TWI587212B - 高效能固態硬碟與其操作方法 - Google Patents

Description

高效能固態硬碟與其操作方法

本發明係關於一種固態硬碟與其操作方法，特別是關於一種高效能固態硬碟與其操作方法。

習知地，NAND型固態硬碟具有其硬體架構的特性限制，基於其特性限制，NAND型固態硬碟通常設置有一個快閃記憶體轉換層(Flash Translation Layer；FTL)來管理其內部的NAND型快閃記憶體。然而，一般的NAND型固態硬碟內部僅設置單一快閃記憶體轉換層來處理與主機裝置中所有儲存區塊相關的資料寫入與讀取。

換句話說，一般的NAND型固態硬碟於設計完成後，便會被用來服務主機裝置中存取特性不同之儲存區塊，而無法針對主機裝置中存取特性不同之儲存區塊以合適的方式提供服務，如：資料的讀取與寫入、邏輯塊地址對映、耗損平均/垃圾回收…等。

有鑑於此，本揭露內容提供一種高效能固態硬碟與其操作方法，上層的使用者能夠透過軟體將此固態硬碟中的數個快閃記憶體轉換層配置成分別地對應於主機裝置中的存取特性不同之儲存區塊，有效地提升固態硬碟的效能。

本發明實施例提供一種高效能固態硬碟，用以與主機裝置連接以進行資料的寫入與讀取。主機裝置具有複數個儲存區塊，且每一儲存區塊具有其存取特性。高效能固態硬碟包括複數個快閃記憶體晶片、儲存有複數個快閃記憶體轉換層的動態隨機存取記憶體與控制器。控制器會根據複數個儲存區塊之一的存取特性，選擇執行複數個快閃記憶體轉換層之一，以於此快閃記憶體轉換層所管理之複數個快閃記憶體晶片之一進行資料的寫入與讀取。複數個快閃記憶體轉換層係透過軟體預先被設置以分別對應於具有不同存取特性之複數個儲存區塊，以執行相關於各個儲存區塊之資料的寫入與讀取。

在本發明其中一個實施例中，存取特性包括隨機寫入、隨機讀取、循序寫入或循序讀取。

在本發明其中一個實施例中，動態隨機存取記憶體具有複數個緩衝區塊，用以暫存待寫入或待讀取之資料。根據複數個緩衝區塊之容量大小，每一複數個快閃記憶體轉換層係透過軟體預先被設置以藉由複數個緩衝區塊之一暫存待寫入或待讀取之資料。

在本發明其中一個實施例中，高效能固態硬碟包括傳輸介面。控制器係透過傳輸介面傳送或接收經讀取或被寫入之資料，且傳輸介面係使用快捷外設互聯標準傳輸技術(PCI Express； PCIe)或序列高技術配置傳輸技術(Serial Advanced Technology Attachment；SATA)。

本發明實施例亦提供一種操作方法，適用於一高效能固態硬碟。此高效能固態硬碟用以與主機裝置進行資料的寫入與讀取，其中此主機裝置具有複數個儲存區塊，且每一儲存區塊具有其存取特性。此高效能固態硬碟包括複數個快閃記憶體晶片、儲存有複數個快閃記憶體轉換層之動態隨機存取記憶體與控制器。此操作方法包括：預先透過軟體將複數個快閃記憶體轉換層設置以分別對應於存取特性不同之複數個儲存區塊；以及針對存取特性不同之複數個儲存區塊，選擇執行對應之複數個快閃記憶體轉換層，以於此快閃記憶體轉換層所管理之複數個快閃記憶體晶片之一進行資料的寫入與讀取。

在本發明其中一個實施例中，於透過軟體，將複數個快閃記憶體轉換層預先設置以分別對應於具有存取特性不同之複數個儲存區塊之步驟前，更包括：透過軟體，分析主機裝置之每一複數個儲存區塊的存取特性。

