TWI520139B - 資料儲存裝置以及快閃記憶體控制方法 - Google Patents

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TWI520139B
TWI520139B TW103138991A TW103138991A TWI520139B TW I520139 B TWI520139 B TW I520139B TW 103138991 A TW103138991 A TW 103138991A TW 103138991 A TW103138991 A TW 103138991A TW I520139 B TWI520139 B TW I520139B
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梁嘉旂
黃昌傑
李介豪
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Description

資料儲存裝置以及快閃記憶體控制方法
本發明係有關於快閃記憶體(flash memory)實現之資料儲存裝置以及快閃記憶體控制方法。
現今資料儲存裝置常以快閃記憶體(flash memory)為儲存媒體。例如，快閃記憶體常用作記憶卡(memory card)、通用序列匯流排閃存裝置(USB flash device)、固態硬碟(SSD)...等產品。另外有一種應用是採多晶片封裝、將一非及閘型快閃記憶體與其控制晶片包裝在同一封裝中-稱為嵌入式快閃記憶體模組(如eMMC)。
快閃記憶體的實體空間通常包括複數個物理區塊(blocks)。各物理區塊包括複數個物理頁(pages)。針對快閃記憶體而設計的抹除操作須以物理區塊為抹除單位，一物理區塊接著一物理區塊地釋放儲存空間。資料更新時，新版資料係寫入閒置空間，而非覆寫在舊版資料上。因此，快閃記憶體-特別是架構複雜(包括多階以及單階存儲單元)之快閃記憶體-之管理遠比其他傳統儲存媒體複雜。
本案揭露快閃記憶體所實現的資料儲存裝置以及快閃記憶體控制方法，所控制之快閃記憶體包括多階存儲單元 (Multi-Level Cells，簡稱MLCs)以及單階存儲單元(Single Level Cells，簡稱SLCs)，係將零散資料以及序列資料分開寫入該快閃記憶體。
根據本案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單元。該快閃記憶體包括多階存儲單元以及單階存儲單元，且係劃分為複數個物理區塊，各物理區塊包括複數個物理頁。該控制單元係耦接該快閃記憶體至一主機，且包括一微控制器以及一隨機存取記憶體。該微控制器係運作來將該主機所下達的資料在寫入該快閃記憶體之前先快取於該隨機存取記憶體之中。該微控制器係運作來配置該快閃記憶體該些物理區塊供應包含多階存儲單元的一第一資料接收區塊以及包括單階存儲單元的一第二資料接收區塊。在該微控制器控制下，自該隨機存取記憶體上傳至該第一資料接收區塊的各物理頁所各自含括的係序列資料(sequential data)。至於零散資料則是快取於該隨機存取記憶體組成一物理頁後寫入該第二資料接收區塊。
根據本案另外一種實施方式所實現的一快閃記憶體控制方法包括以下步驟：為一快閃記憶體供應一隨機存取記憶體，該快閃記憶體包括多階存儲單元以及單階存儲單元，且係劃分為複數個物理區塊，各物理區塊包括複數個物理頁；將主機下達的資料於寫入該快閃記憶體前先快取於該隨機存取記憶體中；以及配置該快閃記憶體的該等物理區塊供應包括多階存儲單元的一第一資料接收區塊、以及包括單階存儲單元的一第二資料接收區塊。特別是，自該隨機存取記憶體上傳至該 第一資料接收區塊的各物理頁係各自包含序列資料。至於零散資料則是快取於該隨機存取記憶體中組成一物理頁後寫入該第二資料接收區塊。
下文特舉實施例，並配合所附圖示，詳細說明本發明內容。
100‧‧‧快閃記憶體
102‧‧‧物理頁
104、106、108以及110‧‧‧物理區段
300‧‧‧資料儲存裝置
302‧‧‧主機
304‧‧‧快閃記憶體
306‧‧‧控制單元
308‧‧‧系統內程式物理區塊
