DRAM与MRAM结合的固态硬盘及使用MRAM的存储卡

摘要

本发明提供一种DRAM与MRAM结合的固态硬盘，包括主机接口、主控芯片、DRAM、MRAM以及一个或多个NAND芯片，主控芯片包括CPU；NAND芯片存储逻辑物理地址对照表，系统开机时将NAND芯片中的逻辑物理地址对照表加载到DRAM，MRAM包括：写缓存或读写缓存与更新表，更新表用于存储逻辑物理地址对照表的更新记录。本发明还提供一种使用MRAM的存储卡。由于使用MRAM保存更新表，不再需要使用昂贵的、体积大的断电保护系统，就能够安全地存储逻辑物理地址对照表；如果发生断电，DRAM重新从NAND芯片加载逻辑物理地址对照表，开机的速度不受断电影响，是一个费效比很高的方案。

说明书

技术领域

本发明涉及存储设备，具体涉及一种DRAM与MRAM结合的固态硬盘及使用MRAM 的存储卡。

背景技术

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DDRDRAM(内存)，以及一个主控芯片(SSDController) 组成。有时候还需要断电保护系统。

在手机等设备中使用的存储卡(SD或MicroSD卡，eMMC)架构类似。只不过 用少量集成在控制芯片中的SRAM取代了DRAM芯片组。

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。

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芯片的容 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。

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芯片擦除太慢，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， 逻辑物理地址对照表是不断动态更新的。

逻辑物理地址对照表的大小正比于存储设备的总容量，存储在DDRDRAM里， 另外在NAND芯片中也有相应的备份信息。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。

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)，以提高整个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。因此必须同时使用昂 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。

关于MRAM：

MRAM是一种新的内存和存储技术，可以像SRAM/DRAM一样快速随机读写，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NORFlash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，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。

关于操作系统和软件：

如图2所示，手机与计算机的文件操作方式如下：

(1)应用软件向操作系统发出打开、关闭、读、写文件指令；

(2)操作系统中的文件系统部分把读、写文件的指令转化为读、写存储块的指 令；

(3)NAND驱动与管理软件接受读写存储块区的指令，进行缓存、写均衡等优 化，向芯片发出读写page，擦除block等指令。

在手机中，NAND驱动与管理软件通常作为与操作系统紧密相关的软件模块， 在主机芯片上运行；在计算机中，NAND驱动与管理软件通常在固态硬盘的主控芯 片上运行。

使用MRAM作为存储设备中的写缓存，既能提高写入速度，又能省掉断电保护 系统，当采用一些策略将经常进行写操作的NAND页尽量留在写缓存中，可以减少 写入NAND芯片的次数，延长产品的使用寿命。

然而逻辑物理地址对照表一旦丢失，后果也比较严重。通常NAND芯片内存有 逻辑物理地址对照表的备份信息，例如使用芯片提供给每一页的多余空间存储该页 对应的逻辑地址。但这样的备份信息需要对整个硬盘进行扫描才可以重建逻辑物理 地址对照表。重新开机后耗时很长。

而逻辑物理地址对照表很大时，不可能整个存储在MRAM中；而逻辑物理地址 对照表又是随时改变的。

按现在通用的算法，每发生一次写操作，都会有相应的逻辑物理地址对照表更 改，因此也不可能把它保存在NAND芯片中。

因而需要找到一个费效比更好的办法，既能够安全地存储逻辑物理地址对照 表，又能够在不使用备份电源的情况下，下次开机的速度不受断电影响。

发明内容

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DRAM与 MRAM结合的固态硬盘，既能够安全地存储逻辑物理地址对照表，又能够在不使用 备份电源的情况下，下次开机的速度不受断电影响。

如果使用速度快并且断电后保持内容的MRAM取代DRAM，固然可以安全地存储 逻辑物理地址对照表，同时下次开机的速度不受断电影响，但未来相当长一段时间 内，MRAM仍然会比DRAM贵很多，因此使用大量的MRAM同样会显著增加固态硬盘 的成本。

本发明在固态硬盘中，混合使用MRAM和DRAM，既能够保证安全地存储逻辑物 理地址对照表，下次开机的速度不受断电影响，又能够降低固态硬盘成本。

本发明还提供一种使用MRAM的存储卡。

本发明提供一种DRAM与MRAM结合的固态硬盘，包括主机接口、主控芯片、DRAM、 MRAM以及一个或多个NAND芯片，主控芯片包括CPU；NAND芯片存储逻辑物理地址 对照表，系统开机时将NAND芯片中的逻辑物理地址对照表加载到DRAM，MRAM包 括：

