CN101354918A - 存储装置以及平均使用一快闪式存储器的区块的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种存储装置以及平均使用一快闪式存储器的区块的方法。该快闪式存储器包含一快闪式存储器控制器。该快闪式存储器控制器用以通过下列方式来处理平均磨损：将频繁更新的数据分配于抹除次数较少的区块中，并将较少更新的数据分配于频繁抹除的区块中，以使区块抹除次数达到动态均匀。

Description

存储装置以及平均使用一快闪式存储器的区块的方法

技术领域

本发明是关于一种存储装置以及平均使用一快闪式存储器(flash memory)的区块的方法。更具体说，本发明是关于一种用以平均使用一快闪式存储器的区块的快闪式存储器控制器及其方法。

背景技术

可携式存储器广泛应用于诸多应用中。然而，有几种固有的性质限制了其应用领域。以快闪式存储器为例，其基本存取单位表示为区块(block)，且具有数据的区块(表示为已写入区块)无法直接被覆写新数据，而是需先被抹除。换言之，仅有空白/被抹除区块方可被写入数据。若欲写入新数据至具有第一逻辑地址的已写入区块，则即将写入的新数据将被写入一备用区块，且该第一逻辑地址被重新分配给具有该新数据的备用区块。然后，该已写入的区块被抹除成为一备用区块。上述操作被称为“热区变化(hot-zone change)”，其中热区是指在一次操作中所要变换的区块数量，且将被重写的已写入区块的热区与将要接收新数据的备用区块的热区是相等的。

此外，一快闪式存储器的各区块皆具有抹除次数限制。举例而言，一区块可被抹除几万次，随后该区块便不能再进一步抹除及写入新数据，即该区块自此失效。当快闪式存储器开始出现失效的区块时，其只能被读取或者完全无法使用，无论其是否具有任何其它良好的区块。一般而言，单电平单元(single-level-cell)快闪式存储器的抹除限制次数是十万次，而多电平单元(multi-level-cell)快闪式存储器的抹除限制次数则仅为一万次。

已知的快闪式存储器包含各种数量的区块，例如1024个区块、2048个区块等等。已知的的区块管理技术是将快闪式存储器的所有区块划分成若干平均具有这些区块的管理单元。各该管理单元具有二种区域：一种是数据区域，另一种则为备用区域。数据区域用以对应于由一主机所分配的逻辑地址，该逻辑地址可通过CHS(Cylinder/Head/Sector)模式或LBA(logical block address)模式进行分配。备用区域则用以提供备用区块，以于将要写入新数据至快闪式存储器时替换已写入的区块。因管理单元具有备用区域，故可以理解，各该管理单元的容量是大于管理单元所对应的逻辑地址的容量。

显而易见地，当主机频繁且过度存取某些特定逻辑地址时，对应于这些特定逻辑地址的区块以及用于替换的备用区块的抹除次数将过度增加，致使各区块的抹除次数不均匀。

因此，存储器产业中需要一种用以管理数据区块及备用区块的使用、借以平均使用各区块的方式。本产业中亦需要一种可降低成本地管理数据区块及备用区块的解决方案。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种存储装置以及平均使用一快闪式存储器的区块的方法。该快闪式存储器包含一快闪式存储器控制器。该快闪式存储器控制器用以通过下列方式来处理平均磨损(wear-leveling)：将频繁更新的数据分配于抹除次数较少的区块中，并将较少更新的数据分配于频繁抹除的区块中，以使区块抹除次数达到动态均匀。

为达上述目的，该快闪式存储器控制器包含一权重计算模块(weight calculationmodule)，用以计算数据区块与备用区块间的热区变化。该快闪式存储器控制器亦包含一备用区域监视模块(spare region monitor module)，用以监视备用区块的使用次数及序列并提供一使用数值。当该使用数值与该权重不一致时，该快闪式存储器控制器便开始处理平均磨损。

附图说明

下面将配合附图对本发明的较佳实施例进行详细的说明，以便该技术领域具有通常知识者可更清楚了解本创作的目的，以及本创作的技术手段及实施态样，其中；

图1是本发明的一控制器1的方块图；

图2是本发明的一记录序列的图式；

图3a-3d是该记录序列的操作的图标；

图4是本发明一实施例的用以平均使用一快闪式存储器的区块的流程图；以及

图5是图4所示步骤402的另一实施例的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种存储装置以及平均使用一快闪式存储器的区块的方法，即所谓的平均磨损方法。本发明是用以将频繁更新的数据分配于抹除次数较少的区块中，并将较少更新的数据分配于频繁抹除的区块中，以使区块抹除次数达到动态均匀。本发明提供一种动态更新备用区块的使用、从而低成本地达成平均磨损的方法。

