用於在非易失性數據存儲設備內以原子的方式執行多個寫事務的設備控制器和方法與流程

2023-08-02 19:20:21 2

本發明涉及用於在非易失性數據存儲設備內以原子的方式執行多個寫事務的設備控制器和方法。

背景技術：

存在希望對非易失性數據存儲設備內的不同位置以原子的方式(atomically)執行多個寫事務的若干情況。例如，這可能是由於正寫入的數據文件太大以不適合一個位置，或者是由於操作需要多個位置的更新。後一種情境的示例是當在文件夾中創建新文件時。文件需要被寫至非易失性存儲設備中的適當位置，但是此外，描述放置文件的文件夾結構的元數據也需要被更新。完成這些步驟中的一個步驟而不完成其它步驟將會導致文件系統指示存在實際上並沒有的文件，或者替換地存儲設備內將存在佔用空間的文件，但是由於該文件沒有被文件系統提及，因此該文件不可訪問。

通過布置多個寫事務以原子的方式發生，這將確保所有那些多個寫事務都被完成或者都不完成，因此避免了由於只執行事務的子集而導致非易失性數據存儲設備結束在未定義的狀態的可能性。

通常，一系列寫事務將會由主機設備(例如，CPU)發起，並且主機設備之後將經由與數據存儲設備相關聯的設備控制器來與非易失性數據存儲設備進行通信以使得事務被執行。當處理上述寫原子性問題(write atomicity issue)時，現有技術中通常由主機系統負責確保寫事務被以原子的方式執行，導致主機設備的軟體系統和/或文件系統的開銷。

特別地，一種已知的方法是採用日誌技術(joumaling technique)，通過在實際事務被執行之前，主機設備生成用於存儲在非易失性存儲設備上的一些日誌數據，以使得如果發生故障，則不一致的數據可以被發現並且被重新存儲為一致狀態。這些日誌技術導致生成了額外的事務，其中相關聯的額外的寫動作在存儲設備內被執行。在日誌最糟糕的情況下(從性能的角度，但是最好的情況是從可靠性的角度)，為了確保準確性發送兩次實際數據。然而，該方法對性能和功率有負面影響。已知的日誌機制通常獨立於非易失性數據存儲設備的底層技術，並且形成構成主機設備的文件系統的一部分。

希望提供用於在非易失性數據存儲設備內以原子的方式執行多個寫事務的改善機制，而無需使用主機側實施的安全機制。

技術實現要素：

一方面，本發明提供了操作設備控制器的方法用以在非易失性數據存儲設備內以原子的方式執行多個寫事務，每一事務指定邏輯地址，方法包括：通過參考非易失性數據存儲設備中的地址轉換記錄來確定每一邏輯地址在數據存儲設備內的相應的物理地址，創建針對由多個寫事務指定的邏輯地址的地址轉換圖，並且如果地址轉換記錄中所指示的相應的物理地址已經包括有效數據，則在地址轉換圖中將邏輯地址重新映射至新的物理地址；使用上述地址轉換圖中的邏輯地址至物理地址的映射來執行上述多個寫事務；並且只有在上述多個寫事務在上述非易失性存儲設備中被執行的情況下，更新非易失性數據存儲設備中的地址轉換記錄以標識上述地址轉換圖中的邏輯地址至物理地址的映射。

根據本發明，非易失性數據存儲設備被約束為使得如果寫事務正在執行寫操作以便更新數據存儲設備上已經存儲的有效數據，則在執行寫操作時，數據存儲設備上之前存在的數據不被覆蓋，相反，新的數據被寫入數據存儲設備內的不同的物理地址。這種約束已經存在於若干已知的非易失性數據存儲設備中，並且在本文中被稱為不適當的(out-of-place)重寫約束。例如，NAND快閃記憶體要求一旦一頁數據已經被寫入，則其在新數據可以被寫入該頁之前必須被擦除。因此，當針對頁內已經存儲的數據執行寫入時，新數據通常被存儲在不同頁內，其中快閃記憶體維護操作之後被執行以將當前不存在的數據無效並擦除。根據本發明，當開發用於以原子的方式執行多個寫事務的新事務序列協議時，該不適當的重寫請求被使用，如果多個寫事務例如由於系統故障未完成，則該新的事務序列協議允許數據存儲設備上的狀態之後退回至多個寫事務之前存在的狀態。

特別地，根據本發明，為由多個寫事務所指定的邏輯地址創建地址轉換圖。為了執行該操作，非易失性數據存儲設備中的地址轉換記錄被參考以確定每一邏輯地址在數據存儲設備內相應的物理地址。如果地址轉換記錄中所指示的相應的物理地址已經包括有效數據，則在創建地址轉換圖時，在地址轉換圖中相關聯的邏輯地址被重新映射至新物理地址。然而，在該階段，不執行對非易失性數據存儲設備中的地址轉換記錄的更新。

替換地，之後使用至地址轉換圖中的信息來執行多個寫事務，並且只有在全部那些多個寫事務已經被執行的情況下，非易失性數據存儲設備中的地址轉換記錄之後才被更新。

因此，如果任何事件導致被要求以原子的方式執行的全部多個寫事務沒有被全部完成，則非易失性存儲設備中的地址轉換記錄將會仍然正確地針對多個寫事務被執行之前存在的、非易失性數據存儲設備上的數據的狀態來提供正確的邏輯地址至物理地址的映射。此外，由於非易失性數據存儲設備的不適當的重寫屬性，非易失性數據存儲設備上的之前存儲的狀態將不會在執行多個寫事務期間被物理地重寫，並且因此，如果多個寫事務的原子性被阻止，則可能使用非易失性數據存儲設備中的地址轉換記錄來退回至數據存儲設備之前的狀態。

存在若干種方式，可以以該方式維護關於多個寫事務的信息以便使得之後能夠檢測到那些多個寫事務不能夠被以原子的方式執行的狀況。在一個實施例中，方法還包括：在執行多個寫事務之前，執行意圖保存操作以在非易失性數據存儲設備的區域內存儲標識將被以原子的方式執行的多個寫事務的意圖信息以及所述地址轉換圖中的邏輯地址至物理地址的映射。

