Dram與mram結(jié)合的固態(tài)硬盤及使用mram的存儲卡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及存儲設(shè)備，具體涉及一種DRAM與MRAM結(jié)合的固態(tài)硬盤及使用MRAM的存儲卡。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前，NAND閃存技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了 SSD產(chǎn)業(yè)。如圖1所示，SSD與主機(jī)之間使用高速串行接口如SATA，PICe等技術(shù)。內(nèi)部由用于存儲數(shù)據(jù)的一組NAND芯片，用于支持計(jì)算和緩存數(shù)據(jù)的DDR DRAM(內(nèi)存)，以及一個(gè)主控芯片(SSD Controller)組成。有時(shí)候還需要斷電保護(hù)系統(tǒng)。
[0003]在手機(jī)等設(shè)備中使用的存儲卡(SD或MicroSD卡，eMMC)架構(gòu)類似。只不過用少量集成在控制芯片中的SRAM取代了 DRAM芯片組。
[0004]NAND是一種整塊讀寫的存儲設(shè)備，最小可讀取的單元叫頁(page)，最小可擦除的單元叫塊(block)，一個(gè)塊往往由很多頁組成，塊擦除后里面的頁可以進(jìn)行單獨(dú)的寫入操作。寫入操作很慢，比讀取慢得多，而擦除操作又比寫入更加慢得多。
[0005]NAND閃存的一個(gè)問題是NAND具有有限的壽命。里面的每一個(gè)頁經(jīng)過一定次數(shù)的擦寫以后，就會永久失效不能繼續(xù)使用。目前的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢是NAND芯片的容量和數(shù)據(jù)密度增長非?？?，但卻是以降低壽命為代價(jià)。可擦寫次數(shù)從最初的10萬次降低到目前的3000次左右。
[0006]因?yàn)镹AND閃存的以上特性，SSD內(nèi)部的NAND管理軟件比較復(fù)雜。為了不使某些經(jīng)常發(fā)生寫操作的塊提前損壞，需要進(jìn)行寫均衡處理。文件系統(tǒng)軟件所識別的邏輯地址和物理地址是不同的，需要一個(gè)表把二者對應(yīng)起來。
[0007]由于NAND芯片擦除太慢，一般修改一內(nèi)容時(shí)不在原來的塊區(qū)更新，而是把新的內(nèi)容寫到一個(gè)新的塊區(qū)，舊塊區(qū)標(biāo)記為無效，等CPU空閑下來再擦除它。這樣，邏輯物理地址對照表是不斷動(dòng)態(tài)更新的。
[0008]邏輯物理地址對照表的大小正比于存儲設(shè)備的總?cè)萘?，存儲在DDR DRAM里，另外在NAND芯片中也有相應(yīng)的備份信息。隨著市場上SSD容量的迅速增加，這個(gè)表成為DRAM最大的消耗者。
[0009]由于NAND的讀寫速度比DRAM慢得多，還可以利用一部分DRAM空間作讀、寫的緩存(Cache)，以提高整個(gè)SSD的性能。
[0010]然而引入寫緩存產(chǎn)生了新的問題:一旦發(fā)生斷電，DRAM緩存中尚未寫入NAND的內(nèi)容會丟失，造成系統(tǒng)丟失數(shù)據(jù)甚至整個(gè)文件系統(tǒng)的損壞。因此必須同時(shí)使用昂貴的、體積大的斷電保護(hù)系統(tǒng)(一般由電池或者大量的電容器組成)。而邏輯-物理地址對照表，在發(fā)生斷電后，是可以利用NAND中的數(shù)據(jù)重新構(gòu)造的，盡管很費(fèi)時(shí)間。
[0011]關(guān)于MRAM:
[0012]MRAM是一種新的內(nèi)存和存儲技術(shù)，可以像SRAM/DRAM—樣快速隨機(jī)讀寫，還可以像Flash閃存一樣在斷電后永久保留數(shù)據(jù)。
[0013]MRAM的經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)好，單位容量占用的硅片面積比SRAM有很大的優(yōu)勢，比在此類芯片中經(jīng)常使用的NOR Flash也有優(yōu)勢，比嵌入式NOR Flash的優(yōu)勢更大。MRAM的性能也相當(dāng)好，讀寫時(shí)延接近最好的SRAM，功耗則在各種內(nèi)存和存儲技術(shù)最好。而且MRAM不像DRAM以及Flash，與標(biāo)準(zhǔn)CMOS半導(dǎo)體工藝不兼容，MRAM可以和邏輯電路集成到一個(gè)芯片中。
