高速大容量FLASH存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、2007年3月火控雷達(dá)技術(shù)第36卷3收稿日期:2006-07-25文章編號:1008-8652(2007 01-83-05高速大容量FL A S H 存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)李超王虹現(xiàn)邢孟道(西安電子科技大學(xué)西安710071【摘要】介紹所設(shè)計(jì)的高速、大容量存儲(chǔ)卡的組成機(jī)制和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。采用固態(tài)存儲(chǔ)芯片F(xiàn)LASH (閃存 為存儲(chǔ)介質(zhì),FP GA (現(xiàn)場可編程門陣列 為存儲(chǔ)陣列的控制核心, 針對外部高速數(shù)據(jù)的輸入, 引入了多級流水和冗余校驗(yàn)技術(shù), 并自動(dòng)屏蔽了FL ASH 的壞塊。成功實(shí)現(xiàn)了用高密度、相對低速的FL ASH 存儲(chǔ)器對高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)。另外, 通過U SB 和CPCI 接口, 可以同主機(jī)

2、進(jìn)行良好的數(shù)據(jù)通信。關(guān)鍵詞:FP GA ; FLASH ; 存儲(chǔ); 高速中圖分類號:TP333文獻(xiàn)標(biāo)識碼:ADesign of a FLASH Storage System C apacityLi Mengdao(X i di Uni versit y , X i an 710071Abstract :Configuration and system implementatio n of a storage board wit h high speed and large ca 2pacity is int roduced. Solid 2state storage chip FL ASH i

3、s storage medium of t he board , and field p rogram 2mable gate array (FP GA is t he cont rol core of t he storage array. Multi 2stage flow and redundancy correc 2tion technique are applied to deal wit h external high speed inp ut data ; and invalid blocks of FL ASH chip s can be masked automaticall

4、y. By using of t he storage board , high speed real 2time data can be successf ully stored wit h high density lower speed FLASH chip s. Additionally , t he storage board can well communicate wit h host p rocessor via U SB and CPCI interfaces.K eyw ords :FP GA ; FLASH ; storage ; high speed1引言高速存儲(chǔ)系統(tǒng)目

5、前在雷達(dá)、圖像處理、語音識別、聲納、通信等領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用。特別是隨著雷達(dá)成像技術(shù)逐漸成熟, 分辨率和采樣率都大幅提升, 需要實(shí)時(shí)保存大量數(shù)據(jù)。此時(shí), 開發(fā)出超高速、大容量的存儲(chǔ)系統(tǒng)就顯得尤為重要。FL ASH 芯片, 以半導(dǎo)體作為記憶載體, 比傳統(tǒng)的存儲(chǔ)設(shè)備更能承受溫度的變化、機(jī)械的振動(dòng)和沖擊, 可靠性更高, 易于實(shí)現(xiàn)高速度、低功耗和小型化, 日趨成為存儲(chǔ)器的主流。在某機(jī)載合成孔徑雷達(dá)的試驗(yàn)中, 雷達(dá)以正側(cè)視條帶式工作在X 波段, 空間分辨率達(dá)到0. 3m 0. 3m 的高分辨率,I 、Q 雙通道采樣, 采樣頻率640M Hz , 采樣位寬為8位, 場景距離向20560點(diǎn), 方位向重復(fù)頻率

6、為4k/s , 要求最小存儲(chǔ)速度28bit 205604k/s =164. 48Mbytes/s 。本文將詳細(xì)介紹所設(shè)計(jì)的FLASH 存儲(chǔ)系統(tǒng)是如何構(gòu)建來滿足數(shù)據(jù)傳輸要求的。382007年3月火控雷達(dá)技術(shù)第36卷2核心芯片選擇存儲(chǔ)介質(zhì)采用SAMSUN G 公司的NAND FL ASH 芯片K9K8G08U0M , 它的外部接口速度為40M Hz , 接口寬度8位。每個(gè)芯片含8192個(gè)數(shù)據(jù)塊, 一個(gè)塊分64頁, 每頁大小為(2K +64 Bytes , 其中64Bytes 為空閑區(qū), 存儲(chǔ)總?cè)萘繛?Gbit 。它以頁為單位進(jìn)行讀寫, 以塊為單位擦除, 命令、數(shù)據(jù)、地址共用同一總線, 具有硬件數(shù)據(jù)

