非易失性存儲器的損耗均衡系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種含有多個儲存單元的非易失性存儲器的損耗均衡架構(gòu)，使用轉(zhuǎn)換層將主機所提供的非易失性存儲器的邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址。配置一冷區(qū)塊表格，在至少一個所述儲存單元內(nèi)分配一個或多個冷區(qū)塊，該儲存單元內(nèi)的冷區(qū)塊的擦寫計數(shù)值小于該儲存單元內(nèi)的非冷區(qū)塊的擦寫計數(shù)值。在所述冷區(qū)塊表格中記錄冷區(qū)塊的邏輯地址和相應(yīng)的物理地址，以建立含有該些冷區(qū)塊的冷區(qū)塊群集。
【專利說明】非易失性存儲器的損耗均衡系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及損耗均衡(wear leveling),特別是關(guān)于一種具多儲存單元的非易失性存儲器的全域(global)損耗均衡的層級架構(gòu)。
現(xiàn)有技術(shù)
[0002]一些可擦寫儲存介質(zhì)(例如，快閃存儲器)在經(jīng)過一定次數(shù)的擦寫周期后會變得不可靠。如果這些擦寫周期集中在固定的數(shù)據(jù)區(qū)塊，而其余的數(shù)據(jù)區(qū)塊則少有擦寫周期，則這些可擦寫儲存介質(zhì)的壽命會大為減少。圖1顯示傳統(tǒng)儲存裝置(例如快閃存儲器)，其包含四個儲存單元(亦即，單元I至單元4)，其可分別代表四個平面(plane)、通道或晶片。輸入數(shù)據(jù)根據(jù)其邏輯區(qū)塊地址(LBA)經(jīng)過模數(shù)(mod)運算后的余數(shù)而寫入單元I至單元4的其中之一。以圖1為例，余數(shù)為{0，…，15}的數(shù)據(jù)寫入單元1，余數(shù)為{16，…，31}的數(shù)據(jù)寫入單元2，其余類推。數(shù)據(jù)很可能大都寫入某一儲存單元(例如單元I)。如前所述，這會造成圖1所示的儲存裝置的壽命大為減少。為了延長儲存裝置的壽命，提出了一些損耗均衡(wear leveling)的機制,使得擦寫周期得以平均分散。然而，傳統(tǒng)的損耗均衡機制僅影響儲存裝置的限定區(qū)域，或者需要使用復(fù)雜的演算法。
[0003]因此，亟需提出 一種新穎的機制以增強儲存裝置的損耗均衡，特別是針對具多個儲存單元的非易失性存儲器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明實施例的目的之一在于提出一種非易失性存儲器(特別是具多個儲存單元的非易失性存儲器)的全域損耗均衡的層級架構(gòu)，用以全域且預(yù)先進行非易失性存儲器的損耗均衡。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的實施例，非易失性存儲器包含多個儲存單元。轉(zhuǎn)換層將主機所提供的非易失性存儲器的邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址。配置冷區(qū)塊表格，于至少一儲存單元內(nèi)分配一或多個冷區(qū)塊，該儲存單元內(nèi)的該些冷區(qū)塊的擦寫計數(shù)值小于儲存單元的非冷區(qū)塊的擦寫計數(shù)值。冷區(qū)塊的邏輯地址與相應(yīng)物理地址記錄于冷區(qū)塊表格，以建立含有該些冷區(qū)塊的冷區(qū)塊群集。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1顯示傳統(tǒng)具四儲存單元的儲存裝置。
[0007]圖2顯示本發(fā)明實施例之非易失性存儲器的全域損耗均衡的層級架構(gòu)。
[0008]圖3例示圖2的非易失性存儲器。
[0009]圖4A至圖4B顯示含二個儲存單元的存儲器依序分配一個冷區(qū)塊的例子。
[0010]圖5A至圖5C顯示含四個儲存單元的存儲器依序分配六個冷區(qū)塊的例子。
[0011]圖6顯示本發(fā)明實施例的主機從存儲器讀取數(shù)據(jù)的流程圖。
[0012]圖7顯示本發(fā)明實施例的主機將數(shù)據(jù)寫入存儲器的流程圖。[0013]附圖標記說明
