基于NAND FLASH陣列的存儲技術(shù)研究

王杰

【摘 要】隨著軍用電子裝備中數(shù)據(jù)存儲密度的不斷增長，基于NAND FLASH的存儲技術(shù)發(fā)展為一個重要的研究方向。本文提出了一種基于NAND FLASH陣列的存儲技術(shù)，結(jié)果表明，本方法能有有效地提高單位面積上的存儲密度和讀寫速度，具有良好的應(yīng)用價值。

【關(guān)鍵詞】高速存儲；NAND Flash；存儲密度

A Study of Storage Technique Based on NAND FLASH Array

WANG Jie1，2，3

（1.No.38 Research Institute of CETC，Hefei Anhui 230088，China；

2.Key laboratory of Aperture Array and Space Application，Hefei Anhui 230088，China；

3.Key laboratory of Intelligent Information Processing，Hefei Anhui 230088，China）

【Abstract】With the increasing of data storage density in military electronic equipment，the storage technique based on NAND FLASH has become an important research direction.A storage technique based on NAND FLASH array has been proposed in this paper，practice has proved that the storage density pre unit area and write speed can be greatly improved.Results indicated the application value of the proposed method.

【Key words】High speed storage；NAND flash；Storage density

0 引言

隨著軍用電子技術(shù)的快速發(fā)展和新體制電子裝備不斷出現(xiàn)，信息的高速記錄作為一項重要的功能被廣泛應(yīng)用于重大空情記錄回放、雷達回波數(shù)據(jù)記錄、圖形圖像實時捕獲等，其技術(shù)和應(yīng)用需求日趨迫切[1]。

目前常用的設(shè)計方法是采用SATA接口的硬盤作為存儲介質(zhì)[2-4]，通過多個硬盤并行讀寫以提高讀寫速度。這種方式的缺點是硬盤體積大、重量大，限制了存儲系統(tǒng)的存儲密度，讀寫速度受限于硬盤的讀寫速度，難以適用于航空、航天等高速大容量實時記錄的應(yīng)用需求。本文提出了一種NAND FLASH陣列的存儲技術(shù)，具有存儲密度高、讀寫速度快、容量可擴展等特點?？梢詽M足對體積、重量敏感的高速大容量存儲需求，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 NAND FLASH 固態(tài)存儲技術(shù)

固態(tài)存儲由于使用半導(dǎo)體存儲芯片作為存儲介質(zhì)，其存儲密度高、無轉(zhuǎn)動部件、可靠性高、體積小、重量輕，這些優(yōu)點使得固態(tài)存儲在軍用、航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。同時在常見的DRAM、SRAM、FLASH Memory、EPROM等存儲芯片中，F(xiàn)LASH存儲方案以其高密度、非易失性、低功耗、低成本的優(yōu)勢，在大容量存儲應(yīng)用中成為主流。

對于固態(tài)存儲系統(tǒng)來說，基本存儲芯片的選用無疑是決定整個設(shè)備性能的基礎(chǔ)。本課題旨在研制一種適合軍用雷達應(yīng)用的，基于NAND型FLASH的固態(tài)存儲器。作為全球最大的NAND型FLASH芯片生產(chǎn)廠商，韓國SAMSUNG電子的產(chǎn)品無論是在性能、尺寸、存儲密度還是價格上，與其他廠商相比都具有一定的優(yōu)勢。另外，在封裝、管腳定義以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理上都是兼容的，因此對于設(shè)計人員來說，當系統(tǒng)容量需要擴展時，只需更換更大容量的芯片并對系統(tǒng)做少許改動即可。

以SAMSUNG公司的K9MDG08U5DPIB0芯片為例，其單品容量為16G Byte。其單片讀寫速度可達20MB/s，支持片內(nèi)并行讀寫方式，通過多通道并行編程可進一步提高讀寫速度。SAMSUNG公司提供的最高級別為工業(yè)級，通過篩選和加固可以滿足軍用、航空等高要求應(yīng)用場合。

K9MDG08U5D芯片單片容量為16G Byte，片內(nèi)封裝4個4GB？子片。每個子片包含8192個塊（block）統(tǒng)一編址，每個塊包含128頁，每頁約4K Byte（4096+218）。為了滿足片內(nèi)并行讀寫需求，這8192個塊分為4個PLANE，PLANE間可并行/交叉操作。數(shù)據(jù)總線為8位，片內(nèi)地址為33位：A0—A12為頁內(nèi)地址，A13—A19為塊內(nèi)頁地址，A20 為PLANE地址，A21—A32為塊地址。

