JP2009276853A - フラッシュメモリ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リードディスターブによるデータの破壊を効率よく回避することが可能なフラッシュメモリ装置を提供する。
【解決手段】記憶部は、フラッシュメモリ２から読み出された１ページ分のデータを一時的に記憶する第１のキャッシュ領域４１と、第１のキャッシュ領域のデータが転送される第２のキャッシュ領域４２とを有している。コントローラは、第１のキャッシュ領域４１に読み出されたデータと同一のアドレスのデータが読み出された場合、第１のキャッシュ領域のデータを第２のキャッシュ領域４２に転送し、第２のキャッシュ領域４２に記憶されたデータを読み出して出力する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、フラッシュメモリ装置、例えばＮＡＮＤ型フラッシュメモリを用いたＳＤ^ＴＭメモリカードなどの制御システムに関する。

例えばＳＤメモリカードなどに使用されるＮＡＮＤ型フラッシュメモリは、同じアドレスのデータを、非常に高い頻度で繰り返し読むと、そのアドレスに記憶されたデータが破壊されるという現象(リードディスターブ(Read Disturb)、以下ＲＤと称す)がある。

例えば、ＦＡＴ（File Allocation Table）システムの場合、ＦＡＴやディレクトリエントリなどの管理情報は、ホスト機器の特性によってはデータのアクセス時に、繰り返し読み出される可能性がある。

具体的には、あるファイルのクラスタのデータが読み出される毎に、そのクラスタに対応するＦＡＴが小さなデータサイズ単位（例えば５１２バイト）で頻繁に読み出される場合がある。例えば、クラスタサイズが１６ＫバイトであるＦＡＴ１６において、５１２バイトのＦＡＴ領域には２５６個のＦＡＴデータがあり、４Ｍバイト（２５６クラスタ）のファイルが連続したクラスタに割り当てられている場合において、１クラスタのデータを読み出す毎に対応するＦＡＴデータが読み出されるとすると、そのファイルが読み出される間に、５１２バイトのＦＡＴ領域のデータが２５６回読み出されることになる。このような読み出し動作をＮＡＮＤ型フラッシュメモリの同じページに対して実行した場合、そのページの読み出し回数が非常に多くなり、ＲＤの危険が増加する。すなわち、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリは、ページ単位にデータの書き込み、読み出しが行われるため、１ページ内に、５１２バイトのＦＡＴ領域のデータが記憶されている場合、同一ページが２５６回アクセスされることとなる。

また、ファイルエントリは、あるファイルに対するファイル名、そのファイルの開始クラスタアドレス、ファイルサイズなど格納している３２バイト単位のデータブロックである。このファイルエントリもファイルをアクセスする毎に同一のデータが繰り返し読み出される場合があり、このファイルエントリをＮＡＮＤ型フラッシュメモリの同じページから読み出す場合、そのページの読み出し回数が非常に多くなり、ＲＤの危険が増加する。

尚、ＲＤの防止ではないが、関連技術として、ハードディスクのファイル管理システムが知られている（例えば特許文献１参照）。
特開平１１−１３４２５５号公報

本発明は、リードディスターブによるデータの破壊を効率よく回避することが可能なフラッシュメモリ装置を提供しようとするものである。

本発明のフラッシュメモリ装置の態様は、フラッシュメモリと、前記フラッシュメモリから読み出された少なくとも１ページ分のデータを一時的に記憶する第１のキャッシュ領域と、前記第１のキャッシュ領域のデータが転送される第２のキャッシュ領域とを有する記憶部と、前記第１のキャッシュ領域に読み出されたデータと同一のアドレスのデータが読み出された場合、前記第１のキャッシュ領域のデータを前記第２のキャッシュ領域に転送し、第２のキャッシュ領域に記憶されたデータを読み出して出力するコントローラとを具備することを特徴とする。

本発明によれば、リードディスターブによるデータの破壊を効率よく回避することが可能なフラッシュメモリ装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態が適用されるフラッシュメモリ装置としての例えばＳＤメモリカードを示している。このＳＤメモリカード１は、ＮＡＮＤメモリ（ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ）２及びコントローラ３を有している。コントローラ３は、メモリインタフェース部４、ホストインタフェース部５、ＭＰＵ(Micro Processor Unit)６、ＣＰＲＭ（Content Protection for Recordable Media）回路７、ＲＯＭ（Read Only Memory）８、及びＲＡＭ（Random Access Memory）９を有している。

