基于NAND FLASH的高速大容量存儲系統設計

摘要：為了解決目前記錄系統容量小、存儲速度低的問(wèn)題，采用性能優(yōu)良的固態(tài)NAND型FLASH為存儲介質(zhì)，大規模集成電路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)現了多片低速FLASH時(shí)高速數據的存儲，提高了整個(gè)系統的存儲容量和存儲速度。針對FLASH內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制，有效的提高了數據存儲的可靠性。
關(guān)鍵詞：高速；流水線(xiàn)；FLASH；FPGA

0 引言
在數據采集存儲系統中，往往需要對采集后的數據進(jìn)行存儲以方便后續分析處理。隨著(zhù)我國航空電子技術(shù)和雷達成像技術(shù)的快速發(fā)展，分辨率和采樣率大幅提升，由此便帶來(lái)了高速大容量數據的存儲問(wèn)題。同時(shí)存儲系統又要求掉電存儲數據并具有良好的抗振動(dòng)能力，因此存儲電路通常采用非易失的電路芯片構成，而傳統的DOC，E2PROM等存儲技術(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據的存儲?？焖侔l(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(cháng)、抗振動(dòng)和寬溫度適應范圍等特點(diǎn)，逐漸成為高速大容量存儲系統設計的主流方案。

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(diǎn)，適用于程序代碼的存儲。NAND型是一種線(xiàn)性存儲設備，適用于大容量數據和文件的存儲。 K9WBG08U1M是三星公司推出的一款NAND型FLASH芯片，存儲容量達到4 GB，它內部由兩片2 GB的FLASH構成，通過(guò)片選信號CE1／CE2進(jìn)行選擇控制，每片FLASH由8 192個(gè)塊組成，每塊有64頁(yè)，每頁(yè)能存儲(4 096+128)個(gè)字節的數據。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。對FLASH進(jìn)行的操作主要有：存儲、讀取和擦除。由于指令、地址和數據復用芯片的8個(gè)I／O口，因此需要2個(gè)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(yè)的連續存儲模式，所有的命令字、地址、數據都是在的下降沿將數據驅動(dòng)到I／O總線(xiàn)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(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，將存儲體內的數據全部恢復為“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)檢測此次擦除操作的成功性。

2 系統存儲關(guān)鍵技術(shù)
K9WBG08U1M一頁(yè)的存儲容量是4KB，最短25ns時(shí)間寫(xiě)入一個(gè)字節。因此，芯片接口的寫(xiě)入速度最高為40MB／s。芯片的存儲時(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、地址和數據的加載時(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。為了減小數據在存儲過(guò)程中出錯的概率，設計中使用最大的編程時(shí)間進(jìn)行計算，因此對單片FLASH而言，存儲速度最高可達5.1MB／s。
2．1 并行總線(xiàn)處理技術(shù)
按照操作FLASH的傳統方法，存儲完一片FLASH后，再進(jìn)行下一片FLASH的操作，這樣最高存儲速度也只是單片FLASH的存儲速度即5．1 MB／s，顯然無(wú)法適用于高速數據傳輸存儲的場(chǎng)合。通過(guò)并行處理技術(shù)可以很直觀(guān)的提高存儲速度，具體實(shí)現方法是：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)信號線(xiàn)，構成一個(gè)多位寬的FLASH組。這樣N片FLASH并行工作，進(jìn)行相同的操作，存儲量可達到單片FLASH的N倍，所以理論上存儲速度也是單片FLASH的N倍。
2．2 流水線(xiàn)技術(shù)
流水線(xiàn)技術(shù)在計算機領(lǐng)域得到廣泛運用，它是在程序執行時(shí)多條指令重疊進(jìn)行操作的一種準并行處理實(shí)現技術(shù)。借鑒這種技術(shù)在進(jìn)行FLASH存儲時(shí)可以大大節省存儲時(shí)間，提高存儲速度。FLASH每頁(yè)數據的加載時(shí)間和編程時(shí)間是器件本身所決定的，當加載完一頁(yè)數據后，FLASH就進(jìn)入忙狀態(tài)，此時(shí)需要等待加載的數據自動(dòng)編程，即將數據從寄存器中寫(xiě)入存儲單元內，這期間不能進(jìn)行其余的操作，當編程結束后，FLASH才恢復空閑狀態(tài)，此后才能進(jìn)行下一頁(yè)數據的加載，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)數據編程的同時(shí)去執行下一頁(yè)數據的加載，這樣便可節省存儲時(shí)間，提高速度。加載完一頁(yè)數據的時(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)間內可以完成7次的FLASH加載操作(700／102．5≈7)，由此畫(huà)出8級流水操作的時(shí)序圖如圖1所示。

圖1中每片FLASH都分為加載時(shí)間和編程時(shí)間，當第一片FLASH完成第一頁(yè)的數據加載后進(jìn)入數據編程階段。此時(shí)第二片FLASH開(kāi)始進(jìn)行第一頁(yè)數據加載，加載完成后也進(jìn)入數據編程階段。然后依次對第三片到第八片FLASH進(jìn)行相同的操作，當第八片FLASH也完成了第一頁(yè)數據的加載后，此時(shí)系統耗費的總時(shí)間約為7×102．5=717．5μs，大于單片FLASH的最大編程時(shí)間700μs即第一片FLASH已經(jīng)完成了數據編程，可以接著(zhù)進(jìn)行第二頁(yè)的數據加載。當第二頁(yè)數據加載完成后，第三片FLASH便完成了第一頁(yè)的數據編程，可以接著(zhù)進(jìn)行隨后操作。這種循環(huán)流水操作，使FLASH在高速存儲過(guò)程中不必去考慮頁(yè)編程是否完成，節省了頁(yè)編程時(shí)間，從而使存儲速度近似達到芯片接口寫(xiě)入速度即40 MB／s。由此可見(jiàn)，運用流水操作技術(shù)的存儲速度將是單片FLASH存儲速度的8倍，實(shí)現了FLASH的快速高效無(wú)丟失存儲。