因此，這將在非易失性數據存儲設備上提供旨在被以原子的方式執行的多個寫事務的記錄，並且該信息之後可以被參考以便確定寫事務事實上是否已經被以原子的方式執行。特別地，由於只有在所有多個寫事務已經被執行的情況下，非易失性存儲設備中的地址轉換記錄才會被更新，因此如果寫事務已經被以原子的方式執行，則對地址轉換記錄的這種更新才會發生。如果某一事件已經阻止了寫事務被以原子的方式執行，則在非易失性存儲設備中所存儲的地址轉換記錄中的信息和經由上述意圖保存操作所保存的信息之間將存在某種失配。

在一個實施例中，意圖保存操作作為寫事務被執行，該寫事務比將被以原子的方式執行的多個寫事務優先級高。這確保了在一系列實際的寫事務開始之前，標識將被以原子的方式執行的多個寫事務的信息被寫入非易失性存儲設備。

關於在非易失性數據存儲設備內的哪個地方保存意圖信息存在各種選項。在一個實施例中，非易失性數據存儲設備包括主非易失性存儲單元和被配置為在將數據寫入主非易失性存儲單元之前緩衝數據的非易失性緩存，並且存儲意圖信息的非易失性數據存儲設備的上述區域在上述非易失性緩存內。在數據存儲設備內提供非易失性緩存的實施例中，將意圖信息存儲在非易失性緩存內避免了僅為了存儲意圖信息而需要主非易失性存儲單元內直接執行任意寫操作。由於意圖信息只是暫時令人關注的，因此這有益於允許確定寫事務還未被以原子的方式執行的情況。通常，期望寫事務將被以原子的方式執行，並且地址轉換記錄之後將隨著寫事務的性能而被更新。一旦該過程完成，則數據存儲設備的狀態將正確地反映由多個寫事務所更新的數據，並且相應地，此時將不再需要意圖信息。

在一個實施例中，在執行多個寫事務之前所創建的地址轉換圖被存儲在與設備控制器相關聯的易失性存儲設備中，當執行多個寫事務時供設備控制器參考。這確保了設備控制器所需要的用以執行多個寫事務的信息已經是可用的，而無需為了獲得用於寫事務所需要的地址映射來從非易失性數據存儲設備執行任意讀操作。

在一個實施例中，垃圾收集過程被用於將非易失性數據存儲設備上所維持的任意廢棄(out of date)數據無效。然而，根據一個實施例，將垃圾收集過程激活的步驟跟隨更新非易失性存儲設備中的地址轉換記錄的步驟。通過確保直到地址轉換記錄被更新之後垃圾收集過程才被激活，以及假定直到所有多個寫事務已被執行(即，寫事務已被以原子的方式地正確執行)地址轉換記錄才被更新，這確保了在非易失性數據存儲設備內沒有數據被無效，直到已知無需退回該數據(因為已知多個寫事務已經如所期望的那樣被以原子的方式正確執行)。

在一個實施例中，設備控制器從主機實體接收多個寫事務，主機實體向設備控制器標識多個寫事務將以原子的方式被處理。因此，主機實體決定了多個寫事務將被以原子的方式處理。然而，對比於現有技術，根據本發明，主機實體本身不需要採取任何措施來試圖確保事務被以原子的方式執行。替換地，當與數據存儲設備進行通信時，由設備控制器所執行的上述一系列步驟確保了寫事務將被以原子的方式執行，否則，如果事件阻止其發生，則數據存儲設備的之前的狀態可以被可靠地獲取，因此允許退回至其之前的狀態。

在檢測到可能已經發生不完全轉換的情況下，使得多個寫事務可能未被以原子的方式執行，那麼觸發情況可能被喚起以執行某些檢查。例如，這種觸發情況可能在非易失性數據存儲設備上執行重啟過程期間被自動生成，因為可能由於系統內的一些故障或者功率損失發生重啟，並且因此這為檢查多個寫事務是否已經被以原子的方式執行提供了合適的情況。然而，應該認識到，還可能在預計可能需要恢復過程的其他情況下喚起觸發情況。

在一個實施例中，響應於這種觸發情況，方法包括執行以下步驟：從非易失性存儲設備獲得地址轉換表和意圖信息；並且針對意圖信息中所標識的每一寫事務來確定由意圖信息所指示的邏輯地址至物理地址的映射是否與地址轉換表中的邏輯地址至物理地址的映射相匹配。

如上所述，如果寫事務以原子的方式完成，則預計當前所存儲的意圖信息將與地址轉換表中所維持的信息相匹配。然而，如果在執行一系列寫事務期間存在阻止那些事務以原子的方式完成的任意中斷，則地址轉換記錄將不會被更新，並且因此在非易失性數據存儲設備上所存儲的地址轉換記錄中的信息和所存儲的意圖信息之間將會存在失配。

因此，在一個實施例中，針對意圖信息中所標識的任意寫事務，如果由意圖信息所指示的邏輯地址至物理地址的映射與地址轉換表中的邏輯地址至物理地址的映射不匹配，則方法還包括以下步驟：將針對意圖信息中的每一寫事務所標識的物理地址處的數據無效。因此，這使得由之前被要求以原子的方式執行的多個事務內的任意事務所寫入的數據無效。此外，由於地址轉換記錄將不會被更新，因此在那些多個寫事務被發起之前，其將仍然正確地反映數據存儲設備的狀態。

在一個實施例中，在數據被有效地退回至之前狀態的這種情況下，隨後向主機實體發布提供以下指示的通知：多個寫事務還未被執行。這使得主機能夠採取適當的動作，例如重新嘗試執行多個寫事務。

在非易失性數據存儲設備除了主非易失性存儲單元之外還包括非易失性緩存的某些實施例中，則在一個實施例中，執行多個寫事務的步驟可以包括：最初將每一寫事務的數據寫入非易失性緩存，並且隨後將來自非易失性緩存的每一寫事務的數據存入由地址轉換圖所指定的物理地址處的主非易失性存儲單元中。

