一种坏块管理方法、系统及数据存储设备与流程

1.本发明属于存储技术领域，特别涉及一种坏块管理方法、系统及数据存储设备。


背景技术：

2.数据存储设备中设置有闪存块，其具有读写速度快，低功耗，无噪音，抗震动，低热量，体积小，工作范围大，广泛应用于军事、车载、工控、视频监控、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空等、导航设备等领域。
3.闪存块具有一定的寿命，一些闪存块在出厂时即为坏块，一些闪存块当擦写次数过多时，会出现永久性损伤，形成坏块。当出现坏块时，需要使用其他的闪存块替换坏块，且坏块与替换的闪存块之间存在对应的替换关系表。但坏块与替换的闪存块的替换关系表占据存储空间较多，且查询坏块替换的闪存块时，时间较长。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种坏块管理方法、系统及数据存储设备，通过本发明提供的坏块管理方法、系统及数据存储设备，可提高查询坏块的替换闪存块的速率，并可减少替换关系表的存储空间。
5.为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
6.本发明提供一种坏块管理方法，其至少包括：
7.扫描存储系统，获取所存储系统内闪存块的状态；
8.建立坏块与其替换闪存块的映射表，且将坏块的第一索引编号通过压缩映射，作为所述映射表的索引编号；
9.将所述坏块的所述替换闪存块的第二索引编号储存在所述映射表内；以及
10.当所述映射表的索引编号重复时，建立二元树表，并在二元树表的节点中存储所述第一索引编号和对应的所述第二索引编号。
11.可选的，所述坏块管理方法还包括还建立闪存块位图，以存储所述闪存块的状态。
12.可选的，所述映射表为散列表，所述第一索引编号通过所述散列算法获取的所述索引编号，为所述散列表的关键值。
13.可选的，当所述索引表号重复时，将所述第二索引编号存储在所述散列表内，作为所述散列表的散列地址。
14.可选的，当所述索引表号未重复时，在所述散列地址处标记出现碰撞，并在碰撞处建立二元树表。
15.可选的，在建立所述映射表前，所述坏块管理方法还包括：分析多个闪存块位图，获取散列算法。
16.可选的，所述二元树表为自平衡二叉查找树，所述自平衡二叉查找树的节点中存储所述第一索引编号和对应的所述第二索引编号。
17.可选的，所述坏块管理方法还包括：
18.在所述闪存块位图中查询所述闪存块的状态；
19.当所述闪存块为坏块时，将所述坏块的所述第一索引编号通过压缩映射，获取所述映射表的索引编号；以及
20.通过所述映射表的索引编号，在所述映射表内查询所述坏块对应的所述替换闪存块。
21.可选的，通过所述映射表的索引编号，在所述映射表内查询所述坏块对应的所述替换闪存块包括以下步骤：
22.当所述映射表的索引编号未发生碰撞时，获取所述映射表的索引编号对应的所述第二索引编号，并使用所述第二索引编号对应的所述替换闪存块替换所述坏块；以及
23.当所述映射表的索引编号发生碰撞时，在所述二元树表中依次搜索所述第一索引编号，并获取所述第一索引编号对应的所述第二索引编号，并将所述第二索引编号对应的所述替换闪存块替换所述坏块。
24.本发明还提供一种坏块管理系统，包括：
25.闪存块位图建立单元，用于扫描存储系统，获取所存储系统内闪存块的状态；
26.映射表建立单元，用于建立坏块与其替换闪存块的映射表，且将坏块的第一索引编号通过压缩映射，作为所述映射表的索引编号，将所述坏块的所述替换闪存块的第二索引编号储存在所述映射表内；以及
27.二元树表建立单元，用于当所述映射表的索引编号重复时，建立二元树表，并在二元树表的节点中存储所述第一索引编号和对应的所述第二索引编号。
28.本发明还提供一种数据存储设备，所述数据存储设备上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述坏块管理方法。