图1例示本发明的一控制器1的方块图。控制器1包含于一存储装置中，该存储装置包含一快闪式存储器，该快闪式存储器自控制器1接收控制信号。该快闪式存储器包含一数据区域及一备用区域，该数据区域具有多个数据区块，而该备用区域具有多个备用区块。控制器1用以建立一记录序列，以记录这些备用区块的一预定的抹除/写入序列、以及记录这些备用区块的一已抹除/已写入序列，并根据该记录序列激活一平均磨损程序。控制器1包含一权重计算模块11、一备用区域监视模块12、一激活模块13、一非热区选择模块14、以及一区块变化模块15。

权重计算模块11用以计算激活平均磨损的紧迫程度，并产生一权重101。对权重计算模块11的一实例详述如下。首先，一原始权重是备用区域容量的倍数。举例而言，若备用区域的容量是32个区块，则原始权重可是32、64、或32的其它倍数。于该快闪式存储器使用后，权重计算模块11开始计算数据区块与备用区块间的热区变化，当每次计算的热区与较大区块数量相关，即意味着各区块被均匀地使用，权重计算模块11便增大权重101以确保延迟激活平均磨损。反之，权重计算模块11会减小该权重，以确保提早激活平均磨损。于延迟激活平均磨损情形中，将呈现出较大热区，此意味着每次变化中应用数据区域及备用区域中更大数量的数据区块改变，并使区块更均匀地得到使用。而于提早激活平均磨损的情形中，则呈现出较小热区，此使快闪式存储器的区块使用较不均匀，故需要提早激活平均磨损。

备用区域监视模块12用以监视备用区块的使用，其监视备用区块的使用频率及顺序，并产生一使用数值102及一重用(reuse)数值103。更具体说，备用区域监视模块12用以建立该记录序列，根据预定的抹除/写入序列而依序写入数据至这些备用区块，并根据已抹除/已写入序列而产生一使用数值及一重用数值。

使用数值102代表备用区块被存取的频率，而重用数值103代表一特定备用区块的重复使用次数。亦即，使用数值102包含关于已抹除/已写入序列中任一备用区块的一重复率的信息，而重用数值103包含关于已抹除/已写入序列中一特定备用区块的重用次数的信息。重用数值102随后提供至权重计算模块11以更新权重101，从而确保延迟激活或提早激活平均磨损。然后，当使用数值102所含信息表示重复率小于一参考值时，权重计算模块11调高权重101。重用数值103则提供至激活模块13。备用区域监视模块12建立一记录序列，以记录备用区块的一预定的抹除/写入序列以及备用区块的一已抹除/已写入序列。该记录序列的容量大于备用区块的数量。于使用快闪式存储器之前，该已抹除/已写入序列是空白。备用区域监视模块12依序记录已抹除/已写入备用区块至该记录序列，并当备用区域监视模块12的容量已满时清除该记录序列中最早的已抹除/已写入备用区块。

参见图2，其例示记录序列21。记录序列21包含预定的抹除/写入序列211及已抹除/已写入序列212。预定的抹除/写入序列211具有能依序置入若干区块的容量、一位于其尾端的置入标示(push-in mark)211a、以及一位于其首端的移出标示(pop-out mark)211b。记录序列21的容量大于预定的抹除/写入序列211的容量。

控制器1用以：自该预定的抹除/写入序列211中提供至少一备用区块，以根据该写入数据的容量进行数据写入；移动该移出标示至该用以写入的至少一备用区块之后；移动被抹除的至少一数据区块至该备用区域，作为至少一备用区块；以及移动置入标示211a，以维持预定的抹除/写入序列211的长度。

参见图3a-3d，其例示记录序列21的操作。提供预定的抹除/写入序列211的备用区块，以根据写入数据的容量而进行数据写入。于图3a中，预定的抹除/写入序列211预留三备用区块301、302及303进行写入。然后，如图3b所示，备用区域监视模块12移动该移出标示211b至该三备用区块301-303之后，此意味着该三备用区块301-303被移出预定的抹除/写入序列211且该三备用区块301-303被写入数据且被分配以新逻辑地址。然后，如图3c所示，抹除三数据区块311、312、313并将其移至备用区域中作为备用区块。然后，如图3d中所示，移动置入标示211a，以保持图3a所示预定的抹除/写入序列211的长度。

