CN105607862A - 一种dram与mram结合具有备份电源的固态硬盘 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种DRAM与MRAM结合具有备份电源的固态硬盘，包括主机接口、主控芯片、DRAM、MRAM、一个或多个NAND芯片以及备份电源，主控芯片包括CPU；NAND芯片存储逻辑物理地址对照表，DRAM包括写缓存或读写缓存，***开机时将NAND芯片中的逻辑物理地址对照表加载到DRAM，MRAM包括更新表，更新表用于存储逻辑物理地址对照表的更新记录。本发明提供的DRAM与MRAM结合具有备份电源的固态硬盘，能够使用DRAM做写缓存提供较大的缓存容量，可以用很小的成本增加换取写缓存的最大化，使得固态硬盘的性能和寿命最优；在发生断电时，利用备份电源，将写缓存或读写缓存中的缓存页写回到NAND芯片中已经擦除过的空闲页，写一页速度很快，能够极大提高固态硬盘的性能。

Description

一种DRAM与MRAM结合具有备份电源的固态硬盘

技术领域

本发明涉及存储设备，具体涉及一种DRAM与MRAM结合具有备份电源的固态硬盘。

背景技术

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***。

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闪存的一个问题是NAND具有有限的寿命。里面的每一个页经过一定次数的擦写以后，就会永久失效不能继续使用。目前的产业发展趋势是NAND芯片的容量和数据密度增长非常快，但却是以降低寿命为代价。可擦写次数从最初的10万次降低到目前的3000次左右。

因为NAND闪存的以上特性，SSD内部的NAND管理软件比较复杂。为了不使某些经常发生写操作的块提前损坏，需要进行写均衡处理。文件***软件所识别的逻辑地址和物理地址是不同的，需要一个表把二者对应起来。

由于NAND芯片擦除太慢，一般修改一内容时不在原来的块区更新，而是把新的内容写到一个新的块区，旧块区标记为无效，等CPU空闲下来再擦除它。这样，逻辑物理地址对照表是不断动态更新的。

逻辑物理地址对照表的大小正比于存储设备的总容量，存储在DDRDRAM里，另外在NAND芯片中也有相应的备份信息。随着市场上SSD容量的迅速增加，这个表成为DRAM最大的消耗者。

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)，以提高整个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***丢失数据甚至整个文件***的损坏。因此必须同时使用昂贵的、体积大的断电保护***(一般由电池或者大量的电容器组成)。而逻辑-物理地址对照表，在发生断电后，是可以利用NAND中的数据重新构造的，尽管很费时间。

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。

关于操作***和软件：

如图2所示，计算机的文件操作方式如下：

(1)应用软件向操作***发出打开、关闭、读、写文件指令；

(2)操作***中的文件***部分把读、写文件的指令转化为读、写存储块的指令；

(3)NAND驱动与管理软件接受读写存储块区的指令，进行缓存、写均衡等优化，向芯片发出读写page，擦除block等指令。

在计算机中，NAND驱动与管理软件通常在固态硬盘的主控芯片上运行。

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***，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，可以减少写入NAND芯片的次数，延长产品的使用寿命。

然而MRAM在未来一段时间内价格会很高，容量会偏小，较小的缓存容量会限制固态硬盘的性能，特别是对于短时间内数据冲击的抵抗能力，也会弱化MRAM对NAND芯片的保护作用。

而逻辑物理地址对照表很大时，不可能整个存储在MRAM中；而逻辑物理地址对照表又是随时改变的。按现在通用的算法，每发生一次写操作，都会有相应的逻辑物理地址对照表更改。因此也不可能把它保存在NAND芯片中。

因而需要找到一种更好的固态硬盘，既能够具有较大的缓存容量，又能够安全地存储逻辑物理地址对照表，以保证固态硬盘的读写性能。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种DRAM与MRAM结合具有备份电源的固态硬盘，既能够具有较大的缓存容量，又能够安全地存储逻辑物理地址对照表，以保证固态硬盘的读写性能。

如果使用速度快并且断电后保持内容的MRAM取代DRAM，固然可以安全地进行写缓存以及存储逻辑物理地址对照表，但未来相当长一段时间内，MRAM仍然会比DRAM贵很多，容量会偏小，较小的缓存容量会限制固态硬盘的性能，特别是对于短时间内数据冲击的抵抗能力，也会弱化MRAM对NAND芯片的保护作用。

