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CN109101186A - 数据储存装置与数据储存方法 - Google Patents

数据储存装置与数据储存方法 Download PDF

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CN109101186A
CN109101186A CN201710470906.3A CN201710470906A CN109101186A CN 109101186 A CN109101186 A CN 109101186A CN 201710470906 A CN201710470906 A CN 201710470906A CN 109101186 A CN109101186 A CN 109101186A
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data memory
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SHANGHAI FEIEN MICROELECTRONIC CO Ltd
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Abstract

本发明涉及一种数据储存装置与数据储存方法，包括至少一非挥发性存储器以及具有两阶层架构的控制器。两阶层架构包括耦接主机的前端以及耦接非挥发性存储器的后端。控制器包括指令处理器以及至少一非挥发性存储器控制器。指令处理器配置于前端，并且与主机进行沟通，以及依据来自主机的外部指令对数据储存装置的运作进行排程。非挥发性存储器控制器，配置于后端，依据指令处理器的排程而控制非挥发性存储器。

Description

数据储存装置与数据储存方法
技术领域
本发明有关于一种数据储存装置与数据储存方法，特别有关于一种具备可扩充性的数据储存装置与数据储存方法。
背景技术
快闪存储器为一种普遍的非挥发性数据储存装置，是以电性方式抹除与程序化。以与非门型的快闪存储器(NAND FLASH)为例，常用作记忆卡(memory card)、通用串行总线闪存装置(USB flash device)、固态硬碟(SSD)、嵌入式快闪存储器模组(eMMC)、通用快闪存储器(UFS)…等使用。
然而，当需要写入较大量的数据、或是需要高速的数据吞吐流量时，原本的数据储存装置可能会不敷使用而需要扩充。举例而言，上述扩充包括增加储存容量或是处理器等。如何快速并且有效率地进行扩充，就成为数据储存领域的一项重要课题。因此，需要一种能够快速并且方便扩充的数据储存装置与数据储存方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种数据储存装置与数据储存方法，能够快速并且方便扩充数据储存装置以符合数据存取的需求。
详细而言，本发明的数据储存装置包括至少一非挥发性存储器以及具有两阶层架构的控制器。两阶层架构包括耦接一主机的一前端以及耦接非挥发性存储器的一后端。本发明的数据储存装置可随着非挥发性存储器的增加而对应地进行扩充。无论数据储存装置在后端扩充与增加多少个控制器，前端的配置皆维持不变。换言之，前端的每个元件的数量都没有增加。因此，藉由本发明所提供的两阶层架构的控制器，能够在不变更前端的情况下，依据需求增加后端的控制器的配置。此外，每个控制器的组成与配置都是相同的，不需要为了扩充而重新设计。因此，本发明的两阶层架构的数据储存装置与数据储存方法，提供了方便且快速的可扩充性。
本发明的一实施例提供了一种数据储存装置，包括至少一非挥发性存储器以及具有两阶层架构的控制器。两阶层架构包括耦接主机的一前端(Front End)以及耦接非挥发性存储器的后端(Back End)。指令处理器，配置于前端，并且与主机进行沟通，以及依据来自主机的符合第一通信协议的外部指令对数据储存装置的运作进行排程；至少一非挥发性存储器控制器，配置于后端，依据指令处理器的排程而將符合第一通信协议的外部指令轉化成符合第二通信协议的读写指令，並依據读写指令控制非挥发性存储器的運作。