從耗損平衡和性能的角度，在實際將數據提交至主非易失性存儲單元之前將數據緩存可能是有吸引力的，特別是在要被寫入的數據本身可能將在數據被提交至主非易失性存儲單元之前被更新的情況下，由於在該情況下，可減少主非易失性存儲單元內所執行的寫操作的數量。然而，這些情況下需要注意的是，如果事務不能夠被以原子的方式執行，則可能退回至正確的狀態。

在一個實施例中，多個寫事務形成第一原子寫序列，並且設備控制器被請求執行包括第二多個寫事務的第二原子寫序列。針對上述問題，如果多個第二寫事務中的至少一個指定了與還未將數據存儲在主非易失性存儲單元內的第一原子寫序列的寫事務相關聯的邏輯地址，則第一和第二原子寫序列被合併為單個原子寫序列，以使得被寫入非易失性緩存的數據表示單個原子寫序列。

此外，在一個實施例中，方法還包括：在非易失性數據存儲設備的區域內對標識將被以原子的方式執行的多個寫事務的意圖信息以及上述地址轉換圖中的邏輯地址至物理地址的映射進行更新，以使得意圖信息反映單個原子寫序列。

此外，在一個實施例中，對非易失性數據存儲設備中的地址轉換記錄進行更新的步驟只在經合併的單個原子寫序列的寫事務已經被執行之後才被執行。

通過以上步驟，在事件將操作的原子性中斷的情況下，系統能夠退回兩個完整的狀態，即退回至執行第一原子寫序列或者第二原子寫序列之前存在的狀態。其將仍然是穩定的狀態，並且因此系統可以恢復到可行的環境。

當非易失性數據存儲設備被頻繁使用時，合併原子寫序列的上述技術可能長時間地推遲非易失性數據存儲設備中的地址轉換記錄的更新，有可能幾乎無限期地推遲。然而，期望避免這種情況發生，並且在一個實施例中，通過對可以被合併的原子寫序列的數量設置上限來實現。因此，在達到上限的情況下，在允許進一步的原子寫序列被執行之前，設備控制器使得當前經合併的原子寫序列完成，並且對非易失性數據存儲設備中的地址轉換記錄進行更新。

為了實現相同的效果，還可以提供預定的命令而不是等待達到上限。因此，在這些實施例中，響應於該預定的命令，在允許進一步的原子寫序列被執行之前，設備控制器使得當前經合併的原子寫序列完成，並且對非易失性數據存儲設備中的地址轉換記錄進行更新。因此，該預定的命令可以被用於確保設備間的狀態同步。只有在所有之前的事務已經完成的情況下，命令才會被確認，並且特別地寫數據被寫入非易失性數據存儲設備。

非易失性數據存儲設備可以採取各種形式，但是在一個實施例中，非易失性數據存儲設備是包括若干存儲模塊的快閃記憶體存儲設備，每一存儲模塊包括一個或多個存儲頁。快閃記憶體存儲設備是具有上述不適當的重寫屬性的存儲設備的示例，並且因此上述技術可能已經在該快閃記憶體存儲設備內被使用。

第二方面，本發明提供了用於在非易失性數據存儲設備內以原子的方式執行多個寫事務的設備控制器，每一事務指定邏輯地址，設備控制器包括：地址轉換圖生成電路，其被配置為通過參考非易失性數據存儲設備中的地址轉換記錄來確定每一邏輯地址在數據存儲設備內的相應的物理地址，創建針對由多個寫事務指定的邏輯地址的地址轉換圖，如果地址轉換記錄中所指示的相應的物理地址已經包括有效數據，則地址轉換圖生成電路還被配置為在地址轉換圖中將邏輯地址重新映射至上述新物理地址；事務控制電路，其被配置為使用上述地址轉換圖中的邏輯地址至物理地址的映射來執行上述多個寫事務；以及地址轉換記錄更新電路，其被配置為只有在上述非易失性數據存儲設備中的上述多個寫事務已經被執行的情況下，才更新非易失性數據存儲設備中的地址轉換記錄以標識上述地址轉換圖中的邏輯地址至物理地址的映射。

同時，在一個實施例中，設備控制器可以由被用於控制對非易失性數據存儲設備的訪問的專用硬體形成，在替換實施例中，設備控制器可以通過在通用處理器(例如，CPU)上運行的軟體來實現。因此，根據第三方面，本發明提供包括電腦程式的電腦程式產品，當該電腦程式在計算機上執行時，使得計算機執行根據本發明的第一方面的方法。在一個實施例中，電腦程式產品以非暫態的形式存儲程序。

第四方面，本發明提供了用於在非易失性數據存儲設備內以原子的方式執行多個寫事務的設備控制器，每一事務指定邏輯地址，設備控制器包括：地址轉換圖生成裝置用於通過參考非易失性數據存儲設備中的地址轉換記錄來確定每一邏輯地址在數據存儲設備內的相應的物理地址，創建針對由多個寫事務指定的邏輯地址的地址轉換圖，如果地址轉換記錄中所指示的相應的物理地址已經包括有效數據，則地址轉換圖生成裝置還被配置為在地址轉換圖中將邏輯地址重新映射至上述新物理地址；事務控制裝置以用於使用上述地址轉換圖中的邏輯地址至物理地址的映射來執行上述多個寫事務；以及地址轉換記錄更新裝置以用於只有在上述非易失性存儲設備中的上述多個寫事務已經被執行的情況下，才更新非易失性數據存儲設備中的地址轉換記錄以標識上述地址轉換圖中的邏輯地址至物理地址的映射。

