快閃記憶體的高效率靜態平均抹除方法
2023-09-13 09:50:40
專利名稱：快閃記憶體的高效率靜態平均抹除方法
技術領域：
本發明涉及一種快閃記憶體的高效率靜態平均抹除方法。
技術背景以目前現有快閃記憶體資料存取管理技術而言， 一個快閃記憶體區塊抹除約十萬 次後，存放其上的資料即有可能無法正確被讀出。當一個快閃記憶體區塊因為 抹除次數過多，而造成無法正確讀出資料時，即稱此區塊被寫穿。由於 快閃記憶體有這樣的壽命限制，因此如何儘量延後快閃記憶體區塊被寫穿，以延長整 個快閃記憶體晶片的使用壽命，便成為一個重要的課題。目前常見的解決方法為使用平均抹除機制(Wear Leveling Scheme),以將資料平均寫到快閃記憶體芯 片的各個區塊內，使每個區塊的平均抹除次數儘可能一樣。現有平均抹除機制又可細分為動態平均抹除機制(Dynamic Wear Leveling Scheme)及靜態平均抹除機制(Static Wear Leveling Scheme)， 動態平均抹除機制是將更新或新寫入的資料寫到一個閒置區塊(free block)，而系統的閒置區塊來自抹除存有過期資料的區i央，此機制的缺點為資料常被更新的區塊會經常被抹除，而資料鮮少被更新的區塊很少被抹 除，因此整個快閃記憶體塊被抹除的次數不平均，而此機制的優點為簡單、成 本低且可達到一定程度上的區塊平均抹除。另外，靜態平均抹除機制是記錄快閃記憶體內每個區塊的抹除次數，每當 系統需要額外的閒置區塊時，就會將抹除次數最少的區塊抹除，此機制 的缺點為需要很高的管理成本，如額外的資料搬移及儲存每個區塊被抹 除次數的內存空間，優點是可達成真正的區塊平均抹除。 發明內容本發明所要解決的主要技術問題在於，克服現有技術存在的上述缺 陷，而提供一種快閃記憶體的高效率靜態平均抹除方法，在較低的系統管理成本狀態下，達到真正區塊平均抹除效果，僅需在現有快閃記憶體的快閃記憶體轉換層 或是原生檔案系統中的區塊回收單元上加入至少一個具有較高的移植性 及通用性的高效率靜態抹除單元。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種快閃記憶體的高效率靜態平均抹除方法，其特徵在於，是由一高效率 靜態平均抹除單元連接於一快閃記憶體轉換層、原生檔案系統中的區塊抹除單 元，該區塊抹除單元連接快閃記憶體以進行快閃記憶體內的實體區塊抹除動作，其步 驟包含A. 開始；B. 根據快閃記憶體的實體區塊定義一區塊抹除記錄表，即根據快閃記憶體的實體 區塊抹除次數定義一區塊抹除記錄表，該區塊抹除記錄表用來記 錄實體區塊抹除次數；C. 命令隊列中是否有來自上層的存取命令，如果有則進行步驟K， 如果沒有則進行步驟D，即該高效率靜態抹除單元會在快閃記憶體轉換 層、原生檔案系統上層系統，沒有發出命令來存取快閃記憶體一段時間 之後激活；D. 檢査工區塊抹除的分布情況是否過度集中而高過設定的門檻值， 如果有則進行步驟E，如果沒有則進行步驟K;E. 要求區塊抹除單元強制抹除一個很久沒被抹除的區塊，將此區塊 相對應的欄位值加1，即區塊抹除記錄表的欄位值為0所對應實 體區塊，由快閃記憶體轉換層或是原生檔案系統內的區塊抹除單元強制 抹除，並進行區塊記錄表的維護作業；F. 區塊抹除單元在開始進行抹除區塊前，必須通知內存管理單元在 此其間不可存取快閃記憶體，並開始搬移將被抹除區塊內的有效資料， 接著進行抹除該區塊，該快閃記憶體轉換層、原生檔案系統的區塊抹除 單元進行快閃記憶體的實體區塊抹除前，需由該快閃記憶體轉換層、原生檔案 系統的一內存管理單元予以停止存取快閃記憶體的資料存取動作，並開 始搬動被抹除的實體區塊的數據，再進行抹除；G. 