基于NAND FLASH的高速大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了解決目前記錄系統(tǒng)容量小、存儲(chǔ)速度低的問(wèn)題，采用性能優(yōu)良的固態(tài)NAND型FLASH為存儲(chǔ)介質(zhì)，大規(guī)模集成電路FPGA為控制核心，通過(guò)使用并行處理技術(shù)和流水線(xiàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多片低速FLASH時(shí)高速數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量和存儲(chǔ)速度。針對(duì)FLASH內(nèi)部存在壞塊的自身缺陷，建立一套查詢(xún)、更新和屏蔽壞塊的處理機(jī)制，有效的提高了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性。
關(guān)鍵詞：高速；流水線(xiàn)；FLASH；FPGA

0 引言
在數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)中，往往需要對(duì)采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)以方便后續(xù)分析處理。隨著我國(guó)航空電子技術(shù)和雷達(dá)成像技術(shù)的快速發(fā)展，分辨率和采樣率大幅提升，由此便帶來(lái)了高速大容量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問(wèn)題。同時(shí)存儲(chǔ)系統(tǒng)又要求掉電存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并具有良好的抗振動(dòng)能力，因此存儲(chǔ)電路通常采用非易失的電路芯片構(gòu)成，而傳統(tǒng)的DOC，E2PROM等存儲(chǔ)技術(shù)由于容量小、速度低等缺點(diǎn)已經(jīng)不適用高速大容量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)?？焖侔l(fā)展的閃速存儲(chǔ)器(FLASH MEMORY)因其具有體積小、成本低、功耗小、壽命長(zhǎng)、抗振動(dòng)和寬溫度適應(yīng)范圍等特點(diǎn)，逐漸成為高速大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流方案。

1 FLASH的控制邏輯
目前FLASH芯片主要分為NOR型和NAND型。NOR型具有可靠性高，隨機(jī)讀取速度快等優(yōu)點(diǎn)，適用于程序代碼的存儲(chǔ)。NAND型是一種線(xiàn)性存儲(chǔ)設(shè)備，適用于大容量數(shù)據(jù)和文件的存儲(chǔ)。 K9WBG08U1M是三星公司推出的一款NAND型FLASH芯片，存儲(chǔ)容量達(dá)到4 GB，它內(nèi)部由兩片2 GB的FLASH構(gòu)成，通過(guò)片選信號(hào)CE1／CE2進(jìn)行選擇控制，每片F(xiàn)LASH由8 192個(gè)塊組成，每塊有64頁(yè)，每頁(yè)能存儲(chǔ)(4 096+128)個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。因此，訪(fǎng)問(wèn)芯片需要5個(gè)地址周期，其中3個(gè)周期的行地址用來(lái)確定某一頁(yè)，2個(gè)周期的列地址用來(lái)確定每頁(yè)的某個(gè)字節(jié)。對(duì)FLASH進(jìn)行的操作主要有：存儲(chǔ)、讀取和擦除。由于指令、地址和數(shù)據(jù)復(fù)用芯片的8個(gè)I／O口，因此需要2個(gè)控制信號(hào)CLE和ALE分別鎖存指令和地址。
存儲(chǔ)操作一般使用基于頁(yè)的連續(xù)存儲(chǔ)模式，所有的命令字、地址、數(shù)據(jù)都是在的下降沿將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)到I／O總線(xiàn)輸出。
擦除操作與存儲(chǔ)、讀取操作略有不同，它是以塊為單位進(jìn)行的，因此只需要3個(gè)周期的地址即可。在輸入擦除命令后，芯片便自動(dòng)進(jìn)行擦除操作，將存儲(chǔ)體內(nèi)的數(shù)據(jù)全部恢復(fù)為“FF狀態(tài)，隨后也可通過(guò)輸入讀狀態(tài)命令字70H判斷端口輸出是否為0來(lái)檢測(cè)此次擦除操作的成功性。