在本發明其中一個實施例中，透過軟體，分析主機裝置之每一複數個儲存區塊的存取特性之步驟包括：檢視主機裝置內之每一複數個儲存區塊的事件記錄；以及根據事件記錄，分析主機裝置之每一複數個儲存區塊的存取特性。

在本發明其中一個實施例中，適用於此操作方法的高效能固態硬碟之動態隨機存取記憶體具有複數個緩衝區塊，用以暫存待寫入或待讀取之資料。此外，此操作方法更包括：根據複數個緩衝區塊之容量大小，透過軟體預先將每一複數個快閃記 憶體轉換層設置以藉由複數個緩衝區塊之一暫存待寫入或待讀取之資料。

綜上所述，相較於傳統之固態硬碟僅以單一快閃記憶體轉換層來處理與主機裝置中所有儲存區塊相關的資料寫入與讀取，本發明實施例所提出之高效能固態硬碟與其操作方法，能夠以多個快閃記憶體轉換層來處理與主機裝置中存取特性不同之儲存區塊相關的資料寫入與讀取。也就是說，每個快閃記憶體轉換層僅需負責處理與特定存取特性之儲存區塊相關的資料寫入與讀取。此外，本發明所提供之高效能固態硬碟與其操作方法還能讓上層使用者根據動態隨機存取記憶體中緩衝區塊之容量大小來評估並將各快閃記憶體轉換層與容量大小合適的緩衝區塊搭配使用。如是，使得固態硬碟的整體效能有效地提升。

為使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點，因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。

1、2‧‧‧高效能固態硬碟

11‧‧‧動態隨機存取記憶體

13‧‧‧控制器

N₁、N₂…N_n‧‧‧快閃記憶體晶片

FTL1、FTL2、FTL3‧‧‧快閃記憶體轉換層

B1、B2、B3‧‧‧緩衝區塊

HOST‧‧‧主機裝置

S309、S309a、S309b、S310、S311、S320‧‧‧步驟

第1圖為根據本發明例示性實施例所繪示之高效能固態硬碟之方塊圖。

第2圖為根據本發明例示性另一實施例所繪示之高效能固態硬碟之方塊圖。

第3A圖與第3B圖為根據本發明實施例之適用於一高效能固態硬碟的操作方法之流程圖。

在下文將參看隨附圖式更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。在諸圖式中，可為了清楚而誇示層及區之大小及相對大小。類似數字始終指示類似元件。

應理解，雖然本文中可能使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件，但此等元件不應受此等術語限制。此等術語乃用以區分一元件與另一元件。因此，下文論述之第一元件可稱為第二元件而不偏離本發明概念之教示。如本文中所使用，術語「及/或」包括相關聯之列出項目中之任一者及一或多者之所有組合。

以下將以多個實施例說明本發明之高效能固態硬碟與其操作方法。此種固態硬碟用以與主機裝置進行資料的寫入與讀取。主機裝置可例如為個人電腦或筆記型電腦，本發明於此並不限制。當固態硬碟與主機裝置連接時，搭配相應的操作方法便能有效地提升此固態硬碟的效能。

〔高效能固態硬碟的一實施例〕

如前述，本實施例所提供之固態硬碟係用以與主機裝置連接以進行資料的寫入與讀取，且舉例來說，主機裝置可為個人電腦或筆記型電腦。一般而言，此類主機裝置均運作於一種 作業系統，如：Windows作業系統…等，同時主機裝置的儲存空間會由作業系統分割為複數個儲存區塊，如：個人電腦或筆記型電腦中的C槽(C：\)、D槽(D：\)或E槽(E：\)…等。而根據不同儲存區塊內之應用程式與檔案的存取需求，如：隨機讀取的需求或隨機寫入的需求…等，每個儲存區塊具有其存取特性。

