一種使用mram的固態(tài)硬盤及讀寫緩存管理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及固態(tài)硬盤，尤其涉及一種使用MRAM的固態(tài)硬盤及讀寫緩存管理方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前，NAND閃存技術(shù)的發(fā)展推動了 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)，以及一個主控芯片(SSD Controller)組成。有時候還需要斷電保護(hù)系統(tǒng)。
[0003]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。
[0004]NAND閃存的一個問題是NAND具有有限的壽命。里面的每一個頁經(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的容量和數(shù)據(jù)密度增長非?？?，但卻是以降低壽命為代價。可擦寫次數(shù)從最初的10萬次降低到目前的3000次左右。
[0005]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，需要一個表把二者對應(yīng)起來。由于NAND擦除太慢，一般修改一內(nèi)容時不在原來的塊區(qū)更新，而是把新的內(nèi)容寫到一個新的塊區(qū)，舊塊區(qū)標(biāo)記為無效，等CPU空閑下來再擦除它。這樣，邏輯地址物理地址的對照表是不斷動態(tài)更新的。這個表正比于SSD的總?cè)萘浚嬖贒DR DRAM里，另外在NAND里面也有相應(yīng)的標(biāo)記。隨著市場上SSD容量的迅速增加，這個表成為DRAM最大的消耗者。
[0006]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)，提高整個SSD的性能。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)甚至整個文件系統(tǒng)的損壞。所以必須同時使用昂貴的、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)時間。
[0007]從以上介紹可以看出，SSD的設(shè)計(jì)遇到了兩難:如果不使用寫緩存，產(chǎn)品的寫入性能大打折扣；如果使用寫緩存，必須同時使用昂貴又占體積的斷電保護(hù)設(shè)備，造成費(fèi)效比很差。
[0008]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)。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NORFlash的優(yōu)勢更大。MRAM的性能也相當(dāng)好，讀寫時延接近最好的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芯片中。
[0009]本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種費(fèi)效比高且功耗低的固態(tài)硬盤，既能夠保證讀寫性能，延長NAND的壽命；又能夠降低固態(tài)硬盤的成本，同時降低功耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]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)問題是提供一種固態(tài)硬盤，既能夠保證讀寫性能，延長NAND的壽命；又能夠降低固態(tài)硬盤的成本，同時降低功耗。
[0011]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)。MRAM取代DRAM，可以保證讀寫性能；同時由于不使用DRAM不再使用昂貴的、體積大的斷電保護(hù)系統(tǒng)，降低了固態(tài)硬盤的成本，同時也降低了功耗。
[0012]本發(fā)明提供一種使用MRAM的固態(tài)硬盤，包括主控芯片、用于存儲數(shù)據(jù)的一組NAND芯片以及MRAM，NAND芯片、MRAM分別與主控芯片連接，MRAM包括讀寫緩存以及緩存表。
[0013]本發(fā)明提供的固態(tài)硬盤，MRAM包括讀寫緩存，讀寫MRAM比讀寫NAND快得多，因此能夠提高固態(tài)硬盤的讀寫性能，同時減少了寫NAND次數(shù)，延長了 NAND的壽命。
[0014]MRAM可以像Flash閃存一樣在斷電后永久保留數(shù)據(jù)，不再需要使用昂貴的、體積大的斷電保護(hù)系統(tǒng)，降低了固態(tài)硬盤的成本，同時也降低了功耗。
[0015]進(jìn)一步地，緩存表包括讀寫緩存中緩存頁的讀寫權(quán)重。
[0016]本發(fā)明提供的固態(tài)硬盤，通過讀寫緩存中緩存頁的讀寫權(quán)重，來判斷緩存頁是否留在讀寫緩存中。在清理讀寫緩存時，讀寫權(quán)重值高的留在讀寫緩存，而讀寫權(quán)重值低的寫回NAND，也就是將頻繁操作的頁保留在讀寫緩存中，減小寫回NAND的次數(shù)，從而提高固態(tài)硬盤的讀寫性能，延長NAND的壽命。
[0017]進(jìn)一步地，如果對讀寫緩存中一頁進(jìn)行讀操作，頁的讀寫權(quán)重加上讀權(quán)重值；如果對讀寫緩存中一頁進(jìn)行寫操作，頁的讀寫權(quán)重加上寫權(quán)重值，讀權(quán)重值小于寫權(quán)重值。
[0018]本發(fā)明提供的固態(tài)硬盤，將讀、寫操作賦予不同的權(quán)重值，讀權(quán)重值小于寫權(quán)重值，由于寫操作更影響寫回NAND的次數(shù)，賦予寫操作更高的權(quán)重值能夠有效減小寫回NAND的次數(shù)，從而延長NAND的壽命。
[0019]進(jìn)一步地，緩存表還包括讀寫緩存中緩存頁的是否已更新、讀寫時間。