[0014]關(guān)于操作系統(tǒng)和軟件:
[0015]如圖2所示，手機(jī)與計(jì)算機(jī)的文件操作方式如下:
[0016](I)應(yīng)用軟件向操作系統(tǒng)發(fā)出打開、關(guān)閉、讀、寫文件指令；
[0017](2)操作系統(tǒng)中的文件系統(tǒng)部分把讀、寫文件的指令轉(zhuǎn)化為讀、寫存儲塊的指令；
[0018](3)NAND驅(qū)動(dòng)與管理軟件接受讀寫存儲塊區(qū)的指令，進(jìn)行緩存、寫均衡等優(yōu)化，向芯片發(fā)出讀寫page，擦除block等指令。
[0019]在手機(jī)中，NAND驅(qū)動(dòng)與管理軟件通常作為與操作系統(tǒng)緊密相關(guān)的軟件模塊，在主機(jī)芯片上運(yùn)行；在計(jì)算機(jī)中，NAND驅(qū)動(dòng)與管理軟件通常在固態(tài)硬盤的主控芯片上運(yùn)行。
[0020]使用MRAM作為存儲設(shè)備中的寫緩存，既能提高寫入速度，又能省掉斷電保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)采用一些策略將經(jīng)常進(jìn)行寫操作的NAND頁盡量留在寫緩存中，可以減少寫入NAND芯片的次數(shù)，延長產(chǎn)品的使用壽命。
[0021]然而邏輯物理地址對照表一旦丟失，后果也比較嚴(yán)重。通常NAND芯片內(nèi)存有邏輯物理地址對照表的備份信息，例如使用芯片提供給每一頁的多余空間存儲該頁對應(yīng)的邏輯地址。但這樣的備份信息需要對整個(gè)硬盤進(jìn)行掃描才可以重建邏輯物理地址對照表。重新開機(jī)后耗時(shí)很長。
[0022]而邏輯物理地址對照表很大時(shí)，不可能整個(gè)存儲在MRAM中；而邏輯物理地址對照表又是隨時(shí)改變的。
[0023]按現(xiàn)在通用的算法，每發(fā)生一次寫操作，都會有相應(yīng)的邏輯物理地址對照表更改，因此也不可能把它保存在NAND芯片中。
[0024]因而需要找到一個(gè)費(fèi)效比更好的辦法，既能夠安全地存儲邏輯物理地址對照表，又能夠在不使用備份電源的情況下，下次開機(jī)的速度不受斷電影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0025]有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種DRAM與MRAM結(jié)合的固態(tài)硬盤，既能夠安全地存儲邏輯物理地址對照表，又能夠在不使用備份電源的情況下，下次開機(jī)的速度不受斷電影響。
[0026]如果使用速度快并且斷電后保持內(nèi)容的MRAM取代DRAM，固然可以安全地存儲邏輯物理地址對照表，同時(shí)下次開機(jī)的速度不受斷電影響，但未來相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)，MRAM仍然會比DRAM貴很多，因此使用大量的MRAM同樣會顯著增加固態(tài)硬盤的成本。
[0027]本發(fā)明在固態(tài)硬盤中，混合使用MRAM和DRAM，既能夠保證安全地存儲邏輯物理地址對照表，下次開機(jī)的速度不受斷電影響，又能夠降低固態(tài)硬盤成本。
[0028]本發(fā)明還提供一種使用MRAM的存儲卡。
[0029]本發(fā)明提供一種DRAM與MRAM結(jié)合的固態(tài)硬盤，包括主機(jī)接口、主控芯片、DRAM,MRAM以及一個(gè)或多個(gè)NAND芯片，主控芯片包括CPU ；NAND芯片存儲邏輯物理地址對照表，系統(tǒng)開機(jī)時(shí)將NAND芯片中的邏輯物理地址對照表加載到DRAM，MRAM包括:
[0030]寫緩存或讀寫緩存，按照與NAND芯片中NAND頁同樣大小的頁組織起來；
[0031]更新表，用于存儲邏輯物理地址對照表的更新記錄。
[0032]本發(fā)明提供的固態(tài)硬盤，混合使用MRAM和DRAM，使用MRAM保存更新表，將消耗內(nèi)存最大的邏輯物理地址對照表保存在NAND芯片中，系統(tǒng)開機(jī)時(shí)將NAND芯片中的邏輯物理地址對照表加載到DRAM，由于MRAM可以像Flash閃存一樣在斷電后永久保留數(shù)據(jù)，因此不再需要使用昂貴的、體積大的斷電保護(hù)系統(tǒng)，就能夠安全地存儲邏輯物理地址對照表。
