具有数据修复功能的储存系统及其数据修复方法

具体实施方式

本发明提供了一种具有数据修复功能的储存系统及其数据修复方法，特别是当一般使用的错误侦测及校正(ECC)技术无法修复储存数据的错误位时，本发明储存系统可提供侦测错误位进而修复错误位的功能，确保数据读取的正确性，有效提升数据可靠度。

现有技术为确保数据的可靠度，控制单元在读取内存的数据时会采用ECC功能来检查及修复错误的数据。然而ECC错误修复的能力有限，若数据的错误位超出ECC的修正范围，将仍发生数据读取错误的情形。因此，本发明的储存系统将针对ECC无法修正的错误数据，利用写入测试数据至储存错误数据的位置的方式来检测并修正数据的错误位，将数据中错误位的数目降至ECC能修复的范围，而使发生ECC无法修复错误数据的情形时，可利用本发明的修复方法来读取出正确的数据。

请参阅图2，本发明储存系统的功能方块图所示，储存系统20包括一控制单元22及一记忆单元(非挥发性)24，两者电性相连接，其中控制单元22中包括测试数据产生器221、比较单元223、修复单元225、数据缓存器227及错误侦测及校正(ECC)单元229。

上述测试数据产生器221用以产生测试数据，并将测试数据写入记忆单元中，测试数据可以是全为”0”的数据，如0x00、全为”1”的资料，如0xFF、或”0”与”1”相间排列的资料，如0x55或0xAA，或者可为随机产生的二位随机数数据。比较单元223用于比较由测试数据产生器221写入记忆单元24(实施例可为闪存等非挥发性内存)的测试数据，与由记忆单元24中读取出来的数据，判断此记忆单元24是否存在错误的位，并判断记忆单元中错误位的地址等错误位的信息。

举例来说，当写入记忆单元24的测试数据为全为”0”的数据，而由记忆单元24读出来的数据中有一个位的数据为”1”，则该位为错误的位。数据缓存器227用于暂存上述记忆单元24中ECC无法修正的错误数据。修复单元225根据比较单元223提供的错误位的信息修正数据缓存器227中与错误位相对应的位数据，特别的是，数据缓存器227可选自随机存取内存(RAM)、非挥发性内存(Non-volatile)、相变化内存(Phase Change Memory)、自由铁电式随机存取内存(Free erroelectric random access memory)、磁性随机存取内存(Magnetic RAM)等内存。

另设置一ECC单元229，用以执行上述记忆单元24中的数据的侦错及修正，并用于对数据缓存器227中的数据，以执行错误检查及校正的作业，此ECC单元229除在一般正常读写作业时执行对数据的侦错及修正外，也用于对数据缓存器227中的数据执行错误检查及校正的作业。

图3A至图3I说明本发明各内存区块间互动的状态，主要说明利用写入测试数据的方式进行错误位的检查与校正的流程。

开始时，先发现错误数据。图3A显示为记忆单元中的区块A、区块B与区块C等三个记忆区块(block)，当控制单元读取到记忆单元的区块A时，发现其中有一记忆页(假设为图式中标示「缺陷」的第一页)发生ECC无法修正错误数据的情形，则控制单元执行复制，将区块A中的数据复制到区块B中，其中标示「缺陷」的第一页的数据不经由ECC处理，而将数据完整原始的复制到区块B第一页中，接着其它页次将仍通过ECC功能由区块A复制到区块B上。

之后，进行数据复制与抹除。如图3B所示，假设在上述复制的过程中，于顺利复制完第二页(标示「原始资料」)后，发现区块A第三页也发生ECC无法修复错误数据的情形，标示为「缺陷」，则同样的将区块A第三页中的数据完整原始的复制到区块B第三页中；接着复制第四页的数据，顺利复制完第四页的数据后，在复制第五页的数据时又发现第五页的数据其错误的位超过ECC可修正的范围，标示为「缺陷」，则同样将区块A第五页中的数据完整原始的复制到区块B的第五页中。依上述复制规则，将区块A中的数据都复制到区块B中，然后抹除区块A。