[0014]2損耗均衡的層級架構(gòu)
[0015]20非易失性存儲器
[0016]201儲存單元
[0017]201A第一儲存單元
[0018]201B第二儲存單元
[0019]201C第三儲存單元
[0020]20ID第四儲存單元
[0021]2011冷區(qū)塊
[0022]21主機
[0023]22轉(zhuǎn)換層
[0024]23存儲器控制器
[0025]24冷區(qū)塊表格
[0026]61邏輯地址是否位于冷區(qū)塊表格
[0027]62從冷區(qū)塊表格得到物理地址
[0028]63從轉(zhuǎn)換層得到物理地址
[0029]64獲取數(shù)據(jù)
[0030]71是否為熱數(shù)據(jù)
[0031]72根據(jù)冷區(qū)塊表格將數(shù)據(jù)寫入冷區(qū)塊
[0032]73根據(jù)轉(zhuǎn)換層將數(shù)據(jù)寫入非冷區(qū)塊
[0033]TE總擦寫計數(shù)值
【具體實施方式】
[0034]圖2顯示本發(fā)明實施例的非易失性存儲器20的全域損耗均衡(global wearleveling)的層級架構(gòu)2，該非易失性存儲器20可被主機21 (例如電腦)存取。非易失性存儲器20 (以下簡稱存儲器)可以是快閃存儲器，但不限定于此。本實施例的存儲器20包含多個儲存單元201，例如單元1、單元2等。具儲存單元201的存儲器20可根據(jù)各種平行架構(gòu)(parallelism)加以分割,例如平面(plane)層級架構(gòu)、通道層級架構(gòu)、晶片層級架構(gòu)或其組合。
[0035]存儲器控制器23位于主機21與存儲器20之間。在存儲器控制器23內(nèi)，轉(zhuǎn)換層22受控于存儲器控制器23，將主機21提供的邏輯地址(例如邏輯區(qū)塊地址(LBA))轉(zhuǎn)換為存儲器20的物理地址。本實施例的轉(zhuǎn)換層22可以是快閃存儲器轉(zhuǎn)換層(flash translationlayer, FTL),其可支持快閃存儲器20的一般文件系統(tǒng)(file system)。
[0036] 根據(jù)本實施例的特征之一，存儲器控制器23管理并建構(gòu)冷區(qū)塊(cold block)表格24,以全域及預(yù)先(preemptive)方式來增強損耗均衡。如圖3所示,在至少一個儲存單元201 (例如單元1、單元2、單元3或單元4)內(nèi)分配有一個或多個冷區(qū)塊2011。儲存單元201內(nèi)的冷區(qū)塊2011各具有擦寫計數(shù)值(或擦寫周期數(shù))，其小于同一儲存單元201內(nèi)的非冷(non-cold)區(qū)塊(亦即，冷區(qū)塊2011之外的區(qū)塊)的擦寫計數(shù)值。換句話說，在某一個儲存單元201內(nèi)，冷區(qū)塊2011的擦寫周期數(shù)少于非冷區(qū)塊的擦寫周期數(shù)。冷區(qū)塊2011的邏輯地址及相應(yīng)的物理地址被記錄在冷區(qū)塊表格24中，因而建立含有多個冷區(qū)塊2011的冷區(qū)塊群組(group)或池(pool)。此外，每一儲存單元201分別進行損耗均衡，例如靜態(tài)(static)損耗均衡。
[0037]在本實施例中，某一儲存單元201的冷區(qū)塊2011分配原則是:將儲存單元201的總擦寫計數(shù)值與存儲器20的其他儲存單元201的總擦寫計數(shù)值做比較。由此，總擦寫計數(shù)值較小的儲存單元201將被分配以較多的冷區(qū)塊2011。反過來說，總擦寫計數(shù)值較大的儲存單元201將被分配以較少的冷區(qū)塊2011。以圖3為例，儲存單元3具最小的總擦寫計數(shù)值，而儲存單元4具最大的總擦寫計數(shù)值。
[0038]可以動態(tài)地執(zhí)行存儲器20的冷區(qū)塊2011的分配。例如，可周期地更新分配冷區(qū)塊2011?；蛘?，可在某一冷區(qū)塊2011被填滿時，進行冷區(qū)塊2011的更新分配。圖4A至圖4B顯示含有二個儲存單元(亦即，第一儲存單元201A及第二儲存單元201B)的存儲器20依序分配一冷區(qū)塊2011的例子。首先，如圖4A所示，由于第一儲存單元201A的總擦寫計數(shù)值(TE)小于第二儲存單元201B的總擦寫計數(shù)值，因此冷區(qū)塊2011被分配至第一儲存單元201A。存儲器20在經(jīng)過一段期間的擦寫周期后，如圖4B所示，由于第二儲存單元201B的總擦寫計數(shù)值較小，因此冷區(qū)塊2011被分配至第二儲存單元201B。