請參照第1圖，第1圖為根據本發明例示性實施例所繪示之高效能固態硬碟之方塊圖。如第1圖所示，高效能固態硬碟1包括複數個快閃記憶體晶片N₁、N₂…N_n、動態隨機存取記憶體11與控制器13。動態隨機存取記憶體11儲存有複數個快閃記憶體轉換層FTL1~FTL3。就快閃記憶體晶片N₁、N₂…N_n來說，對其內其中一個記憶單元(未圖示)進行寫入動作時，係將邏輯由1轉為0，但若要再次於同一個記憶體單元進行寫入動作，需先經過抹除動作才能將邏輯回復至1。於快閃記憶體晶片N₁、N₂…N_n中，進行抹除動作的最小單位(或稱區塊；Block)係遠大於進行讀取和寫入動作的最小單位(或稱分頁；Sector)，使得抹除動作的所花費的時間大於讀取動作或寫入動作所花費的時間。由於此種特性，快閃記憶體晶片N₁、N₂…N_n於進行寫入動作時往往需要耗費大量的時間先進行抹除動作，此時便需要由快閃記憶體轉換層FTL1~FTL3來對快閃記憶體晶片N₁、N₂…N_n之讀取動作、寫入動作與抹除動作進行管理。於是，快閃記憶體轉換層FTL1~FTL3便用以執行以下功能：邏輯塊地址對映(Logical-to-physical address mapping)、垃圾回收(Garbage Collection)與耗損平均(Wear-leveling)。舉例來說，如前述，快閃記憶體晶片N₁、N₂…N_n只能以較大的單位(即，由多個分頁組成的區塊)進行抹除動作。 若不再需要一個區塊中某些分頁內的數據(即，過期分頁)，則僅會對此一區塊中含有有效數據的幾個分頁進行讀取動作，並將該些有效數據重新寫入到另一個先前抹除的空區塊中的幾個分頁，而不會將過期分頁中已不需要的數據一同寫入該先前抹除的空區塊中。如此一來，該先前抹除的空區塊中上有一部份的空閒分頁可用來儲存新的數據，此一過程稱為「垃圾回收」。而關於其他兩種功能，該發明所屬領域中具有通常知識者應了解其細節，故於此便不贅述。

於本實施例中，一般使用者於高效能固態硬碟1與主機裝置HOST連接以進行資料的寫入或讀取時，控制器13會針對主機裝置HOST中存取特性不同的儲存區塊，選擇執行其中一個快閃記憶體轉換層FTL1~FTL3，以於此快閃記憶體晶片N₁、N₂…N_n進行資料的寫入或讀取。須說明地是，本實施例所提供之高效能固態硬碟1之快閃記憶體轉換層FTL1~FTL3已預先由上層使用者透過軟體設置成分別對應於具有不同存取特性之複數個儲存區塊，以執行相關於複數個儲存區塊之資料的寫入與讀取。

除此之外，由於快閃記憶體轉換層FTL1~FTL3已預先由上層使用者透過軟體設置成分別對應於存取特性不同之複數個儲存區塊，故當快閃記憶體轉換層FTL1~FTL3執行例如位址轉換、斷電回復與耗損平均等前述功能時，亦能針對不同的存取特性以合適的方式執行該些功能。

接下來要教示的，是進一步說明高效能固態硬碟1的運作機制。

預先地，上層使用者能透過軟體能夠根據主機裝置 HOST中各儲存區塊的存取特性，如：隨機寫入、隨機讀取、循序寫入或循序讀取，將快閃記憶體轉換層FTL1~FTL3定義為對應具有不同存取特性之儲存區塊。舉例來說，若主機裝置HOST具有三個儲存區塊，其分別為儲存區塊C、儲存區塊D與儲存區塊E，其中假設儲存區塊C的存取特性為隨機寫入，儲存區塊D的存取特性為隨機讀取，儲存區塊E的存取特性為循序寫入，此時上層使用者能透過軟體預先根據這三個儲存區塊C、D與E的存取特性，分別定義快閃記憶體轉換層FTL1~FTL3並調整其參數，使其分別對應具有隨機寫入之存取特性的儲存區塊，具有隨機讀取之存取特性的儲存區塊，以及具有循序寫入之存取特性的儲存區塊。於是，經上層使用者透過軟體進行定義後，快閃記憶體轉換層FTL1~FTL3便分別對應於儲存區塊C、儲存區塊D與儲存區塊E。