激活模块13用以根据重用数值103及权重101而激活平均磨损程序，并产生一用于进行平均磨损的输出信号。更具体说，激活模块13将来自权重计算模块11的权重101与来自备用区域监视模块12的重用数值103相比较，一旦重用数值103与权重101不一致，激活模块13便产生一用于激活平均磨损的输出信号104。于一实施例中，当重用数值103表示已抹除/已写入序列中任一备用区块的一重复率等于权重101时，激活模块13便产生用于激活平均磨损程序的输出信号104。

非热区选择模块14用以根据激活模块13的输出信号104，选择要进行平均磨损的非热区区块。若某些区块从未得到使用，则首先选择此种区块作为非热区区块。非热区选择模块14继续选择未使用的区块，直到所有区块皆至少使用一次，然后非热区选择模块14选择使用最少的区块进行平均磨损。非热区区块可选自彼等不处于备用区域中或未被主机存取的区块，或者只是从所有区块中选出。同时，可根据区块的物理或逻辑布局而随机或依序地选择非热区区块。

区块变化模块15用以改变被选定随需要平均磨损的热区区块而变化的所选非热区区块。区块变化模块15使先前对应于热区区块的逻辑地址赋予所选的非热区区块，并接着抹除热区区块，且使已抹除的热区区块作为备用区块。虽然可针对快闪式存储器中每一区块的抹除次数进行计数是较为容易的方法，但其代价较高使得实际应用上并不可行。

图4例示本发明一实施例的用于平均使用一快闪式存储器的区块的流程图。该流程图可应用于包含一快闪式存储器及一控制器之前述存储装置。该快闪式存储器包含一数据区域及一备用区域，该数据区域具有多个数据区块，该备用区域具有多个备用区块，这些数据区块与这些备用区块具有不同的逻辑地址。首先，执行步骤401，建立一记录序列，以记录备用区块的一预定的抹除/写入序列以及备用区块的一已抹除/已写入序列。然后执行步骤402，根据该预定的抹除/写入序列而依序写入数据至这些备用区块。然后执行步骤403，根据一预定规则检查已抹除/已写入序列的备用区块。接着，执行步骤404，依序记录这些已抹除/已写入备用区块至该记录序列。执行步骤405，以于容量已满时清除该记录序列中最早被抹除/写入的备用区块。该记录序列的容量大于备用区块的数量。然后执行步骤406，以利用一数据区块替换满足该预定规则的备用区块。然后，将对应于所替换数据区块的逻辑地址连结至满足该预定规则的备用区块。

需注意者，这些步骤的流程并非用以限定本发明。举例而言，步骤404及步骤405可于步骤401之后执行。

于另一实施例中，该预定规则可是一阈值(threshold value)，其中步骤406包含：当步骤403的结果表示已抹除/已写入序列中的任一备用区块的一重复率等于该阈值时，由一数据区块替换该备用区块。该阈值可是可调的，且于执行步骤403后，其还包含下列步骤：当已抹除/已写入序列中的任一备用区块的重复率小于一参考值时，增大该阈值。

于另一实施例中，步骤402可包含如图5所示的下列步骤。首先，执行步骤501，根据写入数据的容量，自该预定的抹除/写入序列中提供至少一备用区块进行数据写入。然后，执行步骤502，移动该移出标示至该用以写入的至少一备用区块之后。然后，执行步骤503，移动被抹除的至少一数据区块至该备用区域，作为至少一备用区块。接着，执行步骤504，移动置入标示，以维持预定的抹除/写入序列的长度。该预定的抹除/写入序列的长度适可容纳备用区域的所有备用区块。

上述的实施例仅用来例举本创作的实施态样，以及阐释本创作的技术特征，并非用来限制本创作的范畴。任何熟悉此技术者可轻易完成的等同的改变或均等性的安排均属于本创作所主张的范围，本发明的权利范围应以本申请权利要求所限定的范围为准。

Claims (18)

1.一种用以平均使用一快闪式存储器的区块的方法，该快闪式存储器包含一数据区域以及一备用区域，该数据区域具有多个数据区块，该备用区域具有多个备用区块，该方法包含下列步骤：