310‧‧‧多階存儲單元之閒置物理區塊
312‧‧‧單階存儲單元之閒置物理區塊
314‧‧‧資料集合
320‧‧‧微控制器
322‧‧‧隨機存取記憶體
324‧‧‧唯讀記憶體
Cached_Data‧‧‧一物理頁的快取資料
HA、HB、HC以及HD‧‧‧四個主機頁的資料
Hm(LBAk0~LBAk0+7)、Hm+1(LBAk1~LBAk1+7)、Hm+2(LBAk2~LBAk2+7)、Hm+3(LBAk3~LBAk3+7)‧‧‧主機頁
R_MLC、R_SLC‧‧‧資料接收區塊
S402…S414‧‧‧步驟
第1圖圖解一快閃記憶體100的儲存空間規劃；第2A圖圖解多階存儲單元(MLCS)的存儲內容分布；第2B圖圖解單階存儲單元(SLCs)的存儲內容分布；第3圖為方塊圖，根據本案一種實施方式圖解一資料儲存裝置300；第4圖為流程圖，根據本案一種實施方式圖解如何將一物理頁的快取資料Cached_Data自隨機存取記憶體322上傳至快閃記憶體304；以及第5A圖以及第5B圖係基於第4圖圖解一連串的快取資料係如何寫入快閃記憶體304。
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。
第1圖圖解一快閃記憶體100的儲存空間規劃。快閃記憶體100所供應的儲存空間係劃分為複數個物理區塊(blocks)BLK1、BLK2…BLKN…等。各物理區塊包括複數個物 理頁(pages)。各物理頁包括複數物理區段(sectors)。例如，物理區塊BLKN上的物理頁102包括四個物理區段104、106、108以及110。若各物理區段係配置儲存一主機頁的使用者資料(對應一串邏輯位址，如LBAk~LBAk+7)，各物理頁係配置給四個主機頁使用。例如，物理區段104、106、108以及110係分別對應主機頁Hm(即，LBAk0~LBAk0+7)、Hm+1(即，LBAk1~LBAk1+7)、Hm+2(即，LBAk2~LBAk2+7)、Hm+3(即，LBAk3~LBAk3+7)。寫入一物理頁的四個主機頁可為零散(random)或序列(sequential)資料。例如，倘若寫入物理頁102的四個主機頁Hm、Hm+1、Hm+2以及Hm+3為零散資料，則邏輯位址LBAk1非接續邏輯位址LBAk0+7、或邏輯位址LBAk2非接續邏輯位址LBAk1+7、或邏輯位址LBAk3非接續邏輯位址LBAk2+7。倘若寫入物理頁102的四個主機頁Hm、Hm+1、Hm+2以及Hm+3包含序列資料，則邏輯位址LBAk1接續邏輯位址LBAk0+7、且邏輯位址LBAk2接續邏輯位址LBAk1+7、且邏輯位址LBAk3接續邏輯位址LBAk2+7。本案所揭露技術教示零散資料以及序列資料如何分開寫入快閃記憶體100。
第2A圖圖解多階存儲單元(MLCs)的存儲內容分布。2B圖圖解單階存儲單元(SLCs)的存儲內容分布。參閱第2A圖，各多階存儲單元係儲存兩位元的資料。各多階存儲單元係處於四種狀態’11’、’10’、’01’以及’00’之一。參閱第2B圖，各單階存儲單元係儲存單一位元的資料。各單階存儲單元係處於兩種狀態’1’與’0’之一。單階存儲單元的優點係寫入速度快、能量消耗低、且具有良好的存儲耐久性。多階存儲單元的優點主要 是高資料密度。本案一種實施方式係常態將資料以單階存儲單元儲存，以受益於其高寫入速度、低功率消耗以及高存儲耐久性。然而，倘若寫入資料經判斷確定為序列資料，則將之寫入多階存儲單元而非單階存儲單元，以期提升資料密度。
第3圖為方塊圖，根據本案一種實施方式圖解一資料儲存裝置300。資料儲存裝置300係耦接主機302，以根據主機302下達的指令運作。資料儲存裝置300包括快閃記憶體304以及控制單元306。以下討論如何將零散資料以及序列資料分開寫入快閃記憶體304。
快閃記憶體304的物理區塊係配置作多種用途。部分物理區塊308係儲存系統內程式(in-system programs，簡稱ISPs)。部分物理區塊310為包含多階存儲單元(MLCs)的閒置物理區塊。部分物理區塊312為包含單階存儲單元(SLCs)的閒置物理區塊。兩種資料寫入區塊R_MLC以及R_SLC係分別配置自該些閒置物理區塊310(多階存儲單元)以及該些閒置物理區塊312(單階存儲單元)，以接收寫入資料，並於後續作為資料區塊推入資料集合314。快閃記憶體304可更包括未顯示在圖上的尚未作規劃之物理區塊。
