用于高性能和低成本的閃存轉(zhuǎn)換層的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于高性能和低成本的閃存轉(zhuǎn)換層的系統(tǒng)和方法
【背景技術(shù)】
[0001] 對托管閃存的性能的要求越來越高。諸如智能電話、平板設(shè)備和游戲設(shè)備之類 的緊湊型消費性電子產(chǎn)品要求低成本和低功率的存儲解決方案。托管的否定與或與非 (negated AND or NOT AND，NAND)閃存設(shè)備的示例包括嵌入式多媒體卡（eMMC)、通用閃存 (UFS)、外部串行高級技術(shù)附件（eSATA)、球柵陣列（BGA)SATA、通用串行總線（USB)驅(qū)動器、 安全數(shù)字（SD)卡、通用用戶識別模塊（USIM)卡和緊湊型閃存卡。NAND設(shè)備在移動應(yīng)用中 非常普及，這是因為它們是低成本和低功率的。
[0002] 現(xiàn)有的托管NAND閃存設(shè)備依賴于NAND閃存內(nèi)包含的大型文件轉(zhuǎn)換層（FTL)表， 并且只將這些表中的一小部分高速緩存在片上靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM)中。對托管 NAND設(shè)備的讀取和寫入存取操作包括邏輯地址，必須使用來自FTL表的信息將所述邏輯地 址轉(zhuǎn)換到物理NAND地址。當(dāng)從NAND存儲器讀取FTL表條目時，將導(dǎo)致較長時間的延遲（具 有數(shù)十微秒的量級），這使得這些類型的存儲裝置的整體性能下降。因而，NAND存儲器設(shè)備 的低成本和低功耗的損失是存儲器存取時間性能的下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 各個方面的方法和系統(tǒng)提供了提高閃存設(shè)備的閃存轉(zhuǎn)換層（FTL)的性能，其包 括：通過閃存設(shè)備將該閃存設(shè)備的FTL表的副本存儲在主機設(shè)備的易失性存儲器中；通過 閃存設(shè)備接收對于主機設(shè)備的易失性存儲器中存儲的FTL表的副本的存取權(quán)限；以及作為 讀取操作和寫入操作中的至少一個操作的一部分，通過閃存設(shè)備存取主機設(shè)備的易失性存 儲器中存儲的閃存設(shè)備的FTL表的副本。示例性方法還可以包括：在閃存設(shè)備中從主機設(shè) 備接收針對FTL表的大小的查詢；從閃存設(shè)備向主機設(shè)備返回該FTL表的大??；在主機設(shè) 備處，從閃存設(shè)備接收該FTL表的大?。灰约巴ㄟ^主機設(shè)備確定該主機設(shè)備的易失性存儲 器是否可以存儲全部的FTL表。示例性方法還可以包括：通過主機設(shè)備對該主機設(shè)備的易 失性存儲器進行細分，其中，細分部分的大小是基于FTL表的大小的；通過閃存設(shè)備接收對 于主機設(shè)備的易失性存儲器中存儲該FTL表的副本的細分部分的直接存儲存取讀取特權(quán)； 以及通過閃存設(shè)備接收對于主機設(shè)備的易失性存儲器中存儲該FTL表的副本的細分部分 的直接存儲存取寫入特權(quán)，其中，存儲FTL表的副本還包括：通過閃存設(shè)備將該FTL表的副 本存儲在主機設(shè)備的易失性存儲器的所述細分部分中。
[0004] 在一個方面，存取FTL表的副本還可以包括：通過閃存設(shè)備對通信地連接閃存設(shè) 備和主機設(shè)備的易失性存儲器的通信總線進行總線主控。
[0005] 在一個方面，存取FTL表的副本可以包括：在閃存設(shè)備中從主機設(shè)備接收針對邏 輯地址的讀取操作請求；通過閃存設(shè)備發(fā)起讀取操作；通過閃存設(shè)備讀取FTL表的副本的 至少一部分；通過閃存設(shè)備確定與該邏輯地址相對應(yīng)的物理地址；通過閃存設(shè)備取回位于 該閃存設(shè)備的存儲器的所述物理地址處的數(shù)據(jù)；以及通過閃存設(shè)備向主機設(shè)備返回該數(shù) 據(jù)。