接着，写入测试数据与检测错误位。在抹除区块A后，由测试数据产生器提供第一测试数据写入区块A，如图3C所示，第一测试资料写入区块A的各页后，标示为各页上的「样本1」，控制单元将针对区块A第一页、第三页及第五页中的数据进行读取程序，以与区块A的第一测试数据作比较，检测是否有错误的位。过程中若有发现记忆页中的错误位，便将区块B相关记忆页的数据复制到控制单元的缓存器中，再根据错误的位作数据修正。错误的数据修正后，控制单元于闪存中找一区块，如区块C，将修正后的数据及其它不需修正的数据由暂存区存入区块C。

如图3D所示，控制单元先比对区块A第一页中的数据，若发现错误位，标示为「缺陷」，便将区块B第一页的数据读回数据缓存器中，于数据缓存器中根据错误位信息修正数据，接着将在缓存器中修正后的数据写入区块C，标示为「已修正」。而区块B第二页为正确的数据，标示为「原始数据」，便直接复制到区块C中。

控制单元接着比对区块A第三页中的数据(因为数据错误)，若发现错误位，便将区块B第三页的数据读回数据缓存器，并于缓存器中修正错误位，于修正错误位后再将修正后的数据写入区块C，如表示为「已修正」的第三页。

区块B第四页为正确的数据，便直接复制到区块C中，标示为「原始资料」。接着比对区块A第五页中的数据，若发现错误位，便同样将区块B第五页的数据读回数据缓存器，并于缓存器中修正错误位，于修正错误位后再将修正后的数据写入区块C。根据上述的修复方法，将区块B中原本正确的数据及修正后的数据写到区块C。

然后如图3E所示，当数据都写入区块C后，便抹除区块B，而区块C中第一页、第三页及第五页的数据都已经过修正，各页的错误位都已降到ECC能修正的范围，便接着将区块A标示为损毁区块。

然而，当第一测试数据写入区块A时，有可能无法发现错误位，或是发生有发现错误位，但经过修正仍无法将错误位降至ECC能修正的范围的情况。

图3F显示区块A中记载第一测试数据，标示为「样本1」；区块B记载有标示着「缺陷」的错误数据与标示「原始数据」的原始数据；区块C则记载着经过修正的记忆页(标示为「已修正」)、原始资料(标示为「原始数据」)与经过修正仍未达ECC可以修复的范围或是并未发现错误位而数据仍错误的数据(标示为「缺陷」)。

当控制单元写入第一测试数据到区块A中，假设于区块A中第一页顺利侦测到错误位，经读回区块B第一页的数据并修正后，使错误位降到ECC能修复的范围，便将修正后的数据写入区块C中。接着复制区块B第二页的数据到区块C。

而当利用第一测试数据侦测区块A中第三页的错误位时，比较单元没有发现错误的位，或是有发现错误位，但经修正仍无法使错误位的数目降至ECC能修复的范围。在前者状况中(无发现错误位)，控制单元将区块A第三页中的数据复制到区块C中；或在后者状况中(有发现错误位)，将控制单元数据缓存器中修复过的数据复制到区块C中，如区块C中标示为「缺陷」的记忆页。然后复制区块B第四页的数据到区块C。

接着侦测区块A中第五页的错误位，假设区块B第五页的错误数据可顺利修复并使错误位降至ECC能修正的范围内，在读取区块B第五页的数据至数据缓存器并修正数据后，将数据缓存器中的修复数据写入区块C中。接着将区块B接下来的记忆页复制到区块C。

在上述图3F将资料皆写入区块C后，即抹除区块A及区块B的资料，接着请参阅图3G，测试数据产生器产生第二测试数据(标示为「样本2」)，并写入区块A，为了要测试上述区块A第三页的错误位。如图3H所示，区块C第一页及第二页中的数据直接复制到闪存中另一区块，区块D。接着，控制单元根据第二测试数据侦测区块A第三页的错误位，若顺利发现错误位，便将区块C第三页的数据读回数据缓存器中，根据错误位修正缓存器中的数据，假设此次修正已可将错误位降至ECC能修正的范围，接着将数据缓存器中修正后的数据写入区块D。然后将区块C接下来的记忆页复制到区块D中。最后如图3I所示，在数据都写入区块D后，抹除区块C及将区块A标示为损毁区块。