本发明在固态硬盘中，混合使用MRAM和DRAM，且使用具有备份电源，能够使用DRAM做写缓存提供较大的缓存容量，可以用很小的成本增加换取写缓存的最大化，使得固态硬盘的性能和寿命最优。

但是写缓存越大，发生断电时把它写回到NAND芯片中需要的时间就越长。同时可能需要写回的还有逻辑物理地址对照表的更新。因此需要优化布局，使得这些内容可以最快地写回去，这样在配备同样的备份电源的条件下，就能够使用DRAM中更大的写缓存。

把缓存的数据写回到NAND芯片的时间，在不同的情况下，是有很大的差别的。如果是在现有的数据上修改，可能需要把含有很多页的整个块读出来，至少整个块要擦除再重新写一遍。这个时间是非常长的。以现在市场上的某型NAND为例，一个块有512页，每页16KB的容量，擦除需要3ms，写一页需要1.6ms，整个块擦除再重写需要822ms，时间非常长。

把逻辑物理地址对照表的更新写回到NAND就属于这种情况。因为这个表格在NAND中存储已经不能使用逻辑地址了，一般只能存储在NAND中固定的物理地址，更新一般只能在原来的地址上更新。这样，任何一个逻辑物理地址对照表的小修改都需要822ms，这将需要相当大的超级电容。如果在同一个Plane中不同的块都需要修改，这样的修改只能顺序进行，时间还要成倍地增加。

而把普通的写缓存页写回到NAND芯片，则可以非常快。NAND管理软件会挑选一个已经擦除过的空闲页写入，写一页只需要1.6ms，只是逻辑物理地址对照表需要同步更新。更重要的是，很多的页可以平行地写入。还以同样型号的NAND芯片为例，一个1TB的硬盘可以由8个1Tb的芯片组成，每个芯片内部有8个硅片，每个硅片有2个Plane，一共8x8x2＝128个页(2MB)可以在略多于1.6ms完成写入。

所以，较优的策略是把逻辑物理地址的更新保存在MRAM中。这样能够使用更大的DRAM写缓存。

本发明提供一种DRAM与MRAM结合具有备份电源的固态硬盘，包括主机接口、主控芯片、DRAM、MRAM、一个或多个NAND芯片以及备份电源，主控芯片包括CPU；NAND芯片存储逻辑物理地址对照表，DRAM包括写缓存或读写缓存，***开机时将NAND芯片中的逻辑物理地址对照表加载到DRAM，MRAM包括更新表，更新表用于存储逻辑物理地址对照表的更新记录。

本发明提供的DRAM与MRAM结合具有备份电源的固态硬盘，能够使用DRAM做写缓存提供较大的缓存容量，可以用很小的成本增加换取写缓存的最大化，使得固态硬盘的性能和寿命最优

进一步地，更新表中的更新记录的数目大于或等于设定值，使用更新记录更新NAND芯片中的逻辑物理地址对照表，并删除更新记录。

进一步地，在发生断电时，利用备份电源，将写缓存或读写缓存中的缓存页写回到NAND芯片中已经擦除过的空闲页，每一次向NAND芯片写入一个NAND页时，更新表，如果存在NAND页对应的更新记录，对更新记录进行更新，否则向更新表中添加一条更新记录。写回已经擦除过的空闲页，写一页速度很快，大约只需要1.6ms，能够极大提高固态硬盘的性能。

进一步地，将写缓存或读写缓存中的缓存页平行地写回到NAND芯片中已经擦除过的空闲页。平行地写回到NAND芯片中，能够进一步提高固态硬盘的性能。

进一步地，每一次向NAND芯片写入一个NAND页时，检查更新表，如果存在NAND页对应的更新记录，对更新记录进行更新，否则向更新表中添加一条更新记录；CPU在读写操作时，使用DRAM中的逻辑物理地址对照表与更新表进行地址翻译。

进一步地，每一次向NAND芯片写入一个NAND页时，检查更新表，如果存在NAND页对应的更新记录，对更新记录进行更新，否则向更新表中添加一条更新记录；并更新DRAM中的逻辑物理地址对照表，CPU在读写操作时使用DRAM中的逻辑物理地址对照表进行地址翻译。