[0006] 在一個方面，存取FTL表的副本可以包括：通過閃存設(shè)備從主機設(shè)備接收針對邏 輯地址的寫入操作請求；通過閃存設(shè)備發(fā)起寫入操作；通過閃存設(shè)備向閃存設(shè)備的存儲器 的物理地址寫入數(shù)據(jù)；通過閃存設(shè)備寫入FTL表的副本以更新該FTL表的副本，從而與當(dāng)寫 入該數(shù)據(jù)時對閃存設(shè)備的存儲器做出的改變相對應(yīng)；以及通過閃存設(shè)備向主機設(shè)備發(fā)送寫 入操作的完成的通知。示例性方法還可以包括：通過閃存設(shè)備讀取FTL表的副本的至少一 部分；以及通過閃存設(shè)備確定與該邏輯地址相對應(yīng)的物理地址。示例性方法還可以包括： 通過閃存設(shè)備讀取閃存設(shè)備的SRAM ;以及通過閃存設(shè)備確定用于指示閃存設(shè)備的存儲器 中的空閑存儲空間的位置的物理地址。示例性方法還可以包括：通過閃存設(shè)備向主機設(shè)備 發(fā)送用于指示將FTL表的副本存儲在主機設(shè)備的易失性存儲器中的完成的通知。示例性方 法還可以包括：通過閃存設(shè)備，基于從包括以下各項的組中選擇的參數(shù)，利用FTL的副本來 更新閃存設(shè)備的FTL表：調(diào)度、可用資源、以及寫入操作的完成。示例性方法還可以包括：通 過主機設(shè)備確定閃存設(shè)備是否支持將所述FTL表的副本主機高速緩存在主機設(shè)備的易失 性存儲器中。示例性方法還可以包括：在主機設(shè)備中從閃存設(shè)備接收存儲FTL表的副本的 完成的通知。
[0007] -個方面包括一種其上存儲有處理器可執(zhí)行軟件指令的非暫時性處理器可讀存 儲介質(zhì)，該處理器可執(zhí)行軟件指令被配置為使得系統(tǒng)通過執(zhí)行以下各項操作來提高該系統(tǒng) 的閃存設(shè)備的閃存轉(zhuǎn)換層的性能：通過閃存設(shè)備將該閃存設(shè)備的FTL表的副本存儲在主 機設(shè)備的易失性存儲器中；以及通過閃存設(shè)備接收對于主機設(shè)備的易失性存儲器中存儲的 FTL表的副本的存取權(quán)限。所存儲的指令還可以包括：用于作為讀取操作和寫入操作中的 至少一個操作的一部分，通過閃存設(shè)備存取主機設(shè)備的易失性存儲器中存儲的該閃存設(shè)備 的FTL表的副本的指令。該非暫時性處理器可讀存儲介質(zhì)上可以存儲有被配置為使得系統(tǒng) 執(zhí)行上面所描述的示例性方法的其它操作的處理器可執(zhí)行軟件指令。
[0008] -個方面包括一種計算系統(tǒng)，該計算系統(tǒng)包括主機設(shè)備和閃存設(shè)備，該主機設(shè)備 具有易失性存儲器和耦合到該易失性存儲器的第一處理器，其中，該系統(tǒng)通過執(zhí)行以下各 項操作來提高閃存設(shè)備的性能：通過閃存設(shè)備將該閃存設(shè)備的FTL表的副本存儲在主機設(shè) 備的易失性存儲器中；通過閃存設(shè)備接收對于主機設(shè)備的易失性存儲器中存儲的FTL表的 副本的存取權(quán)限；以及作為讀取操作和寫入操作中的至少一個操作的一部分，通過閃存設(shè) 備存取主機設(shè)備的易失性存儲器中存儲的該閃存設(shè)備的FTL表的副本。
[0009] -個方面包括被配置為提高閃存設(shè)備的閃存轉(zhuǎn)換層的性能的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括： 用于通過閃存設(shè)備將該閃存設(shè)備的FTL表的副本存儲在主機設(shè)備的易失性存儲器中的單 元。該系統(tǒng)還包括：用于通過閃存設(shè)備接收對于主機設(shè)備的易失性存儲器中存儲的FTL表 的副本的存取權(quán)限的單元；以及用于作為讀取操作和寫入操作中的至少一個操作的一部 分，通過閃存設(shè)備存取主機設(shè)備的易失性存儲器中存儲的該閃存設(shè)備的FTL表的副本的單 JL·〇