根据上述本发明所提供的储存系统架构与各记忆区块应用数据修复功能时的互动状态，其数据修复的方法至少包括先侦测到一个记忆区块发生错误侦测及校正技术(ECC)无法修正错误数据的情况，本发明即将此错误的内容降至ECC可以处理的范围内，并接着复制记忆区块中的数据到一暂存空间中，包括本发明实施例所利用的另一冗余记忆区块，或是随机存取内存(RAM)中，并抹除记忆区块之数据。之后，通过测试流程找寻错误位的位置，如通过比较写入的测试数据与读出的数据得到错误位的位置。并根据错误位的信息来修正暂存空间中相对错误位位置的数据，再判断经修正后是否仍存在ECC技术所无法修复的错误数据，或是再通过一次或多次的测试流程来降低错误位数，使之达到ECC技术可以处理的范围中，以执行错误侦测及校正，最后更将发生错误的记忆区块标记为损毁区块，以免日后继续发生错误，以提升储存媒体的读取效率。其中较佳实施例如图4所示的流程。

步骤一开始，如步骤S401，当储存系统中的控制单元在读取记忆单元(如闪存)的其中一实体区块时，如第一记忆区块，其中一或多个记忆页侦测到发生ECC无法修正错误数据的情况，此时，需将原记忆区块中的数据复制到一暂存空间(如上述随机存取内存、非挥发性内存、相变化内存、自由铁电式随机存取内存或磁性随机存取内存的数据缓存器)中，此例如步骤S403，控制单元利用一没有使用的冗余区块，假设为第二记忆区块，将第一记忆区块的数据复制到此冗余的第二记忆区块上，然后便将第一记忆区块抹除，如步骤S405。值得一提的是，在第一记忆区块的数据复制到第二记忆区块的过程中，控制单元将控制ECC单元针对错误的数据页停止执行错误侦测及修复的功能，以确保数据的传输不受ECC影响，而使第一记忆区块的记忆页的数据完全不变的复制到第二记忆区块中。

接着进行一测试流程，由控制单元中的测试数据产生器即产生一笔测试数据(若是第一次测试流程，则是写入第一测试数据)写入发生数据错误的第一记忆区块中(步骤S407)，如图3C中区块A中的数据「样本1」，然后控制单元读取此第一记忆区块中发生数据错误的记忆页中的数据(步骤S409)，并通过比较单元作比较，比较单元将比对测试数据产生器所提供的第一测试数据与从第一记忆区块中发生错误的记忆页中读取出来的数据(步骤S411)，检查两笔资料是否有不同。

如步骤S413，由比对结果来判断是否有错误的位，也就是错误的硬件地址，若发现两笔数据间相对应的位分别纪录不同的数据，则该记忆页的记忆地址为错误的位；若两笔数据间相对应的位没有发现不同的数据，则没有发现错误的位。

若在比较单元没有发现错误位的状况下，本发明所提供的方法则继续进行一次测试流程(步骤S415)，令测试数据产生器产生另一组不同的测试数据(第二测试数据)，执行第二次测试步骤，同样将第二测试数据写入上述第一记忆区块中，包括发生数据错误的记忆页，继续侦测第一记忆区块上发生数据错误的记忆页上的错误位。

本发明在进行上述测试循环时，将设定一测试的上限次数(大于1)，若是经过此次数的测试之后，都无法找出错误位，则控制单元便回报读取错误的信息，然后将第一记忆区块标记为损毁区块(Bad block)。

但若在第一次或是几次的测试流程(包括上述步骤S405、S407、S409、S411与S413)后，确实发现到错误位，则将错误位的信息传送给修复单元，然后控制单元从第二记忆区块上相对有错误的记忆页的数据复制到数据暂存区(步骤S417)。