29.如上所述本发明提供的一种坏块管理方法、系统及数据存储设备，通过建立闪存块位图，显示每个闪存块的状态。通过映射变和二元树表，存储每个闪存块的替换闪存块信息。本发明提供的坏块管理方法、系统及数据存储设备，可在降低存储空间的同时，提高查询坏块的替换闪存块的速率。
30.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为一种数据存储设备与主机结构示意图。
33.图2为一种固态硬盘容量结构示意图。
34.图3为一种第一类型替换关系表示意图。
35.图4为一种第二类型替换关系表示意图。
36.图5为一种坏块信息的存储方法流程图。
37.图6为一种闪存块位图。
38.图7为一种映射表示意图。
39.图8为一种二元树表示意图。
40.图9为一种坏块信息的查询方法。
41.图10为一种坏块信息的存储模块示意图。
42.图11为一种坏块信息的查询模块示意图。
43.图12为一种计算机可读存储介质的框图。
44.图13为一种电子设备的结构原理框图。
45.表1为除留余数法获取的键值与经过折叠法的除留余数法获取的键值对应表。
具体实施方式
46.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
47.请参阅图1所示，在本发明一实施例中，数据存储设备例如可以固态硬盘(solid state disk，ssd)，固态硬盘20是一种以半导体闪存作为介质的存储设备。和传统机械硬盘不同，固态硬盘20以半导体存储数据，用纯电子电路实现，没有任何机械设备。数据存储设备经由接口及电源线与主机200(例如信息处理装置)连接，其中，主机200例如由个人计算机、cpu核或者与网络连接的服务器等构成。用户在主机10的操作系统的应用层面对固态硬盘20发出请求，文件系统101将读写请求经底层驱动102转化为相应的符合协议的读写和其他命令，固态硬盘20通过固态硬盘接口201收到命令后执行相应的操作，然后输出结果。固态硬盘20的输入是命令，输出是数据和命令状态，固态硬盘接口201接收用户命令请求，经过内部计算和处理逻辑，输出用户所需要的数据或状态。
48.请参阅图1所示，在本发明一实施例中，固态硬盘20主要包括固态硬盘接口201、闪存转换层(flash translation layer，ftl)202、闪存块接口203以及存储系统209，其中，存储系统209中例如为多个闪存块204。在固态硬盘20的前端，即固态硬盘接口201接收主机10发来的命令和相关数据，命令经固态硬盘20处理后，再由固态硬盘接口201返回命令状态或数据给主机10。固态硬盘接口201例如为sata、sas和pcie等接口与主机10相连，实现对应的ata、scsi和nvme等协议。当主机10通过接口发送写命令给固态硬盘20，固态硬盘20接收到该命令后执行，并接收主机10要写入的数据。数据一般会先缓存在固态硬盘20内部的随机存取存储器(random access memory，ram)中，闪存转换层202会为每个逻辑数据块分配一个闪存地址，当数据凑到一定数量后，闪存转换层202便会发送写闪存请求给后端，后端根据写请求，把随机存取存储器中的数据写到对应的闪存块204中。
49.请参阅图1所示，在本发明一实施例中，固态硬盘20为主机10发送来的数据块分配任何可能的闪存块204写入。闪存转换层202中设置有地址转换系统206，可完成逻辑数据块到闪存物理空间的转换或者映射。同时，闪存转换层202中还具有擦除无效数据的垃圾回收系统207，随着用户数据的不断写入，闪存块204内会产生垃圾数据(无效数据)，垃圾数据会占用闪存块204的空间，当闪存块204可用空间不够时，闪存转换层202中的垃圾回收系统207可做垃圾回收，即把若干个闪存块204上的有效数据搬出，写到某个新的闪存块204，然后把这些之前的闪存块204擦除，得到可用闪存块。闪存转换层202中还包括保证每个闪存
块204均衡写入的磨损平衡系统208，以及实现坏块管理的坏块管理系统205。其中，坏块管理系统205可实现存储系统209中的坏块管理。
