專利名稱：一種閃存裝置的臟塊回收方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體存儲領(lǐng)域，尤其涉及一種閃存裝置的臟塊回收方法。
背景技術(shù)：
閃速存儲器(Flash Memory)具有高密度和良好的存取速度等優(yōu)點，是嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的存儲設(shè)備，屬于EEPROM(電擦除可編程只讀存儲器)類型。常用的閃存介質(zhì)有nand flash和nor flash兩種，他們都將存儲空間劃分為特定大小的擦除塊，如16KB、64KB等。它們在讀取方面與普通的SRAM存儲器類似，一般可以實現(xiàn)完全隨機的讀取，最大的不同在于寫操作方面。Flash存儲器的寫操作需要經(jīng)過“擦除——寫入”兩個操作過程。如果希望對某一個單元進行寫入時，首先必須對這個存儲單元所在的扇區(qū)(Sector)或塊(Block)執(zhí)行擦除操作，執(zhí)行擦除操作時一次性將一個擦除塊的位全部置為“1”，擦除操作成功完成后，整個扇區(qū)或塊的數(shù)據(jù)內(nèi)容都被清空，將被擦除的塊稱為臟塊，擦除操作過程稱為回收。然后對目的單元所在的扇區(qū)或塊執(zhí)行寫入操作，執(zhí)行寫操作時可以將單個位的“1”寫為“0”，但不可以將“0”寫成“1”。所以通常的寫閃存動作要先擦除整個擦除塊原來的內(nèi)容，再寫入新的數(shù)據(jù)。
一般flash都提供了扇區(qū)擦除(Sector-Erase)、塊擦除(Block-Erase)和芯片擦除(Chip-Erase)三種擦除方式。Chip-Erase是把整個Flash擦除，內(nèi)容設(shè)置為1；Block-Erase和Sector-Erase分別以塊和扇區(qū)為單位刪除flash。flash的擦除次數(shù)是有限的，通常上限為每個塊可擦除100,000～1,000,000次。當(dāng)一個塊或扇區(qū)提前達到擦除次數(shù)的上限時將導(dǎo)致整個flash無法使用。為了避免任意一個塊在其它塊之前達到這個極限，文件系統(tǒng)或FMM(Flash Media manager，即閃存存儲管理，其作用主要是針對Flash自身的物理特性，利用一些特定的算法來提高Flash的使用效率，加快操作速度和管理Flash各單元的使用頻率)必須保證擦除次數(shù)在各擦除塊之間盡可能均勻分布，這一過程稱為“均衡磨損(WearLeveling)”。
現(xiàn)在，人們都采取搬塊的方法，即先將原塊中的有效內(nèi)容搬到另一個塊，然后再將原塊擦除。其中，在向新塊搬遷和寫入數(shù)據(jù)的時候，都要通過加標(biāo)注信息，以做到掉電保護和恢復(fù)數(shù)據(jù)。但是，到底該選擇哪一個塊進行回收，不同廠家有不同的策略，但都只偏重某一方面，要么盡可能減少塊的擦除次數(shù)，要么做到均勻擦除，以使所有物理塊的壽命均衡。這樣導(dǎo)致閃存設(shè)備的整體利用效率不高。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的就是為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供一種閃存裝置的臟塊回收方法，既能盡可能減少塊的擦除次數(shù)，又能做到均勻擦除，以使所有物理塊的壽命均衡。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了一種閃存裝置的臟塊回收方法，包括寫扇區(qū)時進行的強制回收步驟和刪除扇區(qū)后進行的條件回收步驟。
本發(fā)明的進一步改進是所述強制回收步驟包括以下步驟A1、閃存裝置接收寫操作指令；B1、閃存裝置中的閃存存儲管理模塊查找可寫入的空閑扇區(qū)；C1、如果沒有足夠的空閑扇區(qū)，則閃存存儲管理模塊查找出臟扇區(qū)最多的塊進行回收。
