基于NANDFlash大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)

孔令振，穆建文

（北京環(huán)境特性研究所，北京 100859）

圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要組成部分，在航天、國(guó)防、通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。隨著圖像分辨率及采樣頻率的不斷提升，高速海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問(wèn)題成為日益緊迫的研究課題。Flash作為一種新型的半導(dǎo)體器件，由于其非易失性、低功耗、體積小和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸取代磁盤(pán)成為嵌入式系統(tǒng)中首選的存儲(chǔ)器件。Flash根據(jù)其內(nèi)部邏輯架構(gòu)上的差異主要分為NOR Flash和NAND Flash兩種[2]。 相比NOR Flash，NAND Flash最大優(yōu)勢(shì)就在于其容量大，單片容量已達(dá)8 GB，但其最主要的缺點(diǎn)是讀寫(xiě)速度慢。綜合考慮存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)帶寬的要求，本設(shè)計(jì)采用FPGA同時(shí)控制多片NAND Flash并行讀取的方式來(lái)控制帶寬。

1 NAND型Flash結(jié)構(gòu)及性能

NAND Flash是采用NAND結(jié)構(gòu)技術(shù)的非易失性存儲(chǔ)器，內(nèi)存有8位和16位兩種形式，其I/O接口為地址與命令復(fù)用接口。以三星公司生產(chǎn)的K9NCG08U5M芯片為例，該芯片內(nèi)分為4個(gè)器件（Device），每個(gè)器件由 8 192個(gè)塊（Block）組成，每塊又由 64個(gè)頁(yè)（Page）組成，每一頁(yè)的存儲(chǔ)容量為4 KB+128 B[3]。NAND Flash主要以頁(yè)為單位進(jìn)行讀寫(xiě)，以塊為單位進(jìn)行擦除，其內(nèi)部有與頁(yè)大小相同的頁(yè)寄存器，用于數(shù)據(jù)緩存。該芯片讀寫(xiě)操作典型時(shí)間為 25 ns/B，寫(xiě)編程典型時(shí)間為 200 μs/Page，擦除操作時(shí)間為1.5 ms/Block，塊擦除次數(shù)可達(dá) 100萬(wàn)次，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 NAND Flash內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2 大容量存儲(chǔ)器硬件設(shè)計(jì)

大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)操作需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面功能：一是實(shí)現(xiàn)具體的存儲(chǔ)接口與存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換；二是實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理[4]。

2.1 接口板電路設(shè)計(jì)

接口板主要負(fù)責(zé)對(duì)CCD圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及預(yù)處理，將Camera Link數(shù)據(jù)信號(hào)接收進(jìn)來(lái)，按原有行、場(chǎng)及數(shù)據(jù)有效標(biāo)志信號(hào)從LVDS接口接收通信圖像數(shù)據(jù)。由于原始數(shù)據(jù)是隨機(jī)的，需要FPGA將數(shù)據(jù)整合成有一定規(guī)律的數(shù)據(jù)格式。

輸入部分首先是Camera Link接口，LVDS圖像數(shù)據(jù)輸入包含4組數(shù)據(jù)線和1組時(shí)鐘信號(hào)，采用一片DS90CR286（將 LVDS信號(hào)轉(zhuǎn)換為T(mén)TL信號(hào)）進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，一個(gè)MDR26插頭。具體操作過(guò)程為：首先Camera Link數(shù)據(jù)接口模塊接收LVDS信號(hào)將其轉(zhuǎn)化成TTL電平，在FPGA內(nèi)部整合成64 bit數(shù)據(jù)信號(hào)和相機(jī)控制信號(hào)，然后將圖像數(shù)據(jù)暫存到雙口RAM中，采取乒乓讀取的方式將數(shù)據(jù)存入到存儲(chǔ)板中。接口板電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 接口板電路結(jié)構(gòu)框圖

2.2 存儲(chǔ)板電路設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)板完成的任務(wù)主要是接收接口板的數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)，將數(shù)據(jù)存入NAND Flash芯片中，讀取NAND Flash中的數(shù)據(jù)信號(hào)并傳送給接口板。

存儲(chǔ)板采用型號(hào)XC2V3000FF1152的Virtex II FPGA芯片直接控制NAND Flash芯片，其指標(biāo)為：720個(gè)可用I/O，1 728 KB的內(nèi)部塊 RAM[5]。NAND Flash芯片采用三星公司的K9NCG08U5M，單片大小為8 GB。存儲(chǔ)板載有32片NAND Flash，這樣存儲(chǔ)板可實(shí)現(xiàn)256 GB的存儲(chǔ)容量。32片NAND Flash并行存儲(chǔ)，單片速度為15 MB/s，并行存儲(chǔ)速度可達(dá)480 MB/s。具體連接方式如圖3所示。