附圖說明

本發明將只以示例的方式參考附圖中所示的其實施例被進一步描述，其中：

圖1A是根據第一實施例示出系統的框圖；

圖1B是根據替換實施例示出系統的框圖；

圖1C根據一個實施例示意性地示出了圖1A或圖1B的快閃記憶體存儲設備的布置。

圖2是根據一個實施例更詳細地示出圖1A或圖1B的快閃記憶體控制器的操作的框圖；

圖3是根據一個實施例的事務流的序列圖；

圖4是根據一個實施例，示出當主機設備具有需要被以原子的方式執行的多個更新時由主機設備所執行的步驟的流程圖；

圖5是根據一個實施例，示出當以原子的方式處理多個更新時，由存儲設備控制器(例如，圖1A或圖1B的快閃記憶體控制器)所執行的步驟的流程圖；

圖6是根據一個實施例，示出在啟動快閃記憶體設備時或者在出於任意其他原因發起恢復過程時所執行的步驟的流程圖；

圖7A示出了寫數據在被寫入快閃記憶體設備之前被緩存在非易失性RAM內的實施例；

圖7B根據一個實施例，示出了圖7A的方法，但是其中兩個原子事務序列被合併；以及

圖8A和圖8B是根據一個實施例，意圖保存信息還被提交至快閃記憶體存儲設備的圖7A和圖7B的版本。

具體實施方式

圖1A是根據一個實施例的系統的框圖。在該實施例中，假定非易失性數據存儲設備20採取被管理的存儲設備的形式，其中其自己的內部設備控制器25用於控制至非易失性存儲設備30的寫事務的執行。在該具體示例中，假定非易失性存儲設備30是非易失性快閃記憶體存儲設備，並且相應地設備控制器25是快閃記憶體控制器。快閃記憶體存儲器通常由NAND設備形成，並且被布置為多個模塊，例如，圖1C中所示的快閃記憶體存儲設備70的塊72、73、74、75、76。在每一塊內，存在多個頁82、84、86。

NAND快閃記憶體存儲器是頁可讀的並且可編程的。讀動作通常比寫動作少十倍。此外，一旦頁被寫入，則其在新數據可以再次被寫入該頁之前必須被擦除，並且因此，如果數據文件需要被更新，則文件(或者其一部分)通常在快閃記憶體盤上被物理地移除，儘管邏輯地址可以保持不變。因此，新數據之後通常將被寫入不同的頁。同時，廢棄的數據之後將仍然物理地駐留於盤上，快閃記憶體維護操作(例如，垃圾收集和耗損平衡)在快閃記憶體盤中被執行以將廢棄的數據無效並隨後擦除(在被管理的存儲設備(例如，被管理的存儲設備20)的情況下由設備本身進行無效和擦除，或者在如之後參考圖1B所討論的未被管理的存儲設備的示例中由在主機端上進行操作的主機軟體進行無效和擦除)。該維護功能通常被捆綁在被稱為快閃記憶體轉換層(FTL)的抽象層中。

本文中將以下動作稱為不適當的重寫：將經更新的數據寫入快閃記憶體存儲器內新的物理位置，而不是在執行寫操作時直接重寫數據之前的版本。如之後將更詳細討論的，當在快閃記憶體存儲設備和快閃記憶體控制器之間提供事務序列協議時可以利用快閃記憶體存儲器的該屬性該事務序列協議允許一系列寫事務以原子的方式被執行並允許檢測和退回機制被合併以處理寫事務未被以原子的方式執行(例如，由於中斷一系列事務的系統故障等)的情況。

在NAND快閃記憶體存儲器中，擦除動作還通常必須以塊為基礎來執行，其中，一個塊包括多個頁(如圖1C中所顯而易見的)。將經更新的數據寫入新頁的動作以及之後標記為無效廢棄數據的相關聯的快閃記憶體維護操作，可以被用於允許快閃記憶體存儲設備的整個塊隨時間達到其不再包括任意有效數據的狀態，隨後其可以被擦除，騰出該塊的頁以再次被用於隨後的寫操作。

回到圖1A，假定CPU 10希望發起需要被管理的存儲設備20來以原子的方式執行的一系列寫事務。如後面將更詳細討論的，主機設備CPU將通過路徑17向被管理的存儲設備20發布存在將被以原子的方式執行的一系列被捆綁的事務的指示，其之後將使得快閃記憶體控制器25從事例如之後參考圖5所討論的一系列特定操作。這將包括將某些控制信息存儲在快閃記憶體控制器本地的易失性存儲設備35中，以允許快閃記憶體控制器執行被要求以原子的方式執行的各種寫事務中的每一寫事務。被管理的存儲設備20可以可選地包括某一緩存存儲設備40，並且通常在提供該緩存存儲設備的情況下，其作為非易失性的緩存存儲設備(例如，NVRAM)被提供，例如通過使用備份電源來維持緩存內的狀態。

當構建用於轉換給被管理的存儲設備的寫事務時，CPU可以將事務數據寫入與CPU相關聯的系統的主機側上所提供的隨機存取存儲器(RAM)15中。在執行一系列寫事務期間，無論是以什麼方式和在什麼時候需要，快閃記憶體控制器之後都可以從RAM獲取數據。如之後將更詳細討論的，在一個實施例中，數據可以由快閃記憶體控制器直接寫入非易失性快閃記憶體存儲設備中，但在提供可選的緩存的情況下，其可以首先被存儲在緩存40內，並且隨後被從緩存寫入非易失性快閃記憶體存儲設備30中。當一系列事務已經完成時，快閃記憶體控制器25通常將確認發布回CPU 10。確認信號的準確時序可以依據實施例而改變。

雖然在圖1A中考慮的是具有其自己的快閃記憶體控制器25的被管理的存儲設備20，在替換實施例中，未被管理的存儲設備50可以被使用，如圖1B所示。在該實施例中，快閃記憶體控制器通常採取在CPU 10上執行的軟體的形式，例如圖1B中所示的快閃記憶體控制器60所指示的。此外，快閃記憶體控制器將訪問某一本地易失性存儲設備65。雖然在該實施例中快閃記憶體控制器由CPU上所執行的軟體形成，其仍然可以被認為是被包含在系統的設備側內，如圖1B中虛線所示。

圖2是根據一個實施例，詳細地示出圖1A的快閃記憶體控制器內所提供的組件的框圖。快閃記憶體控制器100包括用於控制所要求的一系列事務的事務控制電路110。事務控制電路110與主機設備(例如，圖1A的CPU 10)進行通信以便獲得將被執行的事務的細節，以及確認完成了哪些事務。在執行事務期間，事務控制電路將會將各種控制信號發布至快閃記憶體控制器內的其他組件。具體地，地址轉換圖生成電路115被用於針對由形成將被以原子的方式執行的一組寫事務的每一寫事務所指定的邏輯地址來生成地址轉換圖。

