TWI627531B

TWI627531B - 資料儲存裝置以及其操作方法

Info

Publication number: TWI627531B
Application number: TW106103787A
Authority: TW
Inventors: 簡介信; 包鎰華
Original assignee: 慧榮科技股份有限公司
Priority date: 2016-11-28
Filing date: 2017-02-06
Publication date: 2018-06-21
Also published as: TW201820146A; TW201828066A; TWI691839B

Abstract

混和型資料儲存裝置，除了提供一非揮發性記憶體，更規劃其中一揮發性記憶體提供一特定使用暫存區，分擔該非揮發性記憶體之存儲工作，使寫入該特定使用暫存區的資料更存留於該特定使用暫存區，以回應讀取要求。

Description

資料儲存裝置以及其操作方法

本發明係有關於資料儲存裝置，特別有關於混和型(hybrid)資料儲存技術。

資料儲存裝置所採用的非揮發性記憶體有多種形式一例如，快閃記憶體(flash memory)、磁阻式隨機存取記憶體(Magnetoresistive RAM)、鐵電隨機存取記憶體(Ferroelectric RAM)、電阻式隨機存取記憶體(Resistive RAM)…等，用於長時間資料保存。然而，資料儲存裝置的操作效率受限於非揮發性記憶體的物理操作特性。如何增進資料儲存裝置的操作效率為本技術領域一項重要課題。

一資料儲存裝置除了非揮發性記憶體、其控制單元更有使用一揮發性記憶體。本案是在該揮發性記憶體規劃一特定使用暫存區，分擔該非揮發性記憶體的存儲功能，以避免資料儲存裝置操作效能過度受限於非揮發性記憶體物理操作特性。

根據本案一種實施方式所實現的一資料儲存裝置包括一非揮發性記憶體、一揮發性記憶體以及一微控制器。該微控制器，規劃該揮發性記憶體提供一特定使用暫存區分擔該非揮發性記憶體之存儲工作，使寫入該特定使用暫存區的資料更存留於該特定使用暫存區，以回應讀取要求。

根據本案一種實施方式所實現的一資料儲存裝置控制方法包括：規劃該資料儲存裝置的一揮發性記憶體提供一特定使用暫存區；且以該特定使用存儲空間分擔該資料儲存裝置的一非揮發性記憶體之存儲工作，使寫入該特定使用暫存區的資料更存留於該特定使用暫存區，以回應讀取要求。

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

300‧‧‧資料儲存裝置

304‧‧‧控制單元

306‧‧‧主機

310‧‧‧線上燒錄區塊池

312‧‧‧系統資訊區塊池

314‧‧‧閒置區塊池

316‧‧‧主動區塊

318‧‧‧資料區塊池

320‧‧‧微控制器

322‧‧‧隨機存取記憶空間

324‧‧‧唯讀記憶體

330‧‧‧動態隨機存取記憶體

332‧‧‧動態利用暫存區

334‧‧‧特定使用暫存區

BLK#1、BLK#2、BLK#Z‧‧‧物理區塊

B#‧‧‧物理區塊編號

DRAM_Addr‧‧‧動態隨機存取記憶體位址

DRAM_Tab‧‧‧映射表

Flash_Tab‧‧‧映射表

LBA#‧‧‧邏輯區塊位址

S502…S512、S602…S610‧‧‧步驟

U#‧‧‧單位編號

第1圖圖解一快閃記憶體(flash memory)100的儲存空間規劃；第2A、2B、2C圖顯示動態隨機存取記憶體上一特定使用暫存區的不同規劃；第3圖以方塊圖圖解根據本案種實施方式實現的一資料儲存裝置300；第4圖圖解資料儲存裝置300所需維護的映射資訊；第5圖為流程圖，根據本案一種實施方式圖解資料儲存裝置300之操作；且第6圖為流程圖，根據本案另一種實施方式圖解資料儲存裝置300之操作。