[0010] 其它方面包括一種配置為耦合到主機設(shè)備的閃存設(shè)備，該閃存設(shè)備包括閃存和耦 合到該閃存的處理器，該閃存被配置為存儲包括FTL表的數(shù)據(jù)，以在邏輯地址和物理地址 之間進行轉(zhuǎn)換時使用，該處理器被配置具有處理器可執(zhí)行指令，以執(zhí)行包括以下各項的操 作：將閃存設(shè)備的閃存轉(zhuǎn)換層FTL表的副本存儲在主機設(shè)備的易失性存儲器中；接收對于 主機設(shè)備的易失性存儲器中存儲的FTL表的副本的存取權(quán)限；以及作為讀取操作和寫入操 作中的至少一個操作的一部分，存取主機設(shè)備的易失性存儲器中存儲的閃存設(shè)備的FTL表 的副本。
[0011] 其它方面包括一種被配置為耦合到主機設(shè)備的設(shè)備，該設(shè)備包括：用于將閃存設(shè) 備的FTL表的副本存儲在主機設(shè)備的易失性存儲器中的單元；用于接收對于主機設(shè)備的易 失性存儲器中存儲的FTL表的副本的存取權(quán)限的單元；以及用于作為讀取操作和寫入操作 中的至少一個操作的一部分，存取主機設(shè)備的易失性存儲器中存儲的閃存設(shè)備的FTL表的 副本的單元。
[0012] 其它方面包括一種被配置為耦合到閃存設(shè)備的主機設(shè)備，該主機設(shè)備包括易失性 存儲器、通信總線和處理器，該通信總線通信地連接主機設(shè)備的易失性存儲器并被配置為 當(dāng)耦合到主機設(shè)備時與閃存設(shè)備進行通信，該處理器被配置具有處理器可執(zhí)行指令，以執(zhí) 行包括以下各項的操作：確定閃存設(shè)備是否支持將該閃存設(shè)備的FTL表的副本主機高速緩 存在易失性存儲器中；分配易失性存儲器的一部分以存儲FTL表的副本；向閃存設(shè)備準予 經(jīng)由通信總線的對于易失性存儲器的該部分的直接存儲存取讀取特權(quán)和寫入特權(quán)。
【附圖說明】
[0013] 被并入本文且構(gòu)成本說明書的一部分的【附圖說明】了本發(fā)明的示例性方面，并且與 上文給出的概括性描述和下文給出的詳細描述一起用于解釋本發(fā)明的特征。
[0014] 圖1是說明了根據(jù)一個方面的具有通信地連接到閃存設(shè)備的主機設(shè)備的系統(tǒng)的 部件框圖。
[0015] 圖2是適合于與各個方面一起使用的示例性移動設(shè)備的部件圖。
[0016] 圖3是說明了用于初始化FTL主機高速緩存的示例性方法的過程流程圖。
[0017] 圖4是說明了用于初始化FTL主機高速緩存的示例性方法的過程流程圖。
[0018] 圖5是說明了用于利用FTL主機高速緩存來執(zhí)行讀取操作的示例性方法的過程流 程圖。
[0019] 圖6是說明了用于利用FTL主機高速緩存來執(zhí)行寫入操作的示例性方法的過程流 程圖。
[0020] 圖7是說明了用于初始化FTL主機高速緩存的示例性方法的過程流程圖。
[0021] 圖8是說明了用于利用FTL主機高速緩存來執(zhí)行讀取操作的示例性方法的過程流 程圖。
[0022] 圖9是說明了用于利用FTL主機高速緩存來執(zhí)行寫入操作的示例性方法的過程流 程圖。
[0023] 圖10是說明了用于利用FTL主機高速緩存來執(zhí)行寫入操作的示例性方法的過程 流程圖。
【具體實施方式】
[0024] 將參照附圖對各個方面進行詳細描述。只要可能，將貫穿附圖使用相同的附圖標 記來指代相同或相似的部分。對特定示例和實施方式的引用是出于舉例說明的目的，并不 旨在限制本發(fā)明或權(quán)利要求的保護范圍。
[0025] 本文中使用"示例性"一詞意指"用作示例、實例或說明"。本文被描述為"示例性" 的任何實施方式不必被解釋為優(yōu)選的或比其它實施方式更具優(yōu)勢的。