為了這麼做，地址轉換圖生成電路115參考快閃記憶體存儲設備105內所維持的將邏輯地址映射至包括與那些邏輯地址相關聯的數據的物理地址的地址轉換記錄130。如果地址轉換圖生成電路確定了在該過程期間，地址轉換記錄中所指示的相應的物理地址已經包括有效數據，則地址轉換圖生成電路在地址轉換圖中將邏輯地址重新映射至新的有效的物理地址。然而，此時，不更新快閃記憶體存儲設備內所維持的地址轉換記錄130。替換地，地址轉換圖的本地副本被存儲在快閃記憶體控制器100的易失性存儲設備120內，以在將各種寫事務發布至快閃記憶體存儲設備105時供事務控制電路110使用。

特別地，針對每一寫事務，事務控制電路會將命令發布至快閃記憶體存儲設備以使得寫數據被寫入由易失性存儲設備120內的邏輯地址至物理地址的映射所標識的物理存儲位置。只有在所有事務都已被處理的情況下，事務控制電路之後才會使得地址轉換記錄更新電路125更新快閃記憶體存儲設備105內的地址轉換記錄130。特別地，此時，易失性存儲設備120中的地址轉換圖中所維持的信息可以被合併在地址轉換記錄內，以便生成存儲在快閃記憶體存儲設備105內的經更新的轉換記錄130。

雖然在圖2中地址轉換記錄130被示為快閃記憶體存儲設備105內所存儲的離散的數據塊，在替換實施例中，地址轉換記錄130被替代地由與快閃記憶體存儲設備內的每一快閃記憶體頁相關聯地存儲的額外數據位來形成，而不是所有地址轉換記錄信息被存儲為快閃記憶體存儲設備內的物理上分開的記錄。

雖然圖2示出了圖1A中的快閃記憶體控制器25內所提供的電路組件，應該認識到，根據圖1B的快閃記憶體控制器的軟體實現方式，圖2內的各個塊可以由CPU 10上運行的合適的軟體例程實現。

圖3是根據第一實施例示出事務流的序列圖。如圖3所示，某些通信發生在主機200和快閃記憶體控制器205之間，並且此外，通信還發生在快閃記憶體控制器205和實際快閃記憶體存儲設備210之間。首先，如箭頭215所示，主機將會將捆綁指示發送至快閃記憶體控制器，該捆綁指示標識了存在主機要求以原子的方式發生的一系列寫事務。主機之後將對事務數據進行排隊，如塊220所示。例如，這可以通過主機對RAM 15內的相關的事務數據進行構建和排隊而發生以用於在適當的時候由快閃記憶體控制器訪問。

一旦快閃記憶體控制器已經確認了事務捆綁(如箭頭225所示)，則各個數據事務可以開始被從主機發送至快閃記憶體控制器，如箭頭230所示。

針對每一所接收的事務，快閃記憶體控制器將會使用快閃記憶體存儲設備上的地址轉換記錄中所存儲的信息來將指定的邏輯地址轉換為物理地址。在被映射至的物理地址已經包括有效數據的情況下，快閃記憶體控制器之後將額外地將邏輯地址重新映射至新的可用的物理地址。因此，在由圖3中的塊235所指示的序列期間，上述地址轉換圖將被創建，並且將被本地存儲在快閃記憶體控制器的易失性存儲設備內。

根據一個實施例，在發起由一系列事務所要求的各種寫操作之前，快閃記憶體控制器將指定意圖保存操作的命令發送至快閃記憶體存儲設備210。具體地，命令可以採取標識要被存儲在非易失性數據存儲設備的區域中的意圖信息的專用寫事務的形式(本文中還被稱為意圖保存寫事務)，該意圖信息在步驟235處，標識被以原子的方式執行的多個寫事務以及地址轉換圖中所創建的邏輯地址至物理地址的映射。在一個實施例中，該意圖保存寫事務的優先級高於標準寫事務，並且因此，可以確保意圖保存寫事務將首先被處理，並且因此，在寫事務的任意數據開始被寫入快閃記憶體之前，意圖信息將被存儲在快閃記憶體存儲設備中。在一個具體實施例中，該更高優先級的寫事務的示例為諸如由合併的UFS標準(參見：http：//www.jedec.org/standards-documents/results/jesd220)所提供的設備專用寫事務。然而，應該認識到，不要求使用該形式的寫事務，並且可將意圖保存事務可以被標記為高的優先級事務的任意其他機制可以被使用。

在執行了意圖保存操作之後，在步驟245，事務之後可以被確認返回至主機。特別地，一旦意圖保存操作已經被執行，則快閃記憶體控制器現在能夠確保事務將被以原子的方式執行，或者在任意事情中斷那些事務的原子的執行的情況下，快閃記憶體設備的狀態可以被退回至任意寫事務被執行之前存在的狀態。因此，此時，主機無需監控和確保寫事務的原子性而自主承擔其他任務。特別地，主機系統可以假定底層快閃記憶體盤上的連續的並且正確的文件系統，只要其遵照圖3的左手邊中的主機和快閃記憶體控制器之間的事務中所示的協議。

如圖3所示，在執行了意圖保存操作之後，如箭頭250所示，由每一寫事務請求的各種寫操作之後可以被執行。只有在所有那些寫事務已被執行的情況下，轉換表之後才如箭頭255所示被更新，以便反映快閃記憶體控制器的易失性存儲設備內的地址轉換圖中所維持的信息。此時，由於由一系列寫事務所要求的各種寫操作被執行，正對快閃記憶體設備上已經存儲的有效數據進行更新的任意數據將被存儲至快閃記憶體設備內的不同物理位置，因此在該階段除了存儲新數據之外還保存正被覆蓋的舊數據，並且考慮到轉換表將只在這些系列的寫事務如所期望的那樣以原子的方式完成的情況下才被更新，則在寫事務不被以原子的方式執行的情況下，轉換表將不會被更新，並且可以被用於將快閃記憶體設備的狀態退回至任意寫事務被執行之前存在的狀態。這將在之後參考圖6進行討論。

