存储器系统及其操作方法与流程

存储器系统及其操作方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2021年6月7日提交的、申请号为10-2021-0073582的韩国申请的优先权，该韩国申请通过引用整体并入本文。
技术领域
3.本公开的各个实施例涉及一种存储器系统，并且更特别地，涉及一种包括非易失性存储器装置的存储器系统。


背景技术：

4.存储器系统可以被配置为响应于来自主机装置的写入请求而存储从主机装置提供的数据。此外，存储器系统可以被配置为响应于来自主机装置的读取请求而向主机装置提供所存储的数据。主机装置是能够处理数据的电子装置，并且可以包括计算机、数码相机、移动电话等。存储器系统可以安装在主机装置中或者可以被制造为能够连接到主机装置以及与主机装置分开。


技术实现要素：

5.在本公开的实施例中，一种存储器系统可以包括多个存储器装置和控制器。多个存储器装置中的每一个可以包括分区块。控制器可以被配置为通过参考激活分区块计数表和已满分区块计数表，在存储器装置内均匀分布开放分区块。激活分区块计数表可以包括存储器装置中的每一个的激活分区块计数，已满分区块计数表可以包括存储器装置中的每一个的已满分区块计数。
6.在本公开的实施例中，一种存储器系统可以包括多个存储器装置和控制器。多个存储器装置中的每一个可以包括分区块。控制器可以被配置为基于存储器装置之中的候选存储器装置的激活分区块计数以及分别与多个存储器装置之中的剩余存储器装置相对应的已满分区块计数的差，将候选存储器装置中包括的候选分区块确定为新的开放分区块。已满分区块计数的差中的每一个可以是候选存储器装置的已满分区块计数与剩余存储器装置之中的相应存储器装置的已满分区块计数之间的差。
7.在本公开的实施例中，一种存储器系统的操作方法可以包括：将候选存储器装置列表的存储器装置中包括的空闲分区块之中的、具有最小擦除计数的空闲分区块确定为候选分区块；确定具有候选分区块的候选存储器装置的激活分区块计数是否大于第一阈值；确定候选存储器装置的已满分区块计数与剩余存储器装置的各自的已满分区块计数之间的差中的任何一个是否大于第二阈值；并且根据确定结果，将候选分区块确定为新的开放分区块。
8.在本公开的实施例中，一种控制器的操作方法可以包括：从一组存储器装置之中选择候选存储器装置，该候选存储器装置包括该组存储器装置中包括的空闲分区块之中、具有最少的擦除计数的候选空闲分区块；当候选存储器装置中包括的激活分区块的数量小
于第一阈值，并且当候选存储器装置的已满分区块的数量与候选存储器装置之外的剩余存储器装置的已满分区块的各自的数量之间的差中的每一个小于第二阈值时，将候选空闲分区块映射到主机的开放分区；并且当激活分区块的数量大于第一阈值时或者当差中的任何一个大于第二阈值时，从组中移出候选存储器装置，同时重复选择和映射。
9.在本公开的实施例中，控制器的操作方法可以进一步包括当所有存储器装置由于重复而从组中移出时，将所有存储器装置中包括的空闲分区块之中的、擦除计数最少的空闲分区块映射到开放分区。
附图说明
10.图1是示出根据本公开实施例的包括存储器系统的数据处理系统的框图。
11.图2是示出根据本公开实施例的将分区与分区块进行映射的操作的示图。
12.图3是示出根据本公开实施例的根据其状态和目的进行分类的分区块的示图。
13.图4是示出根据本公开实施例的当在存储器装置内均匀分布开放分区块时的效果的示图。
14.图5是示出根据本公开实施例的图1的存储器系统的操作的流程图。
具体实施方式
15.以下将参照附图更详细地描述本公开的各个实施例。然而，本公开可以以不同的形式实现，并且不应被解释为限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开将是透彻和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。
16.附图不一定按比例绘制，并且在某些情况下，可能夸大了比例以清楚地示出实施例的特征。本文所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。