接着修复单元便根据错误位的信息，修正数据缓存器中对应错误位的数据(步骤S419)。例如，若错误的位为第一及第三位，而数据缓存器中该记忆页的数据为11110101，则将数据缓存器中的数据由1变为0或由0变为1，修正为01010101。在修正数据缓存器中的数据后，接着要判断控制单元中的ECC单元是否能够对数据缓存器中的数据进行错误侦测及修复的程序，是否在ECC单元可以修复的范围之内(步骤S421)，若数据缓存器中的错误数据的位数仍超过ECC单元能修复的范围，也就是ECC单元对数据缓存器中所侦测的错误数据仍无法进行错误数据的修复，则令测试数据产生器产生另一组测试数据去写入第一记忆区块发生数据错误的记忆页中(步骤S415)，继续侦测记忆页中的错误位，以进一步修正数据缓存器中的错误数据，以期将错误位降至ECC可修正的范围。

同样，若是经过多笔测试数据测试后，大于上述设定的测试次数上限，仍无法有效将数据缓存器中错误的位降低至ECC所能修正的范围，则控制单元便回报读取错误的讯息，然后将发生错误的第一记忆区块标记为损毁区块。

若数据缓存器中的数据经修复后，其错误的位数已降至ECC单元能修复的范围，换句话说，就是ECC单元可对数据缓存器中所侦测的错误数据进行错误数据的修复，则控制单元于记忆单元中再找一冗余区块，假设为第三记忆区块(如图3E的区块C)，将数据缓存器中经修正后的数据写入此第三记忆区块中相对发生错误的记忆页的位置，而第三记忆区块中其它的记忆页的数据则由已有复制数据的第二记忆区块中对应的记忆页复制过来(步骤S423)。当第三记忆区块中的数据都复制完毕后，控制单元便抹除上述第二记忆区块(步骤S425)，并将第一记忆区块标记为损毁区块(步骤S427)。

所以，依据上述流程，若一个记忆区块中存在多个ECC无法修复错误数据的记忆页的情形，本发明所提出的储存系统仍可利用写入测试数据来侦测及修复错误位的方法来处理。

接着再提供另一实施例，如图5所示的数据修复方法步骤流程图。此例中，当控制单元在读取记忆单元(如闪存)的其中一实体区块时，假设为第一记忆区块，在读取到实体第一记忆区块的某一记忆页发生ECC无法修正错误数据的情况(步骤S501)，此时，需将原记忆区块中的数据复制到一暂存空间中，此例则是由控制单元将第一记忆区块中的数据全部复制到一数据缓存器中(步骤S503)，如储存系统中的一个记忆空间，或是储存系统所连接的计算机系统的内存，然后抹除第一记忆区块(步骤S505)。其中，在第一记忆区块的数据复制到数据缓存器的过程中，控制单元将控制ECC单元针对ECC无法修正错误数据的记忆页，停止执行错误侦测及修复的功能，以确保数据的传输不受ECC影响，使第一记忆区块发生数据错误的记忆页中的数据可完全不变的复制到数据缓存器中。

接着进行测试流程，如步骤S507所述由测试数据产生器提供一笔测试数据写入第一记忆区块中，包括发生错误的记忆页，然后控制单元读取第一记忆区块发生错误的记忆页的数据(步骤S509)到比较单元作比较(步骤S511)，比较单元比对测试数据产生器所提供的测试数据与从第一记忆区块中该记忆页中读取出来的数据，检查两笔数据是否有不同，如步骤S513，判断是否有错误位，包括两种状况：

状况一：

若发现两笔数据间相对应的位分别纪录不同的数据，则判断第一记忆区块中具有错误位，此时，需修正该位所记载的数据，即修正在步骤S503写入暂存区的数据。

状况二：

若两笔数据间相对应的位没有发现不同的数据，则没有发现错误的位，此时需进行下一次的测试流程(步骤S515)，令测试数据产生器产生另一组测试数据去写入第一记忆区块至其中发生错误的记忆页中，以继续侦测第一记忆区块记忆页上的错误位，包括重复步骤S505、S507、S509、S511与S513。

