改进闪存存取效率的存储系统与方法.pdf

一种改进闪存存取效率的存储系统以及方法。本发明提供一高速缓存单元，用来暂存要写入闪存的数据或是暂存自闪存读取的数据。在读取过程中，第一次自闪存读取的数据会暂存在高速缓存单元里，所以第二次读取同一笔数据时，就不再需要自闪存读取数据，因而大幅缩短自闪存读取数据的准备时间。在写入过程中，因为写入的小型档案数据会先存入高速缓存单元的高速缓存暂存区，待高速缓存单元存满数据后才会一次写入闪存，这样可降低写入闪存的准备时间。

1.  一种改进一闪存存取效率的方法，该闪存包含若干个区块，每一区块包含若干个页，其特征在于：该方法包含：
提供一高速缓存单元，其包含若干个高速缓存暂存区；
当接收一第一写入请求以将该第一写入请求的一第一写入数据写入该闪存时，将该第一写入数据存储于该等高速缓存暂存区的一高速缓存暂存区；以及
当该等高速缓存暂存区的资料全满时，将该高速缓存暂存区的资料写入该闪存。

2.  根据权利要求1所述的改进一闪存存取效率的方法，其特征在于：该方法还包含：
当该第一写入数据的数据量大于每一高速缓存暂存区的数据容量且全部的该第一写入资料未暂存于该等高速缓存暂存区时，将该第一写入资料写入该闪存。

3.  根据权利要求1所述的改进一闪存存取效率的方法，其特征在于：该方法还包含：
当该高速缓存单元闲置时间超过一预定时间时，将该高速缓存单元的资料写入该闪存。

改进闪存存取效率的存储系统与方法
本申请是2007年12月14日申请的名称为“改进闪存存取效率的存储系统与方法”的第200710160973.1号专利申请的分案申请。
技术领域
本发明有关于一种存取闪存的存储系统及其方法，更具体来说，是关于一种改进闪存存取效率的存储系统及其方法。
背景技术
闪存(Flash Memory)为一非挥发性(non-volatile)的内存，在电源关闭时仍可保存先前写入的资料。与其它存储媒体(如硬盘、软盘或磁带等)比较，闪存有体积小、重量轻、防震动、存取时无机械动作延迟与低耗电等特性。由于闪存的这些特性，因此近年来消费性电子产品、嵌入式系统或可携式计算机等资料存储媒体皆大量采用。
闪存主要可分兩种：NOR型闪存与NAND型闪存。NOR型闪存的优点为低电压、存取快且稳定性高，因此已被大量应用于可携式电子装置及电子通讯装置，诸如个人计算机(Personal Computer，PC)、行动电话、个人数字助理(Personal Digital Assistance，PDA)以及转频器(Set-top Box，STB)等。NAND型闪存是专门为资料存储用途而设计的闪存，通常应用于存储并保存大量的资料的存储媒介，如可携式记忆卡(SD Memory Card，Compact Flash Card，Memory Stick等等)。当闪存在执行写入(Write)、抹除(Erase)及读取(Read)运作时，可透过内部的电容耦合(Coupling)有效地控制漂浮闸(Floating Gate)上电荷的移动，进而使得该漂浮闸可根据该电荷的移动而决定下层晶体管的阀值电压。换言之，当负电子注入该漂浮闸时，该漂浮闸的存储状态便会从1变成0；而当负电子从该漂浮闸移走后，该漂浮闸的存储状态便会从0变成1。
请参阅图1，图1是应用现有技术的NAND闪存的示意图。NAND闪存100内部由若干个区块(block)12所组成。每一区块12包含若干个页(page)14，每一页14则可分为资料存储区141以及备用区(spare area)142，资料存储区141的数据容量可为512个字节，用来存储使用数据，备用区142用来存储错误修正码(Error Correction Code，ECC)。与NOR型闪存不同，NAND型闪存的读取与写入单位皆为一个页，资料读写的动作必须先向芯片发出读取或写入指令后才可进行。
