基于閃存的星載大容量存儲(chǔ)器的研究和實(shí)現(xiàn)

三星閃存芯片在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)無(wú)效塊。無(wú)效塊是指一個(gè)塊中存在一個(gè)或多個(gè)無(wú)效位，其可靠性不能得到保證，必須加以標(biāo)識(shí)和旁路（當(dāng)然無(wú)效塊不會(huì)影響到其它塊的有效性）４并進(jìn)行數(shù)據(jù)備份。為了對(duì)無(wú)效塊實(shí)現(xiàn)管理，可以建立一張無(wú)效塊到冗余區(qū)有效塊的映射表。映射表結(jié)構(gòu)如圖２所示。映射原理如下： 開(kāi)始是一張初始無(wú)效塊映射表，這張表可以根據(jù)三星公司技術(shù)手冊(cè)給出的算法建立起來(lái)。按照?qǐng)D示的映射數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行編號(hào)，并根據(jù)這個(gè)編號(hào)對(duì)映射表進(jìn)行排序。進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，按照上述的映射結(jié)構(gòu)將寫(xiě)地址與映射表進(jìn)行比較，比較到塊級(jí)即可。如果是無(wú)效塊，將待寫(xiě)入的數(shù)據(jù)寫(xiě)到被映射到的塊；如果不是，則直接寫(xiě)入該塊。如果在寫(xiě)某塊的某頁(yè)時(shí)出現(xiàn)編程錯(cuò)誤，則將該塊添加進(jìn)無(wú)效塊映射表（當(dāng)編程出錯(cuò)時(shí)就表明出錯(cuò)頁(yè)對(duì)應(yīng)的塊無(wú)效），同時(shí)從該出錯(cuò)頁(yè)開(kāi)始，將該塊后面的頁(yè)數(shù)據(jù)都寫(xiě)入到對(duì)應(yīng)的映射塊。這樣，在數(shù)據(jù)讀出時(shí)，可將讀地址與映射表比較，并且需要比較到頁(yè)級(jí)以確定每一頁(yè)的確切存放位置。如果該頁(yè)編程正確，則直接讀出；如果錯(cuò)誤，則到被映射的塊的對(duì)應(yīng)頁(yè)讀數(shù)據(jù)，并且該頁(yè)之后的頁(yè)也從被映射塊中讀數(shù)據(jù)。根據(jù)三星的技術(shù)資料，對(duì)無(wú)效塊進(jìn)行讀操作是允許的，即對(duì)于編程出錯(cuò)頁(yè)前面的那些編程正確的頁(yè)是可以正確讀出的，而對(duì)無(wú)效塊進(jìn)行編程和擦除的操作是不推薦的，因?yàn)橛袝r(shí)這些操作會(huì)使鄰近的塊也失效４。所以讀操作要查找到每一頁(yè)的對(duì)應(yīng)存放位置，而寫(xiě)操作只要查找到塊就行。查找時(shí)采用二分查找算法。擦除完后，將擦除出錯(cuò)的塊也添加進(jìn)無(wú)效塊映射表。無(wú)效塊映射表需要不斷維護(hù)和更新。

２ 閃存構(gòu)成星載大容量存儲(chǔ)器的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案２．１ 系統(tǒng)的組成

該實(shí)現(xiàn)方案將上述關(guān)鍵問(wèn)題的解決方法融合進(jìn)來(lái)，系統(tǒng)由存儲(chǔ)區(qū)模塊、接口模塊、數(shù)據(jù)緩沖模塊及主控模塊四部分組成，系統(tǒng)原理圖如圖３所示。

２．１．１ 存儲(chǔ)區(qū)模塊

為了實(shí)現(xiàn)并行和流水技術(shù)，整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)模塊按如下方式構(gòu)成：由４片Ｋ９Ｋ１Ｇ０８Ｕ０Ｍ型三星閃存芯片組成一個(gè)子模塊，８?jìng)€(gè)子模塊組成８級(jí)流水的大模塊，而這個(gè)大模塊即是整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，其總?cè)萘繛椋常玻牵猓椋?。無(wú)效塊備份的冗余區(qū)可以設(shè)在每個(gè)子模塊內(nèi)部，即從子模塊的每塊芯片中預(yù)留出一部分空間。這種模塊化管理的方式既便于系統(tǒng)擴(kuò)展，又可以在不影響系統(tǒng)正常工作的情況下旁路已損壞的存儲(chǔ)塊。

２．１．２ 接口模塊

系統(tǒng)與外部的接口有兩個(gè)。一是與ＣＰＵ的接口，主要完成系統(tǒng)的初始化、外部命令和地址的輸入以及內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)的輸出，同時(shí)ＣＰＵ 還要對(duì)存儲(chǔ)區(qū)完成管理：無(wú)效塊的管理、地址的譯碼和映射等；二是與外部高速數(shù)據(jù)源的接口，主要完成外部高速數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。這里選用了１３９４高速總線作為數(shù)據(jù)源總線。

２．１．３ 數(shù)據(jù)緩沖模塊

這一模塊包括數(shù)據(jù)輸入ＦＩＦＯ、數(shù)據(jù)輸出ＦＩＦＯ和一個(gè)作為數(shù)據(jù)備份的ＳＲＡＭ。由于閃存的寫(xiě)入速度比較慢，如果沒(méi)有數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，外部的高速數(shù)據(jù)很有可能會(huì)丟失，而且數(shù)據(jù)回放時(shí)也需要一個(gè)緩沖區(qū)使內(nèi)外的數(shù)據(jù)率匹配?？紤]到編程出錯(cuò)時(shí)需要重新加載數(shù)據(jù)，按照流水線的工作方式，如果不進(jìn)行數(shù)據(jù)備份，可能會(huì)出現(xiàn)出錯(cuò)時(shí)的數(shù)據(jù)丟失，因此選用了一個(gè)ＳＲＡＭ進(jìn)行數(shù)據(jù)備份。當(dāng)將輸入ＦＩＦＯ的數(shù)據(jù)寫(xiě)入ＦＬＡＳＨ時(shí)，同時(shí)也將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到ＳＲＡＭ進(jìn)行備份；當(dāng)需要重新編程時(shí)，再?gòu)模樱遥粒椭袑⑾鄳?yīng)的備份數(shù)據(jù)重新寫(xiě)入ＦＬＡＳＨ。

２．１．４ 主控模塊

這一模塊完成整個(gè)存儲(chǔ)器系統(tǒng)的內(nèi)部控制，是核心控制機(jī)構(gòu)，連接著存儲(chǔ)區(qū)、數(shù)據(jù)緩沖以及外部接口三個(gè)模塊，完成它們之間的數(shù)據(jù)、命令、地址、狀態(tài)的相互傳遞、轉(zhuǎn)換和處理。主控模塊又分為三個(gè)子模塊，即存儲(chǔ)區(qū)控制子模塊、存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)子模塊和１３９４接口控制子模塊，分別由三片ＦＰＧＡ(現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列)完成。