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。

非揮發性記憶體可以是快閃記憶體(flash memory)、磁阻式隨機存取記憶體(Magnetoresistive RAM)、鐵電隨機存取記憶體(Ferroelectric RAM)、電阻式記憶體(Resistive RAM，RRAM)、自旋轉移力矩隨機存取記憶體(Spin Transfer Torque-RAM，STT-RAM等具有長時間資料保存之記憶體裝置，以下特別以快閃記憶體(flash memory)為例進行討論，但並不意圖限定之。第1圖圖解一快閃記憶體(flash memory)100的儲存空間規劃，係劃分為複數個物理區塊(physical blocks)BLK#1、BLK#2…BLK#Z等，Z為正整數。各物理區塊包括複數物理頁(physical pages)，例如：256個物理頁。每一物理頁可儲存預設長度的資料，例如：16KB長度的資料。

現今資料儲存裝置常以快閃記憶體100為儲存媒體，常用來實現記憶卡(memory card)、通用序列匯流排閃存裝置(USB flash device)、固態硬碟(SSD)...等產品。有一種應用是採多晶片封裝、將快閃記憶體100與其控制器包裝在一起-稱為嵌入式快閃記憶體模組(如eMMC)。

快閃記憶體100之資料更新並非對同樣儲存空間作複寫，而是將更新資料儲存在閒置空間；至於原儲存空間的儲存內容則轉為無效。頻繁的寫入操作容易致使儲存空間充斥無效的儲存內容，致使快閃記憶體100的儲存內容的有效率低落。快閃記憶體100的讀寫速度因而也會被拖累。此涉及快閃記憶體100的讀/寫效能問題(read/write performance)。

另外，對於充斥無效物理頁的物理區塊，快閃記憶體100具有垃圾收集(Garbage Collection)設計。待整理之物理區塊的有效物理頁將被複製至其他物理區塊，使該物理區塊空留無效物理頁，得以藉抹除(erase)操作釋出其空間。然而，各個物理區塊可容許的抹除次數有限。頻繁的寫入操作會使得物理區塊因過度抹除而導致嚴重的資料保存(data retention)的問題。此為快閃記憶體的物理區塊抹除限制(erase endurance)。

快閃記憶體更有讀取擾動議題(read disturbance issues)。讀取操作時，目標字線(WL)的周邊字線須備施加高電壓，將使得周邊字線的所操控的記憶單元內容產生擾動。快閃記憶體可靠度因而降低。

因應快閃記憶體至少以上的操作瓶頸，本案提出一種混和型(hybrid)資料儲存裝置。該種資料儲存裝置除了以快閃記憶體100實現資料的非揮發性存儲，更規劃讓資料儲存裝置之控制單元連接至一揮發性記憶體。此揮發性記憶體提供一特定使用暫存區，分擔該快閃記憶體的存儲功能。資料儲存裝置上電後，資料儲存裝置所面臨的寫入要求將部分改以該特定使用暫存區為目標，以避免頻繁寫入資料至該快閃記憶體。此外，該特定使用暫存區的資料將直接用來回應讀取要求，避免頻繁讀取該快閃記憶體。如此一來，發生在快閃記憶體100的上述讀/寫效能問題、物理區塊抹除限制、以及讀取擾動議題皆可被有效解決。所述揮發性記憶體可為一動態隨機存取記憶體(DRAM)。

第2A圖是規劃動態隨機存取記憶體提供上述特定使用暫存區對應快閃記憶體最起始配置使用的空間。例如，8GB的快閃記憶體，其最前端的128MB系統檔案對應同為128MB的上述特定使用暫存區。更有其他實施方式是規劃動態隨機存取記憶體提供上述特定使用暫存區對應快閃記憶體其他的固定使用區段。