17.如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的所列项目中的至少一个。将理解的是，当元件被称为“连接到”或“联接到”另一元件时，该元件可以直接在另一元件上、连接或联接到另一元件，或者可以存在一个或多个中间元件。除非上下文另外明确指出，否则如本文所使用的，单数形式也旨在包括复数形式，反之亦然。将进一步理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”、“包括有”、“包含”和“包含有”时，指定存在所述元件，并且不排除存在或添加一个或多个其它元件。
18.在下文中，以下将参照附图描述本公开的实施例。
19.根据实施例，可以提供一种能够通过在存储器装置内均匀分布开放分区块来提高其写入性能和读取性能的存储器系统以及该存储器系统的操作方法。
20.图1是示出根据本公开实施例的包括存储器系统100的数据处理系统10的框图。
21.参照图1，数据处理系统10可以是能够处理数据的电子系统。数据处理系统10可以包括数据中心、互联网数据中心、云数据中心、个人计算机、膝上型计算机、智能手机、平板电脑、数码相机、游戏机、导航装置、虚拟现实装置、可穿戴装置等。
22.数据处理系统10可以包括主机装置200和存储器系统100。
23.主机装置200可以通过利用逻辑地址来访问存储器系统100。主机装置200可以为数据分配逻辑地址以将数据存储到存储器系统100中。
24.主机装置200可以配置多个逻辑区域，即多个分区。每个分区可以由连续的逻辑地
址配置。主机装置200可以在每个分区内以从最小逻辑地址到最大逻辑地址的升序来利用连续的逻辑地址。也就是说，主机装置200可以将每个分区内的按照升序的连续的逻辑地址分配给数据。因此，从主机装置200提供到存储器系统100的写入请求可以是与连续的逻辑地址相关的顺序写入请求。
25.主机装置200可以一次利用多个开放分区。开放分区可以是当前用于将数据存储到存储器系统100中的分区。例如，当主机装置200包括多个处理器(未示出)时，可以将开放分区分配给处理器中的每一个以将数据存储到存储器系统100中。具体地，处理器中的每一个可以通过以下操作将数据存储到存储器系统100中：将分配给它的开放分区内的逻辑地址分配给数据，然后向存储器系统100提供包括该逻辑地址和数据的写入请求。当处理器中的每一个利用分配给它的开放分区内的所有逻辑地址时，可以将另一个开放分区分配给处理器。
26.存储器系统100可以被配置为响应于来自主机装置200的写入请求，将从主机装置200提供的数据存储在其中。存储器系统100可以被配置为响应于来自主机装置200的读取请求，向主机装置200提供所存储的数据。存储器系统100可以被配置为个人计算机存储卡国际协会(pcmcia)卡、紧凑型闪存(cf)卡、智能媒体卡、记忆棒、各种多媒体卡(例如，mmc、emmc、rs-mmc和微型mmc)、安全数字(sd)卡(例如，sd、迷你sd和微型sd)、通用闪存(ufs)或固态驱动器(ssd)。
27.存储器系统100可以包括控制器110和多个存储器装置121至124。
28.控制器110可以控制存储器系统100的整体操作。控制器110可以响应于来自主机装置200的指令，控制存储器装置121至124执行前台操作。前台操作可以包括响应于来自主机装置200的指令，即，写入请求和读取请求，将数据写入存储器装置121至124中以及从存储器装置121至124读取数据的操作。
29.此外，控制器110可以独立于主机装置200而控制存储器装置121至124执行后台操作。后台操作可以包括针对存储器装置121至124的损耗均衡操作、垃圾收集操作、擦除操作、读取回收操作和刷新操作之中的至少一种。与前台操作一样，后台操作可以包括将数据写入存储器装置121至124中以及从存储器装置121至124读取数据的操作。
30.控制器110可以管理存储器装置121至124中包括的多个分区块zb。分区块zb中的每一个可以是存储器区域组。存储器区域组中包括的每个存储器区域可以是每次执行擦除操作的最小存储单元。存储在分区块zb中的每一个中的数据可以一起被擦除。分区块zb中的每一个可以由单个存储器装置中包括的一个或多个存储块配置。分区块zb中的每一个可以包括分别对应于连续的物理地址的存储器单元。控制器110可以根据物理地址的顺序将数据存储到分区块zb中的每一个内的存储器单元中。如下所述，控制器110可以通过将主机装置200所使用的开放分区与存储器装置121至124中包括的开放分区块进行映射来将数据存储到开放分区块中。