所述條件回收步驟包括以下步驟A2、閃存裝置接收刪除指令，閃存存儲管理模塊對指定扇區(qū)進行刪除；B2、閃存存儲管理模塊隨機產(chǎn)生一0～99內(nèi)的隨機數(shù)；C2、將該隨機數(shù)與預(yù)先設(shè)定的概率分界點進行比較，如果該隨機數(shù)大于或等于概率分界點，則執(zhí)行步驟E2，如果該隨機數(shù)小于概率分界點，則執(zhí)行步驟D2，其中概率分界點的取值范圍為1～100；D2、將各塊的臟扇區(qū)數(shù)與預(yù)先設(shè)定的臟扇區(qū)閾值進行比較，對于臟扇區(qū)數(shù)大于臟扇區(qū)閾值的塊執(zhí)行步驟F2，其中臟扇區(qū)閾值為小于每個塊所包含的扇區(qū)數(shù)的正整數(shù)；E2、閃存存儲管理模塊查找出擦除次數(shù)最少的塊并執(zhí)行步驟F2；F2、對該塊進行回收。
在步驟A2之后還包括將該被刪除扇區(qū)加上“臟”標(biāo)記的步驟。
優(yōu)選的，所述概率分界點是97。
在步驟D2或E2之后、步驟F2之前還包括返回該塊的塊號的步驟。
在步驟F2之后還包括將該塊的擦除次數(shù)加1的步驟。
本發(fā)明既能夠盡可能減少塊的擦除次數(shù)，又能做到均勻擦除，以使所有物理塊的壽命均衡，從而延長了閃存裝置的使用壽命，理由如下首先，本方案采用兩種回收模式確定待回收的塊，強制回收下找臟扇區(qū)最多的塊進行回收。條件回收下，又細(xì)分了兩種情況，即在絕大部分概率下對臟扇區(qū)數(shù)達到臟扇區(qū)閾值的塊進行回收，這考慮了盡可能少的塊擦除次數(shù)；而在很小機會下回收擦除次數(shù)最小的塊，這考慮了均勻磨損。
其次，以上兩種回收模式又在不同的情況下使用。強制回收是在寫扇區(qū)過程中無空閑扇區(qū)可用情況下采用的，而在刪除扇區(qū)后才采用條件回收進行臟塊回收。
最后，在條件回收模式下的概率分界點和臟扇區(qū)閾值，是經(jīng)過大量實驗得到的，都能代表閃存裝置正常使用情況，準(zhǔn)確、可靠。
本發(fā)明的特征及優(yōu)點將通過實施例結(jié)合附圖進行詳細(xì)說明。

圖1是閃存裝置的組成示意圖；圖2是閃存裝置存儲塊和扇區(qū)的組織結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的條件回收流程圖；圖4是本發(fā)明的強制回收流程圖。
具體實施方式閃存裝置包括MCU(微控制器)、存儲陣列、底層驅(qū)動模塊、閃存存儲管理模塊和文件系統(tǒng)，如圖1所示，文件系統(tǒng)接收外部(例如外部應(yīng)用程序)的讀、寫、擦除請求，通過閃存存儲管理模塊、底層驅(qū)動模塊到達存儲陣列，MCU根據(jù)底層驅(qū)動模塊的設(shè)定輸出信號對存儲陣列執(zhí)行讀、寫、擦除操作。閃存存儲管理模塊負(fù)責(zé)完成各塊之間的擦寫次數(shù)均衡和壞塊管理等工作，它通過底層驅(qū)動模塊對存儲陣列執(zhí)行各種操作。存儲陣列包括多個塊，每個塊由多個扇區(qū)構(gòu)成，有時也被稱為“頁”，每個扇區(qū)分為存儲區(qū)和冗余區(qū)，如圖2所示。每個塊中有一個特定區(qū)域存儲該塊的擦除次數(shù)、各扇區(qū)的狀態(tài)和各扇區(qū)的邏輯號等信息，例如各扇區(qū)是否被刪除而加上“臟”標(biāo)記、是否被標(biāo)記為空閑扇區(qū)等。
為了盡可能減少塊的擦除次數(shù)，又能做到均勻擦除，本實施例通過兩種回收方式來對塊進行回收，即強制回收和條件回收。強制回收用于寫操作時，當(dāng)沒有足夠的空閑扇區(qū)寫入數(shù)據(jù)的時候，閃存存儲管理模塊控制底層驅(qū)動模塊對存儲陣列中臟扇區(qū)數(shù)最多的塊執(zhí)行擦除。條件回收用于在執(zhí)行扇區(qū)刪除后，閃存存儲管理模塊根據(jù)設(shè)定的條件控制底層驅(qū)動模塊對存儲陣列中符合條件的塊執(zhí)行擦除。
其中，條件回收的具體流程如圖3所示在步驟201，閃存存儲管理模塊接收外部的刪除指定扇區(qū)的信號，對指定的扇區(qū)進行刪除，并對該扇區(qū)加上“臟”標(biāo)記，表示該扇區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)無效，具備了回收的必要條件；然后執(zhí)行步驟202；在步驟202，閃存存儲管理模塊隨機產(chǎn)生一正的數(shù)值，將該數(shù)值用100去除，取其余數(shù)，則該余數(shù)是位于0～99內(nèi)的一個隨機數(shù)，然后執(zhí)行步驟203