具有断电保护功能的存储设备、断电保护方法及计算系统技术方案

本发明专利技术提供一种存储设备及其断电保护方法，存储设备包括主机接口、主控芯片、MRAM以及一个或多个NAND芯片；MRAM包括写缓存或读写缓存与缓存页表。MRAM还包括写回缓存页表，用于记录即将写回NAND芯片的缓存页，如果所述缓存页写回所述NAND芯片完成，清除写回缓存页表的相应记录；如果缓存页写回NAND芯片的过程中发生断电，上电时将缓存页重新写回NAND芯片。本发明专利技术提供的存储设备及断电保护方法，在MRAM中记录即将写回NAND芯片的缓存页，如果在写回NAND芯片的过程中发生断电，上电时重新写入缓存页，这样能够保证数据的完整性；在MRAM中还记录即将擦除的块，如果在擦除过程中发生断电，上电时重新擦除块，进一步保证数据的完整性。本发明专利技术还提供一种具有断电保护功能的计算系统。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及存储设备，具体涉及一种具有断电保护功能的存储设备、断电保护方法及计算系统。
技术介绍
关于固态硬盘(SSD)和NAND：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。有时候还需要断电保护系统。在手机等设备中使用的存储卡(SD或MicroSD卡，eMMC)架构类似。只不过用少量集成在控制芯片中的SRAM取代了DRAM芯片组。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。NAND的这种读写方式是由其存储介质的特性决定的。NAND和所有闪存一样，使用的FloatingGate存储单元。虽然把电荷泵入比较耗时，把电荷放掉的时间远比把电荷打进去的时间长，于是只能设计成整个Block所有的存储单元一起擦除(放电)，然后再开始写入(对某些单元进行电荷泵入，其他单元不变)。由于NAND写入速度慢，现代NAND芯片都把芯片分成多个Plane，不同的Plane可以进行平行的读写、擦除操作。因此，内部也必须有一些RAM做缓存。r>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)。关于MRAM：MRAM是一种新的内存和存储技术，可以像SRAM/DRAM一样快速随机读写，还可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据。MRAM的经济性相当好，单位容量占用的硅片面积比SRAM有很大的优势，比在此类芯片中经常使用的NORFlash也有优势，比嵌入式NORFlash的优势更大。MRAM的性能也相当好，读写时延接近最好的SRAM，功耗则在各种内存和存储技术最好。而且MRAM不像DRAM以及Flash，与标准CMOS半导体工艺不兼容，MRAM可以和逻辑电路集成到一个芯片中。使用MRAM作为存储设备中的写缓存，既能提高写入速度，又能省掉断电保护系统，当采用一些策略将经常进行写操作的NAND页尽量留在写缓存中，可以减少写回NAND芯片的次数，延长产品的使用寿命。然而在没有备份电源的情况下，如果在把数据从MRAM写回NAND时发生断电，那么存入NAND中的将是不完整的或坏的数据。实际上，由于现代的NAND芯片大部分内部都有RAM缓存，即使数据已经全部输入到NAND芯片中，突然发生断电依然可能破坏数据。
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具有断电保护功能的存储设备，能够在不使用备份电源的条件下，发生断电时保持数据的完整性。如果在写入一个NAND页的过程中发生断电，重新上电后把同样的数据写回这个NAND页是就能够保证数据的完整性。由此，本专利技术提供了一种具有断电保护功能的存储设备，确保在发生突然断电的情况下，不会发生数据的丢失或损坏。本专利技术还提供一种断电保护方法。本专利技术提供一种存储设备，包括主机接口、主控芯片、MRAM以及一个或多个NAND芯片，主控芯片包括CPU；MRAM包括：写缓存或读写缓存，按照与NAND芯片中NAND页同样大小的页组织起来，写入存储设备的数据首先写入写缓存或读写缓存中，之后再写回到所述NAND芯片中；缓存页表，用于存储缓存页对应的NAND页的物理地址；MRAM还包括写回缓存页表，用于记录即将写回NAND芯片的缓存页，如果所述缓存页写回NAND芯片完成，清除写回缓存页表的相应记录；如果缓存页写回NAND芯片的过程中发生断电，上电时将缓存页重新写回NAND芯片。注意，一般情况下，一个NAND页在发生写入后再次写入会发生错误。但是发生部分写入后再次写入同样的内容是不会有问题的。进一步地，存储设备采用并行写操作方式，将多个缓存页同时写回NAND芯片，在所述MRAM中记录所述多个缓存页中的每一个缓存页。进一步地，在MRAM中记录即将擦除的块，如果块成功擦除，清除块的记录，如果块擦除的过程中发生断电，上电时重新擦除所述块。本专利技术还提供一种上述存储设备的断电保护方法，包括以下步骤：(a)在MRAM中记录即将写回NAND芯片的缓存页；(b)将缓存页写回NAND芯片；(c)判断缓存页写回NAND芯片是否完成，如果完成，清除MRAM中缓存页的相应记录然后释放所述缓存页；(d)上电时检查即将写回NAND芯片的缓存页的相应记录，如果存在未清除的即将写回NAND芯片的缓存页的相应记录，将缓存页重新写回NAND芯片，并清除MRAM中缓存页的相应记录然后释放所述缓存页。进一步地，步骤(a)在MRAM中记录即将写回NAND芯片的缓存页的方法为：设置缓存页表中缓存页的写入标记，或者在MRAM中设置操作页表，在操作页表中添加缓存页的记录。进一步地，步骤(c)中判断缓存页写回NAND芯片是否完成的方法为：读取NAND芯片的相关寄存器，或者接收NAND芯片产生的中断信号。进一步地，步骤(d)将缓存页重新写回NAND芯片的方法包括以下步骤：(d1)检查缓存页表，是否存在具有写入标记的缓存页；或者检查操作页表，是否存在即将写回NAND芯片的缓存页的相应记录；(d2)如果在缓存页表中存在具有写入标记的缓存页，或者在操作页表中存在即将写回NAND芯片的缓存页的相应记录，将缓存页重新写回NAND芯片。进一步地，断电保护方法还包括以下步骤：(e)在MRAM中记录即将擦除的块；(f)擦除所述块；(g)判断块擦除是否完成，如果完成，清除MRAM中块的相应记录；(h)上电时检查即将擦除的块的相应记录，如果存在未清除的即将擦除的块的相应记录，将块重新擦除，并清除MRAM中块的相应记录。本专利技术提供一种计算系统，包括存储设备、CPU以及DRAM，存储设备包括MRAM以及一个或多个NAND芯片，MRAM包括写缓存或读写缓存，计算系统还包括电源管理模块与储能模块，电源管理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种存储设备，包括主机接口、主控芯片、MRAM以及一个或多个NAND芯片，所述主控芯片包括CPU；所述MRAM包括：写缓存或读写缓存，按照与所述NAND芯片中NAND页同样大小的页组织起来，写入所述存储设备的数据首先写入所述写缓存或所述读写缓存中，之后再写回到所述NAND芯片中；缓存页表，用于存储缓存页对应的NAND页的物理地址；其特征在于，所述MRAM还包括写回缓存页表，用于记录即将写回所述NAND芯片的缓存页，如果所述缓存页写回所述NAND芯片完成，清除所述写回缓存页表的相应记录；如果所述缓存页写回所述NAND芯片的过程中发生断电，上电时将所述缓存页重新写回所述NAND芯片。