控制單元306係耦接該快閃記憶體304至主機302，且包括一微控制器320、一隨機存取記憶體322以及一唯讀記憶體324。唯讀程式碼係儲存於唯讀記憶體324中。微控制器320包括執行該唯讀記憶體324內的唯讀程式碼或/以及該快閃記憶體304之該些物理區塊308內的系統內程式碼，據以操作該快閃記憶體304。以下段落將討論該快閃記憶體304之控制與管 理。
微控制器320係運作來對快閃記憶體304作以上物理區塊配置(例如，配置該快閃記憶體304供應上述兩個資料接收區塊R_MLC以及R_SLC)。微控制器320更在將主機302下達的資料寫入該快閃記憶體304前，先以隨機存取記憶體322快取收集之。如圖所示，四個主機頁HA、HB、HC以及HD係快取於隨機存取記憶體322且結合成一物理頁的快取資料Cache_Data，以寫入該快閃記憶體的一物理頁中。在微控制器320操作下，自隨機存取記憶體322上傳至該資料接收區塊R_MLC的各物理頁的資料係各自包含序列資料，且零散資料係快取於該隨機存取記憶體322中，待組成一物理頁後寫入該資料接收區塊R_SLC。
第4圖為流程圖，根據本案一種實施方式圖解一個物理頁的快取資料Cached_Data如何自隨機存取記憶體322上傳至該快閃記憶體304。如步驟S402以及S404所示，常態設定係將一個物理頁的快取資料Cached_Data寫入該資料接收區塊R_SLC，以達到快速寫入、低耗能、以及存儲耐久…等優點。在步驟S404寫入一個物理頁的快取資料Cached_Data至該資料接收區塊R_SLC後，步驟S406將檢查已在步驟S404中自該隨機存取記憶體322上傳至該資料接收區塊R_SLC的該個物理頁之資料型態。若步驟S406判定步驟S404自該隨機存取記憶體322上傳至該資料接收區塊R_SLC的該個物理頁係包含序列資料，則流程進行步驟S408，自該隨機存取記憶體322獲取另一物理頁的快取資料，繼而執行步驟S410，檢查步驟S408自該隨機存 取記憶體322所獲取的該另一物理頁的快取資料之資料型態。若步驟S410判定步驟S408自該隨機存取記憶體322所獲取的該另一物理頁的快取資料係包含零散資料，流程進行步驟S414，將步驟S408自該隨機存取記憶體322所獲取的該另一物理頁的快取資料寫入該資料接收區塊R_SLC。步驟S414後，流程則是再次進行步驟S402、S404以及S406。或者，若步驟S410判定步驟S408自該隨機存取記憶體322所獲取的該另一物理頁的快取資料係包含序列資料，則流程進行步驟S412，將步驟S408自該隨機存取記憶體322所獲取的該另一物理頁的快取資料寫入該資料接收區塊R_MLC。步驟S412後，流程則是再次進行步驟S408以及S410。
根據第4圖所示流程圖，微控制器320係運作來在寫入資料至該資料接收區塊R_MLC(如，步驟S412)前先檢查資料型態(如，步驟S410)，以確認自該隨機存取記憶體322上傳至該資料接收區塊R_MLC的各物理頁資料係各自包含序列資料。若自隨機存取記憶體322上傳至該資料接收區塊R_SLC的一物理頁之快取資料(命名為Cached_DataA)係包含零散資料，微控制器322係運作來將稍晚於該物理頁資料Cached_DataA快取於該隨機存取記憶體322中的另一物理頁之資料(命名為Cached_DataB)寫入該資料接收區塊R_SLC，如於步驟S414後執行之步驟S404。微控制器322係更運作來檢查快取資料Cached_DataB係包含序列資料、或零散資料(例如，步驟S406)，以預測晚於快取資料Cached_DataB快取於該隨機存取記憶體322中的一物理頁之快取資料(命名為Cached_DataC)之資料型 態。若快取資料Cached_DataB包含零散資料，微控制器320將推測快取資料Cached_DataC亦包含零散資料，且將快取資料Cached_DataC寫入資料接收區塊R_SLC(例如，步驟S406後執行的步驟S404)。若快取資料Cached_DataB包含序列資料，微控制器320係運作來在將快取資料Cached_DataC寫入快閃記憶體304前，檢查快取資料Cached_DataC的資料型態(例如，步驟S410)。若快取資料Cached_DataC確認包含序列資料，微控制器320係運作來寫入該快取資料Cached_DataC至該資料接收區塊R_MLC(如，步驟S412)。若快取資料Cached_DataC確認包含零散資料，微控制器320係運作來寫入該快取資料Cached_DataC至該資料接收區塊R_SLC(如，步驟S414)。
