一种使用mram的固态硬盘及读写缓存管理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及固态硬盘，尤其涉及一种使用MRAM的固态硬盘及读写缓存管理方法。
【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页(page)，最小可擦除的单元叫块(block)，一个块往往由很多页组成，块擦除后里面的页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。里面的每一个页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]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。MRAM的经济性相当好，单位容量占用的硅片面积比SRAM有很大的优势，比在此类芯片中经常使用的NOR Flash也有优势，比嵌入式NORFlash的优势更大。MRAM的性能也相当好，读写时延接近最好的SRAM，功耗则在各种内存和存储技术最好。而且MRAM不像DRAM以及Flash那样与标准CMOS半导体工艺不兼容。MRAM可以和逻辑电路集成到一个芯片中。
[0009]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，既能够保证读写性能，延长NAND的寿命；又能够降低固态硬盘的成本，同时降低功耗。
【发明内容】
[0010]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，既能够保证读写性能，延长NAND的寿命；又能够降低固态硬盘的成本，同时降低功耗。
[0011]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。MRAM取代DRAM，可以保证读写性能；同时由于不使用DRAM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，同时也降低了功耗。
[0012]本发明提供一种使用MRAM的固态硬盘，包括主控芯片、用于存储数据的一组NAND芯片以及MRAM，NAND芯片、MRAM分别与主控芯片连接，MRAM包括读写缓存以及缓存表。
[0013]本发明提供的固态硬盘，MRAM包括读写缓存，读写MRAM比读写NAND快得多，因此能够提高固态硬盘的读写性能，同时减少了写NAND次数，延长了 NAND的寿命。
[0014]MRAM可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据，不再需要使用昂贵的、体积大的断电保护系统，降低了固态硬盘的成本，同时也降低了功耗。
[0015]进一步地，缓存表包括读写缓存中缓存页的读写权重。
[0016]本发明提供的固态硬盘，通过读写缓存中缓存页的读写权重，来判断缓存页是否留在读写缓存中。在清理读写缓存时，读写权重值高的留在读写缓存，而读写权重值低的写回NAND，也就是将频繁操作的页保留在读写缓存中，减小写回NAND的次数，从而提高固态硬盘的读写性能，延长NAND的寿命。
[0017]进一步地，如果对读写缓存中一页进行读操作，页的读写权重加上读权重值；如果对读写缓存中一页进行写操作，页的读写权重加上写权重值，读权重值小于写权重值。
[0018]本发明提供的固态硬盘，将读、写操作赋予不同的权重值，读权重值小于写权重值，由于写操作更影响写回NAND的次数，赋予写操作更高的权重值能够有效减小写回NAND的次数，从而延长NAND的寿命。
[0019]进一步地，缓存表还包括读写缓存中缓存页的是否已更新、读写时间。
[0020]在清理读写缓存时，清理读写时间最早的缓存页，如果该缓存已更新，写回NAND，释放该缓存页；如果未更新，直接释放该缓存页。
[0021 ] 进一步地，MRAM通过DRAM接口与主控芯片连接。
[0022]进一步地，MRAM与主控芯片集成在一个芯片中。
[0023]本发明还提供一种固态硬盘的读方法，包括以下步骤:
[0024](I)收到读取NAND页指令；
[0025](2)根据逻辑页编号在缓存表中搜索要读取的NAND页是否在MRAM中的读写缓存中，如果在读写缓存中，执行步骤￠);如果不在读写缓存中，执行步骤(3);
[0026](3)从NAND中读取NAND页的数据，保存到读写缓存中的空闲缓存页，并输出数据；
[0027](4)在缓存表中添加记录，记录中读写权重为读权重值，记录中读写时间为当前时间；
[0028](5)如果读写缓存中的空闲缓存页的数量小于第一预警值，清理读写缓存；否则，执行步骤⑵；
[0029](6)从读写缓存中相应的缓存页读取数据，缓存页的读写权重加上读权重值，并记录读写时间；
[0030](7)读操作结束。
[0031]进一步地，步骤(5)中清理读写缓存的方法包括以下步骤:
[0032](51)将缓存表中所有缓存页的读写权重减去读权重值；
[0033](52)如果存在读写权重小于或等于O的缓存页，执行步骤(53);否则执行步骤
(51)；
[0034](53)找到读写时间最早的缓存页；
[0035](54)如果缓存页未更新，直接释放缓存页；否则将缓存页的数据写回NAND，并释放缓存页；
[0036](55)删除缓存表中的相关记录；
[0037](56)读写缓存中空闲缓存页的数量大于或等于第二预警值，停止清理读写缓存；否则执行步骤(52)。
[0038]本发明还提供一种固态硬盘的写方法，其特征在于，固态硬盘的写方法包括以下步骤:
[0039](I)收到写NAND页指令；
[0040](2)根据逻辑页编号在缓存表中搜索要写的NAND页是否在MRAM中的读写缓存中，如果在读写缓存中，执行步骤￠);如果不在读写缓存中，执行步骤(3);
[0041](3)将写NAND页指令中的数据写入读写缓存的空闲缓存页中；
[0042](4)在缓存表中添加记录，记录中读写权重为写权重值，记录中读写时间为当前时间，是否已更新设置为已更新；
[0043](5)如果读写缓存中的空闲缓存页的数量小于第一预警值，清理读写缓存；否则，执行步骤⑶；
[0044](6)将写NAND页指令中的数据写入读写缓存中相应的缓存页中；
[0045](7)缓存页的读写权重加上写权重值，读写时间设置为当前时间，是否已修改设置为已修改；
[0046](8)写操作结束。
[0047]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:
[0048](I)MRAM包括读写缓存，读写MRAM比读写NAND快得多，因此能够提高固态硬盘的读写性能，同时减少了写NAND次数，延长了 NAND的寿命；
[0049](2)通过读写缓存中缓存页的读写权重，来判断缓存页是否留在读写缓存中，也就是将频繁操作的页保留在读写缓存中，从而提高固态硬盘的读写性能；
[0050](3)将读、写操作赋予不同的权重值，读权重值小于写权重值，由于写操作更影响写回NAND的次数，赋予写操作更高的权重值能够有效减小写回NAND的次数，从而延长NAND的寿命；
[0051](4)MRAM可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据，不再需要使用昂贵的、体积大的断电保护系统，降低了固态硬盘的成本，同时也降低了功耗。
[0052]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】
[0053]图1是现有技术中固态硬盘的结构示意图；
[0054]图2是混合使用DRAM和MRAM的固态硬盘的结构示意图；
[0055]图3是本发明的一个实施例的固态硬盘的结构示意图；
[0056]图4是图3所示的固态硬盘的读操作流程图；
[0057]图5是图3所示的固态硬盘的清理读写缓存的流程图；
[0058]图6是图3所示的固态硬盘的写操作流程图；
[0059]图7是本发明的另一个实施例的固态硬盘的结构示意图。
【具体实施方式】
[0060]如图3所示，本发明提供一种使用MRAM的固态硬盘，包括主控芯片、用于存储数据的一组NAND芯片以及MRAM，NAND芯片、MRAM分别与主控芯片连接，MRAM包括读写缓存以及缓存