圖4是示出當主機具有需要被以原子的方式執行的多個更新時由主機所執行的步驟的流程圖。在步驟300，主機構建包括需要針對每一次更新而進行轉換的數據的數據事務結構，並且例如可以將那些數據事務結構存儲在主機側上的RAM 15內。此外，在步驟305，主機構建指示需要以原子的方式發生的一捆事務的事務結構(本文中還被稱為捆綁指示)，並且在步驟310，捆綁指示之後被從主機發送至快閃記憶體控制器。

在步驟315，主機將數據事務排隊並發送至存儲設備控制器，通常一旦快閃記憶體控制器已經確認了捆綁指示，則該操作發生。此後，在步驟320，主機只等待來自快閃記憶體控制器的數據事務的確認。如之前參考圖3所討論的，一旦已經發生意圖保存操作，則該確認通常將被發送。特別地，此時，快閃記憶體控制器具有確保寫事務實際被以原子的方式執行所需要的所有信息，或者在原子性被損害的情況下，其可以將快閃記憶體設備的狀態恢復回在執行任意寫事務之前存在的狀態。

圖5是示出為了以原子的方式處理多個更新而由快閃記憶體控制器執行的步驟的流程圖。在步驟330，等待捆綁指示，並且在收到捆綁指示時，然後在步驟335對到來的數據事務進行排隊。特別地，如果快閃記憶體控制器具有足夠大的易失性存儲設備來維持被以原子的方式執行的數據事務，則那些數據事務在此刻被存入易失性存儲設備。否則，數據事務此時將仍然被緩衝在主機側上，例如圖1所示的RAM 15內。

在步驟340，針對捆綁中的每一數據事務，快閃記憶體存儲設備中的地址轉換表被用於標識針對所指定的邏輯地址的物理地址。如上所述，如果物理地址已經包括有效數據，則邏輯地址被重新映射至新的物理地址，其中，所得到的邏輯地址至物理地址的映射被存儲在快閃記憶體控制器的易失性存儲設備中以作為由快閃記憶體控制器所構建的地址轉換圖的一部分。雖然為了本應用，由主機針對事務所指定的地址將被稱為邏輯地址；它們還可以被稱為虛擬地址。

在步驟345，意圖保存命令被發布至快閃記憶體存儲設備的非易失性存儲器以針對要被執行的數據事務來標識邏輯地址至物理地址對。在存儲設備內提供非易失性緩存結構(例如，圖1A所示的NVRAM 40)的實施例中，意圖保存信息之後可以被直接存儲在NVRAM 40內而不是被存儲在快閃記憶體存儲設備30中。這避免了執行涉及快閃記憶體存儲設備30本身的、與只被要求保留相對短暫的時段的信息有關的寫操作。特別地，如果一系列寫事務確實根據需要以原子的方式完成，導致轉換表之後被更新，則一旦轉換表已經被更新以反映與各種寫事務相關聯的物理地址，則將不再需要意圖保存信息。

然而，如果未提供非易失性緩存結構，則替換地，意圖保存信息可以被存儲在系統信息專用的一個或多個快閃記憶體塊中。

在之後的步驟345處，事務被確認返回至主機。如圖5所示，其可以在執行步驟350至步驟360中的任意步驟之前，或者在執行那些步驟期間的某一時刻被執行。

在步驟350，針對每一數據事務，快閃記憶體控制器將寫命令發布至快閃記憶體存儲設備以使得寫數據被寫入其易失性存儲設備中所維持的地址轉換圖中所標識的物理地址中。一旦捆綁指示中所標識的所有寫事務已經被執行，則易失性存儲設備中的邏輯地址至物理地址的信息被用於對快閃記憶體存儲設備中所維持的地址轉換表進行更新(參見步驟355)。此後，在步驟360，如果需要可以激活垃圾收集，以便使得不被經更新的轉換表映射至邏輯地址的任意物理地址無效。垃圾收集過程之後還可以從事背景任務，例如將不再包括任意有效數據的塊擦除。

圖6根據一個實施例，示出了在啟動快閃記憶體存儲設備時所採取的一系列步驟。在步驟400，清除快閃記憶體控制器的所有工作存儲設備(包括易失性存儲設備中的邏輯地址至物理地址的映射)。這確保了在啟動過程期間，快閃記憶體控制器只參考存儲在快閃記憶體存儲設備30、50中以及與快閃記憶體存儲設備(例如，圖1A的緩存40)相關聯地被提供的任意非易失性緩存中的寫事務信息。

在步驟405，從快閃記憶體存儲設備構建地址轉換表。如上所述，地址轉換表可以被單獨存儲在快閃記憶體存儲設備內，或者在替換實施例中，可以根據與各種物理地址處所存儲的數據相關聯的快閃記憶體頁本身中所存儲的額外位而被重新構建。

此外，在步驟410，意圖保存信息被從非易失性存儲器獲取以便標識應該已經被以原子的方式執行的最後一捆事務。如上所述，在一個實施例中，意圖保存信息被存儲在存儲設備內的非易失性緩存內。替換地，其可以駐留於快閃記憶體存儲設備本身內的系統信息專用的快閃記憶體塊內。

在步驟415，針對捆中所標識的每一寫事務進行檢查以確定由意圖保存信息中的邏輯地址所指向的物理地址是否與地址轉換表中的邏輯地址至物理地址的映射相匹配。如果所有事務已經被以原子的方式執行，則應該是這種情形，由於在執行那些事務之後，地址轉換表將會被更新以與形成意圖保存信息的一部分的邏輯地址至物理地址的映射相匹配。然而，如果針對捆中的任意事務所執行的任意檢查未生成匹配，則其指示事務未以原子的方式完成。