50.请参阅图1至图2所示，在本发明一实施例中，固态硬盘20的底层设置有多个通道，每个通道连接有多个闪存块204。其中，部分闪存块204为用户空间301，在写入数据时，可在用户空间301内按照闪存块的物理地址依次写入。在每个通道中，还将部分闪存块204作为预留空间300，预留空间300中的闪存块可作为坏块303的替换闪存块304，也可以在垃圾回收时，存储与有效数据。且预留空间300与用户容量301之和即为固态硬盘裸容量302。
51.请参阅图1至图2所示，在本发明一实施例中，存储系统209中存在一些坏块303，部分是固态硬盘20出厂时，即存在出厂坏块。且在固态硬盘20的使用过程中，当闪存块204的擦写次数过多时，可能导致闪存块出现永久性损伤，出现增长坏块。当固态硬盘20中出现坏块303时，需要时使用其他可正常使用的闪存块作为坏块303的替换闪存块304。即当固态硬盘20需要读取或者写入坏块时，读取或者写入的为坏块303的替换闪存块304。
52.请参阅图1至图2所示，当坏块303有替换闪存块304时，坏块303与替换闪存块304之间设置有替换关系表。在本发明一实施例中，请参阅图2所示，固态硬盘裸容量302例如包括1100个闪存块，其中，预留空间300例如包括100个闪存块，用户容量301例如包括1000个闪存块，且在用户容量301中，坏块303的数量例如为50个。在坏块303与替换闪存块304的替换关系表中，存储每个闪存块信息、坏块信息、和替换闪存块信息均需要例如2byte。且闪存块信息、坏块信息与其替换闪存块信息例如为每个闪存块204索引编号，包括正常的闪存块204、坏块303和替换闪存块304的索引编号，且可根据所述索引编号可以获取对应闪存块的位置。在本实施例中，闪存块的索引编号(index of all blocks，iab)例如为闪存块的物理地址。
53.请参阅图3所示，在一些实施例中，提供第一类型替换关系表，第一类型替换关系表中包括坏块信息以及对应的替换闪存块信息，且坏块信息与替换闪存块信息对应设置。则本实施例中，第一类型替换表需要的存储空间为200byte。且在第一类型替换关系表中，查询某一坏块204的替换闪存块304时，最少需要搜寻1次，即第一类型替换关系表的第一个坏块信息即为需要查询的坏块，最多需要搜寻50次，即第一类型替换关系表中的最后一个坏块信息为需要查询的坏块。
54.请参阅图4所示，在其他实施例中，还提供一种第二类型替换关系表，第二类型替换关系表包括完整的闪存块信息以及坏块的替换闪存块信息。当闪存块为可正常使用的闪存块时，第二类型替换关系表中即存储对应位置的闪存块信息，当闪存块为坏块时，第二类型替换关系表中即存储坏块对应的替换闪存块信息。在本实施例中，第二类型替换关系表需要的存储空间为2000byte，且在第二类型替换关系表中，查询某一坏块的替换闪存块信息，即只需查询对应位置的替换闪存块信息即可，即查询每个坏块的替换闪存块信息时，只需要搜寻1次。
55.请参阅图1、图2、图5至图8所示，在本发明一实施例中，替换关系表包括映射表401和二元树表402。与之对应的，本发明提供的数据存储设备为一种计算机可读存储设备，数据存储设备上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明所述坏块管理方法。本发明提供的坏块管理方法，实现坏块的管理。且在本实施例中，所述坏块管理方法包括坏块信息的存储方法以及坏块信息的查询方法。其中，坏块信息的存储方法包括
以下步骤：
56.s11、扫描存储系统，并获取闪存块位图。
57.s12、建立坏块与替换闪存块的映射表。
58.s13、当映射表的索引编号重复时，建立二元树表。
59.请参阅图1、图5和图6所示，在本发明一实施例中，在固态硬盘20首次上电运行时，执行步骤s10，可通过扫描存储系统209，获取每个闪存块204的状态，并建立闪存块位图400。如图6所示，闪存块位图400显示存储系统中每个闪存块204的状态，具体显示每个闪存块204为可正常使用的闪存块或坏块。在本实施例中，在闪存块位图400中，当闪存块204为可正常使用的闪存块时，例如标记为1，当闪存块204为坏块时，例如标记为0。闪存块位图400中例如还存储有每个闪存块204的物理地址，以方便查询到对应的闪存块204。且闪存块位图400的排布与存储系统209中闪存块204的排布相同。闪存块位图400中还存储有每个闪存块204对应的索引编号，通过每个闪存块204的索引编号可以查找闪存块所在的位置。且在本技术中，为方面描述，将坏块303的索引编号定义为第一索引编号，替换闪存块304的索引编号定义为第二索引编号。
