一種使用mram的固態(tài)硬盤(pán)及讀寫(xiě)緩存管理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及固態(tài)硬盤(pán)，尤其涉及一種使用MRAM的固態(tài)硬盤(pán)及讀寫(xiě)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(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(chǔ)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]NAND是一種整塊讀寫(xiě)的存儲(chǔ)設(shè)備，最小可讀取的單元叫頁(yè)(page)，最小可擦除的單元叫塊(block)，一個(gè)塊往往由很多頁(yè)組成，塊擦除后里面的頁(yè)可以進(jìn)行單獨(dú)的寫(xiě)入操作。寫(xiě)入操作很慢，比讀取慢得多，而擦除操作又比寫(xiě)入更加慢得多。
[0004]NAND閃存的一個(gè)問(wèn)題是NAND具有有限的壽命。里面的每一個(gè)頁(yè)經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的擦寫(xiě)以后，就會(huì)永久失效不能繼續(xù)使用。目前的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)是NAND的容量和數(shù)據(jù)密度增長(zhǎng)非常快，但卻是以降低壽命為代價(jià)。可擦寫(xiě)次數(shù)從最初的10萬(wàn)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(xiě)操作的塊提前損壞，需要進(jìn)行寫(xiě)均衡處理。文件系統(tǒng)軟件所識(shí)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(duì)應(yīng)起來(lái)。由于NAND擦除太慢，一般修改一內(nèi)容時(shí)不在原來(lái)的塊區(qū)更新，而是把新的內(nèi)容寫(xiě)到一個(gè)新的塊區(qū)，舊塊區(qū)標(biāo)記為無(wú)效，等CPU空閑下來(lái)再擦除它。這樣，邏輯地址物理地址的對(duì)照表是不斷動(dòng)態(tài)更新的。這個(gè)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(chǎng)上SSD容量的迅速增加，這個(gè)表成為DRAM最大的消耗者。
[0006]由于NAND的讀寫(xiě)速度比DRAM慢得多，還可以利用一部分DRAM空間作讀、寫(xiě)的緩存(Cache)，提高整個(gè)SSD的性能。然而引入寫(xiě)緩存產(chǎn)生了新的問(wèn)題:一旦發(fā)生斷電，DRAM緩存中尚未寫(xiě)入NAND的內(nèi)容會(huì)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。所以必須同時(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(duì)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。
[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(xiě)緩存，產(chǎn)品的寫(xiě)入性能大打折扣；如果使用寫(xiě)緩存，必須同時(shí)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(chǔ)技術(shù)，可以像SRAM/DRAM—樣快速隨機(jī)讀寫(xiě)，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(shì)，比在此類(lèi)芯片中經(jīng)常使用的NOR Flash也有優(yōu)勢(shì)，比嵌入式NORFlash的優(yōu)勢(shì)更大。MRAM的性能也相當(dāng)好，讀寫(xiě)時(shí)延接近最好的SRAM，功耗則在各種內(nèi)存和存儲(chǔ)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(gè)芯片中。
[0009]本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開(kāi)發(fā)一種費(fèi)效比高且功耗低的固態(tài)硬盤(pán)，既能夠保證讀寫(xiě)性能，延長(zhǎng)NAND的壽命；又能夠降低固態(tài)硬盤(pán)的成本，同時(shí)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(wèn)題是提供一種固態(tài)硬盤(pán)，既能夠保證讀寫(xiě)性能，延長(zhǎng)NAND的壽命；又能夠降低固態(tài)硬盤(pán)的成本，同時(shí)降低功耗。
