TWI640927B - Power management method for data storage device - Google Patents

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徐博賢
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Abstract

一種資料貯存裝置有一個NAND快閃記憶體、一個外部記憶體、一個第一核心及一個第二核心。該外部記憶體包括第一部分及第二部分，該第一部分大於該第二部分。該第一核心有一個中央處理器單元、一個指令緊密耦合記憶體及一個資料緊密耦合記憶體。該第二核心有一個中央處理器單元、一個指令緊密耦合記憶體及一個資料緊密耦合記憶體。該資料貯存裝置可在一個操作狀態與一個休眠狀態之間切換。在該休眠狀態中，該NAND快閃記憶體、該外部記憶體的第一部分、該第一核心的中央處理器單元、該第二核心的中央處理器單元、指令緊密耦合記憶體及資料緊密耦合記憶體停止運作，但該外部記憶體的第二部分及該第一核心的指令緊密耦合記憶體及資料緊密耦合記憶體正常運作。

Description

資料貯存裝置的電力管理方法
本發明有關於資料貯存裝置的電力管理方法，特別是在省電及縮短遲滯間取得平衡之電力管理方法。
參考第1圖，一個主機10連接一個資料貯存裝置12。具體而言，資料貯存裝置12是一個固態硬碟(solid-state drive：SSD)，且有一個NAND快閃記憶體14、一個外部記憶體16及兩個核心18及20。元件16使用「外部記憶體」一詞是因為它代表一個位在NAND快閃記憶體14及核心18及20以外的記憶體。核心18有一個中央處理器單元(central processor unit：CPU)24、一個指令緊密耦合記憶體(instruction-tightly-coupled memory：ITCM)26及一個資料緊密耦合記憶體(data-tightly-coupled memory：DTCM)28。指令緊密耦合記憶體26貯存中央處理器單元24運作時所需的程式。資料緊密耦合記憶體28被用以貯存核心18運作時所需的資料。核心20有一個中央處理器單元30、一個指令緊密耦合記憶體32及一個資料緊密耦合記憶體34。指令緊密耦合記憶體32貯存中央處理器單元30運作時所需的程式。資料緊密耦合記憶體34被用以貯存核心20運作時所需的資料。
固態硬碟12貯存從主機10而來的使用者資料。然而，固態硬碟12不必一直運作。在一些閒置狀態中，主機10不與固態硬碟12溝通資料。因此，可用一個電力管理方法管理供應固態硬碟12的電力。一種習知的電力管理方法有一個休眠程序及一個喚醒程序。在這些閒置狀態中，執行休眠程序而使固態硬碟12休眠。主機10須與固態硬碟12溝通資料時，執行喚醒程序而從該休眠喚醒固態硬碟12。
參考第6圖，在休眠中，關掉整個核心18、整個核心20、整個NAND快閃記憶體14及整個外部記憶體16。亦即，核心18的中央處理器單元24、指令緊密耦合記憶體26及資料緊密耦合記憶體28都被關掉，且核心20的中央處理器單元30、指令緊密耦合記憶體32及資料緊密耦合記憶體34都被關掉。
參考第7圖，執行該喚醒程序而喚醒固態硬碟12，亦即喚醒整個核心18、整個核心20、整個NAND快閃記憶體14及整個外部記憶體16。因此，先執行一道啟動ROM程序(boot-ROM code)，後執行一道啟動加載程序(boot loader code)。執行該啟動加載程序以後，才執行核心18及20的初始化程序。核心18的初始化程序及核心20的初始化程序是平行地(或「同步地」)進行。在執行核心18及20的初始化程序以後，才執行核心18及20的韌體。核心18的韌體及核心20的韌體是平行地進行。因此，須花一長段時間才能喚醒固態硬碟12，亦即固態硬碟12的運作有長時間遲滯。然而，在一些情形中，不能容忍固態 硬碟12的運作有這麼長時間的遲滯。