2 系統(tǒng)存儲(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)
K9WBG08U1M一頁(yè)的存儲(chǔ)容量是4KB，最短25ns時(shí)間寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)。因此，芯片接口的寫(xiě)入速度最高為40MB／s。芯片的存儲(chǔ)時(shí)間分為加載時(shí)間和編程時(shí)間兩部分，寫(xiě)滿(mǎn)一頁(yè)所需的命令、地址和數(shù)據(jù)的加載時(shí)間總共為102.5μs，編程時(shí)間的典型值為200μs，最大編程時(shí)間為700μ-s。為了減小數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)過(guò)程中出錯(cuò)的概率，設(shè)計(jì)中使用最大的編程時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，因此對(duì)單片F(xiàn)LASH而言，存儲(chǔ)速度最高可達(dá)5.1MB／s。
2．1 并行總線(xiàn)處理技術(shù)
按照操作FLASH的傳統(tǒng)方法，存儲(chǔ)完一片F(xiàn)LASH后，再進(jìn)行下一片F(xiàn)LASH的操作，這樣最高存儲(chǔ)速度也只是單片F(xiàn)LASH的存儲(chǔ)速度即5．1 MB／s，顯然無(wú)法適用于高速數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)的場(chǎng)合。通過(guò)并行處理技術(shù)可以很直觀的提高存儲(chǔ)速度，具體實(shí)現(xiàn)方法是：將N片低速FLASH芯片并聯(lián)起來(lái)，使用相同的控制線(xiàn)、片選線(xiàn)和讀寫(xiě)信號(hào)線(xiàn)，構(gòu)成一個(gè)多位寬的FLASH組。這樣N片F(xiàn)LASH并行工作，進(jìn)行相同的操作，存儲(chǔ)量可達(dá)到單片F(xiàn)LASH的N倍，所以理論上存儲(chǔ)速度也是單片F(xiàn)LASH的N倍。
2．2 流水線(xiàn)技術(shù)
流水線(xiàn)技術(shù)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用，它是在程序執(zhí)行時(shí)多條指令重疊進(jìn)行操作的一種準(zhǔn)并行處理實(shí)現(xiàn)技術(shù)。借鑒這種技術(shù)在進(jìn)行FLASH存儲(chǔ)時(shí)可以大大節(jié)省存儲(chǔ)時(shí)間，提高存儲(chǔ)速度。FLASH每頁(yè)數(shù)據(jù)的加載時(shí)間和編程時(shí)間是器件本身所決定的，當(dāng)加載完一頁(yè)數(shù)據(jù)后，F(xiàn)LASH就進(jìn)入忙狀態(tài)，此時(shí)需要等待加載的數(shù)據(jù)自動(dòng)編程，即將數(shù)據(jù)從寄存器中寫(xiě)入存儲(chǔ)單元內(nèi)，這期間不能進(jìn)行其余的操作，當(dāng)編程結(jié)束后，F(xiàn)LASH才恢復(fù)空閑狀態(tài)，此后才能進(jìn)行下一頁(yè)數(shù)據(jù)的加載，然后再進(jìn)行編程。因此如果可以善加利用編程時(shí)間，使FLASH在進(jìn)行本頁(yè)數(shù)據(jù)編程的同時(shí)去執(zhí)行下一頁(yè)數(shù)據(jù)的加載，這樣便可節(jié)省存儲(chǔ)時(shí)間，提高速度。加載完一頁(yè)數(shù)據(jù)的時(shí)間約為102．5μs，最大編程時(shí)間為700μs，這樣在每頁(yè)的編程時(shí)間內(nèi)可以完成7次的FLASH加載操作(700／102．5≈7)，由此畫(huà)出8級(jí)流水操作的時(shí)序圖如圖1所示。

圖1中每片F(xiàn)LASH都分為加載時(shí)間和編程時(shí)間，當(dāng)?shù)谝黄現(xiàn)LASH完成第一頁(yè)的數(shù)據(jù)加載后進(jìn)入數(shù)據(jù)編程階段。此時(shí)第二片F(xiàn)LASH開(kāi)始進(jìn)行第一頁(yè)數(shù)據(jù)加載，加載完成后也進(jìn)入數(shù)據(jù)編程階段。然后依次對(duì)第三片到第八片F(xiàn)LASH進(jìn)行相同的操作，當(dāng)?shù)诎似現(xiàn)LASH也完成了第一頁(yè)數(shù)據(jù)的加載后，此時(shí)系統(tǒng)耗費(fèi)的總時(shí)間約為7×102．5=717．5μs，大于單片F(xiàn)LASH的最大編程時(shí)間700μs即第一片F(xiàn)LASH已經(jīng)完成了數(shù)據(jù)編程，可以接著進(jìn)行第二頁(yè)的數(shù)據(jù)加載。當(dāng)?shù)诙?yè)數(shù)據(jù)加載完成后，第三片F(xiàn)LASH便完成了第一頁(yè)的數(shù)據(jù)編程，可以接著進(jìn)行隨后操作。這種循環(huán)流水操作，使FLASH在高速存儲(chǔ)過(guò)程中不必去考慮頁(yè)編程是否完成，節(jié)省了頁(yè)編程時(shí)間，從而使存儲(chǔ)速度近似達(dá)到芯片接口寫(xiě)入速度即40 MB／s。由此可見(jiàn)，運(yùn)用流水操作技術(shù)的存儲(chǔ)速度將是單片F(xiàn)LASH存儲(chǔ)速度的8倍，實(shí)現(xiàn)了FLASH的快速高效無(wú)丟失存儲(chǔ)。