[0039]圖5A至圖5C顯示含有四個儲存單元(亦即，第一儲存單元201A、第二儲存單元201B、第三儲存單元201C及第四儲存單元201D)的存儲器20依序分配六個冷區(qū)塊2011的例子。首先，如圖5A所示，根據(jù)儲存單元201A?201D的各總擦寫計數(shù)值，進行六個冷區(qū)塊2011的分配。當(dāng)?shù)诙Υ鎲卧?01B的一個冷區(qū)塊2011被填滿后，如圖5B所示，新的冷區(qū)塊2011被分配至第四儲存單元201D。接著，當(dāng)?shù)谝粌Υ鎲卧?01A的一個冷區(qū)塊2011被填滿后，如圖5C所示，新的冷區(qū)塊2011被分配至第三儲存單元201C。
[0040]主機21根據(jù)冷區(qū)塊表格24以及轉(zhuǎn)換層22，可以有效地存取存儲器20，使得擦寫周期平均分散以延長存儲器20的服務(wù)壽命。圖6顯示本發(fā)明實施例的主機21從存儲器20讀取數(shù)據(jù)的流程圖。在步驟61，判斷主機21提供的讀取命令的邏輯地址是否位于冷區(qū)塊表格24。如果步驟61的判斷結(jié)果為“是”，則從冷區(qū)塊表格24得到相應(yīng)的物理地址(步驟62);否則，如果步驟61的判斷結(jié)果為“否”，則從轉(zhuǎn)換層22得到相應(yīng)的物理地址(步驟63)。在步驟64，根據(jù)從冷區(qū)塊表格24 (步驟62)或從轉(zhuǎn)換層22 (步驟62)所得到的物理地址，從存儲器20獲取數(shù)據(jù)，并傳送至主機21。
[0041]圖7顯示本發(fā)明實施例的主機21將數(shù)據(jù)寫入存儲器20的流程圖。在步驟71，判斷將寫入存儲器20的數(shù)據(jù)是否為熱(hot)數(shù)據(jù)。如果該數(shù)據(jù)為熱數(shù)據(jù)，則根據(jù)冷區(qū)塊表格24將數(shù)據(jù)寫入冷區(qū)塊2011 (步驟72);否則，如果數(shù)據(jù)不是熱數(shù)據(jù)(亦即，是冷數(shù)據(jù))，則根據(jù)轉(zhuǎn)換層22將數(shù)據(jù)寫入存儲器20的非冷區(qū)塊(步驟73)。本實施例中的“熱”數(shù)據(jù)的定義可使用傳統(tǒng)定義。在一個例子中，某邏輯地址的數(shù)據(jù)的相應(yīng)存取計數(shù)值大于預(yù)設(shè)值，則可視為熱數(shù)據(jù)。在另一個例子中，具有較短長度(例如小于4K)的數(shù)據(jù)可視為熱數(shù)據(jù)。
[0042]根據(jù)上述實施例，由于冷區(qū)塊表格24的冷區(qū)塊2011的分配是全域地考量儲存單元201的擦寫計數(shù)值，因而可以全面地強化個別儲存單元201所執(zhí)行的損耗均衡。此外，由于熱數(shù)據(jù)被直接寫入冷區(qū)塊，而非如傳統(tǒng)作法那樣隨意地寫入存儲器再進行損耗均衡，因此，本實施例提供一種預(yù)先機制，以強化存儲器20的損耗均衡。此外，由于冷區(qū)塊表格24僅記錄冷區(qū)塊2011，因此冷區(qū)塊表格24不需要太大的儲存量，然而許多傳統(tǒng)損耗均衡機制需要龐大的儲存量。
[0043]在另一個實施例中，冷區(qū)塊201的數(shù)據(jù)還進行回收過程(garbage collection)或有效數(shù)據(jù)收集機制(valid data collection),以回收不再使用的存儲器空間。在本實施例中，回收過程或有效數(shù)據(jù)收集機制的執(zhí)行是根據(jù)原始(或舊)數(shù)據(jù)的。例如，如圖5C所示，原始存放于第二儲存單元201B的熱數(shù)據(jù)被重新移位至第一儲存單元201A的冷區(qū)塊2011，然而第一儲存單元201A的該冷區(qū)塊2011卻缺少足夠空間或者需執(zhí)行回收過程。根據(jù)本實施例，關(guān)聯(lián)于第二儲存單元201B的第一儲存單元201A的冷區(qū)塊2011的數(shù)據(jù)將會被重新移回到第二儲存單元201B的相關(guān)區(qū)塊中。