；在步驟203，閃存存儲管理模塊判斷該隨機數(shù)是否小于預(yù)先設(shè)定的概率分界點，概率分界點一般為大于50的值，如果該隨機數(shù)小于概率分界點，則執(zhí)行步驟204；如果該隨機數(shù)大于或等于概率分界點，則執(zhí)行步驟205；在步驟205，閃存存儲管理模塊讀取各塊中的擦除次數(shù)，將所有塊的擦除次數(shù)進行比較，查找出擦除次數(shù)最少的塊，將這個塊作為待回收的臟塊，然后執(zhí)行步驟207；在步驟204，閃存存儲管理模塊讀取各塊中的扇區(qū)是否有“臟”標(biāo)記，統(tǒng)計各塊中帶有“臟”標(biāo)記的扇區(qū)數(shù)量，然后執(zhí)行步驟206；在步驟206，判斷每個塊中的臟扇區(qū)數(shù)量是否大于或等于臟扇區(qū)閾值，如果臟扇區(qū)數(shù)量大于或等于臟扇區(qū)閾值，則將這個或這些塊作為待回收的臟塊，然后執(zhí)行步驟207；如果臟扇區(qū)數(shù)量小于臟扇區(qū)閾值，則執(zhí)行步驟210；在步驟207，返回待回收臟塊的塊號，然后執(zhí)行步驟208；在步驟208，閃存存儲管理模塊將與返回的塊號相對應(yīng)的塊的位全部置為“1”，對該塊執(zhí)行回收，然后執(zhí)行步驟209；在步驟209，閃存存儲管理模塊將執(zhí)行回收的塊的擦除次數(shù)加1，并保存在該塊的特定區(qū)域，然后執(zhí)行步驟210；在步驟210，結(jié)束條件回收操作。
上述步驟中的概率分界點和臟扇區(qū)閾值都是實驗結(jié)論值，再結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計分析方法和Flash實際運行效果確定，可通過以下方法取得兩個變化參數(shù)中首先暫定一個，比如先將概率分界點設(shè)為97，讓文件系統(tǒng)在不同的臟扇區(qū)閾值下(假定1Block＝128Sectors，那么臟扇區(qū)閾值可取127、126、125、124等等)運行一段時間，打印每個塊的擦除次數(shù)，并統(tǒng)計最大擦除次數(shù)、最小擦除次數(shù)、平均擦除次數(shù)。如此反復(fù)，在平均擦除次數(shù)較小，并且最大擦除次數(shù)、最小擦除次數(shù)與平均擦除次數(shù)比較接近的情況下，確定臟扇區(qū)閾值。然后，改變概率分界點(可取99、98、97、96等等)，重復(fù)上面的操作。最終得到一個實驗最佳值。
上面得到的實驗最佳值還可用數(shù)學(xué)方法進行分析驗證。用上面的大量測量值構(gòu)造一個二元隨機函數(shù)，以概率分界點和臟扇區(qū)閾值為兩變量，以平均擦除次數(shù)為函數(shù)值。利用數(shù)據(jù)分析軟件，如SPSS或SAS，得到理論最佳值，使得平均擦除次數(shù)最小。然后，比較理論最佳值與實驗最佳值，看兩者的偏差大小。
概率分界點和臟扇區(qū)閾值確定后可輸入到閃存存儲管理模塊中。
下面舉例對概率分界點和臟扇區(qū)閾值的應(yīng)用進行說明經(jīng)過實驗，先設(shè)定概率分界點為97。1個塊(block)是64KB，1個扇區(qū)(sector)按512字節(jié)計算的話，該塊一共有128個扇區(qū)。在此，設(shè)定臟扇區(qū)閾值為120，也就是說，只要一個block中臟扇區(qū)數(shù)等于或大于120，則說明該塊達到了條件回收的條件。隨機生成一個數(shù)，用100去模，則得到0～99內(nèi)的數(shù)。若模后的數(shù)小于97，也即在97％的概率下，尋找塊內(nèi)臟扇區(qū)數(shù)等于或大于120的塊，找到后返回塊號進行回收，若沒找到，不做處理。反之，若模后的數(shù)大于或等于97，也即在3％的概率下，尋找擦除次數(shù)最小的塊，找到后返回塊號進行回收?；厥找淮卧搲K，將該塊的擦除次數(shù)加1，此值保存在塊的特定位置。