关于本发明其他附加的特征与优点，此领域的熟悉本技术领域者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可根据本发明实施方法中所揭示的数据储存装置与数据储存方法。
附图说明
根据以下的详细说明并配合所图做完整揭示。应注意的是，根据本产业的一般作业，图示并未必按照比例绘制。事实上，可能任意的放大或缩小元件的尺寸，以做清楚的说明。
图1是显示根据本发明一实施例所述的数据储存装置与主机的示意图；
图2是显示根据本发明另一实施例所述的数据储存装置与主机的示意图。
符号说明
100A、100B～数据储存装置；
102A、102B～控制器；
104～主机；
106～总线介面；
108～指令协议控制器；
BE～后端；
BEP1-BEP2～非挥发性存储器控制器；
CmdP～指令处理器；
FE～前端；
NVM1、NVM2～非挥发性存储器；
VM1、VM2～挥发性存储器；
VMCon1、VMCon2～挥发性存储器控制器。
具体实施方式
为让本发明的目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出本发明的具体实施例，并配合附图，作详细说明如下。目的在于说明本发明的精神而非用以限定本发明的保护范围，应理解下列实施例可经由软件、硬件、固件、或上述任意组合来实现。
数据储存装置所采用的非挥发性存储器(non-volatile memory，简称NVM)有多种形式─例如，快闪存储器(flash memory)、磁阻式随机存取存储器(MagnetoresistiveRAM)、铁电随机存取存储器(Ferroelectric RAM)、电阻式存储器(Resistive RAM，RRAM)、自旋转移力矩随机存取存储器(Spin Transfer Torque-RAM，STT-RAM)…等，用于长时间数据保存。为了提升主机与数据储存装置之间的数据流量(throughput)，本发明以两阶层架构实现数据储存装置的控制器。
图1是显示根据本发明一实施例所述的数据储存装置100A与主机104的示意图。数据储存装置100A是符合嵌入式快闪存储器(eMMC，embedded MultiMediaCard)、通用快闪存储器(UFS，Universal Flash Storage)、NVMe(Non-Volatile Memory express，非挥发性存储器快捷)，ATA(Advanced Technology Attachment，先进技术附件)、PATA(ParallelATA)、SATA(Serial ATA)，SCSI(Small Computer System Interface，小型电脑系统介面)规范。在下述说明中，将以NVMe规范为例进行说明，但不以此为限。主机104可以为手机、平板电脑、笔记型电脑、导航机或车载系统等各种电子产品。如第1图所示，数据储存装置100A包括一控制器102A、挥发性存储器VM1、以及非挥发性存储器NVM1。详细而言，挥发性存储器VM1作为非挥发性存储器NVM1的运作所需的数据暂存空间。挥发性存储器VM1可以是内建或外接于控制器102A。
在一实施例中，控制器102A分为前端FE(front end)以及后端BE(back end)。前端FE负责数据储存装置100A与主机104的沟通。后端BE负责控制非挥发性存储器NVM1的运作，使得主机104可以对非挥发性存储器NVM1进行数据的写入或读取。如此两阶层架构使得主机104以及数据储存装置之间的数据通讯被专责进行(前端FE)，主机104与数据储存装置100A之间的数据吞吐量(throughput)因而显著提升，更可降低前端FE以及后端BE除错的复杂度。