然而，闪存本身无法原地直接更新资料(update-in-place)，也就是说，若要对已写过资料位置再次写入资料时，必须先执行抹除的动作。而且NAND闪存写入单位为页，而抹除单位为区块。所以当向芯片发出写入请求时，必须先抹除一整个区块12，才能把资料写入至该区块12的页14。而且一般来说一个区块12抹除动作需要的时间约为一个页14写入动作时间的10～20倍。如果当一个抹除的单位大于写入的单位，这表示若要执行区块抹除动作，必须先将欲抹除区块中的有效页搬移至其它区块后才可进行。
再者，闪存的抹除次数(limited erase counts)有限制。这是因为当闪存在执行写入或读取运作时，由于现实中的电容皆具有漏电的现象，因此当闪存重复写入或读取超过十万次之后，就会导致该电容所存储的电位差不足以使得漂浮闸所存储的电荷不足，进而造成该闪存所存储的数据遗失，严重者更可能会使该闪存开始衰减且无法执行读取的运作。也就是说，若某一区块经常被抹除而超过可用次數的话，会造成此区块写入/抹除动作错误。
由于上述闪存的特性，因此一能有效管理闪存的管理系统是非常需要的。传统上，目前闪存作为存储媒体所设计的档案系统架构有如Microsoft FFS、JFFS2与YAFFS等档案系统。这些档案系统较有效率，但只能使用在管理以闪存建构的存储媒体上。另一种作法则是采用一FTL(Flash Translation Layer)中间层，将闪存仿真为区块装置，如硬盘机一般。因此在FTL的上层就可使用一般的档案系统，如FAT32或EXT3等等，对下层发出区段(sector)读写请求，经由FTL來存取闪存内容。FTL包含一个逻辑-实体地址对照表，用以存储逻辑地址与实体地址的对应信息，对应信息存储的格式为逻辑地址(闪存区块地址-页于区块之位置)。请参阅图2，图2是存储逻辑地址与实体地址的一范例。假设每一区块有n页的数据。当上层档案系统要求读取逻辑地址1的资料，通过逻辑-实体地址对照表16得知逻辑地址1对应得实体地址为(区块0-页1)，所以系统会取得实体地址(区块0-页1)内的资料并传回。若上层档案系统要求更新逻辑地址3的内容，由于不允许直接再次写入，所以系统先将实体地址(区块0-页0)至(区块0-页2)写入(区块2-页0)至(区块2-页2)，再将更新资料写入至(区块2-页3)，并将实体地址(区块0-页4)到(区块0-页n-1)写入(区块2-页4)到(区块2-页n-1)，然后将实体地址(区块0)的资料标示为无效，最后将地址对照表16中逻辑地址3的对应信息由(B0-P3)改为(B2-P3)，如此下一次要存取逻辑地址3的资料，就会对应至实体地址(区块2-页3)存取资料。如此一来，闪存“写前抹除″特性造成的问题可因此获得解决。
使用FTL管理闪存可以将处理的问题集中在闪存的特性上，而不用考虑处理档案系统中如档案、目录等问题，并且可以视应用所需选择FTL上层的档案系统，但由于所有动作必须通过FTL层，所以需要较长的处理时间与较多内存耗费。举例来说，若上层的档案系统要写入10个2K字节的连续数据，假设这些数据全部位于同一个区块内，若这10笔数据分开10次写入，整个区块将会被复制十次，显然浪费许多复制时间。
另外，若要从一主机端读取闪存内一笔2K字节的数据，则读取命令会由主机传达到闪存，接着闪存会将所要读取的数据自各个区块中找出，而后将全部找到的数据传输回主机端，当数据传输完成后，闪存传回一状态讯息回主机端而完成整个数据读取的流程。在整个读取过程内，主机传达读取命令到闪存、以及从闪存传状态讯息回主机端的准备时间都是因FTL层的设计而产生的额外时间。虽然数据传输时间会随着数据量的增加而增加，但是整个准备时间总和并不会因数据量的增加而增加。如果要读取连续20K字节大小的数据，若是分成10个命令读取闪存而每一个命令只读取2K字节的数据，则每次读取一笔数据就会对应到一个读取命令，因此造成时间的浪费。若将20K字节大小的数据一次读取完毕，则可缩短数据读取时间。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种改进闪存存储装置存取效率的存储系统及其方法，将连续读取或写入的若干笔数据先暂存至一高速缓存暂存区，再一并传送出去，以节省数据传输的时间。
