何祖福 靳莉莉

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)軟件和硬件設(shè)施也在逐步的提高。尤其在信息存儲(chǔ)方面，以NAND FLASH為主的固態(tài)存儲(chǔ)得到了廣泛的應(yīng)用。使存儲(chǔ)介質(zhì)的讀寫(xiě)速率、成本等都得到了很大的優(yōu)化。本文針對(duì)該存儲(chǔ)介質(zhì)研究了高可靠固態(tài)存儲(chǔ)模塊的實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)一步分析了其實(shí)際應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：高可靠；固態(tài)存儲(chǔ)模塊；實(shí)現(xiàn)；應(yīng)用

前言：

隨著人們對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的依賴性越來(lái)越高，人們一直在研究并致力于提高計(jì)算機(jī)硬盤(pán)的存儲(chǔ)容量，使其更有利于人們的工作和生活。很多研究成果雖然使存儲(chǔ)空間提升，但讀寫(xiě)速度卻難以有所突破。而且存儲(chǔ)硬盤(pán)的適應(yīng)能力也難以得到有效的提高，受到很多方面的限制。NAND FLASH的出現(xiàn)解決了很多的實(shí)際問(wèn)題。NAND FLASH的生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單，可以在給定的模具尺寸內(nèi)提供更高的容量，生產(chǎn)成本方面得到有效的降低。而且其實(shí)用性能與其他固態(tài)存儲(chǔ)硬盤(pán)相比有著很大的優(yōu)勢(shì)。本文根據(jù)其特點(diǎn)，提出高可靠固態(tài)存儲(chǔ)模塊的實(shí)現(xiàn)方式、相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用方式。

1固態(tài)存儲(chǔ)模塊的總體實(shí)現(xiàn)

固態(tài)存儲(chǔ)模塊一般由接口電路、數(shù)據(jù)緩存、嵌入式處理器、FPGA等組合而成。接口電路是數(shù)據(jù)接口，同時(shí)也是命令接口，數(shù)據(jù)緩存對(duì)模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)流的速率進(jìn)行匹配，使數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高速傳輸[1]。固態(tài)存儲(chǔ)模塊的技術(shù)核心是嵌入式處理器，通過(guò)該設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工作流程、數(shù)據(jù)讀寫(xiě)、命令通信等方面的各種控制。FPGA是大規(guī)模可編程門(mén)陣列的縮寫(xiě)，負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)流，主要包括內(nèi)部通信和外部數(shù)據(jù)接口邏輯、DDR3數(shù)據(jù)控制邏輯等[2]。此外固態(tài)存儲(chǔ)模塊還包括大容量數(shù)據(jù)緩存芯片。使其讀寫(xiě)速率得到大幅的提升。在計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，先通過(guò)處理器接收指令，然后固態(tài)存儲(chǔ)模塊進(jìn)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)從相應(yīng)的接口輸入，經(jīng)接收器接收后進(jìn)入數(shù)據(jù)緩存，并以DMA的方式進(jìn)入FLASH控制器，最后將數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)介質(zhì)組。為提高數(shù)據(jù)讀寫(xiě)速率，存儲(chǔ)介質(zhì)組通過(guò)多芯片同時(shí)工作的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2高可靠存儲(chǔ)模塊技術(shù)及應(yīng)用

2.1NAND FLASH相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用

為了提高固態(tài)存儲(chǔ)模塊的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)與存儲(chǔ)的可靠性，NAND FLASH將各種技術(shù)有效的進(jìn)行融合，如數(shù)據(jù)糾錯(cuò)、過(guò)量配置、損耗均衡、壞塊管理等，使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀寫(xiě)的可靠性得以提升[3]。將原來(lái)位翻轉(zhuǎn)、壞塊、使用壽命短等缺陷進(jìn)行有效的補(bǔ)充。