另一種實施方式中，動態隨機存取記憶體提供128MB的特定使用暫存區作為特定邏輯區塊位址(LBA)編號範圍的資料的暫存區。例如，LBA#0~#262,143的資料的暫存區，或者，最先建立的262,144個LBA的資料的暫存區。所述最先建立的LBA的資料可能是作業系統檔案或是應用程式檔案，資料存取的頻率較高。本案技術將作業系統檔案或是應用程式檔案上傳至動態隨機存取記憶體中所規劃的該特定使用暫存區，方便及時回應存取要求。如此一來，資料存取的效率可顯著提升，且也克服快閃記憶體的物理區塊抹除限制以及讀取擾動議題。

第2B圖顯示動態隨機存取記憶體提供上述特定使用暫存區的另一種規劃。相較於第2A圖，第2B圖並不令動態隨機存取記憶體提供上述特定使用暫存區對應快閃記憶體固定使用區段，而是對應快閃記憶體中動態配置給特定檔案的儲存空間。例如，提供動態隨機存取記憶體的128MB特定使用暫存區作為資料儲存裝置的特定檔案的暫存區。例如，動態隨機存取記憶體提供的上述特定使用暫存區可作為遊戲登錄檔(log file)之存儲。遊戲登錄檔的頻繁讀寫行為是施作在動態隨機存取記憶體上，而非快閃記憶體上，因此，遊戲登錄檔之讀寫效率可顯著提升，且也不涉及快閃記憶體的物理區塊抹除限制以及讀取擾動議題。

第2C圖顯示動態隨機存取記憶體上述特定使用暫存區的另一種規劃，是關於一種印表機應用。一印表機上可安裝一資料儲存裝置，其中快閃記憶體用於儲存連線使用者列印資訊，待排程列印。該資料儲存裝置如前述，其控制單元採用一動態隨機存取記憶體，且該動態隨機存取記憶體規劃有一特殊使用暫存區。根據第2C圖概念，機密的列印資訊是以該特殊使用暫存區實現印表機端之存儲。特別是，機密的列印資訊並不儲存至該快閃記憶體，而是限定在該動態隨機存取記憶體的該特殊使用暫存區，此外，此機密的列印資訊較佳經過資料儲存裝置進行加密處理。僅非機密的列印資訊會儲存至該快閃記憶體。一旦印表機關閉或斷電，機密的列印資訊確定將隨著該動態隨機存取記憶體斷電而永久銷毀，達到資訊保密的目的。相較於動態隨機存取記憶體，快閃記憶體上的資訊即使斷電、甚至已被標示為無效，也還是存留在快閃記憶體上。機密資訊如果儲存在快閃記憶體上，在資訊保密上會有一定的風險。

第3圖以方塊圖圖解根據以上概念實現的一資料儲存裝置300，其中包括快閃記憶體100以及一控制單元304。控制單元304耦接於一主機306與該快閃記憶體100之間，包括根據主機306所下達的指令操作該快閃記憶體100。

快閃記憶體100之較佳儲存空間規劃包括：線上燒錄區塊池310、系統資訊區塊池312、閒置區塊池314、主動區塊316、以及資料區塊池318。線上燒錄區塊池310之區塊儲存線上燒錄(in-system programming，ISP)的程式。系統資訊區塊池312之區塊儲存系統資訊一如，映射表。主動區塊316係由閒置區塊池314供應，負責接收來自於主機306的資料，待完成資料儲存後即推入資料區塊池318。

控制單元304包括一微控制器320、一隨機存取記憶空間322以及一唯讀記憶體324。該隨機存取記憶空間322可分內部、以及外部隨機存取記憶體。內部隨機存取記憶體是與微控制器320置於同一個晶粒(die)外部隨機存取記憶體則未與微控制器320置於同一個晶粒。該隨機存取記憶空間322可由動態隨機存取記憶體(DRAM)或/以及靜態隨機存取記憶體(SRAM)實現。唯讀記憶體324存有唯讀程式碼(如，ROM code)。微控制器320執行該唯讀記憶體324所載之唯讀程式碼或/以及該快閃記憶體100之該線上燒錄區塊池310所載之線上燒錄的程式，以進行運作。

