一种使用mram的固态硬盘及读写方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及固态硬盘，尤其涉及一种使用MRAM的固态硬盘及读写方法。
【背景技术】
[0002]当前，NAND闪存技术的发展推动了 SSD产业。如图1所示，SSD与主机之间使用高速串行接口如SATA，PICe等技术。内部由用于存储数据的一组NAND芯片，用于支持计算和缓存数据的DDR DRAM(内存)，以及一个主控芯片(SSD Controller)组成。有时候还需要断电保护系统。
[0003]NAND是一种整块读写的存储设备，最小可读取的单元叫page，最小可擦除的单元叫block，一个block往往由很多page组成，block擦除后里面的page可以进行单独的写入操作。写入操作很慢，比读取慢得多，而擦除操作又比写入更加慢得多。
[0004]NAND闪存的一个问题是NAND具有有限的寿命。里面的每一个page经过一定次数的擦写以后，就会永久失效不能继续使用。目前的产业发展趋势是NAND的容量和数据密度增长非常快，但却是以降低寿命为代价。可擦写次数从最初的10万次降低到目前的3000次左右。
[0005]因为NAND闪存的以上特性，SSD内部的NAND管理软件比较复杂。为了不使某些经常发生写操作的块提前损坏，需要进行写均衡处理。文件系统软件所识别的逻辑地址和物理地址是不同的，需要一个表把二者对应起来。由于NAND擦除太慢，一般修改一内容时不在原来的块区更新，而是把新的内容写到一个新的块区，旧块区标记为无效，等CPU空闲下来再擦除它。这样，逻辑地址物理地址的对照表是不断动态更新的。这个表正比于SSD的总容量，存在DDR DRAM里，另外在NAND里面也有相应的标记。随着市场上SSD容量的迅速增加，这个表成为DRAM最大的消耗者。
[0006]由于NAND的读写速度比DRAM慢得多，还可以利用一部分DRAM空间作读、写的缓存(Cache)，提高整个SSD的性能。然而引入写缓存产生了新的问题:一旦发生断电，DRAM缓存中尚未写入NAND的内容会丢失，造成系统丢失数据甚至整个文件系统的损坏。所以必须同时使用昂贵的、体积大的断电保护系统(一般由电池或者大量的电容器组成)。而逻辑-物理地址对照表，在发生断电后，是可以利用NAND中的数据重新构造的，尽管很费时间。
[0007]从以上介绍可以看出，SSD的设计遇到了两难:如果不使用写缓存，产品的写入性能大打折扣；如果使用写缓存，必须同时使用昂贵又占体积的断电保护设备，造成费效比很差。
[0008]一种可行的方案是在固态硬盘中混合使用DRAM和MRAM，其中MRAM用于写缓存，DRAM用于保存逻辑地址与物理地址对照表，如图2所示，由于MRAM可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据，不再使用昂贵的、体积大的断电保护系统，降低了固态硬盘的成本；另一方面将消耗内存最大的逻辑-物理地址对照表保存在成本较低DRAM中，进一步降低了固态硬盘的成本，从而提高了固态硬盘的费效比。
[0009]然而DRAM耗电较大，也有额外的成本，因此在对功耗要求很严格的应用中，例如，上述方案并不能满足应用需求。
[0010]因此，本领域的技术人员致力于开发一种费效比高且功耗低的固态硬盘，既能够保证写入性能，又能够降低固态硬盘成本，同时功耗较低。
【发明内容】
[0011]有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种固态硬盘，既能够保证写入性能，又能够降低固态硬盘成本，同时功耗较低。
[0012]MRAM是一种新的内存和存储技术，可以像SRAM/DRAM—样快速随机读写，还可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据。
[0013]如果使用速度快并且断电后保持内容的MRAM取代DRAM，固然可以保证写入性能，但未来相当长一段时间内，MRAM仍然会很贵，因此使用大量的MRAM同样会显著增加固态硬盘的成本。
[0014]如果MRAM用作写缓存与NAND芯片的逻辑地址与物理地址对照表缓存，而将占用大量空间的NAND芯片的逻辑地址与物理地址对照表仍保存在NAND芯片中，这样就可以使用容量较小的MRAM，既能够保证写入性能，又能够降低固态硬盘成本，同时功耗较低。
[0015]本发明还提供本发明还提供一种固态硬盘的读方法与一种固态硬盘的写方法。
[0016]本发明提供一种固态硬盘，包括主控芯片、用于存储数据的一组NAND芯片，NAND芯片与主控芯片连接，固态硬盘还包括MRAM，MRAM与主控芯片连接，MRAM包括读写缓存与逻辑地址与物理地址对照表缓存。
[0017]本发明提供的固态硬盘，MRAM包括读写缓存，能够保证写入性能；由于不使用DDRDRAM，无需使用昂贵又占体积的断电保护设备，降低了固态硬盘的成本，同时降低了固态硬盘的功耗；MRAM包括逻辑地址与物理地址对照表缓存，能够使用容量较小的MRAM处理逻辑地址与物理地址对照表，在减少写NAND的次数延长NAND寿命同时进一步降低固态硬盘的成本。
[0018]进一步地，MRAM通过DDR DRAM接口与固态硬盘的主控芯片连接。
