基于FPGA的斷電續(xù)傳存儲系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

李加超，孟令軍，周之麗，韓朝輝

(中北大學(xué)，電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原030051)

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基于FPGA的斷電續(xù)傳存儲系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

李加超，孟令軍*，周之麗，韓朝輝

(中北大學(xué)，電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原030051)

摘要:針對遙測領(lǐng)域中數(shù)據(jù)記錄器面臨的高速輸入數(shù)據(jù)連續(xù)存儲和斷電續(xù)傳的技術(shù)難題，詳細介紹了NAND型Flash交替雙平面頁編程方式，分析了3種常用的NAND型Flash剩余容量檢測方法的特點，提出了一種基于二分法和帶系統(tǒng)識別碼交替雙平面頁編程技術(shù)的NAND型Flash剩余容量快速檢測的方法，檢測結(jié)果高效準(zhǔn)確，檢測誤差可以達到10－4，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了具有斷電續(xù)傳功能的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，設(shè)計方法簡單可靠，具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:NAND Flash;交替雙平面;頁編程;二分法;存儲系統(tǒng)

項目來源:基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(51275491)

目前，NAND型Flash是一種在EEPROM基礎(chǔ)上發(fā)展而來的新興的存儲器件，具有非易失性、掉電后數(shù)據(jù)不丟失、存儲容量大等特點，比較適合于數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、醫(yī)療衛(wèi)生、航空航天等各個行業(yè)［1］。

隨著遙測領(lǐng)域信息技術(shù)的高速發(fā)展，信息的需求量急劇增加，也對數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)提出了更高的要求。在一些特殊的應(yīng)用場合中，有時需要在系統(tǒng)斷電又重新上電的情況下繼續(xù)實時地存儲系統(tǒng)接收的關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)，并最終能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的回放，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。因此，在現(xiàn)代數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)研究中，如何檢測存儲系統(tǒng)的剩余容量以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速存儲與斷電續(xù)存，已經(jīng)成為研究的熱點問題［2－3］。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及組成

該數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)硬件部分主要包括FPGA主控模塊、MAX9250數(shù)據(jù)接收模塊、FLASH存儲器模塊、CY68013A接口模塊、電源模塊、配置電路模塊、下載接口模塊等，圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。FPGA主控模塊負責(zé)接收遙測設(shè)備下發(fā)的操作指令，將MAX9250接收到的數(shù)據(jù)存儲在FLASH存儲器中，或者將FLASH存儲器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過CY68013接口模塊上傳給地面測試設(shè)備，用于數(shù)據(jù)分析處理。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)接收模塊主芯片采用27 bit，速度最高可達42 MHz的MAX9250 LVDS解串芯片，該芯片可以解串發(fā)送端串化芯片對應(yīng)引腳上所串化出來的電平特性，其具體數(shù)據(jù)傳輸位數(shù)可以根據(jù)設(shè)計需求以及發(fā)送端進行配置。

CY7C68013A芯片是賽普拉斯半導(dǎo)體公司USB2.0控制器中的產(chǎn)品，支持速率為12 Mbit/s的全速傳輸和速率為480 Mbit/s的高速傳輸，用于數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)與地面測試設(shè)備之間的通信。

存儲器模塊選用SAMSUNG公司的NAND型Flash K9WAG08U1M芯片，其單片容量為2 Gbyte，其內(nèi)部是由兩片容量為1 Gbyte的K9K8G08U0M疊裝而成，并通過兩個CE端口進行選通控制［4－5］。單片K9K8G08U0M由8192個存儲塊(Block)組成，每個存儲塊由64個頁(Page)組成，而每頁是由2k+64 byte組成，其中64個字節(jié)為空余區(qū)，通常可用于錯誤檢測和記錄特定信息［6］。

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1交替雙平面頁編程

K9K8G08U0M芯片內(nèi)部陣列結(jié)構(gòu)如圖2所示，K9WAG08U1M可以看成是兩片K9K8G08U0M組成，分別記為片1與片2，通過芯片的CE1、CE2引腳進行選通控制，當(dāng)CE1為低時，可以認為是對片1進行讀、寫或者擦除等操作，當(dāng)CE2為低時，可以認為是對片2進行相關(guān)操作［7－9］。