建立一记录序列，以记录这些备用区块的一预定的抹除/写入序列，以及这些备用区块的一已抹除/已写入序列；

根据该预定的抹除/写入序列，依序写入数据至这些备用区块；

根据一预定的规则，检查该已抹除/已写入序列的这些备用区块；以及

以至少一数据区块，替换符合该预定的规则的这些备用区块。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该记录序列具有一容量，该方法还包含下列步骤：

依序记录该已抹除/已写入备用区块至该记录序列；以及

自该记录序列中，清除最早的已抹除/已写入备用区块。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于这些数据区块具有对应的多个逻辑地址，该方法还包含下列步骤：

连结一逻辑地址至一符合这些预定规则的这些备用区块，该逻辑地址对应这些已取代数据区块其中之一。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该预定的抹除/写入序列具有一长度、一置入标示，位于该预定的抹除/写入序列的一尾端、一移出标示，位于该预定的抹除/写入序列的一首端，该依序写入数据至这些备用区块的步骤，包含下列步骤：

自该预定的抹除/写入序列中，提供至少一备用区块，以根据该写入数据的容量，进行数据写入；

移动该移出标示至该用以进行数据写入的至少一备用区块之后；

移动已抹除的至少一数据区块至该备用区域，作为至少一备用区块；以及

移动该置入标示，以维持该预定的抹除/写入序列的该长度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于该预定的抹除/写入序列的该长度，适可容纳该备用区域内的所有这些备用区块。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该预定的规则是一阈值，该替换步骤包含：当该检查步骤的该结果，代表位于该已抹除/已写入序列内的任何备用区块的一重复率等于该阈值时，以一数据区块替换该备用区块。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于该阈值是可调整，且执行该检查步骤后，该方法还包含下列步骤：

当位于该已抹除/已写入序列内的任何备用区块的该重复率，小于一参考值时，增加该阈值。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于该预定的规则是一阈值，该替换步骤包含：当该检查步骤的该结果，代表位于该已抹除/已写入序列内的任何备用区块的一重复率等于该阈值时，以一数据区块替换该备用区块。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于该阈值是可调整，且执行该移动该移出标示步骤后，该方法还包含下列步骤：

当该已写入的备用区块的数目大于一参考值时，增加该阈值。

10.一种存储装置，包含：

一快闪式存储器，包含一数据区域，具有多个数据区块、以及一备用区域，具有多个备用区块；以及

一控制器，用以建立一记录序列，以记录这些备用区块的一预定的抹除/写入序列，以及记录这些备用区块的一已抹除/已写入序列，以及根据该记录序列激活一平均磨损程序。

11.根据权利要求10所述的存储装置，其特征在于该控制器包含一备用区域监视模块，用以建立该记录序列，根据该预定的抹除/写入序列，依序写入数据至这些备用区块，以及根据该已抹除/已写入序列，产生一使用数值以及一重用数值。

12.根据权利要求11所述的存储装置，其特征在于该控制器包含一权重计算模块，用以根据该使用数值产生一权重。

13.根据权利要求12所述的存储装置，其特征在于该控制器包含一激活模块，用以根据该重用数值以及该权重激活该平均磨损程序，并且产生一输出信号以平均磨损。

14.根据权利要求13所述的存储装置，其特征在于该控制器包含一非热区选择模块、以及一区块变化模块，该非热区选择模块是用以选择非热区区块，以根据该激活模块的该输出信号进行平均磨损，该区块变化模块是用以以该已选择的非热区区块替换热区区块。

15.根据权利要求10所述的存储装置，其特征在于该预定的抹除/写入序列具有一长度、一置入标示，位于该该预定的抹除/写入序列的尾端、以及一移出标示，位于该预定的抹除/写入序列的首端，该控制器是用以根据该写入数据的容量，自该预定的抹除/写入序列提供至少一备用区块，进行数据写入，并用以移动该移出标示至该用以写入的至少一备用区块之后，并用以移动被抹除的至少一数据区块至该备用区域，作为至少一备用区块，以及用以移动置入标示，以维持预定的抹除/写入序列的长度。

16.根据权利要求11所述的存储装置，其特征在于该重用数值包含该已抹除/已写入序列中一特定备用区块的重用次数的信息。

17.根据权利要求12所述的存储装置，其特征在于该重用数值包含该已抹除/已写入序列中任一备用区块的重用次数的信息。

18.根据权利要求17所述的存储装置，其特征在于该权重计算模块于使用数值所含信息表示重复率小于一参考值时，调高该权重。

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