有鑑於上述習知的技術之問題，本發明之目的在於提供一種兼顧省電與快速甦醒的快閃記憶體的動態管理方法。
為達成上述目的，該資料貯存裝置有一個NAND快閃記憶體、一個外部記憶體、一個第一核心及一個第二核心。該外部記憶體包括第一部分及第二部分，該第一部分大於該第二部分。該第一核心有一個中央處理器單元、一個指令緊密耦合記憶體及一個資料緊密耦合記憶體。該第二核心有一個中央處理器單元、一個指令緊密耦合記憶體及一個資料緊密耦合記憶體。該資料貯存裝置可在一個操作狀態與一個休眠狀態之間切換。依本發明的動態管理方法，在該休眠狀態中，該NAND快閃記憶體、該外部記憶體的第一部分、該第一核心的中央處理器單元、該第二核心的中央處理器單元、指令緊密耦合記憶體及資料緊密耦合記憶體停止運作，但該外部記憶體的第二部分及該第一核心的指令緊密耦合記憶體及資料緊密耦合記憶體正常運作。
10‧‧‧主機
12‧‧‧固態硬碟
14‧‧‧NAND快閃記憶體
16‧‧‧外部記憶體
18‧‧‧核心
20‧‧‧核心
22‧‧‧休眠實體區塊
24‧‧‧中央處理器單元
26‧‧‧指令緊密耦合記憶體
28‧‧‧資料緊密耦合記憶體
30‧‧‧中央處理器單元
32‧‧‧指令緊密耦合記憶體
34‧‧‧資料緊密耦合記憶體
第1圖是一台主機與一種資料貯存裝置的方塊圖；第2圖是依本發明的較佳實施例的電力管理方法休眠的 第1圖所示的資料貯存裝置的方塊圖；第3圖是第2圖所示的資料貯存裝置的甦醒程序；第4圖是本發明的較佳實施例的電力管理方法的休眠程序的流程圖；第5圖是本發明的較佳實施例的電力管理方法的喚醒程序的流程圖；第6圖是依習知的電力管理方法休眠的第1圖所示的資料貯存裝置的方塊圖；及第7圖是第6圖所示的資料貯存裝置的甦醒程序。
以下請參照相關圖式進一步說明本發明的快閃記憶體的動態管理方法的較佳實施例。為便於理解本發明，以下用相同符號標示相同元件。
如於先前技術中參考第1圖所述，主機10連接固態硬碟12。主機10通常是個人電腦，例如桌上型電腦及膝上型電腦。如上述，固態硬碟12有NAND快閃記憶體14、外部記憶體16、核心18及20。固態硬碟12可執行本發明的較佳實施例的電力管理方法。為詳細描述該管理方法，將提供固態硬碟12的更多細節。
NAND快閃記憶體14貯存與固態硬碟12運作時所需的資料及從主機10而來的使用者資料。NAND快閃記憶體14有一個休眠實體區塊(physical block：PB)22，休眠實體區塊22其實是一群實體區塊。休眠實體區塊22貯存與固態硬碟12的休眠有關的資料，包括場景(context)。
依本發明的資料貯存裝置的電力控制方法，把外 部記憶體16分為第一部分及第二部分，第一部分大於第二部分。稍後將描述把外部記憶體16分為二個部分的原因。外部記憶體16連接NAND快閃記憶體14。
如於先前技術中所述，核心18有中央處理器單元24、指令緊密耦合記憶體26及資料緊密耦合記憶體28。中央處理器單元24執行一種軟體程式而實施本發明的電力管理方法。指令緊密耦合記憶體26貯存中央處理器單元24運作時所需的軟體程式。舉例而言，指令緊密耦合記憶體26從NAND快閃記憶體14取得並貯存一個快閃記憶體轉換層(flash translation layer：FTL)及一個後端(back end：BE)。中央處理器單元24從指令緊密耦合記憶體26取得並執行該快閃記憶體轉換層及該後端。資料緊密耦合記憶體28貯存核心18運作時所需的資料，包括中央處理器單元24執行軟體程式時所產生及所須用的資料及中央處理器單元24的場景(context)。核心18連接NAND快閃記憶體14。