进一步地，***开机时将NAND芯片中的逻辑物理地址对照表加载到DRAM后，使用更新表中的更新记录更新DRAM中的逻辑物理地址对照表。

进一步地，MRAM通过DRAM接口与主控芯片连接，或者MRAM集成在主控芯片中。由于MRAM不像DRAM以及Flash那样与标准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，因而可以与主控芯片集成在一个芯片中，简化了固态硬盘的结构。

进一步地，MRAM还包括写缓存或读写缓存，进一步增大写缓存或读写缓存的容量。

与现有技术相比，本发明提供的DRAM与MRAM结合具有备份电源的固态硬盘，具有以下有益效果：

(1)能够使用DRAM做写缓存提供较大的缓存容量，可以用很小的成本增加换取写缓存的最大化，使得固态硬盘的性能和寿命最优；

(2)在发生断电时，利用备份电源，将写缓存或读写缓存中的缓存页写回到NAND芯片中已经擦除过的空闲页，写一页速度很快，能够极大提高固态硬盘的性能。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是现有技术中固态硬盘的结构示意图；

图2是本发明的一个实施例的DRAM与MRAM结合具有备份电源的固态硬盘的结构示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明的一个实施例的DRAM与MRAM结合具有备份电源的固态硬盘，包括主机接口、主控芯片、DRAM、MRAM、一个或多个NAND芯片以及备份电源，主控芯片包括CPU；NAND芯片存储逻辑物理地址对照表，DRAM包括写缓存或读写缓存，***开机时将NAND芯片中的逻辑物理地址对照表加载到DRAM，MRAM包括更新表，更新表用于存储逻辑物理地址对照表的更新记录。

本实施例中的DRAM与MRAM结合具有备份电源的固态硬盘，能够使用DRAM做写缓存提供较大的缓存容量，可以用很小的成本增加换取写缓存的最大化，使得固态硬盘的性能和寿命最优。

为了不使某些经常发生写操作的块提前损坏，需要进行写均衡处理。更新的物理地址正是由于写均衡而更新的。

更新表中的更新记录的数目大于或等于设定值，使用更新记录更新NAND芯片中的逻辑物理地址对照表，并删除更新记录。

更新表中需要随时预留一部分空间，这个预留空间容纳的记录数目大于等于写缓存中的缓存页的数目，保证发生断电时将写缓存或读写缓存中所有的缓存页写回NAND芯片时，所有的逻辑物理地址对照表的更新记录都能够保存到更新表中。

在发生断电时，利用备份电源，将写缓存或读写缓存中的缓存页写回到NAND芯片中已经擦除过的空闲页，每一次向NAND芯片写入一个NAND页时，检查更新表，如果存在NAND页对应的更新记录，对更新记录进行更新，否则向更新表中添加一条更新记录。由于NAND芯片擦除太慢，一般修改一内容时，也就是对NAND页进行写操作，并不是在原来的块区进行更新，而是把新的内容写到一个新的块区，旧块区标记为无效，等CPU空闲下来再擦除它，因此就需要更新逻辑物理地址对照表。写回已经擦除过的空闲页，写一页速度很快，大约只需要1.6ms，能够极大提高固态硬盘的性能。

将写缓存或读写缓存中的缓存页平行地写回到NAND芯片中已经擦除过的空闲页。平行地写回到NAND芯片中，能够进一步提高固态硬盘的性能。

每一次向NAND芯片写入一个NAND页时，检查更新表，如果存在NAND页对应的更新记录，对更新记录进行更新，否则向更新表中添加一条更新记录；CPU在读写操作时，使用DRAM中的逻辑物理地址对照表与更新表进行地址翻译。

具体地，CPU对一个NAND页进行写操作：

(1)首先按照NAND页的逻辑地址在更新表中获取更新的物理地址，如果更新表中存在NAND页对应的更新记录，从该更新记录获取更新的物理地址；如果更新表中不存在更新记录，从DRAM中的逻辑物理地址对照表中获取物理地址；

(2)根据获取的物理地址，对NAND页进行读写操作。

在每次添加一条更新记录时，检查更新表中是否存在NAND页对应的更新记录，如果已存在，用新的物理地址替换更新记录中的物理地址；如果不存在，向更新表中添加一条更新记录。