接著，當一般使用者將高效能固態硬碟1與主機裝置HOST連接以進行資料的寫入或讀取時，若此讀取或寫入動作相關與儲存區塊C，控制器13便會選擇執行快閃記憶體轉換層FTL1，以於快閃記憶體轉換層FTL1所管理的其中一個快閃記憶體晶片N₁、N₂…N_n進行資料的寫入或讀取動作。同理，若此讀取或寫入動作相關與儲存區塊D，控制器13便會選擇執行快閃記憶體轉換層FTL2，以於快閃記憶體轉換層FTL2所管理的其中一個快閃記憶體晶片N₁、N₂…N_n進行資料的寫入或讀取動作，且若此讀取或寫入動作相關與儲存區塊E，控制器13便會選擇執行快閃記憶體轉換層FTL3，以於快閃記憶體轉換層FTL3所管理的其中一個快閃記憶體晶片N₁、N₂…N_n進行資料的寫入或讀取動作。

相較於傳統之固態硬碟係以單一快閃記憶體轉換層 來處理與主機裝置HOST中存取特性不同之所有儲存區塊相關的資料寫入與讀取，本實施例所提供之高效能固態硬碟1具有多個快閃記憶體轉換層FTL1~FTL3，且能將其分別定義來處理與主機裝置HOST中存取特性不同之所有儲存區塊相關的資料寫入與讀取，使得每個快閃記憶體轉換層FTL1~FTL3僅需負責處理與特定存取特性之儲存區塊相關的資料寫入與讀取，進而提升了固態硬碟1的效能。

除此之外，於本實施例中，高效能固態硬碟1還包括傳輸介面(未圖示)，控制器13會透過此傳輸介面傳送或接收經主機裝置HOST讀取或被主機裝置HOST寫入之資料。此傳輸介面可選擇使用快捷外設互聯標準傳輸技術或序列高技術配置傳輸技術以進行資料傳輸。

〔高效能固態硬碟的另一實施例〕

請參照第2圖，第2圖為根據本發明例示性另一實施例所繪示之高效能固態硬碟之方塊圖。本實施例所提供之高效能固態硬碟2與第1圖所繪示之高效能固態硬碟1具有相同的基本結構，故為說明便利起見，於第2圖中，相似之參考數字或標號指示相似之元件。此外，於以下敘述中將描述不同於上述第1圖實施例之部分，且其餘省略部分與上述第1圖實施例之部分相同。

本實施例所提供之高效能固態硬碟2與第1圖所繪示之高效能固態硬碟1的差異在於，於本實施例中，動態隨機存取記憶體11還包括有複數個緩衝區塊B1~B3，用以暫存待寫入或待讀取之資料。進一步說明，其中根據每個緩衝區塊B1~B3之容 量大小，每一個快閃記憶體轉換層FTL1~FTL3能透過軟體預先被設置成藉由其中一個緩衝區塊暫存待寫入或待讀取之資料。

承上述舉例，上層使用者除了能透過軟體將快閃記憶體轉換層FTL1~FTL3分別定義為對應於儲存區塊C、儲存區塊D與儲存區塊E，上層使用者還能根據每個緩衝區塊B1~B3之容量大小評估應將緩衝區塊B1~B3配置成對應哪個快閃記憶體轉換層FTL1~FTL3，以為固態硬碟2帶來更好的整體效能，並接著透過軟體將每一個快閃記憶體轉換層FTL1~FTL3與其中一個緩衝區塊B1~B3搭配使用。

為了再進一步說明第1圖與第2圖所繪示之高效能固態硬碟1、2的運作機制，接下來將舉一實施例來說明第1圖與第2圖所繪示之高效能固態硬碟1、2的操作方法。

[適用於高效能固態硬碟的操作方法之實施例]

請參照第3A圖與第3B圖，第3A圖與第3B圖為根據本發明實施例之適用於一高效能固態硬碟的操作方法之流程圖。本實施例所述之操作方法可以在第1圖或第2圖所繪示之高效能固態硬碟1、2執行，因此請一併照第1圖或第2圖以利理解。