写缓存或读写缓存，按照与NAND芯片中NAND页同样大小的页组织起来；

更新表，用于存储逻辑物理地址对照表的更新记录。

本发明提供的固态硬盘，混合使用MRAM和DRAM，使用MRAM保存更新表，将 消耗内存最大的逻辑物理地址对照表保存在NAND芯片中，系统开机时将NAND芯片 中的逻辑物理地址对照表加载到DRAM，由于MRAM可以像Flash闪存一样在断电后 永久保留数据，因此不再需要使用昂贵的、体积大的断电保护系统，就能够安全地 存储逻辑物理地址对照表。

如果发生断电，DRAM中的逻辑物理地址对照表丢失，系统开机时，重新从NAND 芯片加载逻辑物理地址对照表，开机的速度不受断电影响。

由于不需要使用昂贵的、体积大的断电保护系统，使用MRAM保存更新表并不 需要很大的容量，能够大大降低了固态硬盘的成本，是一个费效比很高的方案。

进一步地，更新记录包括NAND页的逻辑地址与更新的物理地址。

进一步地，每一次向NAND芯片写入一个NAND页时，为NAND页选择一个新的 物理地址，如果更新表中存在NAND页的更新记录，则更新所述更新记录的物 理地址，否则向更新表中添加一条更新记录；CPU在读写操作时，使用DRAM中 的逻辑物理地址对照表与更新表进行地址翻译。

进一步地，每一次向NAND芯片写入一个NAND页时，为NAND页选择一个新的 物理地址，如果更新表中存在NAND页的更新记录，则更新所述更新记录的物 理地址，否则向更新表中添加一条更新记录；并更新DRAM中的逻辑物理地址对 照表，CPU在读写操作时使用DRAM中的逻辑物理地址对照表进行地址翻译。

进一步地，系统开机时将NAND芯片中的逻辑物理地址对照表加载到DRAM后， 使用更新表中的更新记录更新DRAM中的逻辑物理地址对照表。

进一步地，更新表中的更新记录的数目大于或等于设定值，使用更新记录更新 NAND芯片中的逻辑物理地址对照表，并删除更新记录。

进一步地，MRAM通过DRAM接口与主控芯片连接，或者MRAM集成在主控芯片 中，由于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，因而可以与主控芯片集成在一个芯片中，简化了 固态硬盘的结构。

本发明还提供一种使用MRAM的存储卡，包括主机接口、集成MRAM的主控芯 片以及NAND芯片，主控芯片包括CPU；NAND芯片存储逻辑物理地址对照表，MRAM 包括逻辑物理地址对照表缓存以及更新表，更新表用于存储逻辑物理地址对照 表的更新记录。

进一步地，每一次向NAND芯片写入一个NAND页时，为NAND页选择一个新的 物理地址，如果更新表中存在NAND页的更新记录，则更新更新记录的物理地 址，否则向更新表中添加一条更新记录；CPU在读写操作时使用更新表、MRAM 中的逻辑物理地址对照表缓存以及NAND芯片中的逻辑物理地址对照表进行地 址翻译。

进一步地，当需要将逻辑物理地址对照表缓存中的缓存页写回NAND芯片时， 检查缓存页中包括的每一条逻辑物理地址记录，是否在更新表中存在相应的更 新记录，如果存在，用更新记录更新逻辑物理地址记录，并删除更新表中更新 记录，再将更新后的缓存页写回NAND芯片。

与现有技术相比，本发明提供的DRAM与MRAM结合的固态硬盘及使用MRAM的 存储卡，具有以下有益效果：

(1)使用MRAM保存更新表，将消耗内存最大的逻辑物理地址对照表保存在 NAND芯片中，系统开机时将NAND芯片中的逻辑物理地址对照表加载到DRAM，由于 MRAM可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据，因此不再需要使用昂贵的、 体积大的断电保护系统，就能够安全地存储逻辑物理地址对照表；

(2)如果发生断电，DRAM中的逻辑物理地址对照表丢失，系统开机时，重新 从NAND芯片加载逻辑物理地址对照表，开机的速度不受断电影响；

(3)由于不需要使用昂贵的、体积大的断电保护系统，使用MRAM保存更新表 并不需要很大的容量，能够大大降低了固态硬盘的成本，是一个费效比很高的方案。

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

图1是现有技术中固态硬盘的结构示意图；

图2是本发明的一个实施例的DRAM与MRAM结合的固态硬盘的结构示意图；

图3是本发明的另一个实施例的使用MRAM的存储卡的结构示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明的一个实施例的DRAM与MRAM结合的固态硬盘，包括主机 接口、主控芯片、DRAM、MRAM以及一个或多个NAND芯片，主控芯片包括CPU；NAND 芯片存储逻辑物理地址对照表，系统开机时将NAND芯片中的逻辑物理地址对照表 加载到DRAM，MRAM包括：

写缓存或读写缓存，按照与NAND芯片中NAND页同样大小的页组织起来；

更新表，更新表用于存储逻辑物理地址对照表的更新记录。

更新记录包括NAND页的逻辑地址与更新的物理地址。

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。更新的物 理地址正是由于写均衡而更新的。

由于NAND芯片擦除太慢，一般修改一内容时，也就是对NAND页进行写操作， 并不是在原来的块区进行更新，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，因此就需要更新逻辑物理地址对照表。

