基于硬件和固件相結(jié)合的掉電保護(hù)策略的應(yīng)用

蔣 欣，張偉棟，韓振國(guó)，張 銳

（中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710019）

0 引言

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境惡劣，電源電壓不穩(wěn)定，突發(fā)性斷電以及非法插拔都容易對(duì)NandFlash中的文件系統(tǒng)造成災(zāi)難性的影響[1]。為了管理復(fù)雜的存儲(chǔ)硬件，同時(shí)提供可靠高效的存儲(chǔ)環(huán)境，出現(xiàn)了基于固態(tài)電子盤模塊（SSD）的主控器和NandFlash的掉電保護(hù)機(jī)制，有效地減少了上述原因?qū)虘B(tài)電子盤模塊中文件系統(tǒng)一致性和完整性的破壞。

為了提高SSD的讀寫(xiě)性能，大部分SSD控制器通過(guò)內(nèi)部集成RAM或外部擴(kuò)展RAM的方式增加緩存，每次主機(jī)需要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到SSD中時(shí)，都先寫(xiě)到SSD的緩存中，SSD控制器再將緩存中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到NandFlash中。因此，在電源沒(méi)有任何保護(hù)措施的情況下，如果SSD突然掉電 （即外部供電在突發(fā)意外情況下發(fā)生浪涌或斷電），將會(huì)造成緩存中的數(shù)據(jù)完全丟失，輕則丟失數(shù)據(jù)，重則導(dǎo)致SSD中文件系統(tǒng)崩潰，主機(jī)無(wú)法識(shí)別SSD。

本文提出了一種增加掉電監(jiān)控和保護(hù)的硬件單元，并可以動(dòng)態(tài)調(diào)整SSD主控器的固件的工作模式，這種設(shè)計(jì)方法在掉電瞬間，能夠最大程度地保護(hù)SSD存儲(chǔ)單元的文件系統(tǒng)的完整性和一致性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閃存（NandFlash）的管理（讀寫(xiě)的策略、壞塊的管理以及損耗均衡）針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)，進(jìn)行特別的優(yōu)化，在掉電瞬間，減少主控器的能量需求，盡可能滿足NandFlash的寫(xiě)操作，但是過(guò)低的功耗會(huì)限制固態(tài)盤在電源穩(wěn)定狀態(tài)下的性能。考慮到整個(gè)固態(tài)盤的穩(wěn)定性，主控器的NandFlash的管理策略需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整[2]。因此，要實(shí)現(xiàn)完整的掉電保護(hù)策略，需要結(jié)合完整的電源狀態(tài)監(jiān)控機(jī)制和動(dòng)態(tài)調(diào)整SSD主控器的固件運(yùn)行模式，才能達(dá)到有意義的掉電保護(hù)。根據(jù)以上原理設(shè)計(jì)了SSD的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 SSD系統(tǒng)架構(gòu)圖

SSD系統(tǒng)架構(gòu)主要由SSD控制器、擴(kuò)展RAM（原理樣機(jī)使用的DDRII）、NandFlash陣列（存儲(chǔ)體的組織形式為SLC）、高速數(shù)據(jù)接口（原理樣機(jī)使用的IDE接口）、電源檢測(cè)功能單元電路和續(xù)流功能單元電路 （儲(chǔ)能電路）組成。

掉電保護(hù)增加了兩部分功能：

（1）掉電保護(hù)硬件部分：包含電源檢測(cè)模塊和續(xù)流模塊，電源檢測(cè)模塊用于檢測(cè)系統(tǒng)的供電電源，當(dāng)其電壓過(guò)低或輸出電流過(guò)小時(shí)，向SSD控制器產(chǎn)生中斷，同時(shí)啟動(dòng)續(xù)流功能電路單元 （儲(chǔ)能電源模塊），給SSD提供足夠長(zhǎng)時(shí)間的續(xù)航能力，保證主機(jī)給SSD的最后一幀數(shù)據(jù)能夠順利寫(xiě)入NandFlash中，并更新文件系統(tǒng)列表，保持SSD中文件系統(tǒng)的完整性和一致性；

（2）掉電保護(hù)固件部分：SSD主控制器接收到電源檢測(cè)模塊的中斷后，動(dòng)態(tài)調(diào)整工作模式，將主機(jī)當(dāng)前發(fā)送的“寫(xiě)數(shù)據(jù)”直接搬家到 NandFlash，同時(shí)啟動(dòng)多通道控制模式，將緩存DDR2中的數(shù)據(jù)寫(xiě)到NandFlash中，兩部分的最后一幀數(shù)據(jù)寫(xiě)入NandFlash后，產(chǎn)生選通信號(hào)通知續(xù)流模塊關(guān)閉。

1.1 掉電保護(hù)各功能單元電路設(shè)計(jì)