31.图2是示出根据本公开实施例的将分区zone与分区块zb进行映射的操作的示图。
32.参照图2，主机装置200可以通过将值为“0”至“i”的逻辑地址la进行划分来配置多个分区，例如，分区zone0至zone3。分区zone0至zone3中的每一个可以对应于连续的逻辑地址。例如，分区zone0可以对应于值为“0”至“k”的连续的逻辑地址。
33.分区zone0至zone3中的每一个可以映射到分区块zb0至zb3中的相应分区块。例
如，分区zone0、zone1、zone2和zone3可以分别映射到分区块zb0、zb1、zb2和zb3。分区zone0至zone3中的每一个的大小可以对应于分区块zb0至zb3中的相应分区块的大小。也就是说，与配置分区zone0至zone3中的每一个的逻辑地址相对应的数据的大小可以与分区块zb0至zb3中的相应分区块的存储容量相同。
34.当主机装置200开始使用新的开放分区时，控制器110可以将新的开放分区映射到空的分区块，即空闲分区块。例如，当从主机装置200接收到针对新的开放分区的写入请求时，控制器110可以将新的开放分区映射到空闲分区块，即，空的分区块。映射到新的开放分区的空闲分区块可以被称为开放分区块。
35.当从主机装置200接收到针对开放分区的写入请求时，控制器110可以将数据存储到映射到开放分区的开放分区块中。例如，当写入请求是针对值为“0”至“k”中的一个或多个逻辑地址时，即当写入请求是针对开放分区zone0时，控制器110可以将数据存储在映射到开放分区zone0的开放分区块zb0中。
36.分区块zb0、zb1和zb2中的每一个可以是数据正存储其中的开放分区块。也就是说，分区块zb0、zb1和zb2中的每一个可以是正被用于在其中存储数据的开放分区块。分区块zb3可以是其中已存满数据的已满分区块。如下参照图3所述，可以根据分区块的状态和目的将分区块分类为空闲分区块、开放分区块、封闭分区块、缓冲分区块和已满分区块中的一种。
37.图3是示出根据本公开实施例的根据其状态和目的进行分类的分区块的示图。
38.参照图3，空闲分区块fzb可以是空的分区块，即，完全未存储数据的分区块。当映射到新的开放分区时，空闲分区块fzb可以成为开放分区块ozb。
39.开放分区块ozb可以是映射到开放分区的分区块。开放分区块ozb可以是正向其中写入数据的分区块。控制器110可以将存储器111内的部分缓冲区域分配给开放分区块ozb。控制器110可以不将从主机装置200提供的数据立即存储到开放分区块ozb中，而是可以将数据临时存储到分配给开放分区块ozb的缓冲区域中。当存储器111的缓冲区域充满临时存储在其中的数据时，控制器110可以将数据从存储器111的缓冲区域清除(flush)到分配有该缓冲区域的开放分区块ozb中。分配给开放分区块ozb的缓冲区域的存储容量可以对应于可以通过写入操作一次清除到开放分区块ozb中的最大数据大小。当分配给开放分区块ozb的缓冲区域需要用于其它目的时，分配给开放分区块ozb的缓冲区域可能被释放。
40.即使当开放分区块ozb中没有存满数据时，开放分区块ozb也可以变成封闭分区块czb。当开放分区块ozb变成封闭分区块czb时，可以释放分配给开放分区块ozb的缓冲区域以供其它用途。也就是说，封闭分区块czb可以是暂时不应写入数据的分区块。当存储器111的先前释放的缓冲区域或新的缓冲区域被分配给封闭分区块czb时，封闭分区块czb可以变成开放分区块ozb。在实施例中，开放分区块ozb可以变成封闭分区块czb。例如，当分配给开放分区块ozb的缓冲区域需要用于另一目的时，开放分区块ozb可以变成封闭分区块czb。例如，开放分区块ozb可以响应于来自主机装置200的请求而变成封闭分区块czb。例如，开放分区块ozb可以在从开放分区块ozb变为开放时开始的预定时间之后变成封闭分区块czb。