60.请参阅图5至图7所示，在本发明一实施例中，在获取闪存块位图400后，建立坏块303与替换闪存块304的映射表401。在本技术中，映射表401为一种散列表，散列表中包括散射地址和键值，可通过键值查找对应的散列地址。在本实施例中，每个替换闪存块的索引编号(replaced index of all blocks，rpiab)为散列表的散列地址，即第二索引编号为散列地址，且将散列表的键值(key)例如定义为第三索引编号，则第三索引编号为第一索引编号通过压缩映射获得。在本实施例中，例如将坏块的第一索引编号通过散列算法，获取第三索引编号。其中，散列算法可包括直接寻址法、数字分析法、平方取中法、折叠法、随机数法、除留余数法等方法中的一种或多种。在应对实际的固态硬盘中，可根据存储系统209中坏块303的分部，选取多个算法中的一个或多个，在保证每个碰撞(collision)处，二元树表402的高度均匀设置的条件下，碰撞数量尽可能小。
61.请参阅图5所示，本技术中的散列算法主要包括例如数字分析法、折叠法以及除留余数法。在本发明一具体实施例中，在建立映射表401前，还可以分析多个闪存块位图400，获取散列算法。因同一批生产的固态硬盘20具有相似的特性，导致同一批生产的固态硬盘20中坏块303的分部具有相似性，故可对同一批生产的固态硬盘20的闪存块位图400进行数字分析，以获取散列算法中的其他算法。
62.请参阅图2和图6所示，在本发明一实施例中，坏块204的物理地址例如为0x5、0x9、0xa、0xd、0x15以及0x1d。在本实施例中，通过对多个闪存块位图400进行数字分析后，设定可容纳的键值数量最多例如为8个，可先通过折叠法处理坏块的物理地址，再通过除留余数法获取第三索引编号。其中，在本实施例中，经过数字分析限后选定的折叠法例如为将坏块的物理地址向右移两位，再通过除留余数法例如为对8取余获取第三索引编号。且本实施未设置折叠法(no folding addition，no fa,)，直接通过除留余数法获取的第三索引编号，以及设置折叠法法(folding addition，fa)，再通过除留余数法获取的第三索引编号具体结果如表1所示。
63.表1除留余数法与经过折叠法的除留余数法获取的键值对应表
64.iabno fa key(iab％8)fa key((iab》》2)％8)
0x5510x9130xa250xd570x15520x1d52
65.请参阅表1所示，不做数字分析且未设置折叠法(no folding addition，no fa)，只通过除留余数法获得的第三索引编号在同一键值处具有例如4个碰撞，且发生碰撞的键值例如为5。而经过设置数字分析法分析，再通过除留余数法获得的第三索引编号在同一键值处具有例如2个碰撞，且发生碰撞的键值例如为2。在其他实施例中，可根据具体坏块的位置经过数字分析法确定具体散列算法。在本实施例中，经过数字分析后，通过折叠法处理，使得最终通过除留余数法获得键值产生碰撞的数量大大降低。
66.请参阅图1、图2、图5至图8所示，在本发明一实施例中，在建立散列表时，例如首先获取坏块204的第一索引编号，并将第一索引编号通过预设的散列算法，获取第三索引编号，即为散列表的关键值。获取第三索引编号后，将该坏块204对应的替换闪存块304的第二索引标号存储在散列表中，作为关键值对应的散射地址。在本实施例中，当通过预设的散列算法获取的第三索引编号未出现碰撞时，即第三索引编号未重复时，可直接将坏块204对应的替换闪存块304的第二索引标号存储在散列表中。当通过预设的散列算法获取的第三索引编号出现碰撞时，即第三索引编号重复时，将坏块204对应的散列地址处标记出现碰撞，并在碰撞处建立二元树表402。在本实施例中，如图8所示，二元树表402例如为一种自平衡二叉查找树，例如为avl树(avl tree)。例如以第一索引编号为节点建立avl树，且在每个节点中，第一索引编号有其对应的第二索引编号。且在avl树中，每新增一个节点时，根据avl树的规则做一次树的平衡，将子树的高度差平衡至1。当完成所有的坏块以及其对应的替换闪存块304的保存后，即可获取所需的二元树表402。