MRAM通过DRAM接口与主控芯片连接，或者MRAM集成在主控芯片中。由于MRAM不像DRAM以及Flash那样与标准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，因而可以与主控芯片集成在一个芯片中，简化了固态硬盘的结构。

MRAM还包括写缓存或读写缓存，进一步增大写缓存或读写缓存的容量。

在另一个实施例中，与上述实施例的区别在于：每一次向NAND芯片写入一个NAND页时，检查更新表，如果存在NAND页对应的更新记录，对更新记录进行更新，否则向更新表中添加一条更新记录，并更新DRAM中的逻辑物理地址对照表，CPU在读写操作时使用DRAM中的逻辑物理地址对照表进行地址翻译。

***开机时将NAND芯片中的逻辑物理地址对照表加载到DRAM后，使用更新表中的更新记录更新DRAM中的逻辑物理地址对照表。

本发明提供的DRAM与MRAM结合具有备份电源的固态硬盘，能够使用DRAM做写缓存提供较大的缓存容量，可以用很小的成本增加换取写缓存的最大化，使得固态硬盘的性能和寿命最优；在发生断电时，利用备份电源，将写缓存或读写缓存中的缓存页写回到NAND芯片中已经擦除过的空闲页，写一页速度很快，能够极大提高固态硬盘的性能。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种DRAM与MRAM结合具有备份电源的固态硬盘，包括主机接口、主控芯片、DRAM、MRAM、一个或多个NAND芯片以及备份电源，所述主控芯片包括CPU；所述NAND芯片存储逻辑物理地址对照表，所述DRAM包括写缓存或读写缓存，***开机时将所述NAND芯片中的逻辑物理地址对照表加载到所述DRAM，其特征在于，所述MRAM包括更新表，所述更新表用于存储逻辑物理地址对照表的更新记录。

2.如权利要求1所述的DRAM与MRAM结合具有备份电源的固态硬盘，其特征在于，所述更新表中的更新记录的数目大于或等于设定值，使用所述更新记录更新所述NAND芯片中的逻辑物理地址对照表，并删除所述更新记录。

3.如权利要求2所述的DRAM与MRAM结合具有备份电源的固态硬盘，其特征在于，在发生断电时，利用所述备份电源，将所述写缓存或所述读写缓存中的缓存页写回到NAND芯片中已经擦除过的空闲页，每一次向所述NAND芯片写入一个NAND页时，检查所述更新表，如果存在所述NAND页对应的更新记录，对所述更新记录进行更新，否则向所述更新表中添加一条更新记录。

4.如权利要求3所述的DRAM与MRAM结合具有备份电源的固态硬盘，其特征在于，将所述写缓存或所述读写缓存中的缓存页平行地写回到NAND芯片中已经擦除过的空闲页。

5.如权利要求1所述的DRAM与MRAM结合具有备份电源的固态硬盘，其特征在于，每一次向所述NAND芯片写入一个NAND页时，检查所述更新表，如果存在所述NAND页对应的更新记录，对所述更新记录进行更新，否则向所述更新表中添加一条更新记录；所述CPU在读写操作时，使用所述DRAM中的逻辑物理地址对照表与所述更新表进行地址翻译。

6.如权利要求1所述的DRAM与MRAM结合具有备份电源的固态硬盘，其特征在于，每一次向所述NAND芯片写入一个NAND页时，检查所述更新表，如果存在所述NAND页对应的更新记录，对所述更新记录进行更新，否则向所述更新表中添加一条更新记录；并更新所述DRAM中的逻辑物理地址对照表，所述CPU在读写操作时使用所述DRAM中的逻辑物理地址对照表进行地址翻译。

7.如权利要求6所述的DRAM与MRAM结合具有备份电源的固态硬盘，其特征在于，***开机时将所述NAND芯片中的逻辑物理地址对照表加载到所述DRAM后，使用所述更新表中的更新记录更新所述DRAM中的逻辑物理地址对照表。

8.如权利要求1所述的DRAM与MRAM结合具有备份电源的固态硬盘，其特征在于，所述MRAM通过DRAM接口与所述主控芯片连接，或者所述MRAM集成在所述主控芯片中。

9.如权利要求1所述的DRAM与MRAM结合具有备份电源的固态硬盘，其特征在于，所述MRAM还包括写缓存或读写缓存。