圖3 NAND Flash存儲(chǔ)陣列結(jié)構(gòu)圖

3 大容量存儲(chǔ)器軟件設(shè)計(jì)

在搭建好存儲(chǔ)器硬件平臺(tái)后，需要進(jìn)行相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯功能。主要包括兩個(gè)部分：一是根據(jù)具體的接口編寫(xiě)合適的程序?qū)崿F(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的輸入與輸出控制，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)板與外部接口的數(shù)據(jù)交換；二是NAND Flash邏輯控制器的設(shè)計(jì)[6]。NAND Flash邏輯控制器是大容量存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

NAND Flash邏輯控制器主要由主狀態(tài)機(jī)和中間狀態(tài)機(jī)兩個(gè)狀態(tài)機(jī)構(gòu)成[7]。主狀態(tài)機(jī)主要用于產(chǎn)生對(duì)NAND Flash進(jìn)行各種操作時(shí)所需的控制時(shí)序，中間狀態(tài)機(jī)主要用于控制主狀態(tài)機(jī)內(nèi)各個(gè)狀態(tài)之間的跳轉(zhuǎn)。

3.1 NAND Flash邏輯控制器主狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

NAND Flash邏輯控制器主狀態(tài)機(jī)內(nèi)的狀態(tài)分為6類：空閑狀態(tài)、存儲(chǔ)操作狀態(tài)、讀取操作狀態(tài)、擦除操作狀態(tài)、壞塊檢測(cè)操作狀態(tài)和ID讀取操作狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 NAND Flash邏輯控制器主狀態(tài)機(jī)

系統(tǒng)上電后，主狀態(tài)機(jī)進(jìn)入空閑狀態(tài)，并在program_start、read_start、erase_start、check_start信 號(hào) 的 驅(qū) 動(dòng) 下 進(jìn) 入 相 應(yīng)的存儲(chǔ)操作狀態(tài)、讀取操作狀態(tài)、擦除操作狀態(tài)和壞塊查詢操作狀態(tài)。在完成主控模塊訪問(wèn)請(qǐng)求的操作狀態(tài)后，主狀態(tài)機(jī)會(huì)自動(dòng)跳回到空閑狀態(tài)。NAND Flash存儲(chǔ)以頁(yè)為單位進(jìn)行，在對(duì)Flash某一塊進(jìn)行寫(xiě)操作前，需要對(duì)其進(jìn)行擦除操作。先往Flash中寫(xiě)命令0x60，然后往Flash里寫(xiě)要擦除的塊地址，再往Flash里寫(xiě)命令0xD0，最后等待。當(dāng)往Flash里面寫(xiě)命令0x70后讀出來(lái)的數(shù)據(jù)是0xC0時(shí)，說(shuō)明擦除操作完畢。擦除操作完成后才可以向Flash里寫(xiě)數(shù)據(jù)。寫(xiě)數(shù)據(jù)的操作過(guò)程為：先往Flash中寫(xiě)命令0x80，然后往Flash里寫(xiě)要操作的地址，再向Flash搬數(shù)據(jù)，搬完后，如果要對(duì)本片F(xiàn)lash進(jìn)行操作，一定要等一段時(shí)間，使得Flash有足夠的時(shí)間把數(shù)據(jù)從Flash的緩存區(qū)域搬移到存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)。需要從Flash里讀取數(shù)據(jù)時(shí)，主狀態(tài)機(jī)進(jìn)入讀取操作狀態(tài)，數(shù)據(jù)讀取操作也是以頁(yè)為單位進(jìn)行。讀取數(shù)據(jù)的過(guò)程為：先往Flash里寫(xiě)入0x00控制字，然后往Flash里寫(xiě)要操作的地址，再往Flash寫(xiě)命令0x30，等待一段時(shí)間，使得Flash有足夠的時(shí)間把要讀的數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)區(qū)搬到Flash緩存區(qū)內(nèi)。NAND Flash讀寫(xiě)與擦除操作流程如圖5所示。