[0011]MRAM是一種新的內(nèi)存和存儲(chǔ)技術(shù)，可以像SRAM/DRAM—樣快速隨機(jī)讀寫(xiě)，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(xiě)性能；同時(shí)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(pán)的成本，同時(shí)也降低了功耗。
[0012]本發(fā)明提供一種使用MRAM的固態(tài)硬盤(pán)，包括主控芯片、用于存儲(chǔ)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(xiě)緩存以及緩存表。
[0013]本發(fā)明提供的固態(tài)硬盤(pán)，MRAM包括讀寫(xiě)緩存，讀寫(xiě)MRAM比讀寫(xiě)NAND快得多，因此能夠提高固態(tài)硬盤(pán)的讀寫(xiě)性能，同時(shí)減少了寫(xiě)NAND次數(shù)，延長(zhǎng)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(pán)的成本，同時(shí)也降低了功耗。
[0015]進(jìn)一步地，緩存表包括讀寫(xiě)緩存中緩存頁(yè)的讀寫(xiě)權(quán)重。
[0016]本發(fā)明提供的固態(tài)硬盤(pán)，通過(guò)讀寫(xiě)緩存中緩存頁(yè)的讀寫(xiě)權(quán)重，來(lái)判斷緩存頁(yè)是否留在讀寫(xiě)緩存中。在清理讀寫(xiě)緩存時(shí)，讀寫(xiě)權(quán)重值高的留在讀寫(xiě)緩存，而讀寫(xiě)權(quán)重值低的寫(xiě)回NAND，也就是將頻繁操作的頁(yè)保留在讀寫(xiě)緩存中，減小寫(xiě)回NAND的次數(shù)，從而提高固態(tài)硬盤(pán)的讀寫(xiě)性能，延長(zhǎng)NAND的壽命。
[0017]進(jìn)一步地，如果對(duì)讀寫(xiě)緩存中一頁(yè)進(jìn)行讀操作，頁(yè)的讀寫(xiě)權(quán)重加上讀權(quán)重值；如果對(duì)讀寫(xiě)緩存中一頁(yè)進(jìn)行寫(xiě)操作，頁(yè)的讀寫(xiě)權(quán)重加上寫(xiě)權(quán)重值，讀權(quán)重值小于寫(xiě)權(quán)重值。
[0018]本發(fā)明提供的固態(tài)硬盤(pán)，將讀、寫(xiě)操作賦予不同的權(quán)重值，讀權(quán)重值小于寫(xiě)權(quán)重值，由于寫(xiě)操作更影響寫(xiě)回NAND的次數(shù)，賦予寫(xiě)操作更高的權(quán)重值能夠有效減小寫(xiě)回NAND的次數(shù)，從而延長(zhǎng)NAND的壽命。
[0019]進(jìn)一步地，緩存表還包括讀寫(xiě)緩存中緩存頁(yè)的是否已更新、讀寫(xiě)時(shí)間。
[0020]在清理讀寫(xiě)緩存時(shí)，清理讀寫(xiě)時(shí)間最早的緩存頁(yè)，如果該緩存已更新，寫(xiě)回NAND，釋放該緩存頁(yè)；如果未更新，直接釋放該緩存頁(yè)。
[0021 ] 進(jìn)一步地，MRAM通過(guò)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(gè)芯片中。
[0023]本發(fā)明還提供一種固態(tài)硬盤(pán)的讀方法，包括以下步驟:
[0024](I)收到讀取NAND頁(yè)指令；
[0025](2)根據(jù)邏輯頁(yè)編號(hào)在緩存表中搜索要讀取的NAND頁(yè)是否在MRAM中的讀寫(xiě)緩存中，如果在讀寫(xiě)緩存中，執(zhí)行步驟￠);如果不在讀寫(xiě)緩存中，執(zhí)行步驟(3);
[0026](3)從NAND中讀取NAND頁(yè)的數(shù)據(jù)，保存到讀寫(xiě)緩存中的空閑緩存頁(yè)，并輸出數(shù)據(jù)；
[0027](4)在緩存表中添加記錄，記錄中讀寫(xiě)權(quán)重為讀權(quán)重值，記錄中讀寫(xiě)時(shí)間為當(dāng)前時(shí)間；
[0028](5)如果讀寫(xiě)緩存中的空閑緩存頁(yè)的數(shù)量小于第一預(yù)警值，清理讀寫(xiě)緩存；否則，執(zhí)行步驟⑵；
[0029](6)從讀寫(xiě)緩存中相應(yīng)的緩存頁(yè)讀取數(shù)據(jù)，緩存頁(yè)的讀寫(xiě)權(quán)重加上讀權(quán)重值，并記錄讀寫(xiě)時(shí)間；
[0030](7)讀操作結(jié)束。
[0031]進(jìn)一步地，步驟(5)中清理讀寫(xiě)緩存的方法包括以下步驟:
[0032](51)將緩存表中所有緩存頁(yè)的讀寫(xiě)權(quán)重減去讀權(quán)重值；
[0033](52)如果存在讀寫(xiě)權(quán)重小于或等于O的緩存頁(yè)，執(zhí)行步驟(53);否則執(zhí)行步驟
(51)；
[0034](53)找到讀寫(xiě)時(shí)間最早的緩存頁(yè)；