如第3A圖所示，本實施例所提供之操作方法主要包括步驟S310與步驟S320。於步驟S310中，上層使用者係預先透過軟體將複數個快閃記憶體轉換層設置以分別對應於主機裝置中存取特性不同之複數個儲存區塊。也就是說，經過步驟S310，複數個快閃記憶體轉換層已被設置成分別處理相關於存取特性不同之儲存區塊的資料讀取或寫入動作。

接著，當一般使用者將固態硬碟與主機裝置連接以 進行資料的寫入或讀取時，於步驟S320中，針對具有不同存取特性之儲存區塊，控制器會選擇執行對應的快閃記憶體轉換層，以於此快閃記憶體轉換層所管理之快閃記憶體晶片中進行資料的寫入與讀取。

於是，每個快閃記憶體轉換層僅需負責處理與特定存取特性(如：隨機寫入、隨機讀取、循序寫入或循序讀取)之儲存區塊相關的資料寫入與讀取，如此一來，固態硬碟的效能便能有效地被提升。

於另一實施例中，除了前述之步驟S310與步驟S320，操作方法還可包括以下步驟，使其能更佳地運作於前述各實施例之高效能固態硬碟。

為了使上層使用者便於瞭解主機裝置中每個儲存區塊的存儲特性，如第3B圖所示，於步驟S310之前，操作方法包括步驟S309。於步驟S309中，上層使用者能透過軟體分析主機裝置中每一儲存區塊的存取特性。進一步說明，步驟S309又可細分為步驟S309a與步驟S309b。為了能有效地分析主機裝置中每一儲存區塊的存取特性，於步驟S309a中，上層使用者能操作軟體來檢視主機裝置內之每一儲存區塊的事件記錄，接下來，於步驟S309b中，上層使用者便能利用軟體根據每一儲存區塊的事件記錄，分析其存取特性。

承上述舉例，若上層使用者利用軟體分析出主機裝置的儲存區塊C之事件紀錄中75%的事件屬於隨機寫入，20%的事件屬於隨機讀取，3%的事件屬於循序讀取且2%的事件屬於循序讀取，就能判斷出儲存區塊C主要的存取特性係為隨機寫入，以 便接著進入前述之步驟S310與步驟S320。

除此之外，於又一實施例中，步驟S320之前還可包括步驟S311。於步驟S311中，上層使用者能根據複數個緩衝區塊之容量大小，透過軟體預先將每一快閃記憶體轉換層設置成藉由容量大小合適的緩衝區塊暫存待寫入或待讀取之資料，以為固態硬碟帶來更好的整體效能。

於此須說明的是，第3A圖與第3B圖所繪示之實施例的各步驟僅為方便說明之須要，本發明實施例並不以各步驟彼此間的順序作為實施本發明各個實施例的限制條件。

綜上所述，本發明所提供之高效能固態硬碟與其操作方法至少具有以下優點：首先，相較於傳統之固態硬碟係以單一快閃記憶體轉換層來處理與主機裝置中所有儲存區塊相關的資料寫入與讀取之作法，本發明所提供之高效能固態硬碟與其操作方法利用多個快閃記憶體轉換層，並將其分別定義來處理與主機裝置中存取特性不同之儲存區塊相關的資料寫入與讀取，於是每個快閃記憶體轉換層僅需負責處理與特定存取特性之儲存區塊相關的資料寫入與讀取，使得固態硬碟的整體效能提升。

除此之外，本發明所提供之高效能固態硬碟與其操作方法能夠讓上層使用者根據動態隨機存取記憶體中緩衝區塊之容量大小來評估並將各快閃記憶體轉換層與容量大小合適的緩衝區塊對應，以為固態硬碟帶來更好的整體效能。

惟上述各實施例係用以說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施，而非限定本 發明之專利範圍，故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。