基於第4圖所示流程，第5A圖以及第5B圖說明一連串的快取資料係如何寫入快閃記憶體304。首先，根據步驟S402自隨機存取記憶體322獲取包含主機頁H0、H2、H60以及H50的一個物理頁的快取資料Cached_Data1。該物理頁的快取資料Cached_Data1係根據步驟S404寫入該資料接收區塊R_SLC。步驟S406則判斷出該物理頁的快取資料Cached_Data1係包含零散資料。因此，步驟S402再次實行，自隨機存取記憶體322獲取包含主機頁H32、H33、H34以及H35的另一個物理頁的快取資料Cached_Data2。該物理頁的快取資料Cached_Data2係根據步驟S404寫入該資料接收區塊R_SLC。步驟S406將判斷出該物理頁的快取資料Cached_Data2係包含序列資料，繼而，步驟S408將自隨機存取記憶體322獲取包含主機頁H36、H37、H38以及H39的另一個物理頁的快取資料Cached_Data3。步驟S410 判斷出該物理頁的快取資料Cached_Data3係包含序列資料，繼而，步驟S412將該物理頁的快取資料Cached_Data3寫入該資料接收區塊R_MLC。隨後，步驟S408再次執行，自隨機存取記憶體322獲取包含主機頁H35、H36、H80以及H90的另一個物理頁的快取資料Cached_Data4。步驟S410將判斷出該物理頁的快取資料Cached_Data4係包含零散資料。因此，步驟S414接續施行，將該個物理頁的快取資料Cached_Data4寫入該資料接收區塊R_SLC。步驟S402將隨後再次執行。參閱第5B圖，資料接收區塊R_SLC僅儲存序列資料，且零散資料係必然寫入該資料接收區塊R_SLC。
其他採用上述概念控制一快閃記憶體的技術都屬於本案所欲保護的範圍。基於以上技術內容，本案更涉及快閃記憶體的控制方法，不限定以特定架構的控制單元實現。
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。
300‧‧‧資料儲存裝置
302‧‧‧主機
304‧‧‧快閃記憶體
306‧‧‧控制單元
308‧‧‧系統內程式物理區塊
310‧‧‧多階存儲單元之閒置物理區塊
312‧‧‧單階存儲單元之閒置物理區塊
314‧‧‧資料集合
320‧‧‧微控制器
322‧‧‧隨機存取記憶體
324‧‧‧唯讀記憶體
Cached_Data‧‧‧一物理頁的快取資料
HA、HB、HC以及HD‧‧‧四個主機頁的資料
R_MLC、R_SLC‧‧‧資料接收區塊

Claims (12)

  1. 一種資料儲存裝置，包括：一快閃記憶體，具有多階存儲單元以及單階存儲單元，其中該快閃記憶體係劃分為複數個物理區塊，且上述物理區塊各自包括複數個物理頁；以及一控制單元，耦接該快閃記憶體至一主機，且包括一微控制器以及一隨機存取記憶體；其中：該微控制器係運作來在將該主機所下達的資料寫入該快閃記憶體前，先以該隨機存取記憶體快取之；該微控制器更運作來配置該快閃記憶體的該等物理區塊供應包含多階存儲單元的一第一資料接收區塊、以及包含單階存儲單元的一第二資料接收區塊；其中：自該隨機存取記憶體上傳至該第一資料接收區塊的各物理頁各自係包含序列資料；且快取於該隨機存取記憶體中組成一物理頁的零散資料係寫入該第二資料接收區塊。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之資料儲存裝置，其中：該微控制器係運作來在寫入資料至該第一資料接收區塊之前先做資料型態檢查，以確保自該隨機存取記憶體上傳至該第一資料接收區塊的各物理頁係各自包含序列資料。