區塊抹除單元在完成有效的資料搬移及區塊抹除後，通知內存管理單元有效資料被搬移後的新地址，以利內存管理單元更新資料 邏輯地址與實體地址的對應關係，即當區塊抹除單元完成對快閃記憶體 的實體區塊數據搬移及抹除後，將數據搬移後新的實體區塊的新 地址通知該內存管理單元，而更新地址與實體區塊的地址對應關係；H. 區塊抹除單元回報區塊已抹除完畢，即區塊抹除單元回報給步驟 G的內存管理單元確實抹除完畢的訊息；I. 是否已經掃描過整個區塊抹除記錄表的所有欄位，如果是則進行 步驟J，如果不是則回復進行步驟C，即判斷該區塊抹除記錄表 中的欄位值是否皆為非O的值；J.進行區塊抹除記錄表的衰退作業，對該區塊抹除記錄表進行衰退 作業並返回步驟C;K.結束。前述的快閃記憶體的高效率靜態平均抹除方法，其中步驟B的區塊抹除記錄表的欄位為一多位欄位。前述的快閃記憶體的高效率靜態平均抹除方法，其中步驟B的區塊抹除記錄表的欄位為一單一位欄位。前述的快閃記憶體的高效率靜態平均抹除方法，其中步驟E的區塊抹除記 錄表的維護作業，其步驟包含 El.開始；E2.區塊回收單元通知高效率靜態平均抹除單元其欲抹除的區塊，即 由該快閃記憶體轉換層、原生檔案系統的區塊抹除單元通知該高效率靜 態抹除單元針對快閃記憶體內欲抹除實體區塊進行抹除；E3.在區塊抹除記錄表中對應至該區塊的欄位值是否已到達最高值， 如果是則進行步驟E5，如果不是則進行步驟E4，即去掃描該區 塊抹除記錄表的欄位值之位是否全為1;E4.該區塊抹除記錄表的欄位值加1，即針對快閃記憶體中被抹除的實體區 塊所對應的區塊抹除記錄表的欄位值加1，即顯示該實體區塊的 實際抹除次數狀態；E5.結束。前述的快閃記憶體的高效率靜態平均抹除方法，其中步驟J的區塊抹除記 錄表的衰退作業，其步驟包含-Jl.開始；J2.是否區塊抹除記錄表內的所有欄位都為非0值，如果是則進行步 驟J3，如果不是則進行步驟J4，即利用一計數器記錄已被掃描過 的欄位個數來判斷是否整個表格已被整個掃描過一次；J3將所有欄位的值都減去表中目前最小的欄位值，使最小的欄位值 為0，即將該區塊抹除記錄表的欄位的值皆減去區塊抹除記錄表 中最小欄位的值，使該原先區塊抹除記錄表中最小欄位的值為0;J4.結束。本發明的有益效果是，本發明具有低成本、高移植性及真正區塊平 均抹除的效果。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。 圖1是本發明方法的快閃記憶體地址轉換層的快取方法的系統結構圖 圖2是本本發明方法快閃記憶體地址轉換層的快取方法的流程圖 圖3是本發明方法中的區塊抹除記錄表結構的第一實施例圖 圖4是本發明方法中的區塊抹除記錄表結構的第二實施例圖 圖5是本發明方法中的區塊抹除記錄表維護作業的詳細流程圖 圖6是本發明方法中的區塊抹除記錄表衰退作業的詳細流程圖 圖中標號說明-100高效率靜態平均抹除單元11內存管理單元20檔案系統31內存管理單元40虛擬檔案系統60快閃記憶體62及62'區塊抹除記錄10快閃記憶體轉換層 12區塊回收單元 30原生檔案系統 32區塊回收單元 50內存技術裝置 61實體區塊 621及621'欄位200開始205根據快閃記憶體的實體區塊定義一區塊抹除記錄表 210命令隊列中是否有來自上層的存取命令 220檢查區塊抹除的分布情況是否過度集中而高過設定的門檻值 