每一次向NAND芯片写入一个NAND页时，为NAND页选择一个新的物理地址， 如果更新表中存在NAND页的更新记录，则更新所述更新记录的物理地址，否 则向更新表中添加一条更新记录；CPU在读写操作时，使用DRAM中的逻辑物理地 址对照表与更新表进行地址翻译。

具体地，CPU对一个NAND页进行读写操作：

(1)首先按照NAND页的逻辑地址在更新表中查找更新的物理地址，如果找到 更新记录，从该更新记录获取更新的物理地址如果未找到更新记录，从DRAM中的 逻辑物理地址对照表中获取物理地址；

(2)根据获取的物理地址，对NAND页进行读写操作。

更新表中的更新记录的数目大于或等于设定值，使用更新记录更新NAND芯片 中的逻辑物理地址对照表，并删除更新记录。

MRAM通过DRAM接口与主控芯片连接，或者MRAM集成在主控芯片中，由于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，因而可以与主控芯片集成在一个芯片中，简化了固态硬盘的结 构。

在另一个实施例中，与上述实施例的区别在于：每一次向NAND芯片写入一个 NAND页时，为NAND页选择一个新的物理地址，如果更新表中存在NAND页的更 新记录，则更新所述更新记录的物理地址，否则向更新表中添加一条更新记录； 并更新DRAM中的逻辑物理地址对照表，CPU在读写操作时使用DRAM中的逻辑物理 地址对照表进行地址翻译。

如果在更新所述更新表时，也更新了DRAM中的逻辑物理地址对照表，在进行 地址翻译时只需使用DRAM中的逻辑物理地址对照表。

系统开机时，将NAND芯片中的逻辑物理地址对照表加载到DRAM后，并使用更 新表中的更新记录更新DRAM中的逻辑物理地址对照表。

本发明提供的DRAM与MRAM结合的固态硬盘，使用MRAM保存更新表，将消耗 内存最大的逻辑物理地址对照表保存在NAND芯片中，系统开机时将NAND芯片中的 逻辑物理地址对照表加载到DRAM，由于MRAM可以像Flash闪存一样在断电后永久 保留数据，因此不再需要使用昂贵的、体积大的断电保护系统，就能够安全地存储 逻辑物理地址对照表；如果发生断电，DRAM中的逻辑物理地址对照表丢失，系统 开机时，重新从NAND芯片加载逻辑物理地址对照表，开机的速度不受断电影响； 由于不需要使用昂贵的、体积大的断电保护系统，使用MRAM保存更新表并不需要 很大的容量，能够大大降低了固态硬盘的成本，是一个费效比很高的方案。

如图3所示，本发明的另一个实施例的使用MRAM的存储卡，包括主机接口、 集成MRAM的主控芯片以及NAND芯片，主控芯片包括CPU；NAND芯片存储逻辑物 理地址对照表，MRAM包括逻辑物理地址对照表缓存以及更新表，更新表用于存 储逻辑物理地址对照表的更新记录。

每一次向NAND芯片写入一个NAND页时，为NAND页选择一个新的物理地址， 如果更新表中存在NAND页的更新记录，则更新更新记录的物理地址，否则向 更新表中添加一条更新记录。

CPU在读写操作时，使用更新表、MRAM中的逻辑物理地址对照表缓存以及 NAND芯片中的逻辑物理地址对照表进行地址翻译。

首先在更新表中查找是否存在NAND页的更新记录，如果存在，从该更新 记录中获得NAND页的物理地址，进行读写操作；如果不存在NAND页的更新记 录，在MRAM中的逻辑物理地址对照表缓存中查找是否存在NAND页的逻辑物理 地址记录，如果存在，从该逻辑物理地址记录中获得NAND页的物理地址，进 行读写操作；如果不存在，NAND芯片中的逻辑物理地址对照表中读取相应的页， 从中获得NAND页的物理地址，进行读写操作，并将相应的页缓存到MRAM中的 逻辑物理地址对照表缓存中。

当需要将逻辑物理地址对照表缓存中的缓存页写回NAND芯片时，首先检 查缓存页中包括的每一条逻辑物理地址记录，是否在更新表中存在相应的更新 记录，如果存在，用更新记录更新逻辑物理地址记录，并删除更新表中更新记 录，再将更新后的缓存页写回NAND芯片。

本发明提供的使用MRAM的固态硬盘，使用MRAM保存更新表，将逻辑物理地址 对照表保存在NAND芯片中，MRAM包括逻辑物理地址对照表缓存以及更新表，因 此不再需要使用断电保护系统，就能够安全地存储逻辑物理地址对照表，下次开机 的速度不受断电影响。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员 无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领 域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的 实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。