7、保護(hù)功能?？刂坪诵腇P GA , 選用AL TERA 公司的EP2S30F672C5芯片, 它屬于STRA TIX 系列, 有著豐富的觸發(fā)器和L U T (Loo k -Up -Table , 非常適合復(fù)雜時(shí)序邏輯的設(shè)計(jì)。有1. 3Mbit 的內(nèi)置存儲(chǔ)RAM , 可以緩存一定量的數(shù)據(jù), 支持3. 3-V , 64-bit , 66-M Hz PCI , 可以做CPCI 的功能控制。U SB2. 0控制器選用Cyp ress 公司的C Y7C68013芯片,U SB2. 0協(xié)議提供480Mb/s 的傳輸速度。芯片內(nèi)部集成了一個(gè)8. 5kB 片上RAM 的高速8051單片機(jī)、4kB FIFO 存儲(chǔ)

8、器以及通用可編程接口(GPIF 、串行接口引擎(SIE 和U SB2. 0收發(fā)器。該芯片應(yīng)用靈活, 性價(jià)比較高, 是進(jìn)行U SB2. 0開發(fā)的一塊性能優(yōu)良的芯片。3FL AS H 芯片接口操作K9K8G08U0M 由于命令、地址、數(shù)據(jù)共用I/O , 所。FL ASH 的命令很豐富, 存儲(chǔ)中主要使用的操作簡介如下:a. 頁編程器件的編程以頁為單位, 但在一個(gè)頁編程周期中允許對部分頁(一個(gè)或連續(xù)的多個(gè)字節(jié) 編程。一個(gè)頁編程周期由串行數(shù)據(jù)加載階段和緊隨的編程階段組成。在數(shù)據(jù)加載階段, 數(shù)據(jù)被加載到數(shù)據(jù)寄存器中; 在編程階段, 已加載的數(shù)據(jù)寫入實(shí)際的存儲(chǔ)單元, 編程典型時(shí)間為200s 。b. 頁讀器件

9、在上電時(shí), 就被初始化為讀模式, 此時(shí)可以不寫00h 命令, 直接寫入地址和30h 命令即可。有兩種類型的讀, 分別是隨機(jī)讀和順序頁讀。由于設(shè)計(jì)存儲(chǔ)時(shí)是基于整個(gè)頁操作, 所以讀命令使用順序頁讀。命令打入后經(jīng)過最多20s 的時(shí)間, 數(shù)據(jù)則會(huì)從選擇的頁傳到數(shù)據(jù)寄存器中。c. 塊擦除器件的擦除操作是以塊為單位的。塊地址加載由擦除建立命令60h 啟動(dòng), 然后輸入確認(rèn)命令D0h , 執(zhí)行內(nèi)部擦除過程。這一先建立再執(zhí)行的兩步命令時(shí)序, 確保了存儲(chǔ)內(nèi)容不會(huì)由外部的干擾而意外擦除, 擦除時(shí)間典型值為1. 5ms 。操作結(jié)束后通過檢測狀態(tài)寄存器的I/O0位來判斷操作是否成功,0表示正確,1表示有錯(cuò)誤發(fā)生。4存儲(chǔ)