[0035](54)如果緩存頁(yè)未更新，直接釋放緩存頁(yè)；否則將緩存頁(yè)的數(shù)據(jù)寫(xiě)回NAND，并釋放緩存頁(yè)；
[0036](55)刪除緩存表中的相關(guān)記錄；
[0037](56)讀寫(xiě)緩存中空閑緩存頁(yè)的數(shù)量大于或等于第二預(yù)警值，停止清理讀寫(xiě)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(pán)的寫(xiě)方法，其特征在于，固態(tài)硬盤(pán)的寫(xiě)方法包括以下步驟:
[0039](I)收到寫(xiě)NAND頁(yè)指令；
[0040](2)根據(jù)邏輯頁(yè)編號(hào)在緩存表中搜索要寫(xiě)的NAND頁(yè)是否在MRAM中的讀寫(xiě)緩存中，如果在讀寫(xiě)緩存中，執(zhí)行步驟￠);如果不在讀寫(xiě)緩存中，執(zhí)行步驟(3);
[0041](3)將寫(xiě)NAND頁(yè)指令中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入讀寫(xiě)緩存的空閑緩存頁(yè)中；
[0042](4)在緩存表中添加記錄，記錄中讀寫(xiě)權(quán)重為寫(xiě)權(quán)重值，記錄中讀寫(xiě)時(shí)間為當(dāng)前時(shí)間，是否已更新設(shè)置為已更新；
[0043](5)如果讀寫(xiě)緩存中的空閑緩存頁(yè)的數(shù)量小于第一預(yù)警值，清理讀寫(xiě)緩存；否則，執(zhí)行步驟⑶；
[0044](6)將寫(xiě)NAND頁(yè)指令中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入讀寫(xiě)緩存中相應(yīng)的緩存頁(yè)中；
[0045](7)緩存頁(yè)的讀寫(xiě)權(quán)重加上寫(xiě)權(quán)重值，讀寫(xiě)時(shí)間設(shè)置為當(dāng)前時(shí)間，是否已修改設(shè)置為已修改；
[0046](8)寫(xiě)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(pán)及讀寫(xiě)方法具有以下有益效果:
[0048](I)MRAM包括讀寫(xiě)緩存，讀寫(xiě)MRAM比讀寫(xiě)NAND快得多，因此能夠提高固態(tài)硬盤(pán)的讀寫(xiě)性能，同時(shí)減少了寫(xiě)NAND次數(shù)，延長(zhǎng)了 NAND的壽命；
[0049](2)通過(guò)讀寫(xiě)緩存中緩存頁(yè)的讀寫(xiě)權(quán)重，來(lái)判斷緩存頁(yè)是否留在讀寫(xiě)緩存中，也就是將頻繁操作的頁(yè)保留在讀寫(xiě)緩存中，從而提高固態(tài)硬盤(pán)的讀寫(xiě)性能；
[0050](3)將讀、寫(xiě)操作賦予不同的權(quán)重值，讀權(quán)重值小于寫(xiě)權(quán)重值，由于寫(xiě)操作更影響寫(xiě)回NAND的次數(shù)，賦予寫(xiě)操作更高的權(quán)重值能夠有效減小寫(xiě)回NAND的次數(shù)，從而延長(zhǎng)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(pán)的成本，同時(shí)也降低了功耗。
[0052]以下將結(jié)合附圖對(duì)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(shuō)明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。
【附圖說(shuō)明】
[0053]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中固態(tài)硬盤(pán)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(pán)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0055]圖3是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的固態(tài)硬盤(pán)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0056]圖4是圖3所示的固態(tài)硬盤(pán)的讀操作流程圖；
[0057]圖5是圖3所示的固態(tài)硬盤(pán)的清理讀寫(xiě)緩存的流程圖；
[0058]圖6是圖3所示的固態(tài)硬盤(pán)的寫(xiě)操作流程圖；
[0059]圖7是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的固態(tài)硬盤(pán)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(pán)，包括主控芯片、用于存儲(chǔ)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(xiě)緩存以及緩存