如图1所示，主机104透过总线介面106连结数据储存装置100A。经指令协议控制器108，主机104下达的符合NVMe规范的指令(以下简称为外部指令)将由指令处理器(commandprocessor)CmdP排程，再交由后端BE处理。换言之，指令处理器CmdP藉由总线介面106与主机104进行沟通，可简化且加速数据储存装置100A与主机104的沟通，指令处理器CmdP依优先权的设定或接收的先后顺序来对外部指令进行排程。
在一实施例中，总线介面106可为eMMC、UFS、PCIE介面。指令协议控制器108除了是符合NVMe规范之外，亦可以符合ATA(advanced technology attachment，先进技术附件)、PATA(Parallel ATA)、SATA(Serial ATA)，SCSI(Small Computer System Interface，小型电脑系统介面SCSI)、eMMC或UFS等规范。在另一实施例中，指令协议控制器108具有加密机制，能够对主机104所传送的数据进行加密，然后再将加密后的数据藉由总线传送或分配至后端BE。举例而言，上述加密机制包括、进阶加密标准(Advanced Encryption Standard，AES)、或是RSA加密演算法。除了加密机制之外，指令协议控制器108更具有检验机制以检验数据的正确性，上述检验机制较佳为安全杂凑机制(Secure Hash Algorithm，SHA)。
在一实施例中，前端FE与后端BE之间具有一高速数据总线。高速数据总线可为串行或并行数据总线，例如可扩展接口(Advanced eXtensible Interface，AXI)数据总线，使前端FE与后端BE可进行通信。前端FE与后端BE内部较佳具有总线控制器或总线仲裁器，以协调高速数据总线的运作或资源的分配。前端FE所输出的外部指令传送或分配至后端BE，并交由后端BE的元件处理。如图1所示，基于接收到的外部指令，非挥发性存储器控制器BEP1藉由挥发性存储器控制器VMCon1操作挥发性存储器VM1，以暂存非挥发性存储器控制器BEP1所收到的外部指令。然后，非挥发性存储器控制器BEP1再将外部指令转化成读写指令，并于适当的时间点依据读写指令对非挥发性存储器NVM1执行读/写的操作。在另一实施例中，非挥发性存储器控制器BEP1会直接将外部指令转化成读写指令，再将读写指令暂存于挥发性存储器控制器VMCon1所操作的挥发性存储器VM1，再于适当的时间点依据读写指令对非挥发性存储器NVM1执行读/写的操作。
本发明双阶层的控制器具备多处理器(包括指令处理器CmdP、非挥发性存储器控制器BEP1、以及挥发性存储器控制器VMCon1)。处理器之间可采多处理器间沟通机制，例如：邮箱(mailbox)机制，以协调多处理器之间的运作。
图2系显示根据本发明另一实施例所述的数据储存装置100B与主机104的示意图。由于具有二套后端BE，因此，数据储存装置100B理论上可以提供二倍于数据储存装置102A的数据储存量。详细而言，在图2所示的数据储存装置100B中，非挥发性存储器NVM1以及NVM2的储存容量为相同或等比例。图2的实施例中数据乃分流(相同或等比例)至非挥发性存储器NVM1以及NVM2中，所以，数据存取所需的时间可有效地降低，增加数据储存装置100B的整体效能，也佐证高数据吞吐量的可行。
在一种实施方式中，非挥发性存储器NVM1以及NVM2为快闪存储器。挥发性存储器VM1以及VM2可为动态随机存取存储器(DRAM)。此外，数据储存装置100B具有对应非挥发性存储器NVM1以及NVM2数量的挥发性存储器VM1以及VM2、非挥发性存储器控制器BEP1以及BEP2、挥发性存储器控制器VMCon1以及VMcon2。
如图2所示，控制器102B用以控制二个控制器102A所控制的后端BE，例如，第一个后端BE包括非挥发性存储器NVM1与挥发性存储器VM1，第二个后端BE包括非挥发性存储器NVM2与挥发性存储器VM2。详细而言，除了控制器102A所包括的挥发性存储器控制器VMCon1、以及非挥发性存储器控制器BEP1，控制器102B还包括挥发性存储器控制器VMCon2、以及非挥发性存储器控制器BEP2。
