[发明专利]一种MLC闪存读写方法

说明书

本发明公开了一种MLC闪存读写方法，属于闪存技术领域。本发明使用先进MLC闪存芯片提供的高级命令，即SLC模式，开发闪存页的重复编程，在写入数据时，SLC模式操作处理器控制在不同环境下调用不同的接口并规定了数据写入的操作步骤，同时记录数据写入位置，以确保数据不因为错误的写入过程而崩溃；在读出数据时，SLC模式操作处理器通过查找数据写入位置，以及当前系统状态，明确数据读出的步骤，以保证数据可以正确被读出；本发明还进一步地提供了数据碎片化管理方法，数据碎片管理模块会决定数据写入时的分配算法并定时地整理碎片数据，由此提升系统整体性能。

技术领域

本发明属于闪存技术领域，更具体地，涉及一种MLC闪存读写方法。

背景技术

随着闪存制造工艺的进步，NAND型闪存芯片的存储密度越来越高，存储容量越来越大。特别是近年来发展的3D型闪存可以持续增加存储密度。但是，伴随闪存存储容量增大，同时带来了“大块”的问题。“大块”意味着一个闪存块(擦除操作的基本单位)的容量过大，其表现为要么一个闪存块中闪存页的数目过大，要么闪存块中的闪存页容量过大。表1展示了NAND型闪存的关键参数的发展趋势：

表1

作为闪存读写的基本单位，闪存页过大会造成存储空间利用率不高和传输浪费的问题，进而导致闪存性能降低。造成这些问题的原因是因为上层文件系统的粒度和下层读写基本单位的粒度不匹配。常见文件系统的基本单位是文件系统块(File System Block，简称FSB)，其大小基本固定，通常都采用4KB大小的管理粒度。闪存页的容量已经由早先的512字节，增加到4KB，8BK，现在16KB页大小已经很普遍了，未来还可能增加到32KB甚至更大。闪存页的容量已经达到文件系统块的数倍。以16KB的闪存页为例，4个4KB的文件系统块才能填满一个闪存页。如果需要更新一个闪存页中4KB的数据，需要先将整个闪存页中16KB的数据读出，与4KB的更新数据合并后，再写入一个新的闪存页中。造成了大量传输数据和写入数据的浪费。解决这一问题的传统方法是使用一个写缓存来合并写入的小请求，这个缓存把小请求合并成页大小的请求再发下去执行。但是，这种方法的局限是很明显的。首先其效果很大程度上取决于写缓存的容量，一个小容量的缓存带来的效果是不明显的；其次，某一种写缓存策略通常只对某一种类型的负载有好的效果，而对其他类型的负载则不显著。

闪存根据每个单元存储的比特位数，可分为每个单元存储一位比特数据的单层单元(Single-Level Cell，简称SLC)和每个单元存储多位比特数据的多层单元(Multi-LevelCell，简称MLC)。需要指出的是，单层单元和多层单元开发闪存页重复编程的方法是不同的。由于MLC每个单元存储更多比特信息，因此拥有比起SLC更大的容量，受到更多的商用青睐，同时开发其重复编程也更加困难。MLC闪存中一个单元存储多位数据，假设存储2比特数据，就需要4个不同的状态来表示最终的数据。这4种状态之间的转化受限于芯片自身的特性，不像“一次写入存储器”那样可以单向地转换到任意状态，这也是MLC闪存无法直接进行闪存页的重复编程的原因。然而，最近先进的MLC闪存芯片都支持将闪存在默认模式(MLC模式)和SLC模式下进行切换。SLC模式提供了更短的编程/读取延迟和同样的擦除时间。更重要的是，切换到SLC模式后，开发者可以更好的开发闪存的可重复编程特性，实现MLC闪存的多次子页写。

使用SLC模式开发MLC闪存的多次子页写，还需要在软件管理中做很多工作才能保证数据的可靠性和系统的高性能。不正确的调用SLC模式或者将MLC模式和SLC模式混用，会造成数据崩溃，丢失数据。另外，子页的分配带来了数据碎片化的问题，这将在读密集型负载中带来雪崩效应，严重影响系统性能。

发明内容