230要求區塊抹除單元強制抹除一個很久沒被抹除的區塊，將此區塊 相對應的欄位值加1 231開始232區塊回收單元通知高效率靜態平均抹除單元其欲抹除的區塊 233在區塊抹除記錄表中對應至該區塊的欄位值是否已到達最高值 234該區塊抹除記錄表的欄位值加1 235結束240區塊抹除單元在開始進行抹除區塊前，必須通知內存管理單元在 此其間不可存取快閃記憶體，並開始搬移將被抹除區塊內的有效資料，接著進行抹除該區塊250區塊抹除單元在完成有效的資料搬移及區塊抹除後，通知內存管 理單元有效資料被搬移後的新地址，以利內存管理單元更新資料邏輯地 址與實體地址的對應關係260區塊抹除單元回報區塊己抹除完畢270是否已經掃描過整個區塊抹除記錄表的所有欄位280進行區塊抹除記錄表的衰退作業281開始282是否區塊抹除記錄表內的所有欄位都為非0值283將所有欄位的值都減去表中目前最小的欄位值，使最小的欄位值為0284結束 290結束具體實施方式
首先請參閱圖1所示，為本發明的快閃記憶體的高效率靜態平均抹除方法 的系統結構圖，其中，，現有的系統通過快閃記憶體轉換層10(flash Translation Layer, FTL)來與現有的檔案系統20，如FAT、 EXT2檔案系統溝通，或是通過一原生檔案系統(Native File System) 30，如JFFS2及YAFFS2系 統，而直接與上層的虛擬檔案系統40溝通；往下則通過一內存技術裝置 (Memory Technology Device, MTD) 50來對一快閃記憶體60進行存取。該快閃記憶體轉換層10內設有一內存管理單元11及區塊回收單元12,該 原生檔案系統30內設有一內存管理單元31及區塊回收單元32，以藉由 該內存管理單元11及31向上連接上層虛擬檔案系統40，且該內存管理 單元11及31向下分別連接區塊回收單元12及32，以管理及執行該快閃記憶體 60的區塊抹除工作。無論使用快閃記憶體轉換層10或是原生檔案系統管理單元，在本發明方法 中是在快閃記憶體轉換層10的區塊回收單元11或原生檔案系統管理單元的區 塊回收單元21上加上一高效率靜態平均抹除單元100來達到區塊平均抹 除的目的，具有極高的可移植性，該高效率靜態平均抹除單元100可以 是一個硬體電路或以軟體程序來構成。請再配合圖2至圖4所示，圖2為本發明的快閃記憶體的高效率靜態平均 抹除方法的流程圖，即圖1中所示的高效率靜態平均抹除單元100的詳 細操作流程，包含步驟200 步驟290，其中(200)開始；(205)根據快閃記憶體的實體區塊定義一區塊抹除記錄表，即根據快閃記憶體60 的實體區塊61抹除次數定義一區塊抹除記錄表62或62，，如圖3 或圖4所示，其中，圖3所示的區塊抹除記錄表62為一個實體 區塊61對應到一個具有4位的欄位621的一對多模式，其中該 第一個實體區塊61已經抹除了6次，而第三個實體區塊61已被 抹除一次(如圖3中箭頭所示)；而圖4顯示的區塊抹除記錄表 62'為多對一的模式，即多個實體區塊61對應到一個1位的欄位 621，，其中第三個實體區塊61已經被抹除過，但是從區塊抹除記 錄表62'中所得到的信息只能知道第二個實體區塊61與第三個實 體區塊61至少有一個實體區塊61被抹除過，雖然此模式的精確 度比較差，但是因為只有當對應到同一個欄位621，的兩個實體區 塊61都沒有被抹除過才有可能會被強制搬移資料並進行抹除；若是兩個對應到同一個欄位621'的實體區塊61隻有其中一個有 被抹除過的話，則表示常被更新的數據會被寫到其它實體區塊61 去，而最後當不常被更新的數據寫到此實體區塊61的話，則此 欄位621'所對應的兩個實體區塊61塊都是不常被更新的資料， 最終會一起被強迫搬移，該區塊抹除記錄表62或62'存在於高效 率靜態平均抹除單元100內或快閃記憶體60中。