67.请参阅图1至图9所示，在本发明一实施例中，在完成闪存块位图400、映射表401以及二元树表402的建立后。在固态硬盘20需要读取或写入存储系统209时，坏块信息的查询方法包括以下步骤：
68.s21、在闪存块位图中查询闪存块的状态。
69.s22、判断闪存块是否为坏块。
70.s23、当闪存块为可正常使用的闪存块时，直接进行读取或写入。
71.s24、当闪存块为坏块时，将坏块的第一索引编号通过压缩映射，获取所述第三索引编号。
72.s25、判断第三索引编号是否发生碰撞。
73.s26、当第三索引编号未发生碰撞时，获取第三索引编号对应的第二索引编号，并使用第二索引编号对应的替换闪存块替换坏块。
74.s27、当第三索引编号发生碰撞时，在二元树表中依次搜索第一索引编号，并获取第一索引编号对应的第二索引编号，并将第二索引编号对应的替换闪存块替换坏块。
75.请参阅图1至图8所示，在本发明一实施例中，当固态硬盘裸容量302例如包括1100个闪存块，其中，预留空间300例如包括100个闪存块，用户容量301例如包括1000个闪存块，
且在用户容量301中，闪存块204的损坏率例如为5％，则坏块的数量例如为50个时。在映射表401中，每存储一个散列地址需要例如2byte，且最大可支援例如65536颗闪存块。则映射表401的存储空间包括预设的例如50颗坏块和50％的预留空间，因此映射表401的存储空间例如为75
×
2＝150byte。在二元树表402中，碰撞概率例如为10％，预设的碰撞数量例如为50
×
10％＝5个，即为节点数量。当节点数量为5时，avl树的高度例如为2。且在每个碰撞处的二元树表402中，第一索引标号和第二索引标号的存储空间分别例如为2byte，再加上节点所需指2个子叶的指标空间分别例如为4byte，则二元树表402的存储空间为(2 2 4 4)
×
5＝60byte。映射表401和二元树表402的存储空间一共为例如210byte。
76.请参阅图2至图9所示，在本发明一实施例中，在寻找坏块303对应的替换闪存块304时，第三索引编号发生重复具有一定的概率，即碰撞在本实施例中，假设碰撞发生机率例如为10％的情况下，有例如90％的机率只搜寻例如1次，即可找到坏块对应的替换闪存块304。在本实施例中，当第三索引编号重复时，需要搜寻例如3次即可找到坏块303对应的替换闪存块304。且当发生碰撞的概率增加到例如30％时，则二元树表402中需要例如15个节点，二元树表402的存储空间由60byte增加为(2 2 4 4)
×
15＝180byte，且15个节点的avl树高度为4，在搜寻时，最多需要搜寻例如4次，可找到坏块303对应的替换闪存块304。故本发明中使用映射表401和二元树表402存储坏块及替换闪存块304时，可同时具有较小的存储空间和较快的搜寻速率。
77.请参阅图10至图11所示，在本发明一实施例中，还提供一种坏块管理系统，包括存储模块和查询模块，其中，存储模块用于执行坏块信息的存储方法，查询模块用于执行坏块信息的查询方法。在本实施例中，存储模块包括闪存块位图建立单元411、散列算法确定单元412、映射表建立单元413和二元树表建立单元414。其中，闪存块位图建立单元411用于扫描存储系统，并获取闪存块位图。散列算法确定单元412中存储有多重散列算法，可以分析多个闪存块位图，获取所需的散列算法，以保证每个碰撞处，二元树表的高度均匀设置的条件下，碰撞数量尽可能小。映射表建立单元413用于根据确定的散列算法，建立坏块与替换闪存块的映射表。二元树表建立单元414用于在发生碰撞时，在碰撞处建立二元树表。
