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        嵌入式高速固態(tài)存儲器的設計

        2013-04-25 05:52:10管振輝
        艦船電子對抗 2013年1期
        關鍵詞:低電平存儲器嵌入式

        管振輝

        (船舶重工集團公司723所,揚州 225001)

        0 引 言

        嵌入式固態(tài)存儲器是一種將被測量信號存儲起來,用于事后分析處理、運行狀態(tài)記錄、診斷等的裝置。嵌入式存儲器要求有較高的可靠性和掉電數據不易丟失等特點,高速、高精度測量系統(tǒng)中往往要求較高的采樣速度、較多的采樣位數以滿足高保真數據還原的需要。作為一種安全、快速的存儲體,NAND FLASH存儲器具有體積小、容量大、成本低、掉電數據不丟失、可在線重復編程和擦除、抗震動和沖擊、溫度適應范圍寬等特點,得到了非常廣泛的應用[1]。本文以NAND FLASH為存儲介質,設計了基于大容量NAND FLASH的嵌入式固態(tài)存儲器,該系統(tǒng)具有速度快、抗震和抗干擾能力強、使用溫度范圍寬等特點,同時考慮了數據安全等因素,可方便地用于模擬訓練、雷達、電子對抗、通信對抗等方面的數據記錄,具有廣闊的應用前景。

        1 NAND FLASH存儲器的選擇

        NAND FLASH是一種掉電非易失性存儲器,它的記憶載體是半導體材料,比傳統(tǒng)的存儲設備更能承受較大的溫度變化、較強的機械振動和沖擊,是實現高可靠性、高速度、低功耗和小型化存儲設備的最佳選擇。并且,隨著半導體技術的發(fā)展,其讀寫速度和容量仍在不斷提高。NAND FLASH的主要特點如下[2]:

        (1)以頁為單位進行讀和寫操作,以塊為單位進行擦除操作,每個塊由多個頁組成,整個NAND FLASH芯片由多個塊組成;

        (2)寫操作只能使數據位為“0”,擦除操作只能使數據位為“1”;

        (3)采用1組總線完成數據、命令和地址等操作,按字節(jié)串行訪問數據;

        (4)芯片體積小,重量輕,存儲密度高;

        (5)芯片中存在無效塊,并且使用中也會產生無效塊,但不影響功能。

        在嵌入式設備中選取NAND FLASH存儲器作為存儲介質已是流行趨勢。目前NAND FLASH存儲器按其技術工藝可分為單級單元技術(SLC)和多級單元技術(MLC);按其數據接口介面可分為單數據速率(SDR)、NV-雙數據速率(DDR)和 NVDDR2。對比特性見表1、表2[3]。

        表1 技術工藝一覽表

        表2 數據接口介面一覽表

        為了保證高速的存儲,這里選取NV-DDR2+SLC結構較為合理。NV-DDR2與常規(guī)的SDR接口有所不同,其數據接口定義如下:

        DQ[7:0]引腳是數據輸入輸出總線,可以作為數據端口、地址端口和命令端口??梢酝ㄟ^控制信號ALE和CLE的狀態(tài)來確定DQ[7:0]的功能。

        DQS(DQS_t)(數據閘門):指示數據有效窗口。

        DQS_c(數據閘門補充信號),與DQS_t構成差分信號。

        CLE(命令鎖存使能):命令通道使能信號,高電平有效,指明當前總線周期是命令周期、地址周期還是數據周期),這時DQ[7:0]口上是命令碼數據,如果WE信號有效,就可以將當前的命令碼寫入FLASH。

        ALE(地址鎖存使能):地址通道使能信號,高電平有效,這時DQ[7:0]口上是地址碼數據,如果WE信號有效,就可以將當前的地址碼寫入FLASH。

        CE_n(片選):器件選擇管腳,低電平有效,當要選中器件時,CE_n為低電平,這時可以對器件進行讀寫操作;CE_n為高電平時,則不能對器件進行操作。

        WE_n(寫使能):WE_n是用來對FLASH 芯片進行寫操作的信號,低電平有效,在 WE_n信號的上升沿,將當前DQ[7:0]口上的地址、命令或者數據寫入到FLASH芯片內。

        RE_n(RE_t)(讀使能):RE_n是用來對FLASH芯片進行讀操作的信號,低電平有效,在RE_n信號的下降沿將FLASH芯片內部的地址計數器加1,經時延后,數據被送到DQ[7:0]口上。

