基于閃存的星載大容量存儲器的研究和實(shí)現

三星閃存芯片在使用過(guò)程中會(huì )出現無(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，必須加以標識和旁路（當然無(wú)效塊不會(huì )影響到其它塊的有效性）４并進(jìn)行數據備份。為了對無(wú)效塊實(shí)現管理，可以建立一張無(wú)效塊到冗余區有效塊的映射表。映射表結構如圖２所示。映射原理如下： 開(kāi)始是一張初始無(wú)效塊映射表，這張表可以根據三星公司技術(shù)手冊給出的算法建立起來(lái)。按照圖示的映射數據結構對整個(gè)存儲區進(jìn)行編號，并根據這個(gè)編號對映射表進(jìn)行排序。進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，按照上述的映射結構將寫(xiě)地址與映射表進(jìn)行比較，比較到塊級即可。如果是無(wú)效塊，將待寫(xiě)入的數據寫(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)出現編程錯誤，則將該塊添加進(jìn)無(wú)效塊映射表（當編程出錯時(shí)就表明出錯頁(yè)對應的塊無(wú)效），同時(shí)從該出錯頁(yè)開(kāi)始，將該塊后面的頁(yè)數據都寫(xiě)入到對應的映射塊。這樣，在數據讀出時(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；如果錯誤，則到被映射的塊的對應頁(yè)讀數據，并且該頁(yè)之后的頁(yè)也從被映射塊中讀數據。根據三星的技術(shù)資料，對無(wú)效塊進(jìn)行讀操作是允許的，即對于編程出錯頁(yè)前面的那些編程正確的頁(yè)是可以正確讀出的，而對無(wú)效塊進(jìn)行編程和擦除的操作是不推薦的，因為有時(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)的對應存放位置，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和更新。

２ 閃存構成星載大容量存儲器的系統實(shí)現方案２．１ 系統的組成

該實(shí)現方案將上述關(guān)鍵問(wèn)題的解決方法融合進(jìn)來(lái)，系統由存儲區模塊、接口模塊、數據緩沖模塊及主控模塊四部分組成，系統原理圖如圖３所示。

２．１．１ 存儲區模塊

為了實(shí)現并行和流水技術(shù)，整個(gè)存儲區模塊按如下方式構成：由４片Ｋ９Ｋ１Ｇ０８Ｕ０Ｍ型三星閃存芯片組成一個(gè)子模塊，８個(gè)子模塊組成８級流水的大模塊，而這個(gè)大模塊即是整個(gè)存儲區，其總容量為３２Ｇｂｉｔ。無(wú)效塊備份的冗余區可以設在每個(gè)子模塊內部，即從子模塊的每塊芯片中預留出一部分空間。這種模塊化管理的方式既便于系統擴展，又可以在不影響系統正常工作的情況下旁路已損壞的存儲塊。

２．１．２ 接口模塊

系統與外部的接口有兩個(gè)。一是與ＣＰＵ的接口，主要完成系統的初始化、外部命令和地址的輸入以及內部狀態(tài)參數的輸出，同時(shí)ＣＰＵ 還要對存儲區完成管理：無(wú)效塊的管理、地址的譯碼和映射等；二是與外部高速數據源的接口，主要完成外部高速數據的接收和發(fā)送。這里選用了１３９４高速總線(xiàn)作為數據源總線(xiàn)。

２．１．３ 數據緩沖模塊

這一模塊包括數據輸入ＦＩＦＯ、數據輸出ＦＩＦＯ和一個(gè)作為數據備份的ＳＲＡＭ。由于閃存的寫(xiě)入速度比較慢，如果沒(méi)有數據緩沖區，外部的高速數據很有可能會(huì )丟失，而且數據回放時(shí)也需要一個(gè)緩沖區使內外的數據率匹配?？紤]到編程出錯時(shí)需要重新加載數據，按照流水線(xiàn)的工作方式，如果不進(jìn)行數據備份，可能會(huì )出現出錯時(shí)的數據丟失，因此選用了一個(gè)ＳＲＡＭ進(jìn)行數據備份。當將輸入ＦＩＦＯ的數據寫(xiě)入ＦＬＡＳＨ時(shí)，同時(shí)也將數據寫(xiě)入到ＳＲＡＭ進(jìn)行備份；當需要重新編程時(shí)，再從ＳＲＡＭ中將相應的備份數據重新寫(xiě)入ＦＬＡＳＨ。

２．１．４ 主控模塊

這一模塊完成整個(gè)存儲器系統的內部控制，是核心控制機構，連接著(zhù)存儲區、數據緩沖以及外部接口三個(gè)模塊，完成它們之間的數據、命令、地址、狀態(tài)的相互傳遞、轉換和處理。主控模塊又分為三個(gè)子模塊，即存儲區控制子模塊、存儲區數據子模塊和１３９４接口控制子模塊，分別由三片ＦＰＧＡ(現場(chǎng)可編程邏輯陣列)完成。