(210)命令隊列中是否有來自上層的存取命令？如果有則進行步驟 290，如果沒有則進行步驟220，即該高效率靜態抹除單元會在上 層系統，例如原生檔案系統30架構下的虛擬檔案系統40沒有發 出命令來存取快閃記憶體60 —段時間之後激活；(220)檢查區塊抹除的分布情況是否過度集中而高過設定的門檻 值？如果有則進行步驟230，如果沒有則進行步驟290。(230)要求區塊抹除單元強制抹除一個很久沒被抹除的區塊，將此 區塊相對應的欄位值加1 ，即區塊抹除記錄表62或62'的欄位621 或621'值為0所對應實體區塊61，予以由快閃記憶體轉換層IO或是原 生檔案系統30的區塊抹除單元12或32強制抹除，並進行區塊 記錄表62或62'的維護作業。(240)區塊抹除單元在開始進行抹除區塊前，必須通知內存管理單 元在此其間不可存取快閃記憶體，並開始搬移將被抹除區塊內的有效資 料，接著進行抹除該區塊，該快閃記憶體轉換層10或是原生檔案系統 30的區塊抹除單元12或32進行快閃記憶體的實體區塊61抹除前，需 由該內存管理單元11或31予以停止存取快閃記憶體60的資料存取動 作，並開始搬動被抹除的實體區塊61的數據，再進行抹除。(250)區塊抹除單元在完成有效的資料搬移及區塊抹除後，通知內 存管理單元有效資料被搬移後的新地址，以利內存管理單元更新資料邏輯地址與實體地址的對應關係，即當區塊抹除單元12或 32完成對快閃記憶體60的實體區塊61數據搬移及抹除後，將數據搬移 後新的實體區塊61的新地址通知該內存管理單元11或31,而更 新地址與實體區塊61的地址對應關係。(260)區塊抹除單元回報區塊已抹除完畢，即區塊抹除單元12或 32回報給內存管理單元11或31確實抹除完畢的訊息。(270)是否已經掃描過整個區塊抹除記錄表的所有欄位？如果是 則進行步驟280，即判斷該區塊抹除記錄表62或62'中的欄位621 或621'值是否皆為非0的值，如果不是則回復進行步驟210。(280)進行區塊抹除記錄表的衰退作業，對該區塊抹除記錄表62或 62'進行衰退作業並返回步驟210。(290) 結束。請再配合圖5所示，為本發明方法中的區塊抹除記錄表的維護作業 詳細流程圖，即圖2中的步驟230中的區塊抹除記錄表維護作業流程， 包含步驟231 235，其中(231) 開始；(232) 區塊回收單元通知高效率靜態平均抹除單元其欲抹除的區 塊，即由該快閃記憶體10或10或是原生檔案系統30的區塊抹除單元 12或32通知該高效率靜態抹除單元100針對快閃記憶體60內欲抹除實 體區塊61進行抹除。(233) 在區塊抹除記錄表中對應至該區塊的欄位值是否已到達最高 值？如果是則進行步驟235，如果不是則進行步驟234，即去掃 描該區塊抹除記錄表62或62'中的欄位621或621'值之位是否全 為l。(234) 該區塊抹除記錄表的欄位值加1，即針對快閃記憶體60中被抹除的 實體區塊61所對應的區塊抹除記錄表62或62'的欄位621或621' 值加l，即顯示該實體區塊61的實際抹除次數狀態。(235) 結束。