當(dāng)Flash存儲(chǔ)區(qū)域讀寫(xiě)操作完畢，需要對(duì)下一塊存儲(chǔ)區(qū)域進(jìn)行操作時(shí)，主狀態(tài)機(jī)進(jìn)入壞塊查詢控制模塊，產(chǎn)生壞塊查詢所需的塊地址信息和激勵(lì)信號(hào)，狀態(tài)機(jī)先進(jìn)行塊擦除操作，讀取芯片狀態(tài)寄存器來(lái)檢測(cè)塊擦除是否成功，如果不成功則認(rèn)為該數(shù)據(jù)塊為無(wú)效塊，并將數(shù)據(jù)塊地址寫(xiě)入緩存中。狀態(tài)位讀取操作由指令控制字70H控制，在I/O數(shù)據(jù)總線寫(xiě)入70H后的一個(gè)讀時(shí)鐘周期內(nèi)可以將狀態(tài)信息通過(guò)I/O總線讀出。擦除結(jié)束后讀取狀態(tài)寄存器即可判斷此塊是否為壞塊，如果為壞塊則將當(dāng)前塊地址寫(xiě)入壞塊緩存內(nèi)。

圖5 NAND Flash讀寫(xiě)與擦除操作流程圖

3.2 NAND Flash邏輯控制器中間狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

主狀態(tài)機(jī)內(nèi)各個(gè)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)的功能各不相同，在狀態(tài)機(jī)的循環(huán)過(guò)程中，每個(gè)子狀態(tài)并不是在內(nèi)部操作執(zhí)行完之后就可以跳到下一個(gè)狀態(tài)中去。主狀態(tài)機(jī)內(nèi)各個(gè)子狀態(tài)之間的跳轉(zhuǎn)需要中間狀態(tài)機(jī)進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)。

中間狀態(tài)機(jī)的主要功能有兩個(gè)：計(jì)數(shù)主狀態(tài)機(jī)內(nèi)各個(gè)子狀態(tài)的內(nèi)部操作執(zhí)行次數(shù)，并與實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的存儲(chǔ)器控制操作時(shí)需要執(zhí)行的次數(shù)進(jìn)行比較，從而控制各個(gè)子狀態(tài)之間的跳轉(zhuǎn)；通過(guò)內(nèi)部狀態(tài)之間的跳轉(zhuǎn)，產(chǎn)生符合Flash建立保持時(shí)間要求的各種讀寫(xiě)使能信號(hào)。此設(shè)計(jì)中，中間狀態(tài)機(jī)包括4個(gè)狀態(tài)，分別為觸發(fā)開(kāi)始、中間狀態(tài)一、中間狀態(tài)二和觸發(fā)結(jié)束。中間狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換流程如圖6所示，在中間狀態(tài)機(jī)一次跳轉(zhuǎn)循環(huán)中，主狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)不發(fā)生變化。

圖6 NAND Flash邏輯控制器中間狀態(tài)機(jī)

針對(duì)本文設(shè)計(jì)的大容量存儲(chǔ)板進(jìn)行了存儲(chǔ)功能測(cè)試和數(shù)據(jù)采集功能測(cè)試。在FPGA內(nèi)部產(chǎn)生測(cè)試數(shù)據(jù)，將測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到NAND Flash中再啟動(dòng)讀操作。數(shù)據(jù)源采用順序數(shù)、隨機(jī)數(shù)、驅(qū)動(dòng)能力數(shù)，順序數(shù)為按從小到大排列的數(shù)據(jù)，隨機(jī)數(shù)為采用一定算法生成的隨機(jī)數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)數(shù)為采用0與1交替變換的數(shù)據(jù)。經(jīng)測(cè)試，存儲(chǔ)板存儲(chǔ)帶寬約為465 MB/s，讀取帶寬約為590 MB/s，滿足設(shè)計(jì)要求。

NAND Flash訪問(wèn)速度快、成本低，而且存儲(chǔ)密度越來(lái)越大，在不同領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。本文針對(duì)單片F(xiàn)lash存儲(chǔ)速度慢的缺點(diǎn)，提出了一種多片NAND Flash并行讀取的方式來(lái)提高讀取帶寬。通過(guò)NAND Flash邏輯控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)Flash文件的讀寫(xiě)及擦除操作；并且針對(duì)NAND Flash的壞塊問(wèn)題提出了一種壞塊檢測(cè)方法，通過(guò)不斷調(diào)用壞塊查詢函數(shù)，可以跳過(guò)壞塊并將壞塊地址存儲(chǔ)在已建立好的RAM中，增加壞塊管理，保證了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性。

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