41.缓冲分区块bzb可以是用作开放分区块ozb的临时缓冲区的分区块。缓冲分区块bzb可以与存储器111的、待分配给开放分区块ozb的缓冲区域不同。每个开放分区块ozb可以具有相应的缓冲分区块bzb。例如，开放分区块ozb可以是三层单元(tlc)分区块，而相应
的缓冲分区块bzb可以是单层单元(slc)分区块。也就是说，开放分区块ozb中包括的存储器单元可以作为tlc进行操作，而相应缓冲分区块bzb中包括的存储器单元可以作为slc进行操作。当需要释放分配给开放分区块ozb的缓冲区域时，相应的缓冲分区块bzb可以在其中临时存储缓冲区域中剩余的数据。即使当开放分区块ozb由于缓冲区域分配的释放而变成封闭分区块czb时，相应的缓冲分区块bzb仍可以保持与封闭分区块czb相对应。当封闭分区块czb再次变成开放分区块ozb并且存储器111的缓冲区域再次分配给开放分区块ozb时，可以将临时存储在相应的缓冲分区块bzb中的数据移动到再次分配的缓冲区域中。
42.已满分区块fdzb可以是其中已存满数据的分区块。当开放分区块ozb中存满数据时，开放分区块ozb可以变成已满分区块fdzb。
43.在本公开中，激活分区块azb可以是开放分区块ozb、封闭分区块czb和缓冲分区块bzb中的一种。
44.返回参照图1，控制器110可以管理存储器111内的擦除计数表ec、激活分区块计数表azbc和已满分区块计数表fdzbc。擦除计数表ec可以包括存储器装置121至124中包括的所有分区块zb中的每一个的擦除计数。激活分区块计数表azbc可以包括存储器装置121至124中的每一个的激活分区块计数，即存储器装置121至124中的每一个中存在的激活分区块的数量。已满分区块计数表fdzbc可以包括存储器装置121至124中的每一个的已满分区块计数，即存储器装置121至124中的每一个中存在的已满分区块的数量。控制器110可以实时地更新擦除计数表ec、激活分区块计数表azbc和已满分区块计数表fdzbc。
45.如上所述，当主机装置200开始使用新的开放分区时，控制器110可以确定待映射到新的开放分区的空闲分区块。为了使存储器装置121至124的写入性能和读取性能最大化，控制器110可以选择待映射到新的开放分区的空闲分区块，以在存储器装置121至124中均匀地分布开放分区块。
46.具体地，控制器110最初可以将所有存储器装置121至124添加到候选存储器装置列表中。也就是说，当控制器110开始选择新的空闲分区块时，候选存储器装置列表可以包括所有存储器装置121至124的信息。控制器110可以从候选存储器装置列表中选择候选存储器装置。
47.具体地，控制器110可以将候选存储器装置列表的存储器装置121至124中包括的空闲分区块中的一个确定为候选分区块。例如，控制器110可以将候选存储器装置列表的存储器装置121至124中包括的所有空闲分区块之中的、具有最少擦除计数的空闲分区块确定为候选分区块。通过参考擦除计数表ec，控制器110可以将候选存储器装置列表的存储器装置121至124中包括的所有空闲分区块之中的、具有最少擦除计数的空闲分区块确定为候选分区块。控制器110可以选择候选存储器装置列表的存储器装置121至124之中的、包括候选分区块的存储器装置作为候选存储器装置。
48.控制器110可以识别候选存储器装置的激活分区块计数。通过参考激活分区块计数表azbc，控制器110可以识别候选存储器装置的激活分区块计数。控制器110可以确定候选存储器装置的激活分区块计数是否大于第一阈值。
49.控制器110可以计算候选存储器装置的已满分区块计数与所有剩余存储器装置中的每一个的已满分区块计数之间的差。通过参考已满分区块计数表fdzbc，控制器110可以识别存储器装置121至124之中的候选存储器装置和所有剩余存储器装置中的每一个的已
满分区块计数。例如，当存储器装置121至124之中的候选存储器装置的已满分区块计数为16，而存储器装置121至124之中的剩余三个存储器装置的已满分区块计数分别为10、11和19时，已满分区块计数之间的差可以分别为6、5和3。控制器110可以确定已满分区块计数之间的差中的至少一个是否大于第二阈值。