圖2　K9K8G08U0M型芯片內(nèi)部陣列結(jié)構(gòu)圖

交替雙平面頁編程是利用芯片內(nèi)部不同平面可以單獨操作的特性，對平面進行流水線操作能夠大幅度提高單片F(xiàn)lash的寫入速度［10－12］。如令片1中plane0和plane1為A組;片1中plane2和plane3為B組;片2中plane0和plane1為C組;片2中plane2 和plane3為D組，片內(nèi)寫操作流水線工作原理如圖3所示，在任何一個時間片上，總有若干個操作同時進行，即實現(xiàn)了時間片上的復(fù)用，從而實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的連續(xù)存儲，存儲速度達到35 Mbyte/s。

圖3　流水線工作原理

帶系統(tǒng)識別碼的交替雙平面頁編程方式為規(guī)定在片1平面0中所有塊的第1頁的第1個地址作為系統(tǒng)識別碼地址，在每次交替雙平面頁編程的過程中尋址到系統(tǒng)識別碼的地址時寫入系統(tǒng)識別碼(如0xDB)，用來指示與平面0平行的塊中是否已經(jīng)寫入了數(shù)據(jù)，因此，已經(jīng)寫入數(shù)據(jù)的存儲單元對應(yīng)的系統(tǒng)識別碼的地址存儲的數(shù)據(jù)為0xDB，反之為0xFF，相應(yīng)的交替雙平面頁編程流程圖如圖4所示。

圖4　帶系統(tǒng)識別碼的頁編程方式

2.2斷電續(xù)傳功能的實現(xiàn)

要實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的斷電續(xù)傳的功能，系統(tǒng)必須在意外斷電又重新上電時自動準(zhǔn)確識別出數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)在斷電前一刻記錄的位置，并將有效的編程地址反饋給主控制器，作為連續(xù)記錄時的首地址。由于數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的存儲單元為NAND型Flash，因此Flash剩余容量的檢測顯得至關(guān)重要。

2.2.1逐字節(jié)檢測法

實現(xiàn)Flash剩余容量檢測有多種方法，最簡單的方法是對Flash內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)進行逐個字節(jié)檢測。由于Flash未寫入數(shù)據(jù)時讀回來的數(shù)據(jù)是0xFF，因此只要檢測Flash內(nèi)從哪個地址開始到最后一個地址的數(shù)據(jù)全是0xFF，就可以計算出剩余容量。這種方法雖然可行，但檢測過程中需要大量讀取Flash內(nèi)的數(shù)據(jù)，甚至是所有數(shù)據(jù)，檢測效率低。此外，如果由于某種特殊的需要，寫入Flash內(nèi)的數(shù)據(jù)就是0xFF，那么這種方法的檢測結(jié)果是不準(zhǔn)確的。

2.2.2信息記錄法

信息記錄法是規(guī)定Flash的第1塊第1頁中特定的存儲單元用來記錄上次頁編程的最后地址，系統(tǒng)上電后通過讀取該存儲單元的數(shù)據(jù)計算Flash的剩余容量，并更新下一次的頁編程地址，在數(shù)據(jù)存儲結(jié)束后，再將最后的頁編程地址更新到這個特定的存儲單元中。相比于逐個字節(jié)檢測的方法，這種方法不用大量檢測Flash內(nèi)的數(shù)據(jù)，只需在每次數(shù)據(jù)記錄結(jié)束后更新第1塊第1頁中特定存儲單元即可，簡單易行。但這種方法也有一個弊端，如果Flash在斷電前沒有退出數(shù)據(jù)存儲狀態(tài)，也就沒有機會把最后的頁編程地址更新到特定的存儲單元中，在下一次系統(tǒng)上電后獲取的頁編程地址必然是錯誤的，此后的數(shù)據(jù)存儲過程中必然會出現(xiàn)大范圍誤碼或數(shù)據(jù)丟失。

2.2.3逐行檢測法

逐行檢測法是在帶系統(tǒng)識別碼的交替雙平面頁編程方法的基礎(chǔ)上進行的，設(shè)計中所使用的NAND 型Flash K9WAG08U1M共2048個由存儲塊組成的行，共2 048個系統(tǒng)識別碼，讀取每個系統(tǒng)識別碼的時間約25 μs，如果Flash為空，檢測過程需要25 μs，如果Flash已寫滿，檢測過程需要51.2 ms，檢測過程需要的時間由Flash內(nèi)存儲數(shù)據(jù)的量決定。這種方法雖然可行，但略顯笨拙，且檢測過程所需時間是一個不確定的值，如果存儲器件由多個Flash串聯(lián)構(gòu)成，檢測時間成倍增長。

