊的抹除次數(erase count)進行排序。此實施例與前述實施例不同之處在於控制器140會先選擇數個第一區塊，其中所選擇之第一區塊的抹除次數與最小抹除次數之差值小於一臨界值(例如3次)。接著，控制器140會將所選擇之第一區塊的有效分頁數量進行排序，並從第一區塊中選擇具有最小有效分頁數量的一第二區塊以做為該清除來源區塊，進而使零散資料收集更有效率。

第2A-2B圖係顯示依據本發明一實施例中之快閃記憶體零散資料收集方法的流程圖。如第2A、2B圖所示，在步驟S202，控制器140係由一備用區塊池中取得至少一備用區塊。在步驟S204，控制器140係接收主機110所送出的資料，並將該資料寫入一目前資料區塊。在步驟S206，控制器140係執行一清除檢查動作，藉以檢查快閃記憶體中之各區塊之資料儲存狀態。在步驟S208，控制器140係判斷備用區塊之數量是否小於一第一臨界值，若是，則執行步驟S210，則否，則結束此區塊決定方法之流程。在步驟S210，控制器140判斷是否需要執行耗損平衡程，若是，則執行步驟S214，若否，則執行步驟S212。在步驟S212，控制器140係設定一耗損平衡程序所使用的資料搬移資訊，其中控制器140決定該資料搬移資訊係以具有最小有效分頁數量之區塊做為清除來源區塊，並依據目前備用區塊索引決定一清除目的區塊。在步驟S214，控制器140係 將快閃記憶體130中的所有區塊之抹除次數由小而大進行排序。在步驟S216，控制器140係判斷是否有多個第一區塊的抹除次數是相同的且是最小的，若是，則執行步驟S222，若否，則執行步驟S218。

在步驟S218，控制器140係判斷是否有至少一第一區塊之抹除次數與最小抹除次數之差值小於一第二臨界值，若是，則執行步驟S220，若否，則執行步驟S224。在步驟S220，控制器140係設定耗損平衡程序所使用的資料搬移資訊，其中該資料搬移資訊中之清除來源區塊係具有最小有效分頁數量且其抹除次數與最小抹除次數之差值係小於一第二臨界值，且清除目的區塊依由目前備用區塊索引所決定。在步驟S222，控制器140係將各第一區塊之有效分頁數量由小而大進行排序。在步驟S224，控制器140係設定耗損平衡程序所使用的資料搬移資訊，其中該資料搬移資訊中之清除來源區塊係具有最小有效分頁數量，且清除目的區塊依由目前備用區塊索引所決定。

在步驟S226，控制器140係設定耗損平衡程序所使用的資料搬移資訊，其中該資料搬移資訊中之清除來源區塊係具有最小有效分頁數量及最小抹除次數，且清除目的區塊為具有最大抹除次數之區塊。在步驟S230，控制器140係依據該資料搬移資訊執行資料清除程序以搬移快閃記憶體130之資料。

本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，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‧‧‧電子系統

110‧‧‧主機

120‧‧‧資料儲存裝置

130‧‧‧快閃記憶體

140‧‧‧控制器

142‧‧‧運算單元

144‧‧‧記憶體單元

150‧‧‧備用區塊池

160‧‧‧資料區塊池

151-15n‧‧‧備用區塊

161-16m‧‧‧資料區塊

Claims (10)