[0026] 本文互換地使用術(shù)語"移動計算設(shè)備"和"移動設(shè)備"指代以下各項的任何一項 或全部：蜂窩電話、智能電話、個人或移動多媒體播放器、個人數(shù)據(jù)助理（PDA)、膝上型計算 機、平板計算機、智能本、超級本、掌上型計算機、無線電子郵件接收機、具備多媒體互聯(lián)網(wǎng) 能力的蜂窩電話、無線游戲控制器、以及包括存儲器、可編程處理器并在電池供電情形下進 行操作使得功率節(jié)省方法有益的類似個人電子設(shè)備。對于諸如具有有限的資源并運行在電 池供電之上的智能電話之類的移動計算設(shè)備而言，雖然各個方面是特別有用的，但這些方 面通常在兼容于與閃存設(shè)備一起使用的任何電子設(shè)備中也是有用的。
[0027] 本文的術(shù)語"閃存"指代可以進行電擦除和重新編程的電子非易失性計算機存儲 裝置或存儲器。通常，閃存設(shè)備架構(gòu)包括NAND和N0R類型。本文的方面通常涉及NAND類型 架構(gòu)的閃存設(shè)備。閃存可以用于主存儲器、存儲卡、USB閃存驅(qū)動器、固態(tài)驅(qū)動器和類似產(chǎn)品 中，以進行數(shù)據(jù)的通常存儲和傳輸。NAND閃存設(shè)備的示例包括嵌入式多媒體卡（eMMC)、通 用閃存（UFS)、外部串行高級技術(shù)附件（eSATA)、球柵陣列（BGA)SATA、通用串行總線（USB) 驅(qū)動器、安全數(shù)字（SD)卡、通用用戶識別模塊（USIM)卡和緊湊型閃存卡。
[0028] 本文的術(shù)語"閃存轉(zhuǎn)換層"和"FTL"指代所生成的用于允許閃存設(shè)備的控制器將 針對邏輯地址的請求轉(zhuǎn)換成實際閃存芯片中的物理地址的目錄結(jié)構(gòu)。該目錄結(jié)構(gòu)可以包括 各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的任何一種。出于舉例的目的，本文將FTL描述成具有表的形式。
[0029] -種用于提高存儲器中的轉(zhuǎn)換性能的技術(shù)向用于高速緩存整個轉(zhuǎn)換表的固態(tài)驅(qū) 動器（SSD)或者硬盤驅(qū)動器（HDD)添加專用的動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM)。由于與NAND 閃存或硬盤驅(qū)動存儲器相比，可以利用近似更大三（3)個數(shù)量級的速度來存取DRAM，因此 這可以提供顯著的性能提升。然而，向芯片添加DRAM將增加成本，并消耗大量的待機功率， 這是因為這額外的DRAM必須進行自我刷新以保持內(nèi)容。一些膝上型計算機SSD采用這種 類型的機制來對轉(zhuǎn)換表進行高速緩存，這是由于這樣的計算機通常是功率不受限制的，并 且消費者預(yù)期花更多錢購買這樣的設(shè)備。然而，對于諸如智能電話之類的移動計算設(shè)備而 言，具有嵌入式DRAM存儲器的NAND閃存的成本增加和增加的功率耗費是明顯不利的。
[0030] 各個方面包括被配置為通過使用主機設(shè)備的DRAM存儲器來存儲用于閃存的轉(zhuǎn)換 表，以提高閃存設(shè)備操作的性能，同時使該設(shè)備的成本和功率耗費最小化的方法、系統(tǒng)和設(shè) 備。這可以通過包括與閃存設(shè)備進行通信的主機設(shè)備的系統(tǒng)來實現(xiàn)，其中，對主機設(shè)備和閃 存進行配置，使得閃存設(shè)備可以使用主機設(shè)備的更快速的存儲資源來高速緩存該閃存設(shè)備 在對邏輯存儲器地址和物理存儲器地址之間進行轉(zhuǎn)換時所使用的轉(zhuǎn)換表。
[0031] 在一個方面，主機設(shè)備可以準予閃存設(shè)備直接存儲存取其更快速的存儲資源。直 接存儲存取可以包括針對更快速存儲資源的讀取和/或?qū)懭胩貦?quán)。閃存設(shè)備可以使用這 樣的直接存取權(quán)限，以將FTL表的副本存儲在主機設(shè)備的更快速存儲資源中。在允許存儲 FTL表的