数据存储装置及使用块替换表的读写方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种数据存储装置，包括主机接口、主控芯片、用于存储数据的一个或多个NAND芯片以及MRAM，NAND芯片、MRAM分别与主控芯片连接，MRAM包括写缓存或读写缓存，MRAM还包括块替换表，块替换表用于存储每一个需要替换的块及其替换块。本发明专利技术还提供使用块替换表的读写方法。本发明专利技术提供的固态硬盘及使用块替换表的读写方法，不再采用异地写入的NAND管理技术，无需保存占用大量空间的逻辑地址与物理地址对照表，节省了存储空间，提高了读写性能；采用划分常规区与备份区的方法，便于将逻辑地址根据固定对应关系翻译成物理地址，进一步提高读写性能；采用擦除次数表，不再使用有写入风险的块，保证数据的安全写入。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及存储领域，尤其涉及一种数据存储装置及使用块替换表的读写方法。
技术介绍
当前，NAND闪存技术的发展推动了SSD产业。如图1所示，SSD与主机之间使用高速串行接口如SATA，PICe等技术。内部由用于存储数据的一组NAND芯片，用于支持计算和缓存数据的DDRDRAM(内存)，以及一个主控芯片(SSDController)组成，NAND中还存储逻辑地址与物理地址对照表。有时候还需要断电保护系统。NAND是一种整块读写的存储设备，最小可读取的单元叫页(page)，最小可擦除的单元叫块(block)，一个块往往由很多页组成，块擦除后里面的页可以进行单独的写入操作。写入操作很慢，比读取慢得多，而擦除操作又比写入更加慢得多。大部分NAND芯片要求，在一个块被擦除后，其页必须按顺序写入。一个块的相邻页写入之间，写另外块的页，则是允许的。由于擦写NAND非常费时，特别是重新写入整个block的内容。NAND芯片以及由其组成的存储系统，通常采用多通道平行写入提高系统的总写入带宽。一个存储装置中可能有很多NAND芯片，每一个芯片内常常封装了多个硅片，每个硅片有不同的Plane，每个Plane都是独立的通道，可以平行的写入。如图2所示，手机与计算机的文件操作方式如下：(1)应用软件向操作系统发出打开、关闭、读、写文件指令；(2)操作系统中的文件系统部分把读、写文件的指令转化为读、写存储块的指令；(3)NAND驱动与管理软件接受读写存储块区的指令，进行缓存、写均衡等优化，向芯片发出读page，写block等指令。在手机中，NAND驱动与管理软件通常作为与操作系统紧密相关的软件模块，在主机芯片上运行；在计算机中，NAND驱动与管理软件通常在固态硬盘的主控芯片上运行。NAND闪存的一个问题是NAND具有有限的寿命。里面的每一个page经过一定次数的擦写以后，就会永久失效不能继续使用。目前的产业发展趋势是NAND的容量和数据密度增长非常快，但却是以降低寿命为代价。可擦写次数从最初的10万次降低到目前的3000次左右。NAND闪存一般在出厂时就有一些损坏的块，使用过程中坏块可能还会不断出现，因此所有的NAND闪存都伴随着一个坏块表，一般会被存储在NAND闪存的指定区域或者在坏块上做标记。因为NAND闪存的以上特性，SSD内部的NAND管理软件比较复杂。为了不使某些经常发生写操作的块提前损坏，需要进行写均衡处理。文件系统软件所识别的逻辑地址和物理地址是不同的，需要一个表把二者对应起来。由于NAND擦除太慢，一般修改一内容时不在原来的块区更新，而是把新的内容写到一个新的块区，旧块区标记为无效，等CPU空闲下来再擦除它。这样，逻辑地址物理地址的对照表是不断动态更新的。这个表正比于SSD的总容量，存在DDRDRAM里，另外在NAND里面也有相应的标记。随着市场上SSD容量的迅速增加，这个表成为DRAM最大的消耗者。由于NAND的读写速度比DRAM慢得多，还可以利用一部分DRAM空间作读、写的缓存(Cache)，提高整个SSD的性能。然而引入写缓存产生了新的问题:一旦发生断电，DRAM缓存中尚未写入NAND的内容会丢失，造成系统丢失数据甚至整个文件系统的损坏。所以必须同时使用昂贵的、体积大的断电保护系统(一般由电池或者大量的电容器组成)。而逻辑-物理地址对照表，在发生断电后，是可以利用NAND中的数据重新构造的，尽管很费时间。从以上介绍可以看出，SSD的设计遇到了两难：如果不使用写缓存，产品的写入性能大打折扣；如果使用写缓存，必须同时使用昂贵又占体积的断电保护设备，造成费效比很差。一种混合使用MRAM和DRAM的固态硬盘，MRAM用于写缓存及逻辑地址与物理地址对照表缓存，如图3所示，由于MRAM可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据，不再使用昂贵的、体积大的断电保护系统，降低了固态硬盘的成本，从而提高了固态硬盘的费效比。然而这种方法以略微牺牲随机读取的性能为代价。一种使用MRAM的固态硬盘，使用物理地址读写，MRAM用于写缓存，系统内存DRAM用于保存逻辑地址与物理地址对照表，如图4所示，由于不再使用昂贵的、体积大的断电保护系统，降低了固态硬盘的成本，从而提高了固态硬盘的费效比。然而这种方法需要消耗较多的系统内存。因此，本领域的技术人员致力于开发一种费效比高且功耗低的数据存储装置，既能够保证写入性能，又能够降低数据存储装置成本，同时功耗较低。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种数据存储装置，既能够保证写入性能，又能够降低数据存储装置成本，同时功耗较低。本发明提供的数据存储装置并不以略微牺牲随机读取的性能为代价，且无需消耗较多的系统内存。本专利技术还提供使用块替换表的读写方法。图1所示的固态硬盘中普遍采用的NAND闪存管理技术，使用了异地写入的方法，即修改一个NAND页时，并不是在原来的位置上修改，而是分配一个新的NAND页，写入新数据；而把旧的NAND页标为无效，以后回收。这样做的原因有两个：(1)擦写NAND页的周期太长，如果不采用异地写入，数据势必要在DRAM中保存很久，因断电而造成数据丢失的几率会加大。(2)写均衡的考虑，如果某一页的内容经常被修改，它很可能会提前损坏，因此每次修改都换地址是一个实现写均衡的好办法。在本专利技术中，由于采用了MRAM做写缓存或读写缓存。所有写入的内容都可以在缓存中保留尽可能长的时间，原因(1)基本消除；况且使用写缓存或读写缓存后，相对于分配新NAND页写入新数据，修改已有数据是小概率事件，因此擦写NAND的时间对缓存造成的压力不大。另外，本专利技术中写缓存管理的原则是经常被写入的NAND页会留在MRAM的写缓存中。这对实现写均衡有很大的帮助，原因(2)也基本消除。基于以上两点，本专利技术不再采用异地写入的NAND管理技术。不再采用异地写入，逻辑地址与物理地址对照表就会基本固定，因此没有必要使用消耗大量内存空间的逻辑地址与物理地址对照表。基于以上两点，本专利技术不再采用异地写入的NAND管理手段，而采用原地写入的方法。没有异地写入，逻辑/物理地址的翻译就会基本固定，就没有必要使用消耗大量内存空间的逻辑/物理地址对照表。本专利技术中，需要维护块替换表，用于存储记录每一个需要替换的块及其替换块，采用物理地址进行读写，不再使用逻辑/物理地址对照表，既可以节省存储空间，...