在状况二中，反复数次上述步骤之后，若测试数据产生器所提供的测试数据之数目已超过一预设上限都无法找出第一记忆区块中记忆页的错误位，则控制单元便于记忆单元中找一冗余区块，为第二记忆区块，将数据缓存器中的区块数据写入此第二记忆区块，之后，控制单元回报读取错误的信息，然后将此第一记忆区块标记为损毁区块，步骤叙述于图6。

在上述状况一中，当比较单元发现错误的位时，将此错误位的信息传送给修复单元，然后修复单元便根据错误位的信息，于数据缓存器中修正区块数据记忆页上对应错误位的位数据(步骤S517)，在修正数据缓存器中的数据后，ECC单元对数据缓存器中区块数据记忆页的数据进行错误侦测及修复的程序，并须判断是否在ECC可以修复的范围之内(步骤S519)，若数据缓存器中记忆页(原第一记忆区块中发生错误的记忆页)的错误数据的位数仍超过ECC单元能修复的范围，则令测试数据产生器产生另一组测试数据去写入第一记忆区块中上述的记忆页中，继续前述的侦测及修正程序，如上述步骤S515。

若已经过一个预设数量的测试程序后，若仍无法有效将数据缓存器中记忆页上错误的位降低至ECC所能修正的范围，则控制单元便于记忆单元中找一冗余区块，假设为第二记忆区块，将数据缓存器中的区块数据写入此第二记忆区块，之后，控制单元回报读取错误的信息，然后将发生错误的第一记忆区块标记为损毁区块(Bad block)，步骤叙述于图6。

而若数据缓存器中的数据经修复后，其错误的位数已降至ECC单元能修复的范围，则控制单元于记忆单元中找一冗余区块，假设为第二记忆区块，将数据缓存器中的数据写入此区块中(步骤S521)，当第二记忆区块中的数据皆复制完毕后，控制单元将发生数据错误的第一记忆区块标记为损毁区块，如步骤S523。

接着，若储存系统遇到一个区块中存在多个记忆页为ECC无法修正错误的情况，本发明的储存系统系将区块中的数据全部复制到数据缓存器中，然后一一针对区块中ECC无法修正错误的记忆页进行如上述的错误侦错及修复的程序，当数据缓存器中原本ECC无法修正错误的各记忆页，其错误位皆已降至ECC能修复的范围，便将数据暂存区中的数据写回记忆单元中，之后即通过ECC单元进行修复，并将先前发生ECC无法修正错误数据的区块标记为损毁区块。

上述图4步骤S415与图5步骤S515所述的流程，在比较单元没有发现错误位的状况下，本发明则反复实施此测试流程，令测试数据产生器产生下一组不同的测试数据，再执行一或复数次测试步骤，侦测记忆区块上发生数据错误的记忆页上的错误位，直到找到错误位为止。

本发明在进行上述测试循环时，将设定一测试的上限次数(大于1)，主要是于没有发现错误位或是经过修复但是ECC仍无法修复的状况下(步骤S601)，将进行下一次的测试流程，在此之前先需判断是否已超过测试数量的上限？(步骤S603)，若是经过此次数的测试之后，都无法找出错误位，即进行的测试流程已超过预设的数量，则会进行步骤S611，控制单元回报读取错误的结果给储存系统，并标记当下欲进行测试的记忆区块为一损毁区块(步骤S613)。若即将进行的测试流程仍在预设的数量以下或是刚好等于此预设数量，则会继续进行下一次测试流程(步骤S605)，测试流程请参阅图4或图5。并于测试结果判断是否发现错误位？(步骤S607)，或经修复后判断ECC是否可修复？(步骤S609)，若仍没有发现错误位或是经修复后ECC仍无法修复，则反复图6所述步骤。

根据上述实施例，本发明提出的具有数据修复功能的储存系统通过一个内建之暂存内存进行数据交换，尤其是进行数据修复的暂存内存，而图7A至7H图则显示利用计算机系统内的随机存取内存作为数据暂存与修复的暂存记忆位置，而非利用储存系统中记忆单元中的记忆区块，尤其是于此例中的储存系统连接于计算机系统时，如桌上型计算机、笔记型计算机、随身计算机系统等，且计算机系统中的随机存取内存的储存容量够大，而可用于提供储存系统暂存。