本发明的目的之一是提供一种改进闪存存取效率的存储系统，其包含一闪存、一高速缓存单元以及一控制单元。该闪存包含若干个区块(block)，每一区块包含若干个页(page)，用来存储数据。该高速缓存单元包含若干个高速缓存暂存区，该高速缓存单元用来暂存该闪存的数据。该控制单元用来于接收一第一读取请求以读取该闪存的一第一数据且该第一数据存储于该等高速缓存暂存区之中时，自该等高速缓存暂存区读取该第一数据，以及用来于接收一第二读取请求以读取该闪存所存储的一第二数据且该第二数据未存储于该等高速缓存暂存区之中时，将存储该第二数据之区块的数据暂存至该高速缓存单元的该等高速缓存暂存区之中。
根据本发明，每一高速缓存暂存区的数据容量的实施例为64K字节或128K字节，而最佳实施例为每一高速缓存暂存区的数据容量等于每一区块的数据容量。
本发明的再一目的是提供一种改进一闪存存取效率的方法，该闪存包含若干个区块，每一区块包含若干个页，该方法包含：提供一高速缓存，其包含若干个高速缓存暂存区；当接收一第一读取请求以读取该闪存的一第一数据且该第一数据存储于该等高速缓存暂存区之中时，自该等高速缓存暂存区读取该第一数据；以及当接收一第二读取请求以读取该闪存所存储的一第二数据且该第二数据未存储于该等高速缓存暂存区之中时，将存储该第二数据的区块的数据暂存至该高速缓存单元的该等高速缓存暂存区之中。
根据本发明，该方法还包含步骤：当该等高速缓存暂存区的数据全满时且接收到一第三读取请求时，将该等高速缓存暂存区的最少读取得高速缓存暂存区写入该闪存。
本发明的另一目的是提供一种改进闪存存储装置存取效率的存储系统，其包含一闪存、一高速缓存单元以及一控制单元。该闪存用来存储数据，其包含若干个区块，每一区块包含若干个页。该高速缓存单元包含若干个高速缓存暂存区，该高速缓存单元用来暂存要写入该闪存的资料。该控制单元用来于接收一第一写入请求以将该第一写入请求的一第一写入数据写入该闪存存储装置时，将该第一写入数据存储于该等高速缓存暂存区的一高速缓存暂存区，以及用来于该等高速缓存暂存区的资料全满时，将该高速缓存暂存区的数据写入该闪存存储装置。
根据本发明的实施例，每一高速缓存暂存区的数据容量是64K字节或128K字节，而最佳实施例为每一高速缓存暂存区的数据容量大于或等于每一区块的数据容量。
本发明的又一目的是提供一种改进一闪存存取效率的方法，该闪存包含若干个区块，每一区块包含若干个页，该方法包含提供一高速高速缓存，其包含若干个高速缓存暂存区；当接收一第一写入请求以将该第一写入请求的一第一写入数据写入该闪存时，将该第一写入数据存储于该等高速缓存暂存区的一高速缓存暂存区；以及当该等高速缓存暂存区的数据全满时，将该高速缓存暂存区的资料写入该闪存。
根据本发明，该方法还包含步骤：当该第一写入数据的数据量大于每一高速缓存暂存区的数据容量且全部该第一写入资料未暂存于该等高速缓存暂存区时，将该第一写入资料写入该闪存。
根据本发明，该方法还包含步骤：当该高速缓存暂存区闲置时间超过一预定时间时，将该高速缓存暂存区的资料写入该闪存。
附图说明
图1是现有技术的NAND闪存的示意图。
图2是存储逻辑地址与实体地址的一范例。
图3是本发明的存储系统的功能方块图。
图4是闪存、控制单元以及高速缓存单元的示意图。