強制回收的具體流程如圖4所示在步驟301，閃存存儲管理模塊接收外部的寫操作指令，然后執(zhí)行步驟302；在步驟302，閃存存儲管理模塊讀取各個扇區(qū)的狀態(tài)，查找出空閑的扇區(qū)，然后執(zhí)行步驟303；在步驟303，閃存存儲管理模塊判斷是否有足夠的空閑扇區(qū)供寫入，如果有則執(zhí)行步驟308，如果找遍整個存儲陣列都沒有足夠的空閑扇區(qū)供寫入，則執(zhí)行步驟304；在步驟304，閃存存儲管理模塊閃存存儲管理模塊讀取各塊中的扇區(qū)是否有“臟”標(biāo)記，統(tǒng)計各塊中帶有“臟”標(biāo)記的扇區(qū)數(shù)量，查找出臟扇區(qū)最多的塊，將該塊作為待回收的臟塊，然后執(zhí)行步驟305；在步驟305，返回待回收臟塊的塊號，然后執(zhí)行步驟306；在步驟306，閃存存儲管理模塊將與返回的塊號相對應(yīng)的塊的位全部置為“1”，對這個塊執(zhí)行回收，然后執(zhí)行步驟307；在步驟307，閃存存儲管理模塊將執(zhí)行回收的塊的擦除次數(shù)加1，并保存在該塊的特定區(qū)域，然后執(zhí)行步驟308；在步驟308，結(jié)束條件回收操作。
在對塊進行回收后，在回收的可用塊內(nèi)寫入數(shù)據(jù)，同時進行邏輯地址到物理地址對應(yīng)表的修改。在回收臟塊和寫數(shù)據(jù)的過程中，為防止意外掉電，都通過加標(biāo)記的方法，進行掉電后的數(shù)據(jù)恢復(fù)。
權(quán)利要求
1.一種閃存裝置的臟塊回收方法，其特征在于包括寫扇區(qū)時進行的強制回收步驟和刪除扇區(qū)后進行的條件回收步驟。
2.如權(quán)利要求1所述的閃存裝置的臟塊回收方法，其特征在于所述強制回收步驟包括以下步驟A1、閃存裝置接收寫操作指令；B1、閃存裝置中的閃存存儲管理模塊查找可寫入的空閑扇區(qū)；C1、如果沒有足夠的空閑扇區(qū)，則閃存存儲管理模塊查找出臟扇區(qū)最多的塊進行回收。
3.如權(quán)利要求2所述的閃存裝置的臟塊回收方法，其特征在于所述條件回收步驟包括以下步驟A2、閃存裝置接收刪除指令，閃存存儲管理模塊對指定扇區(qū)進行刪除；B2、閃存存儲管理模塊隨機產(chǎn)生一0～99內(nèi)的隨機數(shù)；C2、將該隨機數(shù)與預(yù)先設(shè)定的概率分界點進行比較，如果該隨機數(shù)大于或等于概率分界點，則執(zhí)行步驟E2，如果該隨機數(shù)小于概率分界點，則執(zhí)行步驟D2，其中概率分界點的取值范圍為1～100；D2、將各塊的臟扇區(qū)數(shù)與預(yù)先設(shè)定的臟扇區(qū)閾值進行比較，對于臟扇區(qū)數(shù)大于臟扇區(qū)閾值的塊執(zhí)行步驟F2，其中臟扇區(qū)閾值為小于每個塊所包含的扇區(qū)數(shù)的正整數(shù)；E2、閃存存儲管理模塊查找出擦除次數(shù)最少的塊并執(zhí)行步驟F2；F2、對該塊進行回收。
4.如權(quán)利要求3所述的閃存裝置的臟塊回收方法，其特征在于在步驟A2之后還包括將該被刪除扇區(qū)加上“臟”標(biāo)記的步驟。
5.如權(quán)利要求3所述的閃存裝置的臟塊回收方法，其特征在于所述隨機數(shù)的產(chǎn)生方法是生成一任意正整數(shù)，然后用100去除，取其余數(shù)作為隨機數(shù)。
6.如權(quán)利要求3所述的閃存裝置的臟塊回收方法，其特征在于所述概率分界點是97。
7.如權(quán)利要求3至6中任一項所述的閃存裝置的臟塊回收方法，其特征在于在步驟D2或E2之后、步驟F2之前還包括返回該塊的塊號的步驟。
8.如權(quán)利要求7所述的閃存裝置的臟塊回收方法，其特征在于在步驟F2之后還包括將該塊的擦除次數(shù)加1的步驟。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種閃存裝置的臟塊回收方法，包括寫扇區(qū)時進行的強制回收步驟和刪除扇區(qū)后進行的條件回收步驟，其中強制回收是回收臟扇區(qū)最多的塊，條件回收又分為回收臟扇區(qū)數(shù)達到臟扇區(qū)閾值的塊和擦除次數(shù)最小的塊。利用本發(fā)明既能夠盡可能減少塊的擦除次數(shù)，又能做到均勻擦除，以使所有物理塊的壽命均衡。
文檔編號G11C16/14GK1815629SQ20051010185
公開日2006年8月9日 申請日期2005年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月25日
發(fā)明者張建文 申請人:康佳集團股份有限公司