メモリインタフェース部４は、コントローラ３とＮＡＮＤメモリ２との間のインタフェース処理を行う。ホストインタフェース部５は、コントローラ３とホスト１０との間のインタフェース処理を行う。

ＲＯＭ８は、ＭＰＵ６により使用される制御プログラムなどを格納するメモリである。ＲＡＭ９は、ＭＰＵ６の作業エリアやキャッシュとして使用され、各種のテーブル等を記憶する揮発性メモリ、例えばＳＲＡＭ（スタティックＲＡＭ）である。

ＭＰＵ６は、メモリカード１全体の動作を司るものである。このＭＰＵ６は、例えばＳＤメモリカード１に電源が供給された場合、ＲＯＭ８に格納されているファームウェア(制御プログラム)に従って処理を開始する。すなわち、ＭＰＵ６は、処理に必要な各種テーブル（管理データ）をＲＡＭ９上に作成したり、ホスト１０からのライトコマンド、リードコマンド、消去コマンドを受けてＮＡＮＤメモリ２上の該当領域をアクセスしたり、ＮＡＮＤメモリ２をアクセスするにあたってホストからの論理アドレスと物理アドレスとを変換したり、データ転送処理を制御したりする。

本実施形態において、ＮＡＮＤメモリ２の１ページ（データの読み出し、書き込み単位）は、例えば４Ｋバイトであるとする。ＳＤカードの場合、データの読み出し、書き込みは５１２バイトを１ブロックとし、このブロック単位で行われる。すなわち、１つの読み出しコマンド、又は書き込みコマンドによって、５１２×ｎ（ｎは整数）バイト単位の読み出し、又は書き込みが、論理アドレス＝５１２×ｍ（ｍは整数）に対して行われる。

図２は、本実施形態に適用されるＳＤメモリカードのＦＡＴフォーマットの論理メモリマップを示している。ＳＤメモリカードの場合、ＳＤ規格によりカード容量毎のＦＡＴフォーマットパラメータが決められている。例えば１ＧＢの容量を有するカードの場合、図２に示すように、ＦＡＴ１とＦＡＴ２のアドレスが決まる。

パーティション領域２１は、パーティション情報などを含むパーティションテーブルを記憶する領域である。ブート領域２２は、ブート情報を記憶する領域である。ＦＡＴ１、ＦＡＴ２は、書き込むべきファイルがどのクラスタに分割して記憶されたかを管理するため、管理情報を記憶している。ＦＡＴ１、ＦＡＴ２には、同一のデータが記憶されており、一方のＦＡＴに欠陥が生じた場合、他方のＦＡＴを用いてデータの修復が可能とされている。ＦＡＴ１、ＦＡＴ２は、ファイルに割り当てられたクラスタの情報を記憶しており、記憶装置中のクラスタのリンクの関係を記憶している。ＦＡＴＡ、ＦＡＴＢに記憶された情報をトレースすることにより、元のファイルへと復元することができる。

ルートディレクトリ領域２３は、ルートディレクトリエントリの情報を記憶する。ルートディレクトリの下にサブディレクトリ２５を作成する場合、このサブディレクトリはユーザデータエリア２４に作成される。ルートディレクトリについてはアドレスが固定であるが、サブディレクトリのファイルエントリは任意の論理アドレスに設置可能とされている。

図３は、ＦＡＴとクラスタの関係を示している。ＦＡＴファイルシステムの場合、あるファイル本体がどのクラスタアドレスに記憶されているかはＦＡＴに書かれたクラスタアドレスによって示される。ＳＤ規格のＦＡＴの場合、１つのクラスタ３１は１６ＫＢであり、その１６ＫＢごとのクラスタアドレスが２バイト（１６ビット）毎のＦＡＴで示される。このため、例えば５１２バイトのＦＡＴには２５６個のＦＡＴ（１−１〜１−２５６）がある。

