基于NANDFlash大容量數(shù)據(jù)存儲器的設(shè)計

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)存儲系統(tǒng)是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要組成部分，在航天、國防、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)的存儲問題成為日益緊迫的研究課題。Flash作為一種新型的半導體器件，由于其非易失性、低功耗、體積小和可靠性高等優(yōu)點，已逐漸取代磁盤成為嵌入式系統(tǒng)中首選的存儲器件。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)勢就在于其容量大，單片容量已達8 GB，但其最主要的缺點是讀寫速度慢。綜合考慮存儲系統(tǒng)對帶寬的要求，本設(shè)計采用FPGA同時控制多片NAND Flash并行讀取的方式來控制帶寬。

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個器件（Device），每個器件由 8 192個塊（Block）組成，每塊又由 64個頁（Page）組成，每一頁的存儲容量為4 KB+128 B[3]。NAND Flash主要以頁為單位進行讀寫，以塊為單位進行擦除，其內(nèi)部有與頁大小相同的頁寄存器，用于數(shù)據(jù)緩存。該芯片讀寫操作典型時間為 25 ns/B，寫編程典型時間為 200 μs/Page，擦除操作時間為1.5 ms/Block，塊擦除次數(shù)可達 100萬次，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 大容量存儲器硬件設(shè)計

大容量存儲系統(tǒng)要實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)操作需要實現(xiàn)兩個方面功能：一是實現(xiàn)具體的存儲接口與存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換；二是實現(xiàn)存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理[4]。

2.1 接口板電路設(shè)計

接口板主要負責對CCD圖像數(shù)據(jù)進行采集及預處理，將Camera Link數(shù)據(jù)信號接收進來，按原有行、場及數(shù)據(jù)有效標志信號從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組時鐘信號，采用一片DS90CR286（將 LVDS信號轉(zhuǎn)換為TTL信號）進行數(shù)據(jù)接收，一個MDR26插頭。具體操作過程為：首先Camera Link數(shù)據(jù)接口模塊接收LVDS信號將其轉(zhuǎn)化成TTL電平，在FPGA內(nèi)部整合成64 bit數(shù)據(jù)信號和相機控制信號，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 存儲板電路設(shè)計

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

存儲板采用型號XC2V3000FF1152的Virtex II FPGA芯片直接控制NAND Flash芯片，其指標為：720個可用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。存儲板載有32片NAND Flash，這樣存儲板可實現(xiàn)256 GB的存儲容量。32片NAND Flash并行存儲，單片速度為15 MB/s，并行存儲速度可達480 MB/s。具體連接方式如圖3所示。

圖3 NAND Flash存儲陣列結(jié)構(gòu)圖

3 大容量存儲器軟件設(shè)計

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

NAND Flash邏輯控制器主要由主狀態(tài)機和中間狀態(tài)機兩個狀態(tài)機構(gòu)成[7]。主狀態(tài)機主要用于產(chǎn)生對NAND Flash進行各種操作時所需的控制時序，中間狀態(tài)機主要用于控制主狀態(tài)機內(nèi)各個狀態(tài)之間的跳轉(zhuǎn)。

3.1 NAND Flash邏輯控制器主狀態(tài)機設(shè)計

NAND Flash邏輯控制器主狀態(tài)機內(nèi)的狀態(tài)分為6類：空閑狀態(tài)、存儲操作狀態(tài)、讀取操作狀態(tài)、擦除操作狀態(tài)、壞塊檢測操作狀態(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

系統(tǒng)上電后，主狀態(tài)機進入空閑狀態(tài)，并在program_start、read_start、erase_start、check_start信 號 的 驅(qū) 動 下 進 入 相 應(yīng)的存儲操作狀態(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請求的操作狀態(tài)后，主狀態(tài)機會自動跳回到空閑狀態(tài)。NAND Flash存儲以頁為單位進行，在對Flash某一塊進行寫操作前，需要對其進行擦除操作。先往Flash中寫命令0x60，然后往Flash里寫要擦除的塊地址，再往Flash里寫命令0xD0，最后等待。當往Flash里面寫命令0x70后讀出來的數(shù)據(jù)是0xC0時，說明擦除操作完畢。擦除操作完成后才可以向Flash里寫數(shù)據(jù)。寫數(shù)據(jù)的操作過程為：先往Flash中寫命令0x80，然后往Flash里寫要操作的地址，再向Flash搬數(shù)據(jù)，搬完后，如果要對本片F(xiàn)lash進行操作，一定要等一段時間，使得Flash有足夠的時間把數(shù)據(jù)從Flash的緩存區(qū)域搬移到存儲區(qū)域內(nèi)。需要從Flash里讀取數(shù)據(jù)時，主狀態(tài)機進入讀取操作狀態(tài)，數(shù)據(jù)讀取操作也是以頁為單位進行。讀取數(shù)據(jù)的過程為：先往Flash里寫入0x00控制字，然后往Flash里寫要操作的地址，再往Flash寫命令0x30，等待一段時間，使得Flash有足夠的時間把要讀的數(shù)據(jù)從存儲區(qū)搬到Flash緩存區(qū)內(nèi)。NAND Flash讀寫與擦除操作流程如圖5所示。