要注意的是，基于非挥发性存储器NVM1与NVM2的配置方式，控制器102B的配置亦相同或对应于控制器102A的配置。当非挥发性存储器NVM2的储存容量相等于非挥发性存储器NVM1的储存容量时，则非挥发性存储器控制器BEP1的配置相同于非挥发性存储器控制器BEP2的配置。当非挥发性存储器NVM2的储存容量大于非挥发性存储器NVM1的储存容量时，则控制器102B可能需要配置性能更优越的控制器(亦即挥发性存储器控制器VMCon2以及非挥发性存储器控制器BEP2)，以提升存取较大容量的非挥发性存储器NVM2的速度，使其存取速度与较小容量的非挥发性存储器NVM1的存取速度是一致的。例如，外部指令所对应的逻辑区块地址(Logical Block Address，LBA)的值为#0，#2，#4，#6。非挥发性存储器NVM2的储存容量相等于非挥发性存储器NVM1的储存容量时，则对应至LBA#0及#4的外部指令传送至非挥发性存储器控制器BEP1，对应至LBA#2及#6的外部指令传送至非挥发性存储器控制器BEP2，使非挥发性存储器控制器BEP1与非挥发性存储器控制器BEP2的负载能平均。相反地，如果非挥发性存储器NVM2的储存容量大于非挥发性存储器NVM1的储存容量时，则对应至LBA#2的外部指令传送至非挥发性存储器控制器BEP1，对应至LBA#0，#4及#6的外部指令传送至非挥发性存储器控制器BEP2，让具有较大储存容量的非挥发性存储器NVM2储存或读取较多的数据。
在一实施例中，非挥发性存储器NVM1的储存容量相等于非挥发性存储器NVM2的储存容量。在另一实施例中，非挥发性存储器NVM1与NVM2可作为容错式磁碟阵列(RedundantArray of Independent Disks，简称RAID)，以提升数据可靠性以及增加数据储存装置100B的读写效能。在第一种RAID模式中，非挥发性存储器NVM1与NVM2为镜像对映，并且非挥发性存储器NVM1所储存的数据与非挥发性存储器NVM2所储存的数据是相同的。在第二种RAID模式中，非挥发性存储器NVM1与NVM2分别储存数据。在第三种RAID模式中，非挥发性存储器NVM1与NVM2分别储存数据，其中，非挥发性存储器NVM2除了数据之外，更储存非挥发性存储器NVM1与NVM2的数据的RAID校验码(parity code)。另外，RAID校验码除了可固定地储存于非挥发性存储器NVM2之外，亦可轮流地储存于非挥发性存储器NVM1～2中。数据储存装置100B可提供多种RAID模式供使用者选择。
要注意的是，非挥发性存储器NVM1/NVM2与该非挥发性存储器控制器BEP1/BEP2之间具有多个通道(channel)，并且非挥发性存储器控制器BEP1/BEP2将需要存取的数据平均分配给上述通道，以进行与非挥发性存储器NVM1/NVM2之间的数据的写入或读取。举例而言，在上述实施例中，非挥发性存储器NVM1与非挥发性存储器控制器BEP1具有4个通道，则非挥发性存储器控制器BEP1将4笔数据分别透过4个通道传送或分配至非挥发性存储器NVM1。相较于将4笔数据全都透过1个通道进行传输，本发明的平均分配给每个通道能够提升数据的传输效率，避免延迟的发生。要注意的是，上述通道数量以及数据传送或分配系作为例示之用，而非用以限制本发明。本领域所述技术人员配置其他数量的通道与数据的分配亦不脱离本发明的精神与范畴。
要注意的是，前端FE的数量与后端BE的数量无直接相关，前端FE的数量较佳与总线介面106的频宽直接相关，后端BE的数量较佳与总线介面106的频宽、后端BE的频宽及非挥发性存储器的存取速度直接相关。非挥发性存储器的存取速度较慢，是数据储存装置100A～B的系统效能的瓶颈。前端FE的数量小于后端BE的数量，后端BE的数量较佳是前端FE的数量的偶数倍。因此，藉由本发明所提供的两阶层架构的控制器102A～B，能够在不变更前端FE的情况下，依据使用者对于系统效能的需求来增加后端BE的控制器的配置。此外，每个后端BE的控制器的组成与配置基本上都是相同的，因此，后端BE的控制器的配置可轻易完成，满足各种使用者的需求。