1‧‧‧高效能固態硬碟

11‧‧‧動態隨機存取記憶體

13‧‧‧控制器

N₁、N₂…N_n‧‧‧快閃記憶體晶片

FTL1、FTL2、FTL3‧‧‧快閃記憶體轉換層

HOST‧‧‧主機裝置

Claims (10)

1. 一種高效能固態硬碟，與一主機裝置連接以進行資料的寫入與讀取，其中該主機裝置具有複數個儲存區塊，且每一該儲存區塊具有一存取特性，該高效能固態硬碟包括：複數個快閃記憶體晶片；一動態隨機存取記憶體，儲存有複數個快閃記憶體轉換層；以及一控制器，針對不同之該複數個儲存區塊，選擇執行該複數個快閃記憶體轉換層之一，以於該快閃記憶體轉換層所管理之該複數個快閃記憶體晶片之一進行資料的寫入與讀取；其中，該複數個快閃記憶體轉換層透過一軟體預先被設置以分別對應於存取特性不同之該複數個儲存區塊，以執行相關於每一該儲存區塊之資料的寫入與讀取。
2. 如請求項第1項所述之高效能固態硬碟，其中該存取特性包括隨機寫入、隨機讀取、循序寫入或循序讀取。
3. 如請求項第1項所述之高效能固態硬碟，其中該動態隨機存取記憶體具有複數個緩衝區塊，用以暫存待寫入或待讀取之資料，其中根據該複數個緩衝區塊之容量大小，每一該快閃記憶體轉換層透過該軟體預先被設置以藉由該複數個緩衝區塊之一暫存待寫入或待讀取之資料。
4. 如請求項第1項所述之高效能固態硬碟，更包括一傳輸介面，該控制器透過該傳輸介面傳送或接收經讀取或被寫入之資料，其中該傳輸介面係使用快捷外設互聯標準傳輸技術或序列高技術配置傳輸技術。
5. 一種操作方法，適用於一高效能固態硬碟，該高效能固態硬碟與一主機裝置進行資料的寫入與讀取，並包括複數個快閃記憶體晶片、儲存有複數個快閃記憶體轉換層之一動態隨機存取記憶體以及一控制器，其中該主機裝置具有複數個儲存區塊，且每一該儲存區塊具有一存取特性，該操作方法包括下列步驟：預先透過一軟體將該複數個快閃記憶體轉換層設置以分別對應於存取特性不同之該複數個儲存區塊；以及針對存取特性不同之該複數個儲存區塊，選擇執行對應之該複數個快閃記憶體轉換層，以於該快閃記憶體轉換層所管理之該複數個快閃記憶體晶片之一進行資料的寫入與讀取。
6. 如請求項第5項所述之操作方法，於透過該軟體，將該複數個快閃記憶體轉換層預先設置以分別對應於存取特性不同之該複數個儲存區塊之步驟前，更包括：透過該軟體，分析該主機裝置之每一該儲存區塊的該存取特性。
7. 如請求項第6項所述之操作方法，透過該軟體，分析該主機裝置之每一該儲存區塊的該存取特性之步驟包括：檢視該主機裝置內之每一該儲存區塊的一事件記錄；以及根據該事件記錄，分析該主機裝置之每一該儲存區塊的該存取特性。
8. 如請求項第7項所述之操作方法，其中該存取特性包括隨機寫入、隨機讀取、循序寫入或循序讀取。
9. 如請求項第5項所述之操作方法，其中該高效能固態硬碟之該動態隨機存取記憶體具有複數個緩衝區塊，用以暫存待寫入或 待讀取之資料，且該操作方法更包括：根據該複數個緩衝區塊之容量大小，透過該軟體預先將每一該快閃記憶體轉換層設置以藉由該複數個緩衝區塊之一暫存待寫入或待讀取之資料。
10. 如請求項第5項所述之操作方法，其中該高效能固態硬碟更包括一傳輸介面，該控制器透過該傳輸介面傳送或接收經讀取或被寫入之資料，其中該傳輸介面係使用快捷外設互聯標準傳輸技術或序列高技術配置傳輸技術。