當Flash存儲區(qū)域讀寫操作完畢，需要對下一塊存儲區(qū)域進行操作時，主狀態(tài)機進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信號，狀態(tài)機先進行塊擦除操作，讀取芯片狀態(tài)寄存器來檢測塊擦除是否成功，如果不成功則認為該數(shù)據(jù)塊為無效塊，并將數(shù)據(jù)塊地址寫入緩存中。狀態(tài)位讀取操作由指令控制字70H控制，在I/O數(shù)據(jù)總線寫入70H后的一個讀時鐘周期內(nèi)可以將狀態(tài)信息通過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，如果為壞塊則將當前塊地址寫入壞塊緩存內(nèi)。

圖5 NAND Flash讀寫與擦除操作流程圖

3.2 NAND Flash邏輯控制器中間狀態(tài)機設(shè)計

主狀態(tài)機內(nèi)各個狀態(tài)實現(xiàn)的功能各不相同，在狀態(tài)機的循環(huán)過程中，每個子狀態(tài)并不是在內(nèi)部操作執(zhí)行完之后就可以跳到下一個狀態(tài)中去。主狀態(tài)機內(nèi)各個子狀態(tài)之間的跳轉(zhuǎn)需要中間狀態(tài)機進行控制實現(xiàn)。

中間狀態(tài)機的主要功能有兩個：計數(shù)主狀態(tài)機內(nèi)各個子狀態(tài)的內(nèi)部操作執(zhí)行次數(shù)，并與實現(xiàn)相應(yīng)的存儲器控制操作時需要執(zhí)行的次數(shù)進行比較，從而控制各個子狀態(tài)之間的跳轉(zhuǎn)；通過內(nèi)部狀態(tài)之間的跳轉(zhuǎn)，產(chǎn)生符合Flash建立保持時間要求的各種讀寫使能信號。此設(shè)計中，中間狀態(tài)機包括4個狀態(tài)，分別為觸發(fā)開始、中間狀態(tài)一、中間狀態(tài)二和觸發(fā)結(jié)束。中間狀態(tài)機轉(zhuǎn)換流程如圖6所示，在中間狀態(tài)機一次跳轉(zhuǎn)循環(huán)中，主狀態(tài)機的狀態(tài)不發(fā)生變化。

圖6 NAND Flash邏輯控制器中間狀態(tài)機

針對本文設(shè)計的大容量存儲板進行了存儲功能測試和數(shù)據(jù)采集功能測試。在FPGA內(nèi)部產(chǎn)生測試數(shù)據(jù)，將測試數(shù)據(jù)存儲到NAND Flash中再啟動讀操作。數(shù)據(jù)源采用順序數(shù)、隨機數(shù)、驅(qū)動能力數(shù)，順序數(shù)為按從小到大排列的數(shù)據(jù)，隨機數(shù)為采用一定算法生成的隨機數(shù)據(jù)，驅(qū)動數(shù)為采用0與1交替變換的數(shù)據(jù)。經(jīng)測試，存儲板存儲帶寬約為465 MB/s，讀取帶寬約為590 MB/s，滿足設(shè)計要求。

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

[1]雷磊.NAND型Flash海量存儲系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：北京理工大學，2008.

[2]趙軍偉，李宏穆，莊阿龍，等.NandFLASH和NorFLASH接口設(shè)計和驅(qū)動開發(fā)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（14）：40-43.

[3]Samsung Electronics.K9NCG08U5M data sheet[Z].

[4]晏敏，龍小奇，章兢，等.開放式大容量 NAND Flash數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].微電子學與計算機，2009，26（11）：13-16.

[5]Xilinx.Virtex-II user guide[EB/OL].http：//www.xilinx.com.

[6]HO L S，HO P L K.An efficient NAND Flash files system for Flash memory storage[J].IEEE Transaction on Computers， 2006，55（7）：906-912.

[7]劉衛(wèi).NAND Flash控制器的設(shè)計與驗證[D].長沙：國防科學技術(shù)大型，2008.