如於先前技術中所述，核心20有中央處理器單元30、指令緊密耦合記憶體32及資料緊密耦合記憶體34。中央處理器單元30執行一種軟體程式而實施本發明的電力管理方法。指令緊密耦合記憶體32貯存中央處理器單元30運作時所需的軟體程式。舉例而言，指令緊密耦合記憶體32從NAND快閃記憶體14取得並貯存一個前端(front end：FE)及一個資料快取(data cache：DC)。中央處理器單元30從指令緊密耦合記憶體32取得並執行該前端及該資料快取。資料緊密耦合記憶體34貯存核心20運作時所需的資料，包括中央處理器單元30執行這些軟體程式時所產生及所須用的資料及中央處理器單元30的場景。
核心20連接主機10。核心18及20經一種遠方程序調用(remote procedural call：RPC)而相連，所以允許中央處理器單元24請求中央處理器單元30使用指令緊密耦合記憶體32及資料緊密耦合記憶體34，並允許中央處理器單元30請求中央處理器單元24使用指令緊密耦合記憶體26及資料緊密耦合記憶體28。
發生閒置狀態時，主機10指示核心20開始該休眠程序。因此，核心20開始該休眠程序，送一個通知給核心18。一旦收到該通知，核心18開始該休眠程序，並告訴核心20，核心18已準備好休眠。參考第2圖，一旦接到核心18的通知，核心20就停止中央處理器單元30、指令緊密耦合記憶體32、資料緊密耦合記憶體34、核心18的中央處理器單元24及外部記憶體16的第一部分。然而，指令緊密耦合記憶體26、資料緊密耦合記憶體28及外部記憶體16的第二部分被允許繼續運作。請注意，在休眠以前，須把外部記憶體16的第一部分貯存的資料寫入NAND快閃記憶體14。在休眠以前分別被寫入NAND快閃記憶體14及外部記憶體16的第二部分的資料會被用在喚醒程序中。
參考第3圖，使用者可隨己意執行該喚醒程序而喚醒固態硬碟12。因此，立即初始化核心18的中央處理器單元24，且隨後執行核心18的指令緊密耦合記憶體26貯存的程序。省略該啟動ROM程序(boot-ROM code)、該啟動加載程序(boot loader code)及核心18的指令緊密耦合記憶體26及資料緊密耦合記憶體28的初始化程序(initializing code)。因為核心18在休眠以前，貯存若干標記而告訴固態硬碟12，所以固態硬碟12知道該省略該啟動ROM程序、該啟動加載程序及該等初始化 程序。在初始化核心18的韌體(firmware)時，平行地執行核心20的初始化程序而初始化核心20的韌體。整體的喚醒遲滯被縮短，因為不花時間來執行核心18的啟動ROM程序及啟動加載程序。核心18從休眠實體區塊22回復其場景(context)及核心20的韌體。
參考第4圖及第5圖，詳細描述該電力管理方法。該電力管理方法有一道休眠程序(第4圖)及一道喚醒程序(第5圖)。
參考第4圖，在S10，主機10輸入一個休眠請求。
在S12，中央處理器單元30從指令緊密耦合記憶體32取得該前端，並予以執行而從主機10接收該休眠請求，並提供一個資料快取請求。
在S14，依該資料快取請求，中央處理器單元30從指令緊密耦合記憶體32取得該資料快取，並予以執行而把資料，從一個快取緩衝記憶體(buffer)，寫入NAND快閃記憶體14，並提供一個快閃記憶體轉換層寫入請求。「快取緩衝記憶體」表示一個在外部記憶體16(硬體)裡被分配給該資料快取(軟體)的區塊。
在S16，依該快閃記憶體轉換層寫入請求，中央處理器單元24從指令緊密耦合記憶體26取得該快閃記憶體轉換層，且予以執行而把使用者資料從一個快閃記憶體轉換層緩衝記憶體，寫入NAND快閃記憶體14，並執行該資料快取請求的回呼函式(callback function)。「快閃記憶體轉換層緩衝記憶體」表示一個在外部記憶體16(硬體)裡被分配給該快閃記憶體轉換層(軟體)的區塊。
在S18，中央處理器單元24執行該資料快取而使 該DC緩衝記體失效(invalidate)，並為該快閃記憶體轉換層提供該休眠請求。先前，已把資料從該快取緩衝記憶體，寫入NAND快閃記憶體14。換言之，該快取緩衝記憶體已無資料，而不必再從它取資料。因此，在這階段使該快取緩衝記憶體失效。