[0020]在清理讀寫緩存時，清理讀寫時間最早的緩存頁，如果該緩存已更新，寫回NAND，釋放該緩存頁；如果未更新，直接釋放該緩存頁。
[0021 ] 進(jìn)一步地，MRAM通過DRAM接口與主控芯片連接。
[0022]進(jìn)一步地，MRAM與主控芯片集成在一個芯片中。
[0023]本發(fā)明還提供一種固態(tài)硬盤的讀方法，包括以下步驟:
[0024](I)收到讀取NAND頁指令；
[0025](2)根據(jù)邏輯頁編號在緩存表中搜索要讀取的NAND頁是否在MRAM中的讀寫緩存中，如果在讀寫緩存中，執(zhí)行步驟￠);如果不在讀寫緩存中，執(zhí)行步驟(3);
[0026](3)從NAND中讀取NAND頁的數(shù)據(jù)，保存到讀寫緩存中的空閑緩存頁，并輸出數(shù)據(jù)；
[0027](4)在緩存表中添加記錄，記錄中讀寫權(quán)重為讀權(quán)重值，記錄中讀寫時間為當(dāng)前時間；
[0028](5)如果讀寫緩存中的空閑緩存頁的數(shù)量小于第一預(yù)警值，清理讀寫緩存；否則，執(zhí)行步驟⑵；
[0029](6)從讀寫緩存中相應(yīng)的緩存頁讀取數(shù)據(jù)，緩存頁的讀寫權(quán)重加上讀權(quán)重值，并記錄讀寫時間；
[0030](7)讀操作結(jié)束。
[0031]進(jìn)一步地，步驟(5)中清理讀寫緩存的方法包括以下步驟:
[0032](51)將緩存表中所有緩存頁的讀寫權(quán)重減去讀權(quán)重值；
[0033](52)如果存在讀寫權(quán)重小于或等于O的緩存頁，執(zhí)行步驟(53);否則執(zhí)行步驟
(51)；
[0034](53)找到讀寫時間最早的緩存頁；
[0035](54)如果緩存頁未更新，直接釋放緩存頁；否則將緩存頁的數(shù)據(jù)寫回NAND，并釋放緩存頁；
[0036](55)刪除緩存表中的相關(guān)記錄；
[0037](56)讀寫緩存中空閑緩存頁的數(shù)量大于或等于第二預(yù)警值，停止清理讀寫緩存；否則執(zhí)行步驟(52)。
[0038]本發(fā)明還提供一種固態(tài)硬盤的寫方法，其特征在于，固態(tài)硬盤的寫方法包括以下步驟:
[0039](I)收到寫NAND頁指令；
[0040](2)根據(jù)邏輯頁編號在緩存表中搜索要寫的NAND頁是否在MRAM中的讀寫緩存中，如果在讀寫緩存中，執(zhí)行步驟￠);如果不在讀寫緩存中，執(zhí)行步驟(3);
[0041](3)將寫NAND頁指令中的數(shù)據(jù)寫入讀寫緩存的空閑緩存頁中；
[0042](4)在緩存表中添加記錄，記錄中讀寫權(quán)重為寫權(quán)重值，記錄中讀寫時間為當(dāng)前時間，是否已更新設(shè)置為已更新；
[0043](5)如果讀寫緩存中的空閑緩存頁的數(shù)量小于第一預(yù)警值，清理讀寫緩存；否則，執(zhí)行步驟⑶；
[0044](6)將寫NAND頁指令中的數(shù)據(jù)寫入讀寫緩存中相應(yīng)的緩存頁中；
[0045](7)緩存頁的讀寫權(quán)重加上寫權(quán)重值，讀寫時間設(shè)置為當(dāng)前時間，是否已修改設(shè)置為已修改；
[0046](8)寫操作結(jié)束。
[0047]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的固態(tài)硬盤及讀寫方法具有以下有益效果:
[0048](I)MRAM包括讀寫緩存，讀寫MRAM比讀寫NAND快得多，因此能夠提高固態(tài)硬盤的讀寫性能，同時減少了寫NAND次數(shù)，延長了 NAND的壽命；
[0049](2)通過讀寫緩存中緩存頁的讀寫權(quán)重，來判斷緩存頁是否留在讀寫緩存中，也就是將頻繁操作的頁保留在讀寫緩存中，從而提高固態(tài)硬盤的讀寫性能；
[0050](3)將讀、寫操作賦予不同的權(quán)重值，讀權(quán)重值小于寫權(quán)重值，由于寫操作更影響寫回NAND的次數(shù)，賦予寫操作更高的權(quán)重值能夠有效減小寫回NAND的次數(shù)，從而延長NAND的壽命；
[0051](4)MRAM可以像Flash閃存一樣在斷電后永久保留數(shù)據(jù)，不再需要使用昂貴的、體積大的斷電保護(hù)系統(tǒng)，降低了固態(tài)硬盤的成本，同時也降低了功耗。
[0052]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)一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。
【附圖說明】
[0053]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中固態(tài)硬盤的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0054]圖2是混合使用DRAM和MRAM的固態(tài)硬盤的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0055]圖3是本發(fā)明的一個實(shí)施例的固態(tài)硬盤的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0056]圖4是圖3所示的固態(tài)硬盤的讀操作流程圖；
[0057]圖5是圖3所示的固態(tài)硬盤的清理讀寫緩存的流程圖；
[0058]圖6是圖3所示的固態(tài)硬盤的寫操作流程圖；
[0059]圖7是本發(fā)明的另一個實(shí)施例的固態(tài)硬盤的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0060]如圖3所示，本發(fā)明提供一種使用MRAM的固態(tài)硬盤，包括主控芯片、用于存儲數(shù)據(jù)的一組NAND芯片以及MRAM，NAND芯片、MRAM分別與主控芯片連接，MRAM包括讀寫緩存以及緩存