（1）數(shù)據(jù)糾錯(cuò)技術(shù)。NAND FLASH在數(shù)據(jù)讀寫(xiě)過(guò)程中，可能會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺乏準(zhǔn)確性等情況，因此需要應(yīng)用數(shù)據(jù)糾錯(cuò)技術(shù)來(lái)增加糾錯(cuò)算法，糾正讀寫(xiě)過(guò)程中的位錯(cuò)誤，提高數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的準(zhǔn)確性。隨著科技的發(fā)展，數(shù)據(jù)糾錯(cuò)技術(shù)也在不斷得到提升和改進(jìn)，目前一般采用BCH碼為數(shù)據(jù)糾錯(cuò)的主要應(yīng)用的算法。這是一種并行編碼技術(shù)，能夠有效提高編碼的速率和帶寬。NAND FLASH在執(zhí)行數(shù)據(jù)讀取操作時(shí)，應(yīng)用BCH譯碼電路對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在錯(cuò)誤，就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行糾正，并將糾錯(cuò)后的數(shù)據(jù)輸出給用戶，提高輸出數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性。NAND FLASH在執(zhí)行數(shù)據(jù)寫(xiě)入操作時(shí)，BCH編碼電路對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)存儲(chǔ)，提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的規(guī)范性和可靠性。而且可有效提高編碼模塊的帶寬和速率。

（2）過(guò)量配置技術(shù)

過(guò)量配置技術(shù)是一種為了提高存儲(chǔ)模塊耐用度的有效方法。過(guò)量配置需要根據(jù)存貯模塊不同的應(yīng)用領(lǐng)域和場(chǎng)景來(lái)配置不同的空間。配置的空間越多，存儲(chǔ)模塊的可靠性就越高。這樣也需要支付相應(yīng)的成本，占用的空間越多需要支付的成本也就越高。模塊通過(guò)損耗均衡來(lái)使擦寫(xiě)周期變短。如果出現(xiàn)模塊失效的狀況，就需要將失效部分標(biāo)記成不可用，在從備用區(qū)域調(diào)配一個(gè)新的存儲(chǔ)塊到邏輯地址，這就是過(guò)量配置技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程。

（3）損耗均衡技術(shù)

損耗均衡技術(shù)是根據(jù)存儲(chǔ)模塊的擦寫(xiě)次數(shù)來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行均衡的分配，優(yōu)先選擇擦寫(xiě)次數(shù)較少的存儲(chǔ)塊來(lái)存放數(shù)據(jù)。損耗均衡技術(shù)分為針對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)配和靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)配兩種類(lèi)型。動(dòng)態(tài)損耗平衡無(wú)法用于靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)塊的調(diào)配，而靜態(tài)損耗均衡技術(shù)可以對(duì)所有的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)塊執(zhí)行相關(guān)的操作。與動(dòng)態(tài)損耗平衡相比，應(yīng)用靜態(tài)損耗均衡技術(shù)在使用壽命方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，能夠減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)塊之間的不均衡損耗。NAND FLASH每個(gè)存儲(chǔ)單元的使用壽命都是有一定的時(shí)限性的。采用高效合理的損耗均衡技術(shù)可以對(duì)NAND FLASH存儲(chǔ)空間進(jìn)行合理的擦寫(xiě)管控，提高存儲(chǔ)空間和存儲(chǔ)模塊的整體使用壽命。

（4）壞塊管理技術(shù)

壞塊是固態(tài)存儲(chǔ)模塊出廠時(shí)如果有一個(gè)或多個(gè)位是壞的，就稱其為壞塊。壞塊在固態(tài)存儲(chǔ)器中是一種常見(jiàn)的現(xiàn)象。存在壞塊的存儲(chǔ)器難以保證寫(xiě)入的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，也難以保證寫(xiě)入的數(shù)據(jù)可以被準(zhǔn)確的讀取。只有正常的模塊才能執(zhí)行常規(guī)的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作。產(chǎn)生壞塊的原因有很多，一種可能是出廠質(zhì)量的問(wèn)題，就是在還沒(méi)有使用的情況下就已經(jīng)存在壞塊。這種壞塊在出廠前就應(yīng)做好相應(yīng)的標(biāo)記。還有可能在使用過(guò)程中人為造成的損壞。一般使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)后，反復(fù)擦除模塊中的數(shù)據(jù)就可能會(huì)導(dǎo)致壞塊出現(xiàn)，從而影響模塊的整體使用性能。這種情況也需要對(duì)壞塊進(jìn)行標(biāo)記。而所有正常的模塊都標(biāo)記為0xFF，如果標(biāo)記與其不同，就可以判斷為壞塊[4]。針對(duì)壞塊的管理技術(shù)，可預(yù)先在NAND FLASH出廠前讀取模塊的芯片數(shù)據(jù)，還可以在模塊使用過(guò)程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，針對(duì)所有新舊模塊進(jìn)行管理，如果出現(xiàn)壞塊，會(huì)禁止將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于壞塊中，將壞塊徹底封存，提高數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的準(zhǔn)確性。

