基于NAND FLASH的高速大容量存儲系統(tǒng)設計

摘要：為了解決目前記錄系統(tǒng)容量小、存儲速度低的問題，采用性能優(yōu)良的固態(tài)NAND型FLASH為存儲介質(zhì)，大規(guī)模集成電路FPGA為控制核心，通過使用并行處理技術和流水線技術實現(xiàn)了多片低速FLASH時高速數(shù)據(jù)的存儲，提高了整個系統(tǒng)的存儲容量和存儲速度。針對FLASH內(nèi)部存在壞塊的自身缺陷，建立一套查詢、更新和屏蔽壞塊的處理機制，有效的提高了數(shù)據(jù)存儲的可靠性。
關鍵詞：高速；流水線；FLASH；FPGA

0 引言
在數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)中，往往需要對采集后的數(shù)據(jù)進行存儲以方便后續(xù)分析處理。隨著我國航空電子技術和雷達成像技術的快速發(fā)展，分辨率和采樣率大幅提升，由此便帶來了高速大容量數(shù)據(jù)的存儲問題。同時存儲系統(tǒng)又要求掉電存儲數(shù)據(jù)并具有良好的抗振動能力，因此存儲電路通常采用非易失的電路芯片構(gòu)成，而傳統(tǒng)的DOC，E2PROM等存儲技術由于容量小、速度低等缺點已經(jīng)不適用高速大容量數(shù)據(jù)的存儲。快速發(fā)展的閃速存儲器(FLASH MEMORY)因其具有體積小、成本低、功耗小、壽命長、抗振動和寬溫度適應范圍等特點，逐漸成為高速大容量存儲系統(tǒng)設計的主流方案。

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，隨機讀取速度快等優(yōu)點，適用于程序代碼的存儲。NAND型是一種線性存儲設備，適用于大容量數(shù)據(jù)和文件的存儲。 K9WBG08U1M是三星公司推出的一款NAND型FLASH芯片，存儲容量達到4 GB，它內(nèi)部由兩片2 GB的FLASH構(gòu)成，通過片選信號CE1／CE2進行選擇控制，每片F(xiàn)LASH由8 192個塊組成，每塊有64頁，每頁能存儲(4 096+128)個字節(jié)的數(shù)據(jù)。因此，訪問芯片需要5個地址周期，其中3個周期的行地址用來確定某一頁，2個周期的列地址用來確定每頁的某個字節(jié)。對FLASH進行的操作主要有：存儲、讀取和擦除。由于指令、地址和數(shù)據(jù)復用芯片的8個I／O口，因此需要2個控制信號CLE和ALE分別鎖存指令和地址。
存儲操作一般使用基于頁的連續(xù)存儲模式，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)動到I／O總線輸出。
擦除操作與存儲、讀取操作略有不同，它是以塊為單位進行的，因此只需要3個周期的地址即可。在輸入擦除命令后，芯片便自動進行擦除操作，將存儲體內(nèi)的數(shù)據(jù)全部恢復為“FF狀態(tài)，隨后也可通過輸入讀狀態(tài)命令字70H判斷端口輸出是否為0來檢測此次擦除操作的成功性。

2 系統(tǒng)存儲關鍵技術
K9WBG08U1M一頁的存儲容量是4KB，最短25ns時間寫入一個字節(jié)。因此，芯片接口的寫入速度最高為40MB／s。芯片的存儲時間分為加載時間和編程時間兩部分，寫滿一頁所需的命令、地址和數(shù)據(jù)的加載時間總共為102.5μs，編程時間的典型值為200μs，最大編程時間為700μ-s。為了減小數(shù)據(jù)在存儲過程中出錯的概率，設計中使用最大的編程時間進行計算，因此對單片F(xiàn)LASH而言，存儲速度最高可達5.1MB／s。
2．1 并行總線處理技術
按照操作FLASH的傳統(tǒng)方法，存儲完一片F(xiàn)LASH后，再進行下一片F(xiàn)LASH的操作，這樣最高存儲速度也只是單片F(xiàn)LASH的存儲速度即5．1 MB／s，顯然無法適用于高速數(shù)據(jù)傳輸存儲的場合。通過并行處理技術可以很直觀的提高存儲速度，具體實現(xiàn)方法是：將N片低速FLASH芯片并聯(lián)起來，使用相同的控制線、片選線和讀寫信號線，構(gòu)成一個多位寬的FLASH組。這樣N片F(xiàn)LASH并行工作，進行相同的操作，存儲量可達到單片F(xiàn)LASH的N倍，所以理論上存儲速度也是單片F(xiàn)LASH的N倍。
2．2 流水線技術
流水線技術在計算機領域得到廣泛運用，它是在程序執(zhí)行時多條指令重疊進行操作的一種準并行處理實現(xiàn)技術。借鑒這種技術在進行FLASH存儲時可以大大節(jié)省存儲時間，提高存儲速度。FLASH每頁數(shù)據(jù)的加載時間和編程時間是器件本身所決定的，當加載完一頁數(shù)據(jù)后，F(xiàn)LASH就進入忙狀態(tài)，此時需要等待加載的數(shù)據(jù)自動編程，即將數(shù)據(jù)從寄存器中寫入存儲單元內(nèi)，這期間不能進行其余的操作，當編程結(jié)束后，F(xiàn)LASH才恢復空閑狀態(tài)，此后才能進行下一頁數(shù)據(jù)的加載，然后再進行編程。因此如果可以善加利用編程時間，使FLASH在進行本頁數(shù)據(jù)編程的同時去執(zhí)行下一頁數(shù)據(jù)的加載，這樣便可節(jié)省存儲時間，提高速度。加載完一頁數(shù)據(jù)的時間約為102．5μs，最大編程時間為700μs，這樣在每頁的編程時間內(nèi)可以完成7次的FLASH加載操作(700／102．5≈7)，由此畫出8級流水操作的時序圖如圖1所示。

圖1中每片F(xiàn)LASH都分為加載時間和編程時間，當?shù)谝黄現(xiàn)LASH完成第一頁的數(shù)據(jù)加載后進入數(shù)據(jù)編程階段。此時第二片F(xiàn)LASH開始進行第一頁數(shù)據(jù)加載，加載完成后也進入數(shù)據(jù)編程階段。然后依次對第三片到第八片F(xiàn)LASH進行相同的操作，當?shù)诎似現(xiàn)LASH也完成了第一頁數(shù)據(jù)的加載后，此時系統(tǒng)耗費的總時間約為7×102．5=717．5μs，大于單片F(xiàn)LASH的最大編程時間700μs即第一片F(xiàn)LASH已經(jīng)完成了數(shù)據(jù)編程，可以接著進行第二頁的數(shù)據(jù)加載。當?shù)诙摂?shù)據(jù)加載完成后，第三片F(xiàn)LASH便完成了第一頁的數(shù)據(jù)編程，可以接著進行隨后操作。這種循環(huán)流水操作，使FLASH在高速存儲過程中不必去考慮頁編程是否完成，節(jié)省了頁編程時間，從而使存儲速度近似達到芯片接口寫入速度即40 MB／s。由此可見，運用流水操作技術的存儲速度將是單片F(xiàn)LASH存儲速度的8倍，實現(xiàn)了FLASH的快速高效無丟失存儲。