图5是本发明由主机读取闪存数据的流程图。
图6是本发明由主机将数据写入闪存数据的流程图。
具体实施方式
请参阅图3，图3是本发明的存储系统10的功能方块图。存储系统10包含一主机20以及一闪存存储装置50。主机20可为桌上型计算机、笔记型计算机、工业计算机或可录放DVD播放装置等等。主机20包含一控制单元22以及一高速缓存单元24。闪存存储装置50包含一闪存52。在本实施例中，闪存52内部的每个区块(Block)均由64个页(Page)所组成，每个页为2K字节(bytes)或是512位(bits)大小。高速缓存单元24由主机20内的内存如动态随机存取内存(Dynamic Random Access Memory，DRAM)、静态随机存取内存(Static RandomAccess Memory，SRAM)所切割出来的内存，其包含若干个高速缓存暂存区(cache line)26。在本实施例中，每一高速缓存暂存区26的数据容量大小可为但不限于128K字节、64K字节或是其它数据容量大小，数据容量大小可视设计需求而调整。每一高速缓存暂存区的数据容量(C)与一个区块的数据容量(B)的关系为：C＝B×2ⁿ，此处的n为整数。高速缓存单元24用来提供该闪存存储装置50的读写数据高速缓存暂存之用，高速缓存单元24由控制单元22控制，经由控制单元22将闪存存储装置50的读写数据暂存，以提供闪存存储装置50在下一次数据读写时的高速缓存数据输出。控制单元22是一存储于主机20的内存的软件程序代码，负责对操作系统以及总线驱动接口(bus driver)的沟通。
请一并参阅图4以及图5，图4是闪存52、控制单元22以及高速缓存单元24的示意图。图5是本发明由主机20读取闪存52数据的流程图。本发明的读取流程包含如下步骤：
步骤400：开始。
步骤402：操作系统对控制高速缓存单元24的驱动程序发出一读取请求，以读取闪存52的数据。
步骤404：判断该读取请求所请求的数据是否超过高速缓存暂存区26的边界值？若是，执行步骤406，若否，执行步骤408。
步骤406：将该读取请求的数据分割。若操作系统指定的读取地址跨越了高速缓存暂存区的边界，则将此读取请求依高速缓存暂存区的边界分为多个请求。
步骤408：读取请求的数据存储于高速缓存暂存区内？若是，执行步骤410；若否，执行步骤412。
步骤410：若读取请求的数据存储于高速缓存暂存区内，则自高速缓存暂存区内读取该读取请求的数据。
步骤412：判断所有高速缓存暂存区是否都存储有数据？若是，执行步骤414，若否，执行步骤416。
步骤414：当所有高速缓存暂存区都存储有数据时，则读取请求的数据自闪存写入被读取次数最少的高速缓存暂存区。再将数据由高速缓存暂存区中复制到操作系统指定的内存地址。
步骤416：当仍有部分高速缓存暂存区没有存储数据时，将读取请求的数据自闪存写入可用的高速缓存暂存区内。再将数据由高速缓存暂存区中复制到操作系统指定的内存地址。
步骤418：结束。
在主机20连接闪存存储装置50之后，如果主机20欲读取闪存存储装置50的一第一数据，该第一数据的大小为24K字节，则主机20会传送一第一读取请求给控制单元22。第一读取请求包含对应于该第一数据的逻辑区块地址(Logical Block Address，LBA)以及第一数据的大小。接下来，控制单元22会判断第一数据的是否超过高速缓存暂存区26的边界值(步骤404)。举例来说，如果高速缓存暂存区26的大小是128K字节，若第一读取请求所请求的第一数据大小为256字节，则控制单元22会将超过第一读取请求分割成两个分别用来读取128K字节的读取请求(步骤406)。接下来，控制单元22会判断第一数据是否已存储于高速缓存单元24的高速缓存暂存区26内(步骤408)。