[0044]以上所述僅僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并非用以限定本發(fā)明的專利范圍；凡其它未脫離發(fā)明所公開的精神的等效改變或改進，均應(yīng)包含在本申請的專利范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種非易失性存儲器的損耗均衡系統(tǒng)，包含: 多個儲存單元，位于所述非易失性存儲器內(nèi)； 轉(zhuǎn)換層，用以將由主機所提供的所述非易失性存儲器的邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址；以及 冷區(qū)塊表格，在至少一個所述儲存單元內(nèi)分配一個或多個冷區(qū)塊，該儲存單元內(nèi)的所述冷區(qū)塊的擦寫計數(shù)值小于該儲存單元內(nèi)的非冷區(qū)塊的擦寫計數(shù)值； 其中，在所述冷區(qū)塊表格內(nèi)記錄所述冷區(qū)塊的邏輯地址和相應(yīng)的物理地址，以建立含有所述冷區(qū)塊的冷區(qū)塊群集。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非易失性存儲器的損耗均衡系統(tǒng)，其中，所述非易失性存儲器包含快閃存儲器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非易失性存儲器的損耗均衡系統(tǒng)，其中，所述轉(zhuǎn)換層包含快閃存儲器轉(zhuǎn)換層，該快閃存儲器轉(zhuǎn)換層支持該快閃存儲器的文件系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非易失性存儲器的損耗均衡系統(tǒng)，還包含存儲器控制器，用以控制所述轉(zhuǎn)換層并管理所述冷區(qū)塊表格。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非易失性存儲器的損耗均衡系統(tǒng)，其中，所述儲存單元還分別進行損耗均衡。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的非易失性存儲器的損耗均衡系統(tǒng)，其中，所述損耗均衡包含靜態(tài)損耗均衡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非易失性存儲器的損耗均衡系統(tǒng)，其中，通過將所述儲存單元的總擦寫計數(shù)值與所述存儲器的其他儲存單元的總擦寫計數(shù)值進行比較，決定所述儲存單元的冷區(qū)塊的分配數(shù)量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的非易失性存儲器的損耗均衡系統(tǒng)，其中，所述總擦寫計數(shù)值較小的儲存單元被分配以較多的冷區(qū)塊，而該總擦寫計數(shù)值較大的儲存單元被分配以較少的冷區(qū)塊。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非易失性存儲器的損耗均衡系統(tǒng)，其中，周期地更新所述非易失性存儲器的冷區(qū)塊的分配，或者，在一個該冷區(qū)塊被填滿時進行該非易失性存儲器的冷區(qū)塊的分配。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非易失性存儲器的損耗均衡系統(tǒng)，其中，根據(jù)原始儲存單元的原始數(shù)據(jù)的地址，進行所述冷區(qū)塊的數(shù)據(jù)回收過程或有效數(shù)據(jù)收集機制。