【技术特征摘要】
1.一种存储设备，包括主机接口、主控芯片、MRAM以及一个或多个NAND芯片，
所述主控芯片包括CPU；所述MRAM包括：
写缓存或读写缓存，按照与所述NAND芯片中NAND页同样大小的页组织起
来，写入所述存储设备的数据首先写入所述写缓存或所述读写缓存中，之后再
写回到所述NAND芯片中；
缓存页表，用于存储缓存页对应的NAND页的物理地址；
其特征在于，所述MRAM还包括写回缓存页表，用于记录即将写回所述NAND
芯片的缓存页，如果所述缓存页写回所述NAND芯片完成，清除所述写回缓存
页表的相应记录；如果所述缓存页写回所述NAND芯片的过程中发生断电，上
电时将所述缓存页重新写回所述NAND芯片。
2.如权利要求1所述的存储设备，其特征在于，所述存储设备采用并行写操作
方式，将多个缓存页同时写回所述NAND芯片，在所述MRAM中记录所述多个缓
存页中的每一个缓存页。
3.如权利要求1所述的存储设备，其特征在于，在所述MRAM中记录即将擦除
的块，如果所述块成功擦除，清除所述块的记录，如果所述块擦除的过程中发
生断电，上电时重新擦除所述块。
4.一种权利要求1-3任一项所述的存储设备的断电保护方法，其特征在于，所
述断电保护方法包括以下步骤：
(a)在MRAM中记录即将写回NAND芯片的缓存页；
(b)将所述缓存页写回所述NAND芯片；
(c)判断所述缓存页写回所述NAND芯片是否完成，如果完成，清除所述MRAM
中所述缓存页的相应记录然后释放所述缓存页；
(d)上电时检查即将写回所述NAND芯片的缓存页的相应记录，如果存在未清
除的即将写回所述NAND芯片的缓存页的相应记录，将所述缓存页重新写回所
述NAND芯片，并清除所述MRAM中所述缓存页的相应记录然后释放所述缓存页。
5.如权利要求4所述的断电保护方法，其特征在于，步骤(a)在MRAM中记
录即将写回NAND芯片的缓存页的方法为：设置所述缓存页表中所述缓存页的
写入标记，或者在所述MRAM中设置操作页表，在所述操作页表中添加所述缓
存页的记录。
6.如权利要求4所述的断电保护方法，其特征在于，步骤(c)中判断所述缓
存页写回所述NAND芯片是否完成的方法为：读取所述NAND芯片的相关寄存器，
或者接收所述NAND芯片产生的中断信号。
7.如权利要求4所述的断电保护方法，其特征在于，步骤(d)将所述缓存页
重新写回所述NAND芯片的方法包括以下步骤：
(d1)检查缓存页表，是否存在具有写入标记的缓存页；或者检查操作页表，
是否存在即将写回所述NAND芯片的缓存页的相应记录；
(d2)如果在缓存页表中存在具有写入标记的缓存页，或者在操作页表中存在
即将写回所述NAND芯片的缓存页的相应记录，将所述缓存页重新写回所述NAND
芯片。

【专利技术属性】
技术研发人员：戴瑾，
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