因为高速缓存单元24尚未暂存任何数据，所以控制单元22判断第一数据并未存储在高速缓存暂存区内26。接着控制单元22判断所有高速缓存暂存区26是否都存储有数据，用以确认是否仍有未使用的高速缓存暂存区可存储数据。此时高速缓存暂存区都未暂存任何数据，所以控制单元22会将第一数据暂存于高速缓存暂存区26(步骤416)。接下来，当控制单元22接收一第二读取请求用以读取位于闪存52的第二数据时，因为第二资料并未暂存于高速缓存暂存区，且仍有未使用的高速缓存暂存区可存储数据，所以控制单元22会将第二数据暂存于高速缓存暂存区26。
当控制单元22接收到一第三读取请求用以读取位于闪存52的第三数据时，因为第三资料已暂存于高速缓存暂存区26，所以控制单元22会直接从高速缓存单元读取第三数据(步骤410)，而不再需要从闪存里面读取该第三数据。请注意，当控制单元22在接收一第四读取请求用以读取闪存52的第四数据时，如果第四数据并未暂存于高速缓存暂存区，且所有的高速缓存暂存区都已存储数据，此时控制单元22会检查高速缓存暂存区26被读取的次数，并将第四数据暂存至被读取次数最少的高速缓存暂存区之中以更新高速缓存暂存区，再将第四数据由高速缓存暂存区26中复制到操作系统指定的内存地址。通过上述的读取机制，如果每次主机需要频繁读取闪存，且每一个读取请求所对应的数据比较小时，则主机不需要每次去闪存内寻找所需要的资料，就可以从高速缓存单元中找到所要的数据，故可大幅改善频繁读取小型数据的时间。举例来说，在先前技术中，如果要读取连续20K字节大小的数据，若是分成10个命令读取闪存而每一个命令只读取2K字节的数据，则每次读取一笔数据就会对应到一个读取命令，因此造成时间的浪费。但在本发明中，20K字节大小的数据是先存储在高速缓存单元内，而后一次读取完毕，因此可缩短数据读取时间。
请注意，若操作系统指定读取的数据量为最大数据量，为免除在高速缓存52搬动数据所花多余的时间，所以控制单元22会将此一读取请求直接送至闪存52，而不通过高速缓存单元24。
请一并参阅图4以及图6，图6是本发明由主机20将数据写入闪存52数据的流程图。本发明的写入流程包含如下步骤：
步骤500：开始。
步骤502：主机20对闪存52发出一写入请求，用来将数据写入闪存52。
步骤504：判断写入请求的数据是否大于闪存区的数据容量？若是，执行步骤506，若否，执行步骤512。
步骤506：当写入请求的数据大于闪存区的数据容量，则判断写入请求的部份资料是否已暂存于高速缓存单元？若是，执行步骤510，若否，执行步骤508。
步骤508：当写入请求的部份数据已暂存于高速缓存单元时，则判断闪存单元内未使用的高速缓存暂存区是否足够存储写入请求的全部数据？若是，执行步骤512，若否，执行步骤510。
步骤510：当写入请求的所有数据都未暂存于高速缓存单元时，直接将写入请求的数据写入闪存。
步骤512：当写入请求的数据小于闪存区的数据容量，则将写入请求的数据写入高速缓存单元的未使用的高速缓存暂存区。
步骤514：判断高速缓存单元的高速缓存暂存区是否都存储数据？若是，执行步骤518，若否，执行步骤516。
步骤516：判断高速缓存单元的闲置时间超过一预定时间？若是，执行步骤518，若否，执行步骤500。
步骤518：当高速缓存单元的全部高速缓存暂存区都存储有数据或是高速缓存单元的闲置时间超过该预定时间，则将高速缓存暂存区的所有数据一并写入至闪存。