2.2.4基于二分法的Flash剩余容量檢測

基于二分法的Flash剩余容量檢測方法是在帶系統(tǒng)識別碼的交替雙平面頁編程基礎(chǔ)上的進行的，對于NAND型Flash K9WAG08U1M芯片，二分法不是從第1行開始檢測系統(tǒng)識別碼的，而是先從地址為b'10000000000的行(十進制為1024，總行數(shù)的一半)開始檢測系統(tǒng)識別碼。如果檢測結(jié)果為0xDB，表明已寫入數(shù)據(jù)的行地址超過了b'10000000000，下一次檢測系統(tǒng)識別碼的位置將選擇在從地址為b'10000000000的行到地址為b'11111111111的行的一半，即地址為b'11000000000的行;如果檢測的結(jié)果為0xFF，則表明數(shù)據(jù)未寫入到地址為b' 10000000000的行，下一次檢測系統(tǒng)識別碼的位置將選擇在從地址為b'00000000000的行到地址為b'10000000000的行的一半，即地址為b'01000000000的行。依次類推，每一次檢測都將檢測范圍縮小一半，不管Flash已寫入多少數(shù)據(jù)，只需檢測11次 (275 μs)就能確定其剩余容量，并將有效的編程地址反饋給主控制器，作為連續(xù)記錄時的首地址，檢測流程如圖5所示。

圖5　二分法檢測流程

NAND型Flash K9WAG08U1M總?cè)萘繛? 048 Mbyte，每行包含8塊，共1 024 kbyte，則已寫入的數(shù)據(jù)量X為:

式中: C為按圖5所示檢測流程檢測后得到的行地址，其剩余存儲容量為:

3　測試結(jié)果

圖6為用上位機對NAND型Flash K9WAG08U1M進行剩余容量檢測的結(jié)果。NAND型Flash K9WAG08U1M總?cè)萘繛? Gbyte，每塊的存儲容量是128 kbyte，每一行包含8個塊(128×8=1 024 kbyte)，因此基于二分法的Flash剩余容量檢測方法的最小檢測單位為1 Mbyte，檢測誤差度可以達到10－4。

圖6　檢測結(jié)果

為了驗證該數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性，在讀取存儲器中的數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)識別碼(0XDB)也一起讀出，在正式工程中，系統(tǒng)識別碼是會被自動忽略的。圖7為該數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)在存儲過程中意外斷電，然后重新上電后繼續(xù)記錄時存儲的數(shù)據(jù)，其中圖7(a)為意外斷電時記錄的數(shù)據(jù)，圖7(b)為重新上電后繼續(xù)記錄的數(shù)據(jù)，從實驗結(jié)果可以看出該數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)達到了預(yù)期的目標(biāo)。

圖7　存儲系統(tǒng)存儲的數(shù)據(jù)

4　結(jié)論

本文在基于二分法和帶系統(tǒng)識別碼交替雙平面頁編程技術(shù)的NAND型Flash剩余容量快速檢測的方法的基礎(chǔ)上設(shè)計的具有斷電續(xù)傳功能的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)在數(shù)據(jù)存儲速度和可靠性方面有了很大提高，在系統(tǒng)意外斷電、重新上電的情況下能繼續(xù)工作，完成數(shù)據(jù)的連續(xù)存儲，該數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的實現(xiàn)將在要求高速、高可靠性的存儲領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

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李加超(1988－)，男，漢族，山東臨沂人，碩士研究生，主要研究方向為微納儀器及測試技術(shù)、集成測試系統(tǒng)及儀器;

孟令軍(1969－)，男，漢族，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為動態(tài)測試技術(shù)與智能儀器、微系統(tǒng)集成、無線傳感器。

The Design of Solid-State Memory Having the Function of Power Down-Surviving*

JIAN Shaokun1，2，ZHANG Huixin1，2*
(1.National Kay Laboratory For Electronic Measurement Technology(North University of China)，Taiyuan 030051，China; 2.Kay Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement of Ministry of Education，Taiyuan 030051，China)

Abstract:For aircraft during flight due to accidental instantaneous power-down and led to the stored data being overwritten，so a design of solid-state memory has been forward for holding the function of power down-surviving.Taking FPGA as the main control chip，RS－422 and LVDS as the hardware communication means，NAND FLASH as the memory core.The function of power down-surviving is realized by programming based on the storage mode of interleave two-plane.The large number of scientific analysis of measured data show that the design of solid-state memory having the function of power down-surviving has been realized，solving the problem because of instantaneous power down led to record data being overwritten，meeting the needs of a particular model of aircraft.

Key words:solid-state memory; power down-surviving; FPGA; LVDS; FLASH

中圖分類號:TN402

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 03－0588－04

收稿日期:2014－07－11修改日期: 2014－08－10

doi:EEACC: 6230B10.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.023