50.当候选存储器装置的激活分区块计数不大于第一阈值并且已满分区块计数之间的差中的每一个不大于第二阈值时，控制器110可以将候选分区块确定为新的开放分区块。
51.当候选存储器装置的激活分区块计数大于第一阈值或者已满分区块计数之间的差中的任何一个大于第二阈值时，控制器110可以从候选存储器装置列表中移出该候选存储器装置。然后，控制器110可以将候选存储器装置列表的剩余存储器装置中包括的所有空闲分区块之中的、具有最少擦除计数的空闲分区块确定为新的候选分区块，并且可以重复上述过程。
52.当作为重复上述过程的结果，所有存储器装置121至124都从候选存储器装置列表中被移出，因此候选存储器装置列表中没有列出存储器装置时，控制器110可以将所有存储器装置121至124中包括的所有空闲分区块之中的、具有最少擦除计数的空闲分区块确定为新的开放分区块。
53.第一阈值和第二阈值中的每一个可以被设置为使存储器装置121至124的交错性能最大化的值。第一阈值和第二阈值中的每一个可以启发式地预先确定。第一阈值和第二阈值中的每一个可以在存储器系统100的操作期间进行调整。
54.在实施例中，第一阈值可以基于存储器系统100内设置的最大开放分区块计数和最大封闭分区块计数而确定。最大开放分区块计数可以是存储器系统100内可以同时存在的开放分区块的最大数量。最大封闭分区块计数可以是存储器系统100内可以同时存在的封闭分区块的最大数量。例如，最大开放分区块计数和最大封闭分区块计数可以根据主机装置200的设置来确定。
55.确定第一阈值的示例如下。在示例中，对于4个存储器装置121至124，最大开放分区块计数为6，最大封闭分区块计数为8。当考虑分别与开放分区块和封闭分区块相对应的缓冲分区块时，存储器装置121至124内可以同时存在的激活分区块的最大数量为28，其是开放分区块的数量6、封闭分区块的数量8以及分别与开放分区块和封闭分区块相对应的缓冲分区块的数量14的总和。在这种情况下，当在4个存储器装置121至124内均匀分布28个激活分区块时，即当在存储器装置121至124中的每一个中包括7个激活分区块时，可以使存储器装置121至124的写入性能和读取性能最大化。因此，可以将第一阈值确定为7。将参照图4描述存储器装置121至124的写入和读取性能。
56.控制器110可以包括存储器111。存储器111可以作为工作存储器、缓冲存储器或高速缓存存储器进行操作。作为工作存储器的存储器111可以被配置为在其中存储各种类型的软件程序和程序数据。作为缓冲存储器的存储器111可以被配置为缓冲待在主机装置200和存储器装置121至124之间传送的数据。尽管未示出，但是存储器111可以包括分配给开放分区块的缓冲区域。作为高速缓存存储器的存储器111可以被配置为在其中临时存储高速缓存数据。存储器111可以在其中存储由控制器110管理的擦除计数表ec、激活分区块计数表azbc和已满分区块计数表fdzbc。
57.在控制器110的控制下，存储器装置121至124可以在其中存储从控制器110提供的
数据并且可以向控制器110提供所存储的数据。存储器装置121至124可以由控制器110以并行方式进行访问和操作。存储器装置121至124可以根据交错方案进行操作。存储器装置121至124中的每一个可以包括一个或多个分区块zb。存储器装置121至124中的每一个可以是非易失性存储器设备，诸如闪速存储器装置(例如，nand闪存或nor闪存)、铁电随机存取存储器(feram)、相变随机存取存储器(pcram)、磁性随机存取存储器(mram)、电阻式随机存取存储器(reram)等。存储器装置121至124中的每一个可以包括存储器管芯或存储器芯片。尽管图1示出了存储器系统100中包括4个存储器装置121至124，但是存储器系统100中包括的存储器装置的数量不限于此。
58.在实施例中，控制器110和存储器装置121至124可以通过有线或无线网络、总线、集线器、交换机等彼此联接。在实施例中，控制器110和存储器装置121至124可以在物理上彼此分开。
59.图4是示出根据本公开实施例的当在存储器装置121至124内均匀分布开放分区块ozb时的效果的示图。