図４は、図１に示すＲＡＭ９に確保されるリードキャッシュ用の記憶領域を示している。この記憶領域は、それぞれ４ＫＢの容量を有するリードキャッシュ４１、４２、４３を有している。リードキャッシュ４１は、ＮＡＮＤメモリ２から読み出された１ページ分（４ＫＢ）のデータを一時的に記憶するキャッシュである。リードキャッシュ４２、４３は、それぞれ後述する条件に従って、リードキャッシュ４１に記憶されたデータを記憶するものであり、リードキャッシュ４２はＦＡＴデータを記憶するためのキャッシュ、リードキャッシュ４３はファイルエントリを記憶するためのキャッシュである。

リードキャッシュ４１、４２、４３に対応して、キャッシュアドレス記憶部４１ａ、４２ａ、４３ａが設けられている。これらキャッシュアドレス記憶部４１ａ、４２ａ、４３ａは、リードキャッシュ４１、４２、４３に記憶されているデータのアドレスを記憶している。

また、リードキャッシュ４１、４２、４３に対応して、フラグ記憶部４１ａ、４２ａ、４３ａが設けられている。これらフラグ記憶部４１ａ、４２ａ、４３ａは、それぞれリードキャッシュ４１、４２、４３にデータが記憶されているかどうかを示すデータを記憶するものであり、キャッシュに有効データがあるときデータ“１”が書き込まれ、キャッシュに有効データがないときデータ“０”が書き込まれる。

さらに、リードアドレスを一時的に記憶する記憶部４４が設けられている。

リードキャッシュ４１は、バッファメモリとしての機能を有し、ＮＡＮＤメモリ２から読み出された１ページ分のデータは先ずリードキャッシュ４１に記憶される。このデータに対応するアドレスはキャッシュアドレス記憶部４１ａに記憶され、フラグ記憶部４１ｂにデータ“１”が書き込まれる。リードキャッシュ４１に記憶されているデータは、ホストに読み出されたり、リードキャッシュ４２又は４３に転送されたりする。この動作は、例えば次のリードコマンドの内容に従って制御される。

（動作説明）
図５は、コントローラ３、具体的にはＭＰＵ６のデータ読み出し時の動作を示すフローチャートである。

データの読み出し時、ホスト１０は、リードコマンドを発行する。このリードコマンドは、リードアドレス及びデータ長を含んでいる。ＳＤメモリカード１のＭＰＵ６は、ホスト１０から発行されたリード（読み出し）コマンドを受けると、ＲＡＭ９内のリードキャッシュ４１、４２、４３のいずれかに有効なデータが記憶されているかどうかを判別する（Ｓ１１）。

具体的には、ＭＰＵ６は、リードキャッシュ４１に対応するフラグ記憶部４１ｂが有効なデータを記憶していることを示すデータ“１”が記憶されているかどうかを判別し、データ“１”が記憶されている場合、キャッシュアドレス記憶部４１ａに記憶されているアドレスとリードコマンドにより要求されているリードアドレスとを比較する。この結果、これらが不一致である場合、ＭＰＵ６は、リードキャッシュ４２に対応するフラグ記憶部４２ｂが有効なデータを記憶していることを示すデータ“１”が記憶されているかどうかを判別し、データ“１”が記憶されている場合、キャッシュアドレス記憶部４２ａに記憶されているアドレスとリードコマンドにより要求されているリードアドレスとを比較する。この結果、これらが不一致である場合、ＭＰＵ６は、リードキャッシュ４３に対応するフラグ記憶部４３ｂが有効なデータを記憶していることを示すデータ“１”が記憶されているかどうかを判別し、データ“１”が記憶されている場合、キャッシュアドレス記憶部４３ａに記憶されているアドレスとリードコマンドにより要求されているリードアドレスとを比較する。

この結果、これらが不一致である場合、ＭＰＵ６は、ＮＡＮＤメモリ２からコマンドにより指定されたアドレスのデータを読み出し、リードキャッシュ４１に一時的に記憶させる（Ｓ１２）。さらに、リードキャッシュ４１からデータが読み出されてホスト１０に転送される（Ｓ１３）。このとき、キャッシュアドレス記憶部４１ａ及びリードアドレス記憶部４４には、リードコマンドに含まれるアドレスが記憶される。