請再參閱圖6所示，為本發明方法中的區塊抹除記錄表的衰退作業 流程圖，即圖2中的步驟280中的區塊抹除記錄表衰退作業流程，包含 步驟281 284，其中(281) 開始；(282) 是否區塊抹除記錄表內的所有欄位都為非O值？如果是則進行步驟283，如果不是則進行步驟284，即將區塊抹除記錄表62 或62'整個掃描過一次。(283) 將所有欄位的值都減去表中目前最小的欄位值，使最小的字 段值為0，即將該區塊抹除記錄表62或62'的欄位621或621'的 值皆減去區塊抹除記錄表62或62'中最小欄位621或621'的值， 使該原先區塊抹除記錄表62或62'中最小欄位621或621'的值為 0。(284) 結束。以上圖1 圖6所示本發明的方法中，該高效率靜態平均抹除單元 100的基本概念是利用少量的內存來追蹤快閃記憶體60內的各實體區塊61抹除 的分布狀況，當系統閒置時(接受來自上層的命令隊列中，經過一段時 間都沒有接受到任何存取命令)，此高效率靜態平均抹除單元100就會檢 査抹除分布狀況的記錄，找出抹除次數少於門檻值的實體區塊61，即存 有資料且未被抹除的時間間隔太久的實體區塊61，並向區塊回收單元12 或32提出要求抹除此類的實體區塊61，如此一來，不常更新的資料有非 常高的可能性被強迫從一個實體區塊61搬到另一個抹除頻率較高的實體 區塊61，長期下來，平均的實體區塊61抹除次數會非常平均。另外，此高效率靜態平均抹除單元100僅與區塊回收單元12或32 溝通，因此只需在快閃記憶體轉換層10的區塊回收單元12或原生檔案系統30 的區塊回收單元32內加入與高效率靜態平均抹除單元100溝通的接口， 不需要修改系統的其它部分，因此，該快閃記憶體轉換層10的內存管理單元11 或原生檔案系統30的存儲管理單元31與快閃記憶體轉換層10的區塊回收單元 12或原生檔案系統30的區塊回收單元32原本的運作機製得以保留。以上所述，僅是本發明的較佳實施例而己，並非對本發明作任何形 式上的限制，凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單 修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
權利要求
1. 一種快閃記憶體的高效率靜態平均抹除方法，其特徵在於，是由一高效率靜態平均抹除單元連接於一快閃記憶體轉換層、原生檔案系統中的區塊抹除單元，該區塊抹除單元連接快閃記憶體以進行快閃記憶體內的實體區塊抹除動作，其步驟包含A.開始；B.根據快閃記憶體的實體區塊定義一區塊抹除記錄表，即根據快閃記憶體的實體區塊抹除次數定義一區塊抹除記錄表，該區塊抹除記錄表用來記錄實體區塊抹除次數；C.命令隊列中是否有來自上層的存取命令，如果有則進行步驟K，如果沒有則進行步驟D，即該高效率靜態抹除單元會在快閃記憶體轉換層、原生檔案系統上層系統，沒有發出命令來存取快閃記憶體一段時間之後激活；D.檢查工區塊抹除的分布情況是否過度集中而高過設定的門檻值，如果有則進行步驟E，如果沒有則進行步驟K；E.要求區塊抹除單元強制抹除一個很久沒被抹除的區塊，將此區塊相對應的欄位值加1，即區塊抹除記錄表的欄位值為0所對應實體區塊，由快閃記憶體轉換層或是原生檔案系統內的區塊抹除單元強制抹除，並進行區塊記錄表的維護作業；F.區塊抹除單元在開始進行抹除區塊前，必須通知內存管理單元在此其間不可存取快閃記憶體，並開始搬移將被抹除區塊內的有效資料，接著進行抹除該區塊，該快閃記憶體轉換層、原生檔案系統的區塊抹除單元進行快閃記憶體的實體區塊抹除前，需由該快閃記憶體轉換層、原生檔案系統的一內存管理單元予以停止存取快閃記憶體的資料存取動作，並開始搬動被抹除的實體區塊的數據，再進行抹除；G.