本案令屬於該隨機存取記憶空間322的一動態隨機存取記憶體330(不限定為上述內部或外部隨機存取記憶體)除了提供一動態利用暫存區332，更規劃一特定使用暫存區334。動態利用暫存區332可用作映射表或運算資訊之暫存。所述運算資訊之暫存包括實現快取(cache)功能，用於實施指令預測或資料預取…等。特定使用暫存區334分擔該快閃記憶體100的存儲功能，以避免資料儲存裝置300操作效能過度受限於快閃記憶體100物理操作特性。特定使用暫存區334之使用可參照第2A圖、第2B圖以及第2C圖之描述。例如，特定使用暫存區334可用來分擔作業系統檔案或是應用程式檔案之存儲(第2A圖)、或遊戲登錄檔(log file)之存儲(第2B圖)，甚至獨立於快閃記憶體100用作列表機機密資料之存儲(第2C圖)。

第3圖更顯示，控制單元304以及快閃記憶體100之間可有互動，以滿足特定使用暫存區334之非揮發性存儲需求。資料儲存裝置300上電時，微控制器320將快閃記憶體100的特定資料上傳至該特定使用暫存區334，並改以該特定使用暫存區334為目標回應資料讀/寫的要求一即，無須即時將寫入資料自該特定使用暫存區334同步至該快閃記憶體100、且無須訪問該快閃記憶體100即以該特定使用暫存區334內容回應讀取要求。關於該特定使用暫存區334中因為寫入要求而變動過的資料，使用者可自設快閃記憶體100同步條件。例如，每達一時限即將該特定使用暫存區334的已更新資料同步至該快閃記憶體100，以應對非預期掉電/斷電事件。資料儲存裝置300關閉前也需要將該特定使用暫存區334的已更新資料同步至該快閃記憶體100，以確保該快閃記憶體100掉電/斷電後維持的是最新版本資料。

第4圖圖解資料儲存裝置300所需維護的映射資訊。映射表DRAM_Tab顯示動態隨機存取記憶體330該特定使用暫存區334所映射的主機306端邏輯位址。圖例以動態隨機存取記憶體位址DRAM_Addr為索引，顯示該特定使用暫存區334各位址單位對應的邏輯區塊位址LBA#。映射表Flash_Tab顯示主機306端邏輯位址所映射的快閃記憶體位置。圖例顯示各邏輯區塊位址LBA#是對應快閃記憶體100某一物理區塊B#的某一單位U#(通常一物理頁是劃分為四個單位編號U0~U3)。在另一實施例中，映射表DRAM_Tab不以動態隨機存取記憶體位址DRAM_Addr為索引，而是以邏輯區塊位址LBA#為索引。映射表Flash_Tab也可以其他足以表現主機306端以及快閃記憶體100之間邏輯-物理映射關係的表格取代。

當主機306欲存取一個特定的邏輯區塊位址LBA#時，控制單元304可依據映射表DRAM_Tab而得知其是否對應有動態隨機存取記憶體位址DRAM_Addr。尋有動態隨機存取記憶體位址DRAM_Addr時，該個特定的邏輯區塊位址LBA#之存取是以尋得的動態隨機存取記憶體位址DRAM_Addr為目標。反之，該個特定的邏輯區塊位址LBA#之存取是參照映射表Flash_Tab，以該快閃記憶體100為目標。

關於該特定使用暫存區334上有非揮發性存儲需求的資料，其除了可在映射表DRAM_Tab找到其至該特定使用存儲區334的映射外，在映射表Flash_Tab也有需要維護的映射信息。微控制器320可以利用暫存區332動態維護所述映射資訊(包括映射表DRAM_Tab與Flash_Tab)。微控制器320更包括將上述映射資訊自該動態利用暫存區332更新至該快閃記憶體100作非揮發性儲存。