次いで、コマンドに含まれるデータ長が４ＫＢ以下（１ページ以下）であるかどうかが判別される（Ｓ１４）。すなわち、一度に読み出すデータが４ＫＢ以上かどうか判別される。この結果、データ長が４ＫＢ以上である場合、残りのデータが、引き続き、ＮＡＮＤメモリ２の次のページアドレスからデータが読み出され、上記と同様にしてホスト１０に出力される（Ｓ１５）。

一方、データ長が４ＫＢ以下である場合、リードアドレス（リード開始論理アドレス）がＦＡＴ領域内、すなわち、リードアドレスがＦＡＴ１、ＦＡＴ２内を示すかどうかが判別される（Ｓ１６）。この結果、ＦＡＴ領域内である場合、リードキャッシュ４１のデータがリードキャッシュ４２に転送され、キャッシュアドレス記憶部４１ａのアドレスがキャッシュアドレス記憶部４２ａに転送される（Ｓ１７）。

一方、リードアドレスがＦＡＴ領域ではない場合、リードアドレスがキャッシュアドレス記憶部４１ａに記憶されているアドレスと一致しているかどうかが判別される（Ｓ１８）。この結果、これらが一致している場合、リードキャッシュ４１のデータがリードキャッシュ４３に転送され、キャッシュアドレス記憶部４１ｂのアドレスがキャッシュアドレス記憶部４３ｂに転送される（Ｓ１９）。すなわち、今回の読み出し動作は、ファイルエントリに対するものと判別され、リードキャッシュ４１のデータがリードキャッシュ４３に転送される。

また、ステップＳ１８の判別の結果、リードアドレスがキャッシュアドレス記憶部４１ａに記憶されているアドレスと不一致である場合、リードアドレスがキャッシュアドレス記憶部４１ａに記憶される（Ｓ２０）。尚、この動作は、２回目以降のリード動作において実行される。

この後、ホスト１０により、次のリードコマンドが発行された場合、ステップＳ１１において、上記と同様にリードキャッシュ４１、４２、４３のいずれかに有効なデータが記憶されているかどうかが判別される（Ｓ１１）。この結果、有効なデータ記憶されている場合、その有効データが記憶されているリードキャッシュのキャッシュアドレス記憶部に記憶されているアドレスとリードコマンドのアドレスが比較され、これらが一致している場合、対応するリードキャッシュからデータが読み出され、ホスト１０に転送される（Ｓ２１）。

上記動作により、ＦＡＴ領域内、又はＦＡＴ領域外において、４ＫＢ以下のデータ読み出しが２回同じアドレスに対して実行されると、ＮＡＮＤメモリ２からデータが読み出されず、リードキャッシュ４２又は４３からデータが読み出される。

このため、例えば次のようなリードアクセスパターンがホスト１０から発生された場合、ＦＡＴ領域内のデータはＮＡＮＤメモリ２から読み出されず、リードキャッシュ４２から読み出される。

（１−１）ホスト１０のコマンドが、図３に示すＦＡＴ１−１（５１２Ｂ）の読み出しを指示する場合、リードキャッシュ４１、リードキャッシュ４２にＦＡＴ１−１、ＦＡＴ１−２、ＦＡＴ１−３…のデータが記憶される。

（１−２）ホスト１０のコマンドが、図３に示すクラスタ１（１６ＫＢ）の読み出しを指示する場合、リードキャッシュ４１にクラスタ１のデータが記憶される。このとき、リードキャッシュ４２にはＦＡＴ１−１、ＦＡＴ１−２、ＦＡＴ１−３…ＦＡＴ１−２５６のデータが保持されている。

（１−３）ホスト１０のコマンドが、図３に示すＦＡＴ１−２（５１２Ｂ）の読み出しを指示する場合、リードキャッシュ４２からＦＡＴ１−２が読み出される。

（１−４）ホスト１０のコマンドが、図３に示すクラスタ２（１６ＫＢ）の読み出しを指示する場合、ＮＡＮＤメモリ２から読み出されたクラスタ２のデータがリードキャッシュ４１に一時的に記憶され、リードキャッシュ４１からホスト１０にデータが転送される。