區塊抹除單元在完成有效的資料搬移及區塊抹除後，通知內存管理單元有效資料被搬移後的新地址，以利內存管理單元更新資料邏輯地址與實體地址的對應關係，即當區塊抹除單元完成對快閃記憶體的實體區塊數據搬移及抹除後，將數據搬移後新的實體區塊的新地址通知該內存管理單元，而更新地址與實體區塊的地址對應關係；H.區塊抹除單元回報區塊已抹除完畢，即區塊抹除單元回報給步驟G的內存管理單元確實抹除完畢的訊息；I.是否已經掃描過整個區塊抹除記錄表的所有欄位，如果是則進行步驟J，如果不是則回復進行步驟C，即判斷該區塊抹除記錄表中的欄位值是否皆為非0的值；J.進行區塊抹除記錄表的衰退作業，對該區塊抹除記錄表進行衰退作業並返回步驟C；K.結束。
2、 根據權利要求1所述的快閃記憶體的高效率靜態平均抹除方法，其特徵 在於所述步驟B的區塊抹除記錄表的欄位為一多位欄位。
3、 根據權利要求1所述的快閃記憶體的高效率靜態平均抹除方法，其特徵 在於所述步驟B的區塊抹除記錄表的欄位為一單一位欄位。
4、 根據權利要求1所述的快閃記憶體的高效率靜態平均抹除方法，其特徵 在於所述步驟E的區塊抹除記錄表的維護作業，其步驟包含El.開始；E2.區塊回收單元通知高效率靜態平均抹除單元其欲抹除的區塊，即 由該快閃記憶體轉換層、原生檔案系統的區塊抹除單元通知該高效率靜態抹除單元針對快閃記憶體內欲抹除實體區塊進行抹除； E3.在區塊抹除記錄表中對應至該區塊的欄位值是否已到達最高值，如果是則進行步驟E5，如果不是則進行步驟E4，即去掃描該區塊抹除記錄表的欄位值之位是否全為1; E4.該區塊抹除記錄表的欄位值加1，即針對快閃記憶體中被抹除的實體區塊所對應的區塊抹除記錄表的欄位值加1，即顯示該實體區塊的實際抹除次數狀態； E5.結束。
5、 根據權利要求1所述的快閃記憶體的高效率靜態平均抹除方法，其特徵在於所述步驟J的區塊抹除記錄表的衰退作業，其步驟包含Jl.開始；J2.是否區塊抹除記錄表內的所有欄位都為非0值，如果是則進行步 驟J3，如果不是則進行步驟J4，即利用一計數器記錄已被掃描過 的欄位個數來判斷是否整個表格已被整個掃描過一次；J3將所有欄位的值都減去表中目前最小的欄位值，使最小的欄位值 為0，即將該區塊抹除記錄表的欄位的值皆減去區塊抹除記錄表 中最小欄位的值，使該原先區塊抹除記錄表中最小欄位的值為0;J4.結束。
全文摘要
一種快閃記憶體的高效率靜態平均抹除方法，由一高效率靜態平均抹除單元連接於一快閃記憶體轉換層、原生檔案系統中的區塊抹除單元，區塊抹除單元連接快閃記憶體以進行快閃記憶體內的實體區塊抹除動作，其步驟包含開始；根據快閃記憶體的實體區塊定義一區塊抹除記錄表；命令隊列中是否有來自上層的存取命令；檢查工區塊抹除的分布情況是否過度集中而高過設定的門檻值；要求區塊抹除單元強制抹除一個很久沒被抹除的區塊；區塊抹除單元開始進行抹除區塊前和區塊抹除單元在完成有效的資料搬移及區塊抹除後；區塊抹除單元回報區塊已抹除完畢；是否已經掃描過整個區塊抹除記錄表的所有欄位；進行區塊抹除記錄表的衰退作業；結束。本發明具有低成本、高移植性及真正區塊平均抹除的效果。
文檔編號G06F12/06GK101256534SQ200710079569
公開日2008年9月3日 申請日期2007年3月1日 優先權日2007年3月1日
發明者張原豪, 楊政智, 謝仁偉, 郭大維 申請人:創惟科技股份有限公司