硬件電路由電源檢測(cè)模塊、續(xù)流模塊和SSD主控器組成。

1.1.1 電源檢測(cè)模塊

電源檢測(cè)模塊采用掉電復(fù)位電路，監(jiān)控系統(tǒng)供電電源的電壓和電流，當(dāng)系統(tǒng)的輸入電壓低于4.75 V或系統(tǒng)的輸入電流小于1.35 A時(shí)，表明系統(tǒng)電源掉電，電源檢測(cè)模塊產(chǎn)生復(fù)位“低”信號(hào)，觸動(dòng)續(xù)流模塊工作，同時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整固態(tài)電子盤模塊主控器的工作模式。

（1）啟動(dòng)續(xù)流模塊工作，將固態(tài)電子盤模塊的供電電源由系統(tǒng)電源供電切換到續(xù)流模塊供電，保證主控器、存儲(chǔ)體NandFlash以及相關(guān)電路的工作穩(wěn)定性；

（2）觸發(fā)固態(tài)電子盤模塊主控器的外部中斷，主控器調(diào)整NandFlash的“寫(xiě)策略”。

1.1.2 續(xù)流模塊

續(xù)流模塊設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。其本質(zhì)上是一個(gè)儲(chǔ)能再利用電路，使用法拉電容充當(dāng)儲(chǔ)能元件。在SSD正常工作時(shí)，依靠系統(tǒng)電源完成充電操作。而當(dāng)系統(tǒng)電源發(fā)生故障或者非正常斷電時(shí)，儲(chǔ)能電路釋放電能，暫時(shí)維持SSD主控器、存儲(chǔ)體NandFlash和相關(guān)的旁路電路的正常工作，盡量保證主機(jī)的最后一幀數(shù)據(jù)順利存入到NandFlash中，并更新完成SSD中的文件系統(tǒng)列表。

圖2 續(xù)流模塊設(shè)計(jì)原理圖

將供電模塊（電壓轉(zhuǎn)換器）切換到由法拉電容供電，需要兩個(gè)條件：

（1）系統(tǒng)掉電（電源監(jiān)控芯片）輸出低電平或者輸出電流低于判決門限值；

（2）選通信號(hào)為高電平，此時(shí)邏輯開(kāi)關(guān)（電壓監(jiān)控）輸出低電平。

以上兩個(gè)條件都可將系統(tǒng)電源VCC切換到由法拉電容供電。

具體設(shè)計(jì)中，在進(jìn)行重要數(shù)據(jù)操作之前，先通過(guò)固件將選通信號(hào)置為高。如果在操作過(guò)程中突然掉電，則電源監(jiān)控輸出低電平，此時(shí)硬件自動(dòng)切換到由法拉電容供電；如果沒(méi)有掉電，電源監(jiān)控電壓輸出為高電平，系統(tǒng)還是由5 V電源供電。在重要數(shù)據(jù)操作完成之后，固件控制將選通信號(hào)置為低，或門輸出高電平，切斷法拉電容供電的可能。這樣可避免法拉電容的無(wú)謂供電，減少充放電的次數(shù)，從而提高可靠性以及延長(zhǎng)法拉電容的使用壽命[3]。

1.1.3 SSD主控器的工作模式設(shè)計(jì)

SSD主控器的功能組成框圖如圖3所示。

（1）SSD主控器的正常工作模式

在系統(tǒng)電源穩(wěn)定供電的正常情況下，SSD進(jìn)入正常工作模式，SSD主控器的工作內(nèi)容：

①將文件系統(tǒng)列表存儲(chǔ)在SSD主控器外擴(kuò)RAM（DDRII緩存）中，方便 SSD主控器能夠迅速地查找和更新文件列表；

圖3 SSD主控器的功能組成框圖

②因?yàn)閿?shù)據(jù)寫(xiě)入DDRII的速度比直接寫(xiě)入Nand-Flash的速度快，為了不耽誤接收主機(jī)“寫(xiě)數(shù)據(jù)”的時(shí)間，SSD主控器以“段頁(yè)混合管理的形式”將DDRII中的數(shù)據(jù)以NandFlash的“頁(yè)”模式組織，通知NandFlash控制器能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行整塊的數(shù)據(jù)搬家到NandFlash陣列指定區(qū)域中，減少NandFlash控制器的固件開(kāi)銷，提高數(shù)據(jù)快速寫(xiě)入能力。這樣的方式，能夠大大提高主機(jī)數(shù)據(jù)寫(xiě)入的速度，同時(shí)也伴隨著功耗的增加。

（2）SSD主控器的應(yīng)急工作模式

在系統(tǒng)電源正常供電，SSD正常運(yùn)行時(shí)，SSD主控器的內(nèi)嵌CPU不創(chuàng)建掉電保護(hù)進(jìn)程，減少了內(nèi)存占用資源，簡(jiǎn)化任務(wù)管理、調(diào)度。當(dāng)電源檢測(cè)電路產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)時(shí)，觸發(fā)CPU立即創(chuàng)建掉電保護(hù)進(jìn)程，進(jìn)入就緒態(tài)，同時(shí)賦予最高的優(yōu)先級(jí)，搶占CPU控制權(quán)，進(jìn)而達(dá)到最強(qiáng)的實(shí)時(shí)性[4]。