上記のように、ＦＡＴ領域の読み出しが行われる場合、ＮＡＮＤメモリ２から読み出された１ページ分のデータはリードキャッシュ４１に記憶され、さらに、リードキャッシュ４２に転送される。この後、再度、ＦＡＴ領域の読み出しが指示された場合、ＮＡＮＤメモリ２から読み出さず、リードキャッシュ４２から読み出される。したがって、ＮＡＮＤメモリ２のＦＡＴ領域のデータを連続して読み出すことを防止できるため、ＦＡＴ領域のＲＤを防止することができる。

また、ＦＡＴ領域以外で、４ＫＢ以下のデータがＮＡＮＤメモリ２から読み出される場合、そのデータを含む１ページ分のデータはリードキャッシュ４１に記憶され、さらに、リードキャッシュ４３に転送される。このため、例えば次のようなリードアクセスパターンがホスト１０から発生された場合、ファイルエントリのデータはＮＡＮＤメモリ２から読み出されず、リードキャッシュ４３から読み出される。

（２−１）ホスト１０のコマンドがファイルエントリ（５１２Ｂ）の読み出しを指示する。

（２−２）ホスト１０のコマンドがＦＡＴ，クラスタ１のデータ（１６ＫＢ）の読み出しを指示する場合、リードキャッシュ４１にクラスタ１から読み出された１ページのデータが記憶される。

（２−３）ホスト１０のコマンドが（２−１）と同じファイルエントリ（５１２Ｂ）の読み出しを指示する場合、４ＫＢ以下でＦＡＴ以外の読み出しが２回発生したため、リードキャッシュ４１に記憶されているファイルエントリのデータがリードキャッシュ４３に転送される。

（２−４）ホスト１０のコマンドがＦＡＴ、クラスタ２のデータ（１６ＫＢ）の読み出しを指示する場合、リードキャッシュ０にクラスタ２から読み出された１ページのデータが記憶される。

（２−５）ホスト１０のコマンドが（２−１）と同じファイルエントリ（５１２Ｂ）の読み出しを指示する場合、そのデータがリードキャッシュ４３から読み出される。

上記動作によれば、ＦＡＴ領域以外で、４ＫＢ以下のデータが連続して読み出される場合においても、２回目以降のデータはリードキャッシュ４３から読み出されるため、ＮＡＮＤメモリ２の読み出し回数を低減でき、ＲＤを防止することが可能である。

また、上記の構成及び処理のように、ホストからのアクセス特性に応じてリードキャッシュへの取り込み処理方法を変えることにより、多くのＲＡＭの容量を必要とせずに効率良くリードディスターブを防止することができる。

尚、あるリードキャッシュに記憶されているデータに対応するアドレスに対して、データの書き込みが発生した場合、そのリードキャッシュのデータは無効となる。すなわち、そのリードキャッシュが開放され、そのリードキャッシュのフラグ記憶部にデータ“０”が記憶される。

（変形例）
機能拡張として、下記のような専用コマンドを設けてもよい。

（強制リードキャッシュ付リードコマンド）
本実施形態において、通常のリードコマンドは、図３に示すフローチャートの動作となる。このため、特定の条件、すなわち、同じアドレスが連続してアクセスされ、データ長が４ＫＢ以下であるという条件が成立しない限り、リードキャッシュ４２、又はリードキャッシュ４３にはリードキャッシュ４１のデータが転送されない。

そこで、通常のリードコマンドとは別に、強制的にリードキャッシュ４１からリードキャッシュ４２又は４３にデータを転送する「強制転送付リードコマンド」を設ける。この「強制転送付リードコマンド」は、例えばリードコマンドの引数としてリードキャッシュを指定するビットが設けられている。このリードコマンドが発行されると、無条件にリードキャッシュ４１のデータが指定されたリードキャッシュ４２又は４３に転送される。この「強制転送付リードコマンド」は、例えばホストがＦＡＴやファイルエントリの特定データを繰り返し読み出す必要がある場合などに使用できる。

（強制転送なしリードコマンド）
通常のリードコマンドは、図３に示すフローチャートの動作となる。このため、上記特定の条件が成立すると、必ずリードキャッシュ４１のデータがリードキャッシュ４２、又はリードキャッシュ４３に転送される。