        RE_c(讀允許補充):是 RE_x_t的輔助信號,可與RE_t構成差分信號。

        WP_n(寫保護):該信號低電平有效,當芯片處于寫保護狀態(tài)時,對芯片的寫操作和擦除操作均無效。

        R/B_n(準備好/忙):指示FLASH 芯片的工作狀態(tài),為低電平時,表示FLASH正處于忙狀態(tài),芯片不接受外部的操作;當R/B_n引腳為高電平時,才可以對芯片進行操作。

        2 嵌入式固態(tài)存儲器的硬件設計

        2.1 硬件組成

        嵌入式固態(tài)存儲器有一定的速度和容量要求,但由于單片NAND FLASH的容量和訪問速度有限,所以要構建FLASH存儲器陣列,既可以提高存儲速度,增加存儲容量,又沒有增加太多的硬件電路復雜程度。本文采用現場可編程門陣列(FPGA)為主控制器,進行片上系統(tǒng)(SoC)設計來進行高速數據傳輸以及對FLASH存儲陣列的數據存儲。

        硬件組成框圖如圖1所示。

        8片由NAND FLASH器件進行位擴展,組成64位DDR接口界面,組成1組FLASH塊接入FPGA;64片NAND FLASH器件分為8組,分別接入FPGA中,FPGA同時接DDR用于高速數據緩沖、對外提供4種接口形式;高速數據口,根據需要可重配,用于高速數據接口;串行高級技術附件(SATA)及USB用于計算機訪問接口;網絡接口用于管理。

        2.2 FPGA設計

        由于系統(tǒng)要求進行高速數據率的連續(xù)訪問,但對文件管理和整片存儲器的擦除速度要求不高,所以系統(tǒng)中可以進行低速的文件管理和擦除,連續(xù)的訪問速度是最主要考慮的指標。具體體現在對FLASH的操作是:數據訪問即對FLASH的頁面的讀和寫通過硬件電路實現,而文件管理、塊擦除、格式化以及無效塊管理等是使用片上處理器通過軟件程序實現的。

        圖1 硬件組成框圖

        圖2 FPGA功能組成框圖

        3 性能分析

        本文以MT29F256G08AUAAA器件為例進行速度及容量分析,每頁數據的讀取時間為35μs,每頁的編程時間為350μs,接口速度為400 MT/s,由于是DDR操作,折合選取時間為5 ns,每頁為8 640 Byte,含連續(xù)區(qū)8 192Byte和離散區(qū)448 Byte。

        3.1 速度分析

        對NAND FLASH操作一般分為兩部分,片內緩沖區(qū)數據訪問部分和頁編程部分。

        緩沖區(qū)數據訪問時間為:8 640 Byte/400 MT/s=21.6μs。

        讀操作時,以讀時間35μs為大,采用乒乓切換方式外部緩沖,故當讀操作時,最大處理時間為35μs,8 640 Byte/35μs=246 MByte,64片的讀速度為246 MByte×64=15 GByte。

        寫操作時,以讀時間350μs為大,采用乒乓切換方式外部緩沖,故當讀操作時,最大處理時間為350μs,8 640 Byte/350μs=24.6 MByte,64片的讀速度為246 MByte×64=1.5 GByte。

        3.2 容量分析

        單片容量為256 Gbit×64/8=2 048 GByte,平均最大壞塊數為640塊,每塊容量為1 024 k Byte,故,總無效容量為:640×1 024 k Byte×64=42 GByte;該系統(tǒng)設計容量大約為2 000 GByte;如以1.5 GByte速度進行操作時,該系統(tǒng)可存儲2 000 GByte/1.5 GByte=22 min。

        4 結束語

        本文系統(tǒng)地設計了基于NAND型FLASH的高速、大容量嵌入式存儲器。從器件選型、硬件設計、性能分析到最終實現,完整地走過了設計流程。隨著半導體技術的飛速發(fā)展,存儲技術也日新月異,更高性能的存儲器件也將不斷涌現。本文驗證了許多工程原理,可以為今后設計更高性能的存儲系統(tǒng)提供有益的參考。

        [1]吳黎慧,蒲南江,張娟娟.基于閃存陣列的高速存儲方法[J].電子測試,2011(7):89-92.

        [2]吳昊.高速大容量固態(tài)存儲系統(tǒng)設計[D].西安:西安電子科技大學,2010.

        [3]Open NAND Flash Interface Specification[EB/OL].http://www.onfi.org,2011-03-09.

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