[0019]进一步地，MRAM集成于固态硬盘的主控芯片中。
[0020]进一步地，MRAM还用于保存逻辑地址与物理地址对照表缓存中每一页的上次访问时间和/或是否已更新。
[0021]本发明还提供一种固态硬盘的读方法，包括以下步骤:
[0022](I)收到读取NAND页指令；
[0023](2)根据逻辑页编号搜索要读取的NAND页是否在MRAM中的读写缓存中，如果在读写缓存中，从读写缓存中读取数据，执行步骤(7);如果不在读写缓存中，执行步骤(3);
[0024](3)与NAND页相关的逻辑地址与物理地址对照表页，是否在逻辑地址与物理地址对照表缓存中，如果在逻辑地址与物理地址对照表缓存中，执行步骤(5);如果不在所逻辑地址与物理地址对照表缓存中，执行步骤(4);
[0025](4)从NAND中读取与NAND页相关的逻辑地址与物理地址对照表页，存储于逻辑地址与物理地址对照表缓存中；
[0026](5)记录与NAND页相关的逻辑地址与物理地址对照表页的上次访问时间；
[0027](6)根据逻辑地址与物理地址对照表页，获取NAND页的物理地址，根据物理地址读取NAND页，并存放到MRAM中的读写缓存中；
[0028](7)读操作结束。
[0029]进一步地，步骤(4)中还包括以下步骤:
[0030](41)如果逻辑地址与物理地址对照表缓存中空闲的页少于第一预警值，清理逻辑地址与物理地址对照表缓存。
[0031]进一步地，步骤(41)中清理逻辑地址与物理地址对照表缓存包括以下步骤:
[0032](411)在逻辑地址与物理地址对照表缓存中，找到上次访问时间最早的逻辑地址与物理地址对照表页；
[0033](412)逻辑地址与物理地址对照表页是否已更新，如果已更新，写回NAND中逻辑地址与物理地址对照表的相应页；如果未更新，直接释放逻辑地址与物理地址对照表页。
[0034]本发明还提供一种固态硬盘的写方法，包括以下步骤:
[0035](I)收到写NAND页指令时；
[0036](2)判断所述NAND页是否在读写缓存中，如果在读写缓存中，执行步骤(4);如果不在读写缓存中，执行步骤(3);
[0037](3)将写NAND页指令中的数据写入读写缓存的空闲页中，如果读写缓存的空闲页少于第二警戒值，清理读写缓存，执行步骤(5);
[0038](4)将写NAND页指令中的数据写入读写缓存的相应页中；
[0039](5)写操作结束。
[0040]进一步地，步骤(3)中清理读写缓存中包括将读写缓存页写回NAND页，将读写缓存页写回NAND页包括以下步骤:
[0041](I)开始将读写缓存页写回NAND页；
[0042](2)与NAND页相关的逻辑地址与物理地址对照表页，是否在逻辑地址与物理地址对照表缓存中，如果在逻辑地址与物理地址对照表缓存中，执行步骤(4);如果不在逻辑地址与物理地址对照表缓存中，执行步骤(3);
[0043](3)从NAND中读取与读写缓存页相关的逻辑地址与物理地址对照表页，存储于逻辑地址与物理地址对照表缓存中；
[0044](4)记录与读写缓存页相关的逻辑地址与物理地址对照表页的上次访问时间；
[0045](5)将读写缓存页的数据写回NAND页；
[0046](6)物理地址是否变化，如果已变化，执行步骤(7);如果未变化，执行步骤(8);
[0047](7)更新与NAND页相关的逻辑地址与物理地址对照表页中的物理地址，并记录为已更新；
[0048](8)写操作结束。
[0049]进一步地，步骤(3)中还包括以下步骤:
[0050](31)如果逻辑地址与物理地址对照表缓存中空闲的页少于第一预警值，清理逻辑地址与物理地址对照表缓存。
[0051]进一步地，步骤(31)中清理逻辑地址与物理地址对照表缓存包括以下步骤:
[0052](311)在逻辑地址与物理地址对照表缓存中，找到上次访问时间最早的逻辑地址与物理地址对照表页；
[0053](312)逻辑地址与物理地址对照表页是否已更新，如果已更新，写回NAND中逻辑地址与物理地址对照表的相应页；如果未更新，直接释放逻辑地址与物理地址对照表页。
[0054]与现有技术相比，本发明提供的固态硬盘及读写方法具有以下有益效果:
[0055](I)MRAM包括读写缓存，能够保证写入性能；
[0056](2)由于不使用DDR DRAM，无需使用昂贵又占体积的断电保护设备，降低了固态硬盘的成本，同时降低了固态硬盘的功耗；
[0057](3) MRAM包括逻辑地址与物理地址对照表缓存，能够使用容量较小的MRAM处理逻辑地址与物理地址对照表，在减少写NAND的次数延长NAND寿命同时进一步降低固态硬盘的成本。
[0058]以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
【附图说明】
[0059]图1是现有技术中固态硬盘的结构示意图；
[0060]图2是现有技术中混合使用DRAM和MRAM的固态硬盘的结构示意图；
[0061]图3是本发明的一个实施例的固态硬盘的结构示意图。
[0062]图4是图3所示的固态硬盘的读操作的流程图；
[0063]图5是图3所示的固态硬盘的清理逻辑地址与物理地址对照表缓存的流程图；
[0064]图6是图3所示的固态硬盘的写操作的流程图；
[0065]图