在S20，中央處理器單元24執行該快閃記憶體轉換層而把User/System/SysMeta資料寫入NAND快閃記憶體14，並使一個相關的資料快取失效，且為該資料快取請求執行一個回呼函式。
簡單地說，在S14、S16及S20所做的是把外部記憶體16貯存的資料寫入NAND快閃記憶體14。在S14，把外部記憶體16貯存的資料的一部分寫入NAND快閃記憶體14。在S16，把外部記憶體16貯存的資料的另一部分寫入NAND快閃記憶體14。在S20，把外部記憶體16貯存的其他資料寫入NAND快閃記憶體14。
在S22，該快閃記憶體轉換層把一個電力狀態、一個恢復入口(resume entry)及中央控制器單24的場景寫入外部記憶體16的第二部分。然後，快閃記憶體轉換層持續監視電力狀態而決定休眠或喚醒。
在S24，該資料快取回呼函式執行該前端回呼函式。
在S26，該前端回呼函式監視整個固態硬碟12的狀態，並開始休眠。
參考第5圖，在S30，固態硬碟12從主機10接收一個喚醒請求。
在S32，認出該休眠狀態，並跳到該恢復入口。
在S34，回復中央處理器單元30的場景，並初始 化核心20的硬體。
在S36，回復SysRoot/SysMeta/外部記憶體16，並初始化一個heap/reap分配器，且把指令緊密耦合記憶體32的資料及資料緊密耦合記憶體34的資料，從休眠實體區塊22，分別載入核心20的指令緊密耦合記憶體32及資料緊密耦合記憶體34，並釋放核心20。
依本發明的電力管理方法，在休眠中，停止外部記憶體16的大部分、核心18的中央處理器單元24及整個核心20，卻保持核心18的指令緊密耦合記憶體26及資料緊密耦合記憶體28及外部記憶體16的小部分清醒。因為停止外部記憶體16的大部分、核心18的中央處理器單元24及整個核心20，所以減少耗電量。因為保持核心18的指令緊密耦合記憶體26及資料緊密耦合記憶體28及外部記憶20的小部分清醒，所以喚醒程序從核心18的韌體開始，省略核心18的啟動ROM程序、啟動加載程序及初始化程序功能，而加速該喚醒程序，亦即減少固態硬碟12的整體遲滯。因此，本發明的電力管方法在低耗電量及高效能之間取得好的平衡。

Claims (8)

  1. 一種資料貯存裝置，有：一個NAND快閃記憶體(14)；一個外部記憶體(16)，包括第一部分及第二部分，該第一部分大於該第二部分；一個第一核心(18)，有一個中央處理器單元(24)、一個指令緊密耦合記憶體(26)及一個資料緊密耦合記憶體(28)；及一個第二核心(20)，有一個中央處理器單元(30)、一個指令緊密耦合記憶體(32)及一個資料緊密耦合記憶體(34)；其中，該資料貯存裝置可在一個操作狀態與一個休眠狀態之間切換，在該休眠狀態中，該NAND快閃記憶體(14)、該外部記憶體(16)的第一部分、該第一核心(18)的中央處理器單元(24)、該第二核心(20)的中央處理器單元(30)、指令緊密耦合記憶體(32)及資料緊密耦合記憶體(34)停止運作，但該外部記憶體(16)的第二部分及該第一核心(18)的指令緊密耦合記憶體(26)及資料緊密耦合記憶體(28)正常運作。
  2. 如第1請求項所述之資料貯存裝置所用之電力管理方法，包括以下步驟：從一個主機(10)接收一個休眠要求；執行一道休眠程序，該休眠程序包括以下步驟：停止該外部記憶體(16)的第一部分，卻允許該外部記憶體(16)的第二部分繼續運作；停止該第一核心(18)的中央處理器單元(24)，卻允許該第一核心(18)的指令緊密耦合記憶體(26)及資料緊密耦合記憶體(28)繼續運作；停止該第二核心(20)的中央處理器單元(30)、指令緊密耦合記憶體(32)及資料緊密耦合記憶體(34)；及停止該NAND快閃記憶體(14)；及從該主機(10)收到一個喚醒要求；執行一道喚醒程序，該喚醒程序包括以下步驟：喚醒該外部記憶體(16)的大部分；喚醒該第一核心(18)的中央處理器單元(24)；及喚醒該第二核心(20)的中央處理器單元(30)、指令緊密耦合記憶體(32)及資料緊密耦合記憶體(34)。