因此，在步驟420，確定任意檢查是否標識了不存在匹配。如果不是，則推定最後一捆事務已以原子的方式完成，並且過程可以直接進行至步驟425，其中如果必要，垃圾收集機制可以被激活以便將廢棄的數據無效並且執行任意所需要的擦除過程。在步驟430，正常處理之後可以繼續進行。

然而，如果在步驟420檢測到針對數據事務中的至少一項事務，在地址轉換表中的信息和意圖保存信息中的相應的地址映射信息之間不存在匹配，則在步驟435，意圖保存信息中所標識的物理地址位置被無效。此外，在步驟440，存儲意圖保存信息的物理地址被無效，假定意圖保存信息已經被寫入快閃記憶體存儲設備。否則，緩存中的意圖保存信息僅僅被標記為無效。然後，在步驟445，消息被發送至主機以指示最後一捆事務還未被執行，隨後在步驟425過程繼續進行。

在事務未以原子的方式完成的情況下，之後地址轉換表將不會被更新，並且因此，將仍然提供指向快閃記憶體設備內所維持的仍然有效的之前的數據的邏輯地址至物理地址的映射。因此，通過將意圖保存信息中所標識的所有物理地址位置無效，這有效地將快閃記憶體設備的狀態退回至執行捆中的任意事務之前其所處的狀態。因此，這是處理可以被重新開始的穩定狀態。例如，主機此時可以試圖重新嘗試該捆事務。

如上所述，在快閃記憶體存儲設備內，讀次數明顯小於寫次數。儘管快閃記憶體設備中的隨機訪問性能很好，但隨後的訪問性能經常比傳統的硬碟驅動器糟糕。這已經導致了在快閃記憶體驅動器(主要是SSD設備)中實施緩存和緩存驅逐方案。然而，從可靠性的角度，這可能引起問題，因為驅逐方案通常不會區分日誌數據和正常數據，使得數據被寫入快閃記憶體盤的順序對於作業系統是不可預測的。這通常通過針對緩存使用非易失性RAM(通常為支持電池的RAM模塊)來解決。然而，其相當昂貴。此外，研究表明，因為電池的質量隨著時間推移降低，因此功率損耗可能仍然會使文件系統惡化。

快閃記憶體存儲設備內的緩存可以被看作兩個緩衝器，即一個讀緩衝器和一個寫緩衝器。讀緩衝器的驅逐動作從持續性的角度看是不重要的，因為可以用新的頁來替換被驅逐的頁，並且對快閃記憶體盤上的數據沒有影響。如果盤在驅逐之前處於穩定狀態，則其在驅逐之後將處於穩定狀態。

然而，寫操作更複雜。一旦數據已經被寫入緩存，則可以認為轉換已經完成，並且可以被確認返回至主機。然而，只有在緩存中的數據已經被驅逐並且被存儲在快閃記憶體存儲設備內之後狀態才是穩定的，因為在此之前快閃記憶體存儲設備只包括數據的舊的狀態。在將數據從緩存返回至快閃記憶體存儲設備的同時，新數據可能到達，其可以替換還未被寫入快閃記憶體盤的舊數據。如果快閃記憶體控制器僅僅假定其可能替換等待被寫入快閃記憶體盤的頁，那麼實際上，事務將不按照主機系統已經發送它們的順序來發生，這將會違反事務的獨立原則。此外，這甚至可能將快閃記憶體盤帶入舊狀態和新狀態之間的中間狀態，其中針對下一狀態，一些事務已經被處理，同時之前的一批事務還未完成。

然而，從耗損平衡和性能的角度，緩存在快閃記憶體存儲設備中是有吸引力的命題，由於它避免了不必要地將數據寫入快閃記憶體存儲設備本身，如果數據在不久之後被更新，這將會花費不必要的時間。例如，如果數據的第一塊被寫入自由頁，但是不久之後被更新，則數據的第一頁需要被無效，並且新數據需要被寫入不同頁。垃圾收集機制之後將被用於將不再包括有用數據的頁無效並隨後擦除。所有這些過程都消耗時間和經歷，並且還導致減少快閃記憶體存儲設備的使用期。

圖7A和圖7B是示出可以被用在為了允許有效處理解決某些上述問題的事務而將非易失性緩存合併的實施例中的事務流的序列圖。針對每一捆事務，在發布來自設備控制器的意圖保存命令之前所執行的一系列步驟(例如，參考圖3被討論的步驟)為了簡單起見在圖7A和圖7B中被忽略。因此，圖7A中所示的與第一捆事務有關的第一步驟是意圖保存命令被從設備控制器500發布至非易失性RAM 505。由於存在非易失性RAM，在該實施例中，意圖保存信息被存儲在非易失性RAM中而不是被存儲在快閃記憶體設備510本身中。在步驟520，針對捆中的每一寫事務的數據之後還被寫入緩存505。一旦數據已經被寫入緩存，則確認通過路徑525被從設備控制器500返回至主機。確認的準確時序可以根據實施例改變。

一旦各種事務的數據已經被寫入非易失性緩存，則驅逐機制之後將被用於驅逐數據以存儲在快閃記憶體存儲設備510中。該過程通常將包括對快閃記憶體存儲設備的多個寫操作，並且如圖7A中的標號528所示將花費一段時間。一旦所有數據實際上已經被提交至快閃記憶體存儲設備，則存儲完成信號將通過路徑530被返回至設備控制器500。

如果隨後的一捆事務之後需要在設備控制器已經接收了存儲完成確認之後被執行，則下一捆事務將以與第一捆相同的方式被準確處理，如圖7A所示的各種階段535、540、545、550、555所示。

然而，如圖7B所示，在一個實施例中，在某些情況下，事務流允許兩個獨立的原子寫序列被合併在存儲設備內。如圖7B所示，第一原子寫序列以與如上參考圖7A討論的方式相同的方式進行，其中意圖保存信息被存儲在NVRAM 505內，隨後是事務的寫數據，並且確認被發送回主機。在該示例中，假定在周期528期間將第一原子寫序列的數據寫入快閃記憶體存儲設備的過程中，第二原子寫序列被發起，其中，第二原子寫序列中的至少一個寫事務指定與還未將數據存入快閃記憶體存儲設備510的第一原子寫序列的寫事務相關聯的邏輯地址。設備控制器500將檢測這種情況，並且在一個實施例中，除了通過路徑560將意圖保存信息發送至NVRAM 505，其還發送指示該意圖保存信息應該與通過路徑515接收的之前的意圖保存信息合併的合併命令565。緩存內的控制邏輯之後如標號570所指示的那樣執行意圖合併操作，以便生成意圖保存信息的經合併的版本。實際上，此時，兩個原子寫序列已經被合併為單個經合併的原子寫序列。

