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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

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基于FPGA的斷電續(xù)傳存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

摘要:針對(duì)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(chǔ)和斷電續(xù)傳的技術(shù)難題，詳細(xì)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(diǎn)，提出了一種基于二分法和帶系統(tǒng)識(shí)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(dá)到10－4，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了具有斷電續(xù)傳功能的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)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(chǔ)系統(tǒng)

項(xiàng)目來源:基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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(chǔ)器件，具有非易失性、掉電后數(shù)據(jù)不丟失、存儲(chǔ)容量大等特點(diǎn)，比較適合于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療衛(wèi)生、航空航天等各個(gè)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(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)需要在系統(tǒng)斷電又重新上電的情況下繼續(xù)實(shí)時(shí)地存儲(chǔ)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(chǔ)系統(tǒng)研究中，如何檢測存儲(chǔ)系統(tǒng)的剩余容量以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速存儲(chǔ)與斷電續(xù)存，已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)問題［2－3］。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及組成

該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)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(fù)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(chǔ)在FLASH存儲(chǔ)器中，或者將FLASH存儲(chǔ)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(dá)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(duì)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(jì)需求以及發(fā)送端進(jìn)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(chǔ)系統(tǒng)與地面測試設(shè)備之間的通信。

存儲(chǔ)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(gè)CE端口進(jìn)行選通控制［4－5］。單片K9K8G08U0M由8192個(gè)存儲(chǔ)塊(Block)組成，每個(gè)存儲(chǔ)塊由64個(gè)頁(Page)組成，而每頁是由2k+64 byte組成，其中64個(gè)字節(jié)為空余區(qū)，通常可用于錯(cuò)誤檢測和記錄特定信息［6］。

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(jìn)行選通控制，當(dāng)CE1為低時(shí)，可以認(rèn)為是對(duì)片1進(jìn)行讀、寫或者擦除等操作，當(dāng)CE2為低時(shí)，可以認(rèn)為是對(duì)片2進(jìn)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(dú)操作的特性，對(duì)平面進(jìn)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(gè)時(shí)間片上，總有若干個(gè)操作同時(shí)進(jìn)行，即實(shí)現(xiàn)了時(shí)間片上的復(fù)用，從而實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的連續(xù)存儲(chǔ)，存儲(chǔ)速度達(dá)到35 Mbyte/s。

圖3　流水線工作原理

帶系統(tǒng)識(shí)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(gè)地址作為系統(tǒng)識(shí)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(shí)別碼的地址時(shí)寫入系統(tǒng)識(shí)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(chǔ)單元對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)識(shí)別碼的地址存儲(chǔ)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(shí)別碼的頁編程方式

2.2斷電續(xù)傳功能的實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)自動(dòng)準(zhǔn)確識(shí)別出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)的首地址。由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)Flash剩余容量檢測有多種方法，最簡單的方法是對(duì)Flash內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐個(gè)字節(jié)檢測。由于Flash未寫入數(shù)據(jù)時(shí)讀回來的數(shù)據(jù)是0xFF，因此只要檢測Flash內(nèi)從哪個(gè)地址開始到最后一個(gè)地址的數(shù)據(jù)全是0xFF，就可以計(jì)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(chǔ)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(chǔ)單元的數(shù)據(jù)計(jì)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(chǔ)結(jié)束后，再將最后的頁編程地址更新到這個(gè)特定的存儲(chǔ)單元中。相比于逐個(gè)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(chǔ)單元即可，簡單易行。但這種方法也有一個(gè)弊端，如果Flash在斷電前沒有退出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)狀態(tài)，也就沒有機(jī)會(huì)把最后的頁編程地址更新到特定的存儲(chǔ)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(cuò)誤的，此后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程中必然會(huì)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(shí)別碼的交替雙平面頁編程方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，設(shè)計(jì)中所使用的NAND 型Flash K9WAG08U1M共2048個(gè)由存儲(chǔ)塊組成的行，共2 048個(gè)系統(tǒng)識(shí)別碼，讀取每個(gè)系統(tǒng)識(shí)別碼的時(shí)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(shí)間由Flash內(nèi)存儲(chǔ)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(shí)間是一個(gè)不確定的值，如果存儲(chǔ)器件由多個(gè)Flash串聯(lián)構(gòu)成，檢測時(shí)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(shí)別碼的交替雙平面頁編程基礎(chǔ)上的進(jìn)行的，對(duì)于NAND型Flash K9WAG08U1M芯片，二分法不是從第1行開始檢測系統(tǒng)識(shí)別碼的，而是先從地址為b'10000000000的行(十進(jìn)制為1024，總行數(shù)的一半)開始檢測系統(tǒng)識(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(chǔ)容量為:

3　測試結(jié)果

圖6為用上位機(jī)對(duì)NAND型Flash K9WAG08U1M進(jìn)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(chǔ)容量是128 kbyte，每一行包含8個(gè)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(dá)到10－4。

圖6　檢測結(jié)果

為了驗(yàn)證該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性，在讀取存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)識(shí)別碼(0XDB)也一起讀出，在正式工程中，系統(tǒng)識(shí)別碼是會(huì)被自動(dòng)忽略的。圖7為該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)在存儲(chǔ)過程中意外斷電，然后重新上電后繼續(xù)記錄時(shí)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，其中圖7(a)為意外斷電時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

圖7　存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)

4　結(jié)論

本文在基于二分法和帶系統(tǒng)識(shí)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(jì)的具有斷電續(xù)傳功能的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)，該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)將在要求高速、高可靠性的存儲(chǔ)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?yàn)槲⒓{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?yàn)閯?dòng)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(hào):TN402

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):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