10、卡硬件結(jié)構(gòu)FLASH 存儲(chǔ)卡除具有標(biāo)準(zhǔn)的CPCI 接口以外, 還有一個(gè)高速的U SB2. 0接口, 方便數(shù)據(jù)與通用計(jì)算機(jī)之間的交換。采用自定義的兩個(gè)高速數(shù)據(jù)接口, 其每個(gè)接口速度可以達(dá)到320Mbytes/s 。128片F(xiàn)LASH 芯片并行操作, 另外8片F(xiàn)L ASH 芯片專門用于冗余校驗(yàn), 保證超高速大容量存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的完整可靠性, FP GA 為整個(gè)板卡的控制核心, 其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。FLASH 存儲(chǔ)陣列, 按列分為8組, 每組共用控制信號線; 各組對應(yīng)行的8片F(xiàn)L ASH 共享數(shù)據(jù)總線, 其中A1A16行的128片F(xiàn)L ASH 用于存儲(chǔ)傳輸?shù)臄?shù)據(jù),A17行的8片F(xiàn)L ASH 專用于冗余校

11、驗(yàn)。48第1期李超等高速大容量FL ASH 存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖1存儲(chǔ)器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖5重要模塊設(shè)計(jì)5. 1流水工作單個(gè)K9K8G08U0M 芯片位寬為8bit , 168=128bit 。高速接口32位數(shù)據(jù), 在FP GA 內(nèi)部并位轉(zhuǎn)換成中。操作過程中, FL ASH 直接訪問FIFO , 即可方便得到所需數(shù)據(jù)。, 我們以接口速度320MB/s 進(jìn)行設(shè)計(jì), 由于每組17片F(xiàn)L ASH 并行操作, 分配到每個(gè)ASH 芯片的速度為320/16=20MB/s 。K9K8G08U0M 芯片接口的寫入速度最高可達(dá)40MB/s , 所以工作在20MB 40MB 之間就可滿足所需要求?？紤]FL ASH 的結(jié)構(gòu)

12、特點(diǎn), 我們設(shè)計(jì)過程中基于整個(gè)頁進(jìn)行讀寫操作。數(shù)據(jù)加載時(shí)間, 即一頁數(shù)據(jù)寫入FL ASH 寄存器的時(shí)間為:頁容量/接口速度=2048Bytes /20MB/s =102. 4s 。數(shù)據(jù)加載結(jié)束后, FLASH 變忙, 進(jìn)入編程階段。K9K8G08U0M 芯片編程時(shí)間的典型值為200s , 最大值為700s , 編程時(shí)間結(jié)束后FL ASH 才能轉(zhuǎn)為空閑狀態(tài)而再次加載。為了系統(tǒng)達(dá)到最大穩(wěn)定, 以最大時(shí)間700s 進(jìn)行設(shè)計(jì), 編程時(shí)間/數(shù)據(jù)寫滿每組FL ASH 一頁的時(shí)間為:700s/102. 4s =6. 8, 說明經(jīng)過7組FLASH 的寫入加載操作后, 第一組FL ASH 編程結(jié)束, 又可進(jìn)行再

13、次加載。由此可見, 在一次循環(huán)操作中, 用8組FL ASH 即可滿足所需要求, 操作流程見圖2。 圖2存儲(chǔ)器寫操作流水方式理想工作狀態(tài)下, 當(dāng)FL ASH 芯片的編程時(shí)間在典型值附近時(shí), 內(nèi)部的存儲(chǔ)速度可以達(dá)到640MB/s , 即兩個(gè)外部接口都全力工作在320MB 時(shí), 系統(tǒng)也有一定的適應(yīng)性。可見, 當(dāng)外部接口傳輸速度不高于320Mbytes/s 時(shí), 系統(tǒng)可工作在最佳狀態(tài), 達(dá)到最大的穩(wěn)定, 滿足試驗(yàn)所需164. 48Mbytes/s 的要求。5. 2壞塊列表NAND FL ASH 內(nèi)部有隨機(jī)分布的壞塊, 需要建立壞塊信息列表, 對FL ASH 的操作都要基于此列表。582007年3月火控