第5圖為流程圖，圖解資料儲存裝置300操作的一種實施方式。資料儲存裝置300上電後，根據步驟S502，微控制器320自快閃記憶體100上傳映射表DRAM_Tab與Flash_Tab 至動態利用暫存區332，並基於映射表DRAM_Tab與Flash_Tab，將特定使用暫存區334所對應的內容自快閃記憶體100上傳至該特定使用暫存區334。若步驟S504判斷有資料存取要求(寫/讀)發生，流程進行步驟S506，核對映射表DRAM_Tab，檢查該資料存取要求是否指向該特定使用暫存區334，為以該特定使用站存區334為存取目標的特定資料。若否，根據步驟S508，微控制器330查詢映射表Flash_Tab，以快閃記憶體100為標的進行存取。反之，微控制器330進行步驟S510，依據映射表DRAM_Tab，以該特定使用暫存區334為存取標的。快閃記憶體100之頻繁存取有效由該特定使用暫存區334分擔。步驟S512更判斷該特定使用暫存區334以及該快閃記憶體100之間的同步條件是否滿足。若滿足，微控制器330進行步驟S514，將該特定使用暫存區334之更新同步至該快閃記憶體100，並更新映射表Flash_Tab。步驟S504之存取要求監控可持續至斷電。

第6圖為流程圖，圖解資料儲存裝置300操作的另一種實施方式，其中為了確保數據不掉失，快閃記憶體100即時與該特定使用暫存區334同步，至於特定使用暫存區334分擔快閃記憶體100頻繁讀取操作的概念則延續第5圖內容。簡明起見，第6圖僅敘述寫入操作。資料儲存裝置300上電後，根據步驟S602，微控制器320自快閃記憶體100上傳映射表DRAM_Tab與Flash_Tab至動態利用暫存區332，並基於映射表DRAM_Tab與Flash_Tab，將特定使用暫存區334所對應的內容自快閃記憶體100上傳至該特定使用暫存區334。若步驟S604判斷有資料寫入要求發生，流程進行步驟S606，微控制器320即時將資料寫入快閃記憶體100，並相應更新映射表Flash_Tab。根據步驟S608，微控制器320更核對映射表DRAM_Tab，檢查該資料寫入要求是否為寫入特定資料，需在該特定使用暫存區334有備份，以分擔快閃記憶體100頻繁的讀取操作，解決快閃記憶體100讀取擾動。若是，微控制器320進行步驟S610，更新該特定使用暫存區334，使該特定使用暫存區334內容同步該快閃記憶體100。步驟S604之寫入要求監控可持續至斷電。