请先参阅图7A至图7C。在数据读取时，发生ECC无法修正记忆页的情形，比如图7A中区块中A的第一页(其中标示「缺陷」的记忆页)，则控制单元便执行将区块A的数据复制到数据缓存器中的动作，此例中将区块A的数据复制到RAM暂存区块。假设在复制过程当中又发现记忆页第三页及第五页亦为ECC无法修正错误数据的情形，所以第一页、第三页及第五页的数据与其它无发生ECC无法修正错误数据的页次直接由此区块A复制到RAM暂存区块中，如图7B所示。

在完成数据搬移后，抹除区块A原来数据，并写入第一测试数据至区块A中，如图7C中标示的「样本1」。接着如图7D所示，接着根据写入各记忆页的第一测试资料检查区块A第一页、第三页及第五页的错误位，若发现错误位，则根据发现的错误位直接于图中的RAM暂存区块修改相关记忆页中的数据，当数据缓存器中第一页、第三页及第五页的错误数据的位数已降至ECC能修正的范围(如图7D中RAM暂存区块中标示「已修正」的记忆页，其余为「原始数据」)，控制单元便于记忆单元中找一区块，假设为区块B，将RAM暂存区块中的数据复制到区块B中，最后将区块A标记为损毁区块。

然而，若如图7E所示，当控制单元要侦测区块A第三页的错误位以修正数据缓存器第三页的数据时，有以下状况，第一个状况是，利用第一测试数据(如「样本1」)的测试流程仍无法侦测区块A第三页中的错误位，如图中标示「缺陷」的第三记忆页；或是第二个状况，有侦测出错误位，但经修正后的数据的错误位数仍超出ECC能修正的范围。

在上述第二个有侦测出错误位的状况时，控制单元仍根据错误位修改数据缓存器第三页中的数据，接着读取区块A第五页的数据来比对，修正RAM暂存区块第五页中的错误位。若在无法侦测出错误位的第一个状况时，则不修正RAM资料区块中第三页的数据，如图7E中RAM暂存区块中标示「缺陷」的记忆页，而接着去读取区块A第五页的数据来比对，以修正数据暂存区第五页中的错误位。

接着如图7F所示，在区块A第一页、第三页及第五页都经过第一测试资料的测试后，抹除区块A以写入第二测试数据(如标示「样本2」)。然后参阅图7G及图7H，在第二测试数据写入区块A后，控制单元读取区块A第三页的数据来与第二测试数据作比较，以发现错误位，再根据错误位修正RAM暂存区块中第三页的资料，如图7G RAM暂存区块中标示「已修正」的第三记忆页。

但是，若第二测试数据仍无法修正数据缓存器中第三页的数据，则可再写入另一测试数据至区块A中，重复上述处理程序，以修复数据缓存器中第三页的数据。而若下一次的测试次数超过一预设之测试上限数量，仍然无法将错误位修正至ECC能修正的范围，则控制单元输出读取错误信息，并将此例中RAM暂存区块中的数据存回记忆单元另一区块中，然后将区块A标记为损毁区块，如图7H中区块A标示的「损毁区」。

另一情况是，当RAM暂存区块中第一页、第三页及第五页的数据都经修正，使该些页次的错误位数都降至ECC能修正的范围，控制单元便于记忆单元上找一区块B，将数据缓存器中的数据写入区块B，然后将区块A标记为损毁区块。

所以原本一区块中发生ECC无法修正的错误，而导致数据读取错误的情形，其通过本发明数据修复的方法，可将区块中数据错误的位降低至ECC能修正的范围，将修复的区块数据储存于另一区块中，并将ECC无法修正错误数据的区块标记为损毁区块避免再次使用，从而有效提高储存系统数据的可靠度。

综上所述，本发明揭露一种具有数据修复功能的储存系统及其数据修复方法，利用反复一或多次的测试与修复流程，使记忆媒体中的错误能降低至一般使用的错误侦测及校正(ECC)功能可以修复的范围，以确保资料读取的正确性，有效提升数据可靠度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。