基于閃存的星載大容量存儲(chǔ)器的研究和實(shí)現(xiàn)
摘要:就閃存應(yīng)用于星載大容量存儲(chǔ)器時(shí)的寫(xiě)入速度慢、存在無(wú)效塊等關(guān)鍵問(wèn)題探討了可行性解決方案,并在方案討論的基礎(chǔ)上論述了一個(gè)基于閃存的大容量存儲(chǔ)器的演示樣機(jī)的實(shí)現(xiàn)。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202575.htm無(wú)效塊空間飛行器的數(shù)據(jù)記錄設(shè)備是衛(wèi)星上的關(guān)鍵設(shè)備之一。自20世紀(jì)90年代初起,各航天大國(guó)開(kāi)始研制固態(tài)記錄器(Solid State Recorder,簡(jiǎn)稱(chēng)SSR)。由于SSR使用半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片作為存儲(chǔ)介質(zhì),所以其存儲(chǔ)密度高、無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件、可靠性高、體積小、重量輕,因而逐漸成為空間飛行器的數(shù)據(jù)記錄器的主流方案。閃速存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱(chēng)閃存)作為一種新興的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件,以其獨(dú)有的特點(diǎn)得到了迅猛的發(fā)展,其主要特點(diǎn)有:(1)具有非易失性,掉電時(shí)數(shù)據(jù)不丟失,可靠性高;(2)功耗小,不加電的情況下可長(zhǎng)期保持?jǐn)?shù)據(jù)信息;(3)壽命長(zhǎng),可以在在線工作情況下進(jìn)行寫(xiě)入和擦除,標(biāo)準(zhǔn)擦寫(xiě)次數(shù)可達(dá)十萬(wàn)次;(4)密度大、成本低,存儲(chǔ)單元由一個(gè)晶體管構(gòu)成,具有很高的容量密度,且價(jià)格也在不斷降低;(5)適應(yīng)惡劣的空間環(huán)境,具有抗震動(dòng)、抗沖擊、溫度適應(yīng)范圍寬等特點(diǎn)。由于閃存的這些特點(diǎn),使它受到了航天領(lǐng)域研究人員的關(guān)注。20世紀(jì)90年代中期,Firechild公司就曾為F-16偵察星成功設(shè)計(jì)了SSR2,使用的主要存儲(chǔ)芯片就是閃存;國(guó)內(nèi)的FY-2衛(wèi)星也曾采用閃存作為該星的固態(tài)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)介質(zhì)。雖然有這些成功的應(yīng)用案例,但是閃存也存在一些明顯的缺點(diǎn),如寫(xiě)入速度較慢、使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)無(wú)效塊等。本文將探討如何解決和突破這些缺點(diǎn),并依此給出一個(gè)具體的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。
1 閃存構(gòu)成星載大容量存儲(chǔ)器的關(guān)鍵問(wèn)題
1.1 寫(xiě)入速度問(wèn)題
目前閃存有多種技術(shù)架構(gòu),其中以NOR技術(shù)和NAND技術(shù)為主流技術(shù)3。NOR型閃存是隨機(jī)存取的設(shè)備,適用于代碼存儲(chǔ);NAND型閃存是線性存取的設(shè)備,適用于大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)4。NAND型閃存有一定的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),具有一些統(tǒng)一的特點(diǎn),現(xiàn)以三星公司的K9K1G08U0M型芯片為例進(jìn)行介紹。該芯片容量為1Gbit,由8192個(gè)塊組成,每塊又由32個(gè)頁(yè)組成,一頁(yè)有(512+16)×8bit,該片的8位I/O總線是命令、地址、數(shù)據(jù)復(fù)用的。讀寫(xiě)操作均以頁(yè)為單位,擦除操作則以塊為單位,寫(xiě)入每頁(yè)的典型時(shí)間為200μs4,平均每寫(xiě)一個(gè)字節(jié)約需400ns,即約20Mb/s。這樣的寫(xiě)入(編程)速度對(duì)于要求高速的應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)講是難以滿(mǎn)足的,因此必須采取一定的技術(shù)措施。
1.1.1 并行總線技術(shù)
并行總線技術(shù)亦稱(chēng)寬帶總線技術(shù),即通過(guò)拓寬數(shù)據(jù)總線的帶寬實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)宏觀上的并行操作。比如,由四片K9K1G08U0M型閃存芯片組成一個(gè)32位寬的閃存子模塊,它們共用相同的控制信號(hào),包括片選信號(hào)、讀寫(xiě)信號(hào)、芯片內(nèi)部地址等。子模塊總是被看做一個(gè)整體而進(jìn)行相同的操作,只是數(shù)據(jù)加載的時(shí)候是不同的數(shù)據(jù)。這樣,數(shù)據(jù)量將是使用單獨(dú)一塊芯片時(shí)的4倍,所以理論上速度也將是非并行時(shí)的4倍。
1.1.2 流水線技術(shù)
借鑒現(xiàn)今高性能計(jì)算機(jī)中的流水線操作原理,可在時(shí)間片上實(shí)現(xiàn)微觀并行。針對(duì)閃存的寫(xiě)入速度慢的問(wèn)題,可以對(duì)其進(jìn)行流水處理。K9K1G08U0M型閃存的寫(xiě)入操作可分為三個(gè)步驟:(1)加載操作,即完成命令、地址和數(shù)據(jù)的載入工作;(2)自動(dòng)編程操作,即由閃存芯片自動(dòng)完成編程操作,將載入到頁(yè)寄存器的數(shù)據(jù)寫(xiě)到內(nèi)部存儲(chǔ)單元的;(3)檢測(cè)操作,即在自動(dòng)編程結(jié)束后檢測(cè)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)是否正確。如果不正確,需要重新編程;如果正確,繼續(xù)下一步的操作。寫(xiě)流水原理圖如圖1所示。由圖1可以看到,流水線運(yùn)行起來(lái)后,在任一時(shí)間片上總有若干小操作在同時(shí)進(jìn)行,即在時(shí)間片上實(shí)現(xiàn)了復(fù)用,因此從整體上看速度將會(huì)提高。
評(píng)論