60.参照图4，符号(a)示出开放分区块ozb拥挤在存储器装置121中并且已满分区块fdzb拥挤在存储器装置122中的情况。在(a)的情况下，因为来自主机装置200的写入请求是针对开放分区块ozb的，因此写入操作可以集中在存储器装置121上。进一步地，在(a)的情况下，因为来自主机装置200的读取请求即使有时候是针对开放分区块ozb的，但主要是针对已满分区块fdzb的，因此读取操作可以主要集中在存储器装置122上。因此，在(a)的情况下，存储器装置121至124的交错性能可能不会被最大化。
61.参照图4，符号(b)示出根据实施例的开放分区块ozb均匀分布在存储器装置121至124内的情况。只要开放分区块ozb均匀分布在存储器装置121至124内，那么已满分区块fdzb最终可以均匀分布在存储器装置121至124内。因此，可以将来自主机装置200的写入请求和读取请求均匀地提供到存储器装置121至124，并且存储器装置121至124可以以并行方式执行写入操作和读取操作。因此，根据实施例，可以使存储器装置121至124的交错性能最大化，并且可以提高存储器系统100的性能。
62.图5是示出根据本公开实施例的图1的存储器系统100的操作的流程图。图5示出控制器110确定待用作新的开放分区块的空闲分区块的操作。
63.参照图5，在操作s110，控制器110可以将所有存储器装置121至124添加到候选存储器装置列表中。
64.在操作s120，控制器110可以确定候选存储器装置列表中是否保留有任何存储器装置。当确定候选存储器装置列表中留有任何存储器装置时，进程可以进行到操作s130。当确定候选存储器装置列表中未留有任何存储器装置时，进程可以进行到操作s200。
65.在操作s130，控制器110可以将候选存储器装置列表的存储器装置中包括的所有空闲分区块之中的、具有最少擦除计数的空闲分区块确定为候选分区块。通过参考擦除计数表ec，控制器110可以将候选存储器装置列表的存储器装置中包括的所有空闲分区块之中的、具有最少擦除计数的空闲分区块确定为候选分区块。
66.在操作s140，控制器110可以选择候选存储器装置列表的存储器装置之中的、包括候选分区块的存储器装置作为候选存储器装置，并且可以识别候选存储器装置的激活分区块计数。通过参考激活分区块计数表azbc，控制器110可以识别候选存储器装置的激活分区
块计数。
67.在操作s150，控制器110可以确定候选存储器装置的激活分区块计数是否大于第一阈值th1。当确定候选存储器装置的激活分区块计数不大于第一阈值th1时，进程可以进行到操作s160。当确定候选存储器装置的激活分区块计数大于第一阈值th1时，进程可以进行到操作s190。
68.在操作s160，控制器110可以计算候选存储器装置的已满分区块计数与候选存储器装置之外的所有剩余存储器装置中的每一个的已满分区块计数之间的差。通过参考已满分区块计数表fdzbc，控制器110可以识别所有存储器装置121至124之中的候选存储器装置和所有剩余存储器装置中的每一个的已满分区块计数。
69.在操作s170，控制器110可以确定已满分区块计数之间的差中的至少一个是否大于第二阈值th2。当确定已满分区块计数之间的差中的每一个不大于第二阈值th2时，进程可以进行到操作s180。当确定已满分区块计数之间的差中的任何一个大于第二阈值th2时，进程可以进行到操作s190。
70.在操作s180，控制器110可以将候选分区块确定为新的开放分区块。
71.在操作s190，控制器110可以从候选存储器装置列表中移出当前的候选存储器装置。进程可以返回到操作s120。也就是说，控制器110可以对候选存储器装置列表中剩余的存储器装置重复操作s130至s180。
72.在操作s200，控制器110可以将所有存储器装置121至124中包括的所有空闲分区块之中的、具有最少擦除计数的空闲分区块确定为新的开放分区块。
73.根据实施例，存储器系统和存储器系统的操作方法可以通过在存储器装置内均匀分布开放分区块来提高其写入性能和读取性能。
74.虽然以上已经描述了某些实施例，但是本领域技术人员将理解的是，所描述的实施例仅是示例性的。因此，不应基于所描述的实施例来限制存储器系统及其操作方法。相反，本文描述的存储器系统及其操作方法应当仅在结合以上描述和附图时根据所附权利要求来限制。此外，可以对实施例进行组合，以形成另外的实施例。