本发明的方法，或特定型态或其部份，可以以程序码的型态存在。程序码可储存于实体媒体，如软碟、光碟片、硬碟、或是任何其他机器可读取(如电脑可读取)储存媒体，亦或不限于外在形式的电脑程序产品，其中，当程序码被机器，如电脑载入且执行时，此机器变成用以参与本发明的装置。程序码也可透过一些传送媒体，如电线或电缆、光纤、或是任何传输型态进行传送，其中，当程序码被机器，如电脑接收、载入且执行时，此机器变成用以参与本发明的装置。当在一般用途处理单元实作时，程序码结合处理单元提供一操作类似于应用特定逻辑电路的独特装置。
在本说明书以及申请专利范围中的序数，例如"第一"、"第二"、"第三"等等，彼此之间并没有顺序上的先后关系，其仅用于标示分割两个具有相同名字的不同元件。本发明说明书中"耦接"一词泛指各种直接或间接的电性连接方式。本发明虽以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉本技术领域者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求书界定为准。

Claims (12)

1.一种数据储存装置，包括：
至少一非挥发性存储器；以及
具有两阶层架构的控制器，其中该两阶层架构包括耦接一主机的一前端以及耦接该非挥发性存储器的一后端，该控制器包括：
一指令处理器，配置于该前端，并且与该主机进行沟通，以及依据来自该主机的符合一第一通信协议的一外部指令对该数据储存装置的运作进行排程；以及
至少一非挥发性存储器控制器，配置于该后端，依据该指令处理器的该排程而将符合该第一通信协议的该外部指令转化成符合一第二通信协议的一读写指令，并依据该读写指令控制该非挥发性存储器的运作。
2.如权利要求1所述的数据储存装置，其特征在于，该非挥发性存储器与该非挥发性存储器控制器之间具有多个通道，并且该非挥发性存储器控制器将需要存取的数据分配给这些通道，以进行与该非挥发性存储器之间的数据的写入或读取。
3.如权利要求1所述的数据储存装置，其特征在于，该控制器还包括：
一指令协议控制器，配置于该前端，用以支援该数据储存装置的指令协议。
4.如权利要求1所述的数据储存装置，其特征在于，该指令协议控制器更对来自该主机的数据进行加密。
5.如权利要求1所述的数据储存装置，其特征在于，该至少一非挥发性存储器包括一第一非挥发性存储器及一第二非挥发性存储器，至少一非挥发性存储器控制器包括一第一非挥发性存储器控制器及一第二非挥发性存储器控制器。
6.如权利要求5所述的数据储存装置，其特征在于，该指令处理器交错地将该外部指令传送或分配至该第一非挥发性存储器控制器以及该第二非挥发性存储器控制器。
7.如权利要求6所述的数据储存装置，其特征在于，该第一非挥发性存储器控制器或该第二非挥发性存储器控制器将该外部指令转化成一读写指令，并且该第一非挥发性存储器控制器或该第二非挥发性存储器控制器依据该读写指令对该第一非挥发性存储器或该第二非挥发性存储器执行存取操作。
8.如权利要求6所述的数据储存装置，其特征在于，该第一非挥发性存储器与该第二非挥发性存储器构成一容错式磁碟阵列。
9.如权利要求6所述的数据储存装置，其特征在于，该第一非挥发性存储器所储存的数据相同于该第二非挥发性存储器所储存的数据。
10.如权利要求6所述的数据储存装置，其特征在于，该第一非挥发性存储器所储存的数据不相同于该第二非挥发性存储器所储存的数据。
11.如权利要求6所述的数据储存装置，其特征在于，该第一非挥发性存储器所储存的数据不相同于该第二非挥发性存储器所储存的数据，且该第二非挥发性存储器更储存该第一以及该第二非挥发性存储器所储存的数据的校验码。
12.如权利要求1所述的数据储存装置，其特征在于，该指令处理器根据该外部指令的一逻辑地址(LBA)对该数据储存装置的运作进行排程。
CN201710470906.3A 2017-06-20 2017-06-20 数据储存装置与数据储存方法 Withdrawn CN109101186A (zh)

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