そこで、通常のリードコマンドとは別に「強制転送なしリードコマンド」を設ける。この「強制転送なしリードコマンド」は、リードコマンドの引数として強制転送なしを示すビットが設けられている。この「強制転送なしリードコマンド」が発行されると、リードキャッシュ４１のデータは、上記特定の条件が成立した場合においてもリードキャッシュ４２、又は４３に転送されない。この「強制転送なしリードコマンド」は、例えばホストがすでにキャッシュされているＦＡＴやファイルエントリのデータをリードキャッシュ４１から外したくない場合などに使用される。

（リードキャッシュ解放コマンド）
「リードキャッシュ解放コマンド」は、全てのリードキャッシュ４１，４２，４３のデータを無効とするものである。このコマンドが発行されると、すべてのリードキャッシュが無効とされ、フラグ記憶部４１ｂ、４２ｂ、４３ｂのデータが“０”に設定される。

尚、上記実施形態は、ＳＤカードに適用した場合を示した。しかし、これに限定されるものではなく、ＳＤカードと同様のバスインタフェースを有する他の半導体メモリカードや半導体メモリ装置に適用することも可能である。

また、実施形態において、リードキャッシュ４１，４２，４３は、揮発性のＲＡＭ、例えばＳＲＡＭにより構成する例を示した。しかし、これに限定されるものではなく、例えば不揮発性のＦｅＲＡＭ（強誘電体メモリ）等を使用することも可能である。この場合、装置の電源がオフされた場合においてもリードキャッシュのデータが保持されるため、電源がオンされた直後に、電源がオフされる前にキャッシュされていたデータに対するリードが発生した場合、ＮＡＮＤメモリ２から読み出すことなくＦｅＲＡＭから読み出すことができる。したがって、ＲＤを防止することができるとともに、読み出し速度を高速化することができる。

さらに、各リードキャッシュの容量は、ＮＡＮＤメモリ２の１ページ分の容量とした。しかし、ＲＡＭの多くの容量を使える場合、各リードキャッシュの容量を例えば２ページ分ずつとしても良い。

その他、本発明の要旨を変えない範囲において、種々変形実施可能なことは勿論である。

本実施形態が適用されるフラッシュメモリ装置としてのＳＤメモリカードの一例を示す構成図。 図１に示すＳＤメモリカードの論理メモリマップを示す図。 ＦＡＴとクラスタの関係を示す図。 本実施形態のリードキャッシュを示す図。 本実施形態の動作を示すフローチャート。

符号の説明

１…ＳＤメモリカード、２…ＮＡＮＤメモリ、３…コントローラ、６…ＭＰＵ、９…ＲＡＭ、４１、４２、４３…リードキャッシュ。

Claims (5)

1. フラッシュメモリと、
   前記フラッシュメモリから読み出された少なくとも１ページ分のデータを一時的に記憶する第１のキャッシュ領域と、前記第１のキャッシュ領域のデータが転送される第２のキャッシュ領域とを有する記憶部と、
   前記第１のキャッシュ領域に読み出されたデータと同一のアドレスのデータが読み出された場合、前記第１のキャッシュ領域のデータを前記第２のキャッシュ領域に転送し、第２のキャッシュ領域に記憶されたデータを読み出して出力するコントローラと
   を具備することを特徴とするフラッシュメモリ装置。
2. 前記データは、ファイル管理データであることを特徴とする請求項１記載のフラッシュメモリ装置。
3. 前記第２のキャッシュ領域は、一時記憶するための条件が互いに異なることを特徴とする請求項１記載のフラッシュメモリ装置。
4. 前記第２のキャッシュ領域にデータを一時記憶するための条件は、ホストから供給される１つの読み出しコマンドにより読み出されるデータ長を含むことを特徴とする請求項３記載のフラッシュメモリ装置。
5. 前記第２のキャッシュ領域にデータを一時記憶するための条件は、ホストから供給される１つの読み出しコマンドにより読み出されるデータの論理アドレスを含むことを特徴とする請求項３記載のフラッシュメモリ装置。

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