78.请参阅图11所示，在本发明一实施例中，查询模块包括状态查询单元421、第一判断单元422、执行单元423、映射单元423、第二判断单元424、第一查找单元425和第二查找单元426。其中，状态查询单元421用于在闪存块位图中查询闪存块的状态。第一判断单元422用于判定闪存块的状态是否为坏块。执行单元423用于找到物理地址对应的闪存块，并执行读取或写入操作。映射单元424用于在闪存块为坏块时，将坏块的第一索引编号通过压缩映射，获取所述第三索引编号，即获取映射表的关键值。第二判断单元424用于判断在第三多编号是否发生重复，即是否发生碰撞。第一查找单元425用于第三索引编号未重复时，获取第三索引编号对应的第二索引编号，并使用第二索引编号对应的替换闪存块替换坏块。第二查找单元426用于第三索引编号重复时，在二元树表中依次搜索第一索引编号，并获取第一索引编号对应的第二索引编号，并将第二索引编号对应的替换闪存块替换坏块。
79.请参阅图12所示，本实施例还提出一种计算机可读存储介质5，所述计算机可读存储介质5存储有计算机指令50，所述计算机指令50用于使用所述坏块管理方法。计算机可读存储介质5可以是，电子介质、磁介质、光介质、电磁介质、红外介质或半导体系统或传播介质。计算机可读存储介质5还可以包括半导体或固态存储器、磁带、可移动计算机磁盘、随机
存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、硬磁盘和光盘。光盘可以包括光盘-只读存储器(cd-rom)、光盘-读/写(cd-rw)和dvd。
80.请参阅图13所示，本发明还提供一种电子设备，包括处理器60和存储器70，存储器70存储有程序指令，处理器60运行程序指令实现上述的一种坏块管理方法。处理器60可以是通用处理器，包括中央处理器(central processing unit，简称cpu)、网络处理器(network processor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(digital signal processing，简称dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，简称asic)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，简称fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件；存储器70可能包含随机存取存储器(random access memory，简称ram)，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器70也可以为随机存取存储器(random access memory，ram)类型的内部存储器，处理器60、存储器70可以集成为一个或多个独立的电路或硬件，如：专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)。需要说明的是，存储器70中的计算机程序可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，电子设备，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。
81.综上所述，本发明提供的坏块管理方法、系统及数据存储设备，包括数据的存储和查询两个过程。在进行数据存储时，建立闪存块位图，以显示存储系统内每个闪存块的状态。当有坏块时，建立坏块与其替换闪存块的替换关系表。且本技术中以映射表存储坏块与其替换闪存块的信息，并在映射表的索引编号发生碰撞时，以二元树表存储相同索引编号的坏块和其替换闪存块的信息，以保证坏块和其替换闪存块的存储空间小的同时，在查询坏块对应的替换闪存块的速率。
82.以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。