第二原子寫序列的事務的寫數據之後被提供給緩存，如信號線575所示，並且之後那些事務的寫數據被寫入快閃記憶體盤，如標號585所示。此外，一旦設備控制器已經將用於之後存儲在快閃記憶體內的寫數據，則設備控制器可以將關於第二原子寫序列的確認發送至主機580。然而，由於設備控制器能夠確保事務以原子的方式發生，或者快閃記憶體設備的狀態可以返回至發生寫事務之前存在的穩定狀態，因此在發送確認之前無需等待任意事務已經被寫入快閃記憶體。圖7B的示例中，如果所得到的經合併的原子寫序列的原子性被例如電源故障中斷，則之前參考圖6描述的重啟過程將會使得原子寫序列的故障被檢測，並且快閃記憶體盤的狀態退回至兩種狀態而不是一種狀態，即，退回至第一原子寫序列或者第二原子寫序列被執行之前存在的狀態。

如圖7B所示，一旦所有數據已經被寫入快閃記憶體，則存儲完成命令590可以被返回至設備控制器500，在該示例中，標識經合併的寫序列已經完成。

由設備控制器500所接收的存儲完成命令(不論是圖7A的單獨的存儲完成命令530、555，還是圖7B的經合併的存儲完成命令590)之後被設備控制器用於標識寫已經發生，並且因此快閃記憶體內的地址轉換表可以使用之前參考圖3所討論的過程而被更新。因此，應該認識到，快閃記憶體存儲設備內所存儲的轉換表只在原子寫序列(不論是原始的原子寫序列還是經合併的原子寫序列)完成的情況下被更新。

當盤被大量使用時，應該認識到，被用於創建經合併的原子寫序列的圖7B的過程可以使得轉換表更新可能幾乎無限期地被推遲(通過每一新的寫序列處理之前寫序列中的頁)。這可能是不可取的，並且因此在一個實施例中，硬約束策略可以被應用。特別地，設備控制器可以對原子寫序列可以被合併的次數設置上限。一旦達到該上限，則即使一捆新的事務被接收，地址頁為之前合併的原子寫序列的主題，但是狀態將不會被合併，並且替換地，在允許進行下一捆事務之前，當前經合併的原子寫序列將完成，並且轉換表將被更新。

該策略可以通過說明在X個事務捆綁之後存在硬約束而被儘可能簡單地實現。替換地，其可以被布置為使得當頁已經被更新為第一原子寫序列(其本身可以是經合併的原子寫序列)的一部分，但是由意圖保存信息所標識的所有事務還未完成，並且該頁將被再次更新為新的一捆事務(進一步的原子寫序列)的一部分時，在新的一捆事務之前放置硬約束。例如，考慮到第一捆事務A(對頁1、2、3、4、5進行寫)和第二捆事務B(對頁2、6、7進行寫)被合併的情況，並且之後第三捆事務C(對頁2、8、9進行寫)到達。假定由經合併的捆A和B所請求的頁2的更新已經在捆C到達時發生，所以硬約束將被置於捆C之前，因為它試圖再次寫入頁2。

此外，或者替換地，專用命令(例如，SCSI中的緩存刷新命令)可以被用於在期望使用圖7B的方法來阻止寫序列繼續被合併的某些實例中確保設備間的狀態同步。命令將被布置為使得只有在上一捆的所有事務已經被寫入快閃記憶體設備的情況下其才可以被確認。這可以被用於避免否則可能引起的以下問題，即系統中的其他實體基於快閃記憶體盤的新狀態進行狀態轉換。例如，如果文件被從USB剪貼並被存儲在PC上，那麼如果事務是成功的，則PC將會將文件從快閃記憶體驅動器擦除。然而，如果該擦除在PC中的SSD上的緩存已經被驅逐之前完成，則系統故障可能使得文件消失。可以通過使用上述專用命令來阻止該操作以確保發生設備間的狀態同步，並且由此確保SSD上的緩存在發生擦除之前被驅逐。

圖8A和圖8B與圖7A和圖7B基本相同，但是示出了意圖保存信息被傳播至快閃記憶體設備510的替換實施例，如圖8A中的線517、537和圖8B中的線517、572所示。如果未確保緩存在所有情況下均保持非易失性，例如因為備用電池的質量已經下降，則可以採取該附加步驟。

根據上述實施例，應該認識到，這些技術介紹了在不使用在主機側實施的安全機制的情況下，用於確保狀態保留設備的原子的和可靠的事務的機制。該機制不需要在繼續該過程之前確認盤的狀態。只要存儲設備依照該機制(通過設備控制器上運行的硬體或軟體)，寫事務就可以在存儲設備內以存儲設備自己的速度進行處理，而無需擔心在功率故障之後可恢復的可靠的狀態。該機制將針對各種非易失性數據存儲設備具有適用性，包括與習慣上不被用作存儲數據的設備相關聯的非易失性數據存儲設備，例如，從中央點接收更新服務的請求的傳感器節點。

由於以原子的方式執行寫事務的管理由與非易失性數據存儲設備相關聯的設備控制器承擔，因此主機設備無需對寫事務的執行進行監控和管理，同時仍然使得事務能夠以原子的方式被處理，並且同時提供可靠機制以用於對阻止事務被以原子的方式執行的事件進行檢測和恢復。

儘管本文對特定的實施例進行了描述，應該認識到，本發明不限於此，並且在本發明的範圍內可以做出許多修改和添加。例如，在不背離本發明的範圍的情況下，所附從屬權利要求的特徵能夠與獨立權利要求的特徵做出各種組合。