在主机20电连接闪存存储装置50之后，如果主机20要将一第一数据写入闪存存储装置50，其中该第一数据的大小为24K字节，则主机20会传送一第一写入请求给控制单元22(步骤502)。第一写入请求包含对应于该第一数据的逻辑区块地址(Logical Block Address，LBA)以及第一数据的大小。控制单元22会判断第一数据是否大于高速缓存暂存区26的数据容量(步骤504)。因为高速缓存暂存区26的数据容量(假设是128K字节)大于第一数据大小(24K字节)，所以控制单元22会将第一数据先暂存于高速缓存暂存区26a(步骤512)。之后，如果控制单元22接收到一第二写入请求时，且该第二写入请求包含10K字节大小的第二数据。一旦控制单元22判断第二数据小于高速缓存暂存区26的数据容量后，会将第二资料先暂存高速缓存暂存区26，较佳地，该第二资料会暂存于高速缓存暂存区26a，此时高速缓存暂存区26a暂存有第一数据以及第二数据。接下来，假设控制单元22接收到一第三写入请求时，且该第三写入请求包含256K字节大小的第三数据。因为高速缓存暂存区26的数据容量(128K字节)小于第三数据大小(256K字节)，则控制单元22会判断第三数据是否有部分数据已经暂存于高速缓存暂存区，此时，第一资料已暂存于高速缓存暂存区26a，故控制单元22会检查第一数据与第三数据是否有重复。如果第三数据与第一数据没有重复之处，则第三数据会直接写入闪存52而不会暂存于高速缓存单元24。反之，如果第三数据与第一数据有重复，则控制单元22会判断高速缓存单元24之中未使用的高速缓存暂存区26是否足以存储全部的第三数据。如果未使用的高速缓存暂存区足以存入该第三数据时，则该第三数据会暂存于高速缓存单元24的高速缓存暂存区26，反之，则把第三数据会直接写入闪存52而不会暂存于高速缓存暂存区26。
控制单元22在写入请求对应的数据写入高速缓存单元24后，还会检查高速缓存单元24的高速缓存暂存区26是否都存储有数据(步骤514)。当高速缓存单元24的高速缓存暂存区26都存储有数据时，控制单元22会一次将整个高速缓存单元24的数据都写入闪存52。或者，当控制单元22判断高速缓存单元24的闲置时间超过一预定时间时(步骤516)，控制单元22会将高速缓存单元24的数据都写入闪存52。
简而言之，通过这样的写入机制，控制单元22在接收到一个写入请求时，会先判断写入请求的数据的大小，如果数据小于高速缓存暂存区的大小，则会把这些小数据先暂存于高速缓存单元。直到高速缓存单元内都存满数据或是高速缓存单元闲置时间超过一预定时间时，才会一次把数据写入闪存内。所以如果在多次接收到写入小型档案的写入请求时，本发明的存储系统并不会像现有技术必须每次接收到写入请求时就必须把数据写入闪存内，而是等到高速缓存单元存储的数据全满或是高速缓存单元闲置时间超过一预定时间时，才会一次把资料写入闪存，所以可以大幅减少多次写入小型档案的时间。举例来说，在现有技术中，若上层的档案系统要写入10个2K字节的连续数据，假设这些数据全部位于同一个区块内，若这10笔数据分开10次写入，整个区块将会被复制十次。但在本发明中，这10笔数据合并在一次写入，整个区块只会被复制一次，所以可以大幅缩短资料写入的时间。
相较于先前技术，本发明的存储系统提供一高速缓存单元，用来暂存要写入闪存存储装置的数据或是暂存自闪存存储装置读取的数据。在读取过程中，特别是对频繁读取小型档案的数据来说，因为第一次自闪存读取的数据都会暂存在高速缓存单元里，所以第二次读取同一笔数据时，就不再需要自闪存读取数据，因而大幅缩短自闪存存储装置读取数据的准备时间。在写入过程中，特别是对于多次将小型档案的数据写入闪存而言，因为写入的小型档案数据会先存入高速缓存单元之高速缓存暂存区，在高速缓存单元存满数据后才会一次写入闪存，这么一来，可降低写入闪存的准备时间。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，但该较佳实施例并非用以限制本发明，该领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。