K9MDG08U5D芯片主要操作方式大致分為：寫、讀、擦除、狀態(tài)讀取4類。其中常用讀寫操作一般以頁為基本單位，如Page Program，Page Read，對一個塊的頁編程操作要按順序執(zhí)行。同時也支持隨機讀寫，直接對頁內(nèi)數(shù)據(jù)按字節(jié)操作，如Random Data Input和Random Data Output。擦除操作Block Erase基本單位為塊。芯片支持片內(nèi)加速讀寫方式，例如雙面讀寫Two-Plane Read和Two-Plane Page Program，以及交叉讀寫方式Interleaving Page Program 和 Interleaving Page Read，或者交叉雙面讀寫Interleaving Two Plane Page Program。這些靈活的操作方式可以有效的提高芯片讀寫速度。

2 存儲插件設(shè)計

存儲插件主要以FPGA+外圍設(shè)備+FLASH的硬件架構(gòu)方式實現(xiàn)，其中FPGA實現(xiàn)了系統(tǒng)中FLASH控制器以及CPU核的搭建。在FPGA中使用NIOS II CPU核作為處理器[5]，配合外設(shè)IP核搭建了控制計算機，將負責(zé)接收接口插件的控制命令，參與存儲管理，進行分區(qū)以及壞塊管理。FLASH控制器負責(zé)產(chǎn)生FLASH讀寫控制時序，控制各片F(xiàn)LASH進行并行數(shù)據(jù)寫入和讀出。運用FPGA內(nèi)的串口、網(wǎng)絡(luò)控制IP核進行傳輸通信控制。此外插件的外圍設(shè)備及接口包括：存儲器（擴展內(nèi)存、固態(tài)外存）、FPGA配置、網(wǎng)絡(luò)、光電、232/422電路、TTL接口、A/D、D/A、時鐘和電壓轉(zhuǎn)換等電路。

3 FLASH陣列設(shè)計

FLASH陣列擔負系統(tǒng)的主要存儲功能實現(xiàn)，是所有數(shù)據(jù)最終駐留的地方。為了滿足系統(tǒng)記錄和回放帶寬要求，F(xiàn)LASH芯片應(yīng)用片內(nèi)和片間并行讀寫技術(shù)。其中片內(nèi)采用交叉雙面讀寫方式，片內(nèi)達到4倍常規(guī)讀寫速度。FLASH芯片邏輯上排列成橫豎二維的陣列形狀，橫向FLASH芯片采用流水線方式進行讀寫操作，縱向形成多個通道的FLASH組，每個通道獨立并行進行讀寫，以擴展讀寫位寬。對于M乘以N的FLASH陣列，最終可以實現(xiàn)M*N個FLASH芯片并行讀寫的帶寬。每組FLASH芯片共用一個FLASH控制器，組間由FPGA內(nèi)的控制計算機來進行統(tǒng)籌控制，從而實現(xiàn)所有FLASH芯片的有序數(shù)據(jù)讀寫。

4 結(jié)論

隨著電子技術(shù)的進步和軍用電子裝備的發(fā)展，數(shù)據(jù)存儲對存儲密度和讀寫速度的要求越來越高，傳統(tǒng)SATA硬盤的存儲方式難以滿足需求。本文提出了一種基于NAND FLASH陣列的存儲技術(shù)，結(jié)果表明，本方法可以有效地提高存儲密度高和讀寫速度，可以滿足對體積、重量敏感的高速大容量存儲需求。

【參考文獻】

[1]許正榮，昂志敏.PCI總線主控接口在雷達回波記錄與重演設(shè)備中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，27（5）：21-23.

[2]汪濤.基于SATA總線技術(shù)的雷達I/Q數(shù)據(jù)記錄重演系統(tǒng)設(shè)計[D].南京：南京理工大學(xué)，2014.

[3]侯冰劍.固態(tài)硬盤的多通道存儲系統(tǒng)設(shè)計[D].武漢：華中科技大學(xué)，2009.

[4]梁正亮.深空探測應(yīng)用中的高速數(shù)據(jù)存儲技術(shù)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

[5]張龍濱.基于NIOS II與IP軟核技術(shù)的SOPC系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].長沙：湖南大學(xué)，2011.

[責(zé)任編輯：田吉捷]