  3. 如第2請求項所述之電力管理方法，其中從一個主機(10)接收一個休眠要求的步驟包括以下步驟：用該第二核心(20)的中央處理器單元(30)從該第二核心(20)的指令緊密耦合記憶體(32)取得一個前端；用該前端而從主機(10)接收該休眠請求；及提供一個資料快取請求。
  4. 如第3請求項所述之電力管理方法，在停止該外部記憶體(16)的第一部分的步驟以前，還有以下步驟：把該外部記憶體(16)的第一部分貯存的資料寫入該NAND快閃記憶體(14)。
  5. 如第4請求項所述之電力管理方法，其中把該外部記憶體(16)的第一部分貯存的資料寫入該NAND快閃記憶體(14)的步驟包括以下步驟：(S14)用該第二核心(20)的中央處理器單元(30)從該第二核心(20)的指令緊密耦合記憶體(32)取得並執行一個資料快取，而把資料從一個快取緩衝記憶體寫入該NAND快閃記憶體(14)；(S16)用該第一核心(18)的中央處理器單元(24)從該第一核心(18)的指令緊密耦合記憶體(26)取得並執行一個快閃記憶體轉換層，而把使用者資料從一個快閃記憶體轉換層緩衝記憶體，寫入該NAND快閃記憶體(14)；及(S20)用該第一核心(18)的中央處理器單元(24)執行該快閃記憶體轉換層，而把User/System/SysMeta資料寫入該NAND快閃記憶體(14)。
  6. 如第3請求項所述之電力管理方法，其中在停止該第二核心(20)的資料緊密耦合記憶體(34)的步驟以前，還有以下步驟：把該第二核心(20)的資料緊密耦合記憶體(34)貯存的資料寫入該外部記憶體(16)的第二部分。
  7. 如第2請求項所述之電力管理方法，其中該休眠程序包括以下步驟：(S12)該第二核心(20)的中央處理器單元(30)從該第二核心(20)的指令緊密耦合記憶體(32)取得一個前端，並予以執行而從主機(10)接收該休眠請求，並提供一個資料快取請求；(S14)依該資料快取請求，該第二核心(20)的中央處理器單元(30)從該第二核心(20)的指令緊密耦合記憶體(32)取得該資料快取，並予以執行而把資料，從一個快取緩衝記憶體，寫入NAND快閃記憶體14，並提供一個快閃記憶體轉換層寫入請求；(S16)依該快閃記憶體轉換層寫入請求，中央處理器單元24從指令緊密耦合記憶體26取得該快閃記憶體轉換層，且予以執行而把使用者資料從一個快閃記憶體轉換層緩衝記憶體，寫入NAND快閃記憶體14，並執行該資料快取請求的回呼函式(callback function)；(S18)該第二核心(20)的中央處理器單元(30)執行該資料快取而使該DC緩衝記體失效(invalidate)，並為該快閃記憶體轉換層提供該休眠請求；(S20)該第一核心(18)的中央處理器單元(24)執行該快閃記憶體轉換層而關閉一個User/System/SysMeta空間，並使一個GMT快取失效，且為該資料快取請求執行一個回呼函式；(S22)該快閃記憶體轉換層記錄一個休眠狀態、一個恢復入口、中央控制器單元(24)的場景，並持續監視電力狀態；(S24)該資料快取回呼函式執行該前端回呼函式；及(S26)該前端回呼函式監視整個固態硬碟12的狀態，並開始休眠。
  8. 如第2請求項所述之電力管理方法，其中該喚醒程序包括以下步驟：認出該電力狀態，並跳到該恢復入口；回復該第一核心(18)的中央處理器單元(24)的場景，並初始化該第一核心(18)；及回復SysRoot/SysMeta/外部記憶體(16)，並初始化一個heap/reap分配器，且把該第二核心(20)的指令緊密耦合記憶體(32)及資料緊密耦合記憶體(34)的資料從休眠實體區塊(22)載入該第二核心(20)的指令緊密耦合記憶體(32)及資料緊密耦合記憶體(34)，並釋放該第二核心(20)。
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