SSD主控器接收到電源檢測(cè)電路發(fā)送的電源異常中斷后，動(dòng)態(tài)調(diào)整SSD主控器上的運(yùn)行固件，進(jìn)入應(yīng)急模式進(jìn)程，進(jìn)行以下操作：

①SSD主控器給主機(jī)上報(bào)SSD工作不穩(wěn)定警告，發(fā)送中斷（禁止“讀操作”）給主機(jī)，將DDRII中的文件列表搬家并更新到NandFlash的指定區(qū)域。

②SSD主控器將主機(jī)當(dāng)前需要完成存儲(chǔ)的 “寫(xiě)數(shù)據(jù)”，直接寫(xiě)入到SSD主控器的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（片內(nèi)RAM）中，減少DDRII的功耗開(kāi)銷，同時(shí)進(jìn)入“頁(yè)映射”模式，通知內(nèi)部集成的NandFlash控制器將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入NandFlash陣列的指定數(shù)據(jù)區(qū)域后，再發(fā)送中斷 （禁止“寫(xiě)操作”）給主機(jī)。

③與②步驟同步，SSD主控器開(kāi)啟多通道傳輸控制模式，將DDRII（擴(kuò)展RAM）中的暫存數(shù)據(jù)寫(xiě)入Nand-Flash中，如果與②步驟有沖突的數(shù)據(jù)區(qū)，則動(dòng)態(tài)調(diào)整文件系統(tǒng)列表，將數(shù)據(jù)重新寫(xiě)入其他空閑塊，并同時(shí)更新NandFlash中文件列表，如果與②步更新文件有沖突的，則將DDRII中的待寫(xiě)入數(shù)據(jù)放棄。

④完成②和③兩個(gè)步驟，SSD控制器發(fā)送選通信號(hào)，通知續(xù)流模塊電路停止供電，減少續(xù)流模塊電路的功耗開(kāi)銷。

綜上所述，整個(gè)SSD主控器的工作模式就是將主控器的工作模式分為了電源穩(wěn)定的正常狀態(tài)工作模式和電源不穩(wěn)定時(shí)的應(yīng)急狀態(tài)工作模式[5]，SSD控制器的固件進(jìn)程流程如圖4所示。

圖4 SSD控制器的固件進(jìn)程流程圖

2 系統(tǒng)驗(yàn)證

將掉電時(shí)間控制在1 ms～10 ms之間，寫(xiě)入數(shù)據(jù)為10 MB，DDR2中待搬家數(shù)據(jù)為 20 MB。在此虛擬環(huán)境中，測(cè)試?yán)m(xù)流模塊啟動(dòng)時(shí)間、主控器上報(bào)中斷“讀操作”時(shí)間和SSD主控器發(fā)出續(xù)流模塊關(guān)閉時(shí)間，觀察這三個(gè)關(guān)鍵時(shí)間的關(guān)系并驗(yàn)證該SSD重新正常啟動(dòng)后，文件系統(tǒng)是否未破壞。

通過(guò)圖5的采樣圖形可以看出，以SSD系統(tǒng)電源5 V為觸發(fā)條件，掉電保護(hù)策略啟動(dòng)：

（1）續(xù)流模塊的5 V的供電啟動(dòng)時(shí)間比系統(tǒng)電源5 V掉電時(shí)間提前了10 ns；

（2）系統(tǒng)電源 5 V掉電時(shí)，主控器發(fā)回“關(guān)閉讀操作”中斷；

（3）續(xù)流模塊持續(xù)供電 100 ms后，保證數(shù)據(jù)記錄完成，SSD主控器發(fā)出續(xù)流模塊“關(guān)閉”信號(hào)后，續(xù)流模塊輸出的5 V電源關(guān)閉。

圖5 掉電保護(hù)策略時(shí)序圖

經(jīng)過(guò)重新啟動(dòng)該SSD，重新讀寫(xiě)SSD正常，證明該機(jī)制有效。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)嵌入式SSD的應(yīng)用環(huán)境中的掉電時(shí)間和文件系統(tǒng)保護(hù)兩個(gè)重要指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，給出了測(cè)試結(jié)果，證明了該硬件和固件相結(jié)合的掉電保護(hù)策略能夠保證SSD在嵌入式領(lǐng)域中的應(yīng)用具有高效性和健壯性，但也隨之帶來(lái)了SSD的硬件成本和固件開(kāi)發(fā)的難度。

[1]胡一飛，徐中偉，謝世環(huán).NAND Flash上均勻損耗與掉電恢復(fù)在線測(cè)試 [J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2007（3）：5-8.

[2]沈建華，羅悅懌.基于NAND Flash的FFS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2005（6）：89-90.

[3]王久文.低電壓超大容量電容器的發(fā)展綜述[J].世界電子元器件，1997（8）：24-25.

[4]徐連軍.雙CPU冗余通信控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2011.

[5]袁積德，黃文君，陸衛(wèi)軍.高性能集散控制系統(tǒng)主控制器設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程，2012（5）：215-218.