14、雷達(dá)技術(shù)第36卷芯片在出廠的時(shí)候, 在每塊第一頁和第二頁的空閑區(qū)的首字節(jié)處留有標(biāo)記, 如果不是FFh 則為壞塊。建立壞塊信息列表如圖3所示。圖3建立壞塊列表圖4如果每個(gè)FL ASH 都建立獨(dú)自的壞塊列表, , 每組17片F(xiàn)L ASH 總的壞塊從80到130不等, 17片F(xiàn)L ASH 各自的壞塊信息相與, FLASH 共同控制, 那么基于同一個(gè)壞塊列表操作就顯得非常的方便8中。當(dāng)存儲(chǔ)卡工作時(shí), 首先將FLASH 里的壞塊信息讀入FP GA 的, 的地址就和RAM 的地址一一對應(yīng)起來。讀寫壞塊信息只需對RAM 進(jìn)行操作, 。FLASH 在長期使用中, 不可避免的會(huì)產(chǎn)生新的壞塊, 我們要及時(shí)對壞塊信

15、息進(jìn)行更新。操作過程中出現(xiàn)壞塊時(shí), 可以先更新RAM 信息, 等存儲(chǔ)操作結(jié)束后再將更新的RAM 信息寫入FL ASH 保存。存儲(chǔ)操作及壞塊列表的更新, 可參考圖4。5. 3數(shù)據(jù)的冗余校驗(yàn)在實(shí)際信道傳輸數(shù)據(jù)時(shí), 如果由于信道傳輸特性不理想, 并且受到噪聲和干擾的影響, 就會(huì)造成接收端誤判而發(fā)生差錯(cuò), 或者由于個(gè)別芯片出現(xiàn)讀寫失敗時(shí), 也會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失。為了盡可能的降低通信的誤碼率, 提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的完整性, 我們同時(shí)使用循環(huán)冗余校驗(yàn)碼CRC (Cyclic Redundancy Check 與奇偶校驗(yàn)碼來檢查和恢復(fù)錯(cuò)誤數(shù)據(jù), 保障存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性。圖5存儲(chǔ)的冗余校驗(yàn)示意循環(huán)冗余碼采用CRC

16、-CCIT T 國際標(biāo)準(zhǔn), 其生成多項(xiàng) 式為:為了提高運(yùn)算速度, 使用并行計(jì)算方法。奇偶校驗(yàn)的法則為:數(shù)據(jù)有奇數(shù)個(gè)1時(shí), 校驗(yàn)碼為1, 否則為0, 在FP GA內(nèi)部使用異或組合邏輯就可輕松實(shí)現(xiàn)所需算法。設(shè)計(jì)中, 每組并行工作的17個(gè)FLASH 中, A1A16FL ASH 在寫入每頁數(shù)據(jù)后, 同時(shí)將計(jì)算出CRC 值存儲(chǔ)在各自頁的空閑區(qū)內(nèi)。在傳輸數(shù)據(jù)的過程中, 前16個(gè)FL ASH的8bit 數(shù)據(jù)計(jì)算出相應(yīng)的8位奇偶校驗(yàn)碼, 并行存儲(chǔ)在A17FL ASH 中, 見圖5。讀取數(shù)據(jù)時(shí), 同時(shí)進(jìn)行冗余校驗(yàn), 并把奇偶校驗(yàn)值同A17FL ASH 中對應(yīng)的數(shù)據(jù)比較。如果發(fā)生結(jié)果不一致的情況, 說明有誤碼產(chǎn)

17、生。當(dāng)讀完每頁數(shù)據(jù)后, 再把計(jì)算出的CRC 值同原來存儲(chǔ)在空閑區(qū)的CRC 值比較, 出現(xiàn)不同值的即為發(fā)生誤碼的FL ASH 芯片。然后通過其余FL ASH 數(shù)據(jù)和奇偶校驗(yàn)碼, 就可恢復(fù)出錯(cuò)的FL ASH 數(shù)據(jù)。如果出現(xiàn)某個(gè)FLASH 芯片損壞的情況, 也可以通過每組其他的FL ASH 來恢復(fù)。雖然當(dāng)每組有兩片以上的FL ASH 同時(shí)出錯(cuò)時(shí), 數(shù)據(jù)不能恢復(fù), 冗余校驗(yàn)不能100%保證數(shù)據(jù)的可靠68第1期李超等高速大容量FL ASH 存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)性, 但它盡可能的提高了存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的正確性, 有著不可或缺的作用。6FP GA 內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)FP GA 是整個(gè)存儲(chǔ)卡的控制核心, 內(nèi)部功能模塊如圖6所示。