【技术保护点】
一种数据存储装置，包括主机接口、主控芯片、用于存储数据的一个或多个NAND芯片以及MRAM，所述NAND芯片、所述MRAM分别与所述主控芯片连接，所述MRAM包括写缓存或读写缓存，其特征在于，所述MRAM还包括块替换表，所述块替换表用于存储每一个需要替换的块及其替换块。

【技术特征摘要】
1.一种数据存储装置，包括主机接口、主控芯片、用于存储数据的一个或多个NAND
芯片以及MRAM，所述NAND芯片、所述MRAM分别与所述主控芯片连接，所述MRAM
包括写缓存或读写缓存，其特征在于，所述MRAM还包括块替换表，所述块替换表
用于存储每一个需要替换的块及其替换块。
2.如权利要求1所述的数据存储装置，其特征在于，所述NAND芯片包括常规区与
备份区，所述常规区用于储存数据，所述备份区用于为常规区中需要替换的块提供
替换块，在文件系统中NAND页的逻辑地址与常规区中NAND页之间建立固定对应关
系。
3.如权利要求1所述的数据存储装置，其特征在于，所述需要替换的块包括每一
个所述NAND芯片的常规区中出厂时标定的坏块，以及每一个所述NAND芯片的常规
区中在使用过程中由于读写错误产生的坏块。
4.如权利要求1所述的数据存储装置，其特征在于，所述MRAM还包括擦除次数表，
擦除次数表用于存储所述NAND芯片中每个块的擦除次数，所述需要替换的块包括
每一个所述NAND芯片的常规区中擦写次数大于或等于预设擦写警戒值的块。
5.如权利要求1所述的数据存储装置，其特征在于，所述MRAM通过DDRDRAM接
口与所述数据存储装置的主控芯片连接，或者所述MRAM集成于所述数据存储装置
的主控芯片中。
6.如权利要求1所述的数据存储装置，其特征在于，所述MRAM还包括页替换表，
所述页替换表用于存储每一个需要替换的页及其替换页。
7.一种如权利要求1-6所述的数据存储装置的使用块替换表的读方法，包括以下
步骤：
(1)收到读NAND页指令；
(2)根据所述NAND页的逻辑地址，搜索所述NAND页是否在所述写缓存或读写缓
存中，如果在所述写缓存或读写缓存中，从所述写缓存或读写缓存中读取数据，执
行步骤(5)；如果不在所述写缓存或读写缓存中，执行步骤(3)；
(3)根据所述NAND页的逻辑地址，搜索块替换表判断所述NAND页所属的块是否
在所述块替换表中，如果在所述块替换表中，执行步骤(4)；如果不在所述块替换
表中，执行步骤(5)；
(4)从所述块替换表获取所述NAND页的物理地址，执行步骤(6)；
(5)将所述NAND页的逻辑地址根据固定对应关系翻译成物理地址；
(6)根据所述NAND页的物理地址，从NAND芯片中读取所述NAND页数据；
(7)读操作结束。
8.如权利要求7所述的使用块替换表的读方法，其特征在于，步骤(6)中根据所

\t述NAND页的物理地址，从NAND芯片中读取所述NAND页数据之前还包括；搜索页
替换表判断所述NAND页是否在所述页替换表中，如果在所述页替换表中，用其替
换页的物理地址取代原来的物理地...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴瑾，郭一民，
申请(专利权)人：上海磁宇信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31