11.一種非易失性存儲器的損耗均衡方法,包含: 在所述非易失性存儲器內(nèi)提供多個儲存單元； 配置一轉(zhuǎn)換層，用以將由主機所提供的該非易失性存儲器的邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址；及 配置一冷區(qū)塊表格，在至少一個所述儲存單元內(nèi)分配一個或多個冷區(qū)塊，該儲存單元內(nèi)的所述冷區(qū)塊的擦寫計數(shù)值小于該儲存單元內(nèi)的非冷區(qū)塊的擦寫計數(shù)值； 其中，在該冷區(qū)塊表格中記錄所述冷區(qū)塊的邏輯地址與相應(yīng)物理地址，以建立含有所述冷區(qū)塊的冷區(qū)塊群集。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的非易失性存儲器的損耗均衡方法，其中，所述轉(zhuǎn)換層包含快閃存儲器轉(zhuǎn)換層，該快閃存儲器轉(zhuǎn)換層支持快閃存儲器的文件系統(tǒng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的非易失性存儲器的損耗均衡方法，還包括:對所述儲存單元分別進行損耗均衡。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的非易失性存儲器的損耗均衡方法，其中，所述損耗均衡包含靜態(tài)損耗均衡。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的非易失性存儲器的損耗均衡方法，其中，通過將所述儲存單元的總擦寫計數(shù)值與所述存儲器的其他儲存單元的總擦寫計數(shù)值進行比較，決定所述儲存單元的冷區(qū)塊的分配數(shù)量。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的非易失性存儲器的損耗均衡方法，其中所述總擦寫計數(shù)值較小的儲存單元被分配以較多的冷區(qū)塊，而所述總擦寫計數(shù)值較大的儲存單元被分配以較少的冷區(qū)塊。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的非易失性存儲器的損耗均衡方法，其中，周期地更新所述非易失性存儲器的冷區(qū)塊的分配，或者，在一個所述冷區(qū)塊被填滿時進行該非易失性存儲器的冷區(qū)塊的分配。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的非易失性存儲器的損耗均衡方法，還包括:對所述冷區(qū)塊的數(shù)據(jù)進行回收過程或有效數(shù)據(jù)收集機制，并根據(jù)原始儲存單元的原始數(shù)據(jù)的地址來執(zhí)行所述回收過程或有效數(shù)據(jù)收集機制。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的非易失性存儲器的損耗均衡方法，還包括以下步驟以使所述主機從所述非易失 性存儲器讀取數(shù)據(jù): 判斷由所述主機提供的讀取命令的邏輯地址是否位于所述冷區(qū)塊表格中； 如果該邏輯地址被判斷為位于所述冷區(qū)塊表格中，則從所述冷區(qū)塊表格得到相應(yīng)的物理地址； 如果該被邏輯地址被判斷為不位于所述冷區(qū)塊表格中，則從所述轉(zhuǎn)換層得到相應(yīng)的物理地址；以及 根據(jù)從所述冷區(qū)塊表格或從所述轉(zhuǎn)換層得到的物理地址，從所述非易失性存儲器獲取數(shù)據(jù)，并傳送至所述主機。
20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的非易失性存儲器的損耗均衡方法，還包括以下步驟，以使所述主機將數(shù)據(jù)寫入所述非易失性存儲器: 判斷將寫入所述非易失性存儲器的數(shù)據(jù)是否為熱數(shù)據(jù)； 如果該數(shù)據(jù)被判斷維是熱數(shù)據(jù)，則根據(jù)所述冷區(qū)塊表格，將該數(shù)據(jù)寫入所述冷區(qū)塊；以及 如果該數(shù)據(jù)被判斷為不是熱數(shù)據(jù)，則根據(jù)所述轉(zhuǎn)換層，將該數(shù)據(jù)寫入所述非冷區(qū)塊。
【文檔編號】G06F12/02GK103942148SQ201310089456
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2013年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月21日
【發(fā)明者】呂俊賢, 劉亦峻 申請人:擎泰科技股份有限公司