1. 一種資料儲存裝置，耦接至一主機，該資料儲存裝置包括：一快閃記憶體，包括一備用區塊池以及一資料區塊池，其中該備用區塊池包括複數個備用區塊，且該資料區塊池包括複數個資料區塊；以及一控制器，接收來自該主機的一目標資料，將該目標資料寫至該等資料區塊之一目前資料區塊中；其中當該控制器判斷需執行一耗損平衡程序以寫入該目標資料時，該控制器係將各資料區塊之一抹除次數進行排序；其中當該控制器判斷該等資料區塊中之任意兩個區塊未同時具有一最小抹除次數時，該控制器更判斷該等資料區塊中之至少一第一區塊所相應的該抹除次數與該最小抹除次數之差值是否小於一第一臨界值；其中當該等資料區塊中之至少一第一區塊所相應的該抹除次數與該最小抹除次數之差值小於一第一臨界值，該控制器係由該至少一第一區塊中選擇具有一最小有效分頁數量之一第二區塊以執行一資料清除程序，藉以將該第二區塊中之有效分頁寫入該等備用區塊中之一者。
2. 如申請專利範圍第1項所述之資料儲存裝置，其中當該控制器判斷不需執行該耗損平衡程序以寫入該目標資料時，該控制器係由該等資料區塊中選擇具有該最小有效分頁數量之一第三區塊以執行該資料清除程序。
3. 如申請專利範圍第1項所述之資料儲存裝置，當該等資料區塊中之至少一第一區塊所相應的該抹除次數與該最小抹除 次數之差值均未小於一第一臨界值，該控制器係由該等資料區塊中選擇具有該最小抹除次數之一第四區塊以執行該資料清除程序。
4. 如申請專利範圍第1項所述之資料儲存裝置，其中在該控制器選擇該第二區塊之前，該控制器係對各第一區塊之一有效分頁數量進行排序。
5. 一種快閃記憶體零散資料收集方法，用於耦接至一主機之一快閃記憶體，其中該快閃記憶體包括一備用區塊池以及一資料區塊池，其中該備用區塊池包括複數個備用區塊，且該資料區塊池包括複數個資料區塊，該方法包括：接收來自該主機的一目標資料，將該目標資料寫至該等資料區塊之一目前資料區塊；當執行一耗損平衡程序以寫入該目標資料時，將各資料區塊之一抹除次數進行排序；當該等資料區塊中之任意兩個區塊未同時具有一最小抹除次數時，判斷該等資料區塊中之至少一第一區塊所相應的該抹除次數與該最小抹除次數之差值是否小於一第一臨界值；以及當該等資料區塊中之至少一第一區塊所相應的該抹除次數與該最小抹除次數之差值小於一第一臨界值，由該至少一第一區塊中選擇具有一最小有效分頁數量之一第二區塊，並將該第二區塊中之有效分頁寫入該等備用區塊中之一者以執行一資料清除程序。
6. 如申請專利範圍第5項所述之快閃記憶體零散資料收集方 法，其中當判斷不需執行該耗損平衡程序以寫入該目標資料時，由該等資料區塊中選擇具有該最小有效分頁數量之一第三區塊以執行該資料清除程序。
7. 如申請專利範圍第5項所述之快閃記憶體零散資料收集方法，當該等資料區塊中之至少一第一區塊所相應的該抹除次數與該最小抹除次數之差值均未小於一第一臨界值，由該等資料區塊中選擇具有該最小抹除次數之一第四區塊以執行該資料清除程序。
8. 如申請專利範圍第5項所述之快閃記憶體零散資料收集方法，其中在選擇該第二區塊的步驟之前，該方法更包括：對各第一區塊之一有效分頁數量進行排序。
9. 一種資料儲存裝置，耦接至一主機，該資料儲存裝置包括：一快閃記憶體，包括一備用區塊池以及一資料區塊池，其中該備用區塊池包括複數個備用區塊，且該資料區塊池包括複數個資料區塊；以及一控制器，接收來自該主機的一目標資料，將該目標資料寫至該等資料區塊之一目前資料區塊中；其中當該控制器判斷需執行一耗損平衡程序以寫入該目標資料時，該控制器係將各資料區塊之一抹除次數進行排序；其中當該控制器判斷該等資料區塊中之至少兩個第一區塊同時具有一最小抹除次數時，該控制器係對各第一區塊之一有效分頁數量進行排序，由該等第一區塊中選擇具有一最小有效分頁數量之一第二區塊，並將該第二區塊中之有 效分頁寫入該等備用區塊中之一者以執行一資料清除程序。
10. 一種快閃記憶體零散資料收集方法，用於耦接至一主機之一快閃記憶體，其中該快閃記憶體包括一備用區塊池以及一資料區塊池，其中該備用區塊池包括複數個備用區塊，且該資料區塊池包括複數個資料區塊，該方法包括：接收來自該主機的一目標資料，將該目標資料寫至該等資料區塊之一目前資料區塊；當執行一耗損平衡程序以寫入該目標資料時，將各資料區塊之一抹除次數進行排序；當該等資料區塊中之至少兩個第一區塊同時具有一最小抹除次數時，對各第一區塊之一有效分頁數量進行排序；以及由該等第一區塊中選擇具有一最小有效分頁數量之一第二區塊，並將該第二區塊中之有效分頁寫入該等備用區塊中之一者以執行一資料清除程序。