[0033]如果發(fā)生斷電，DRAM中的邏輯物理地址對照表丟失，系統(tǒng)開機(jī)時(shí)，重新從NAND芯片加載邏輯物理地址對照表，開機(jī)的速度不受斷電影響。
[0034]由于不需要使用昂貴的、體積大的斷電保護(hù)系統(tǒng)，使用MRAM保存更新表并不需要很大的容量，能夠大大降低了固態(tài)硬盤的成本，是一個(gè)費(fèi)效比很高的方案。
[0035]進(jìn)一步地，更新記錄包括NAND頁的邏輯地址與更新的物理地址。
[0036]進(jìn)一步地，每一次向NAND芯片寫入一個(gè)NAND頁時(shí)，為NAND頁選擇一個(gè)新的物理地址，如果更新表中存在NAND頁的更新記錄，則更新所述更新記錄的物理地址，否則向更新表中添加一條更新記錄；CPU在讀寫操作時(shí)，使用DRAM中的邏輯物理地址對照表與更新表進(jìn)行地址翻譯。
[0037]進(jìn)一步地，每一次向NAND芯片寫入一個(gè)NAND頁時(shí)，為NAND頁選擇一個(gè)新的物理地址，如果更新表中存在NAND頁的更新記錄，則更新所述更新記錄的物理地址，否則向更新表中添加一條更新記錄；并更新DRAM中的邏輯物理地址對照表，CPU在讀寫操作時(shí)使用DRAM中的邏輯物理地址對照表進(jìn)行地址翻譯。
[0038]進(jìn)一步地，系統(tǒng)開機(jī)時(shí)將NAND芯片中的邏輯物理地址對照表加載到DRAM后，使用更新表中的更新記錄更新DRAM中的邏輯物理地址對照表。
[0039]進(jìn)一步地，更新表中的更新記錄的數(shù)目大于或等于設(shè)定值，使用更新記錄更新NAND芯片中的邏輯物理地址對照表，并刪除更新記錄。
[0040]進(jìn)一步地，MRAM通過DRAM接口與主控芯片連接，或者M(jìn)RAM集成在主控芯片中，由于MRAM不像DRAM以及Flash那樣與標(biāo)準(zhǔn)CMOS半導(dǎo)體工藝不兼容，MRAM可以和邏輯電路集成到一個(gè)芯片中，因而可以與主控芯片集成在一個(gè)芯片中，簡化了固態(tài)硬盤的結(jié)構(gòu)。
[0041 ] 本發(fā)明還提供一種使用MRAM的存儲卡，包括主機(jī)接口、集成MRAM的主控芯片以及NAND芯片，主控芯片包括CPU ；NAND芯片存儲邏輯物理地址對照表，MRAM包括邏輯物理地址對照表緩存以及更新表，更新表用于存儲邏輯物理地址對照表的更新記錄。
[0042]進(jìn)一步地，每一次向NAND芯片寫入一個(gè)NAND頁時(shí)，為NAND頁選擇一個(gè)新的物理地址，如果更新表中存在NAND頁的更新記錄，則更新更新記錄的物理地址，否則向更新表中添加一條更新記錄；CPU在讀寫操作時(shí)使用更新表、MRAM中的邏輯物理地址對照表緩存以及NAND芯片中的邏輯物理地址對照表進(jìn)行地址翻譯。
[0043]進(jìn)一步地，當(dāng)需要將邏輯物理地址對照表緩存中的緩存頁寫回NAND芯片時(shí)，檢查緩存頁中包括的每一條邏輯物理地址記錄，是否在更新表中存在相應(yīng)的更新記錄，如果存在，用更新記錄更新邏輯物理地址記錄，并刪除更新表中更新記錄，再將更新后的緩存頁寫回NAND芯片。
[0044]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的DRAM與MRAM結(jié)合的固態(tài)硬盤及使用MRAM的存儲卡，具有以下有益效果:
[0045](I)使用MRAM保存更新表，將消耗內(nèi)存最大的邏輯物理地址對照表保存在NAND芯片中，系統(tǒng)開機(jī)時(shí)將NAND芯片中的邏輯物理地址對照表加載到DRAM，由于MRAM可以像Flash閃存一樣在斷電后永久保留數(shù)據(jù)，因此不再需要使用昂貴的、體積大的斷電保護(hù)系統(tǒng)，就能夠安全地存儲邏輯物理地址對照表；
[0046](2)如果發(fā)生斷電，DRAM中的邏輯物理地址對照表丟失，系統(tǒng)開機(jī)時(shí)，重新從NAND芯片加載邏輯物理地址對照表，開機(jī)的速度不受斷電影響；
[0047](3)由于不需要使用昂貴的、體積大的斷電保護(hù)系統(tǒng)，使用MRAM保存更新表并不需要很大的容量，能夠大大降低了固態(tài)硬盤的成本，是一個(gè)費(fèi)效比很高的方案。
[0048]以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一