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之資料儲存裝置，其中： 在判定自該隨機存取記憶體上傳至該第二資料接收區塊的一第一物理頁之資料係包含零散資料時，該微控制器係運作使一第二物理頁的資料係寫入該第二資料接收區塊，該第二物理頁的資料係晚於該第一物理頁的資料快取於該隨機存取記憶體中。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之資料儲存裝置，其中：該微控制器係更運作來檢查該第二物理頁之資料係包含序列資料或零散資料，以推測一第三物理頁之資料的資料型態，該第三物理頁的資料係晚於該第二物理的資料快取於該隨機存取記憶體中。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之資料儲存裝置，其中：該第二物理頁的資料包含零散資料時，該微控制器係運作來推測該第三物理頁之資料係包含零散資料，並將該第三物理頁之資料寫入該第二資料接收區塊。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之資料儲存裝置，其中：該第二物理頁的資料包含序列資料時，該微控制器係運作來在寫入該第三物理頁之資料至該快閃記憶體前，先檢查該第三物理頁之資料的資料型態；該第三物理頁的資料經確認為包含序列資料時，該微控制器係運作來寫入該第三物理頁之資料至該第一資料接收區塊；且該第三物理頁的資料經確認為包含零散資料時，該微控制器係運作來寫入該第三物理頁之資料至該第二資料接收區塊。
  7. 一種快閃記憶體控制方法，包括：為一快閃記憶體供應一隨機存取記憶體，該快閃記憶體具有多階存儲單元以及單階存儲單元，且係劃分為複數個物理區塊，且上述物理區塊各自包括複數個物理頁；在將一主機所下達的資料寫入該快閃記憶體前，先以該隨機存取記憶體快取之；以及配置該快閃記憶體的該等物理區塊供應包含多階存儲單元的一第一資料接收區塊、以及包含單階存儲單元的一第二資料接收區塊；其中：自該隨機存取記憶體上傳至該第一資料接收區塊的各物理頁係各自包含序列資料；且快取於該隨機存取記憶體中以組成一物理頁的零散資料係寫入該第二資料接收區塊。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之快閃記憶體控制方法，更包括：在寫入資料至該第一資料接收區塊之前先做資料型態檢查，以確保自該隨機存取記憶體上傳至該第一資料接收區塊的各物理頁係各自包含序列資料。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之快閃記憶體控制方法，其中：在判定自該隨機存取記憶體上傳至該第二資料接收區塊的一第一物理頁之資料係包含零散資料時，使一第二物理頁的資料係寫入該第二資料接收區塊，該第二物理頁的資料係晚於該第一物理頁的資料快取於該隨機存取記憶體中。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之快閃記憶體控制方法，更包括：檢查該第二物理頁之資料係包含序列資料或零散資料，以推測一第三物理頁之資料的資料型態，該第三物理頁的資料係晚於該第二物理的資料快取於該隨機存取記憶體中。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之快閃記憶體控制方法，更包括：在該第二物理頁的資料包含零散資料時，推測該第三物理頁之資料係包含零散資料，並將該第三物理頁之資料寫入該第二資料接收區塊。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之快閃記憶體控制方法，其中：該第二物理頁的資料包含序列資料時，該第三物理頁之資料的資料型態係在寫入該快閃記憶體前作檢查；該第三物理頁的資料經確認為包含序列資料時，該第三物理頁之資料係寫入該第一資料接收區塊；且該第三物理頁的資料經確認為包含零散資料時，該第三物理頁之資料係寫入該第二資料接收區塊。
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