（5）磁盤(pán)陣列技術(shù)

磁盤(pán)陣列技術(shù)又稱RAID技術(shù)，是有多個(gè)磁盤(pán)組合而成的磁盤(pán)組，進(jìn)而使磁盤(pán)整體的系統(tǒng)功能和容量得以提升。該技術(shù)可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行切割并分別存儲(chǔ)于硬盤(pán)中。當(dāng)其中某一個(gè)磁盤(pán)發(fā)生故障時(shí)，其他磁盤(pán)仍然可以正常工作，使數(shù)據(jù)能夠有效地被讀取和寫(xiě)入硬盤(pán)中。磁盤(pán)陣列分為外接式、內(nèi)接式以及軟件仿真等形式[5]。一般大型服務(wù)器應(yīng)用外接式磁盤(pán)陣列柜，安裝的成本也較高。而內(nèi)接式陣列卡相比之下成本較低，但在安裝時(shí)需要對(duì)技術(shù)人員的專業(yè)水平有較高的要求?？梢詾榇鎯?chǔ)模塊提供各種問(wèn)題的解決方案。軟件仿真技術(shù)通過(guò)系統(tǒng)自身的磁盤(pán)管理功能來(lái)對(duì)硬盤(pán)進(jìn)行優(yōu)化管理，組成科學(xué)合理的陣列。但容易拖慢系統(tǒng)的速度，不適用于數(shù)據(jù)流量較大的服務(wù)器。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于傳輸速率較快，而且具有容錯(cuò)功能。適用于在醫(yī)療、金融、軍事等系統(tǒng)中應(yīng)用。但磁盤(pán)沒(méi)有冗余功能，磁盤(pán)整體的利用率也較低，所以需要持續(xù)對(duì)其進(jìn)行研究和改進(jìn)。目前RAID5在模塊中芯片出現(xiàn)異常時(shí)可以通過(guò)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)丟失的數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，提高了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性。

2.2高可靠性場(chǎng)合的應(yīng)用

首先，數(shù)據(jù)加密技術(shù)。該技術(shù)是對(duì)寫(xiě)入數(shù)據(jù)的一種有效的保護(hù)措施，也是提高數(shù)據(jù)讀寫(xiě)安全的一種手段。固態(tài)存儲(chǔ)模塊的最佳加密方案是將AES與RSA兩種加密技術(shù)進(jìn)行有效的融合。這樣要想準(zhǔn)確的讀取數(shù)據(jù)，就需要進(jìn)行解密操作，這樣可以有效的防止數(shù)據(jù)丟失的情況發(fā)生。其次，數(shù)據(jù)銷(xiāo)毀技術(shù)。在數(shù)據(jù)的加密信息被不具訪問(wèn)權(quán)限的人員獲取時(shí)，應(yīng)用該技術(shù)可以快速銷(xiāo)毀密鑰、目錄、芯片、電路板等，使其中的數(shù)據(jù)無(wú)法被有效的讀取。同時(shí)將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行自動(dòng)擦除和覆蓋，使信息難以被有效獲取，確保信息的安全。這幾種銷(xiāo)毀的途經(jīng)需要在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的選取。

結(jié)語(yǔ)：

綜上所述，高可靠固態(tài)存儲(chǔ)模塊具有優(yōu)良的使用性能，能夠有效的提升存儲(chǔ)模塊的讀寫(xiě)速率和使用壽命。提升數(shù)據(jù)讀寫(xiě)和存儲(chǔ)的可靠性和準(zhǔn)確性，提高數(shù)據(jù)模塊的耐用性。目前高可靠固態(tài)存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)了多種技術(shù)的提升，并能夠滿足計(jì)算機(jī)固態(tài)存儲(chǔ)的各種應(yīng)用需求。

參考文獻(xiàn)

[1]吳洪成，潘琪.高可靠固態(tài)存儲(chǔ)模塊的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2015（09）：14.

[2]李佳琦.精密儀器中高可靠存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].天津大學(xué)，2009.

[3]朱知博.基于NAND-FLASH的高速大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011.34（8）：170

[4]張峰.基于Nandflash陣列的高速存儲(chǔ)技術(shù)[J].電訊技術(shù)，2013.53（1）：68-71

[5]胡洋，馮丹.高性能固態(tài)盤(pán)的多級(jí)并行性及算法研究[D].華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2012.5.

（作者單位：南京長(zhǎng)江電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司）