其他採用上述概念完成混和型資料儲存的技術都屬於本案所欲保護的範圍。基於以上技術內容，本案更涉及資料儲存裝置操作方法。

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。

Claims

一種資料儲存裝置，包括：一非揮發性記憶體；一揮發性記憶體；以及一微控制器，規劃該揮發性記憶體提供一特定使用暫存區分擔該非揮發性記憶體之存儲工作，使寫入該特定使用暫存區的資料更存留於該特定使用暫存區，以回應讀取要求，其中：該微控制器更維護一第一映射表以及一第二映射表；該第一映射表顯示該揮發性記憶體提供的該特定使用暫存區映射一主機發出的哪些邏輯位址；該第二映射表顯示該主機發出的邏輯位址與該非揮發性記憶體的映射關係；該主機發出讀取要求時，該微控制器核對該第一映射表，使該第一映射表有記錄的邏輯位址之讀取要求是由該揮發性記憶體內容回應，並在該第一映射表無記錄時根據該第二映射表以該非揮發性記憶體的內容回應該主機發出的讀取要求。
如申請專利範圍第1項所述之資料儲存裝置，其中：該微控制器令該特定使用暫存區對應該非揮發性記憶體的一固定區段。
如申請專利範圍第2項所述之資料儲存裝置，其中：該資料儲存裝置上電時，該微控制器自該固定區段讀出資料，據以修復該特定使用暫存區的內容；且該微控制器是以該特定使用暫存區的內容回應關於該非揮發性記憶體的該固定區段的讀取要求。
如申請專利範圍第3項所述之資料儲存裝置，其中：該微控制器自該固定區段讀出、且修復至該特定使用暫存區的內容為作業系統檔案或是應用程式檔案。
如申請專利範圍第1項所述之資料儲存裝置，其中：該微控制器令該特定使用暫存區分擔一特定檔案的存儲，且該特定檔案對應的是該非揮發性記憶體中動態配置的空間。
如申請專利範圍第5項所述之資料儲存裝置，其中：該資料儲存裝置上電時，該微控制器自該非揮發性記憶體動態配置給該特定檔案的空間讀出資料，據以修復該特定使用暫存區的內容；且該微控制器是以該特定使用暫存區的內容回應關於該特定檔案的讀取要求。
如申請專利範圍第6項所述之資料儲存裝置，其中：該微控制器是以該特定使用暫存區為目標實現關於該特定檔案的寫入要求；該微控制器更依循一同步條件，將該特定使用暫存區的內容同步至該非揮發性記憶體；且該同步條件為一時限、或該特定使用暫存區內容的變動次數限制、或一關機要求。
如申請專利範圍第7項所述之資料儲存裝置，其中：該特定檔案為遊戲登錄檔。
如申請專利範圍第1項所述之資料儲存裝置，設置於一印表機以儲存連線使用者的列印資訊，其中，該微控制器令機密列印資訊是以該特定使用暫存區存儲。
一種資料儲存裝置操作方法，包括：規劃該資料儲存裝置的一揮發性記憶體提供一特定使用暫存區；以該特定使用存儲空間分擔該資料儲存裝置的一非揮發性記憶體之存儲工作，使寫入該特定使用暫存區的資料更存留於該特定使用暫存區，以回應讀取要求；維護一第一映射表以及一第二映射表，該第一映射表顯示該揮發性記憶體提供的該特定使用暫存區映射一主機發出的哪些邏輯位址，且該第二映射表顯示該主機發出的邏輯位址與該非揮發性記憶體的映射關係；以及在該主機發出讀取要求時，核對該第一映射表，使該第一映射表有記錄的邏輯位址之讀取要求是由該揮發性記憶體內容回應，並在該第一映射表無記錄時根據該第二映射表以該非揮發性記憶體的內容回應該主機發出的讀取要求。
如申請專利範圍第10項所述之資料儲存裝置操作方法，更包括：令該特定使用暫存區對應該非揮發性記憶體的一固定區段。
如申請專利範圍第11項所述之資料儲存裝置操作方法，更包括：在該資料儲存裝置上電時，自該固定區段讀出資料，據以修復該特定使用暫存區的內容；且以該特定使用暫存區的內容回應關於該非揮發性記憶體的該固定區段的讀取要求。
如申請專利範圍第12項所述之資料儲存裝置操作方法，其中：自該固定區段讀出、且修復至該特定使用暫存區的內容為作業系統檔案或是應用程式檔案。
如申請專利範圍第10項所述之資料儲存裝置操作方法，更包括：令該特定使用暫存區分擔一特定檔案的存儲，且該特定檔案對應的是該非揮發性記憶體中動態配置的空間。
如申請專利範圍第14項所述之資料儲存裝置操作方法，更包括：在該資料儲存裝置上電時，自該非揮發性記憶體動態配置給該特定檔案的空間讀出資料，據以修復該特定使用暫存區的內容；且以該特定使用暫存區的內容回應關於該特定檔案的讀取要求。
如申請專利範圍第15項所述之資料儲存裝置操作方法，更包括：以該特定使用暫存區為目標，實現關於該特定檔案的寫入要求；依循一同步條件，將該特定使用暫存區的內容同步至該非揮發性記憶體；其中，該同步條件為一時限、或該特定使用暫存區內容的變動次數限制、或一關機要求。
如申請專利範圍第16項所述之資料儲存裝置操作方法，其中：該特定檔案為遊戲登錄檔。
如申請專利範圍第10項所述之資料儲存裝置操作方法，令該資料儲存裝置設置於一印表機以儲存連線使用者的列印資訊，且令機密列印資訊是以該特定使用暫存區存儲。