18、圖6FP GA , 接收從U SB 或者CPCI 的命令, 判斷執(zhí)行的命令的類型(存儲(chǔ)、回放、, 。低速模塊對高速輸入的處理, 是通過數(shù)據(jù)流的串并轉(zhuǎn)換, 。對320MB 的輸入速度,32位的數(shù)據(jù)并位轉(zhuǎn)換成128位后, 連同8位奇偶校驗(yàn)碼, 共136位分配到每組17片F(xiàn)L ASH , 在每個(gè)FL ASH 接口處則變?yōu)?0MB , 降低了時(shí)序要求。7實(shí)測速度實(shí)際應(yīng)用中, 當(dāng)前的存儲(chǔ)卡只焊了一半的FLASH 芯片, 即4組68片。它已經(jīng)可以穩(wěn)定的工作在180Mbytes/s 的存儲(chǔ)速度, 滿足了所需的機(jī)載實(shí)驗(yàn)要求。U SB 芯片工作在從方式(Slave FIFOs 模式 , 由FP GA 控制芯片的

19、讀寫, 同步傳輸數(shù)據(jù)。實(shí)測中通過U SB 回放數(shù)據(jù)的速度為12Mbytes/s 。主機(jī)也可以通過CPCI 標(biāo)準(zhǔn)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取,32位總線以BlockDMA 方式傳輸, 支持132Mbytes/s 的峰值速度。但由于控制核心由FP GA 描述, 沒有專用接口芯片, 板卡傳輸速度只達(dá)到78Mbytes/s 。性能參數(shù)見表1。表1性能參數(shù)參數(shù)說明板卡功耗全速工作時(shí)功耗1119W 尺寸標(biāo)準(zhǔn)6U 結(jié)構(gòu)大小質(zhì)量加上接口構(gòu)件015kg FL ASH 芯片SAMSUN G K9K8G08U0M , 單片容量8Gbit.單片讀寫速度可工作在40MB , 實(shí)際工作在25MB. 板卡容量136片F(xiàn)L ASH 存儲(chǔ)

20、數(shù)據(jù), 總?cè)萘?28G B. 板卡存儲(chǔ)速度速度可達(dá)320MB , 當(dāng)前只焊了一半的FL ASH , 速度已達(dá)180MB. 數(shù)據(jù)回放速度USB 回放速度12MB ,CPCI 回放速度78MB.參考國內(nèi)主要固存的各項(xiàng)指標(biāo),FL ASH 在速率、功耗、體積、質(zhì)量等方面顯示了突出的優(yōu)勢。78 2007 年 3 月 火控雷達(dá)技術(shù) 第 36 卷 8 總結(jié) 本文對 FL A S H 的固存技術(shù)進(jìn)行了研究 ,所設(shè)計(jì)的基于 FP GA 的存儲(chǔ)卡 , 在存儲(chǔ)速度 、 容量 、 糾錯(cuò)性能 上都滿足了機(jī)載合成孔徑雷達(dá)成像試驗(yàn)所需的要求 。在速度要求愈高的發(fā)展趨勢下 ,高速大容量的存儲(chǔ)器 將在各個(gè)領(lǐng)域都會(huì)有廣泛的應(yīng)用前景 。 參考文獻(xiàn) : 1 K9 K8 G08U0M Advanced FL A S H Memory Data Sheet SAMSUN G Elect ro nics ,2005. 2 St