基于閃存的大容量存儲(chǔ)陣列
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由于NAND Flash特殊的基本結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行讀寫(xiě)操作的時(shí)候，外部控制器不能通過(guò)普通總線的形式對(duì)其內(nèi)部某一位進(jìn)行操作，而是以頁(yè)為最小操作單位，在擦除操作時(shí)以塊為最小操作單位。
對(duì)NAND Flash芯片內(nèi)部的某一頁(yè)進(jìn)行操作時(shí)，要先將操作命令字和地址信息寫(xiě)入，芯片才會(huì)根據(jù)操作命令字對(duì)給定地址的存儲(chǔ)單元進(jìn)行相應(yīng)的操作。芯片的主要操作命令字可以查閱芯片手冊(cè)。
K9KAG08UOM的頁(yè)編程寫(xiě)入時(shí)序圖如圖2所示，其中寫(xiě)周期tWC最小為25 ns；地址到數(shù)據(jù)加載的延遲時(shí)間tADL最小為75 ns；編程命令到編程開(kāi)始的延遲時(shí)間tWH最大為100 ns；編程時(shí)間tPROG的典型值為200μs。本文引用地址：http://cafeforensic.com/article/149176.htm
設(shè)Flash芯片一頁(yè)的容量為4 224 Byte，按典型時(shí)間計(jì)算，完成一頁(yè)編程寫(xiě)入所需時(shí)間約為
6×25 ns+75 ns+4 224×25 ns+100 ns+300μs=405．95μs
其中，編程命令和數(shù)據(jù)傳送的總時(shí)間為105．95 s，編程時(shí)間為300 s。單片K9KAG08UOM最高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速率為
4 224／405．95μs=10．405 B·μs-1=10．405 MB·s-1
上述時(shí)間是按照最高速度計(jì)算的，實(shí)際使用時(shí)單片存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速率會(huì)小于它。如果留有足夠的裕度，單片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速率按照5 MB·s-1考慮，則對(duì)于200MB·s-1的要求，需要40片存儲(chǔ)器并行工作，才能滿足實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的要求。
2 FPGA芯片的選型
存儲(chǔ)器陣列控制單元利用高性能FPGA實(shí)現(xiàn)，它對(duì)器件速度的要求不高，主要是必須提供足夠的IO引腳，具體要求如下：(1)輸入LVDS通道數(shù)為16+2，其中接收8個(gè)，發(fā)送8個(gè)，高速時(shí)鐘2個(gè)通道。(2)輸入讀寫(xiě)速度：>200 MHz。(3)輸出LVTTL電平的IO數(shù)為(80+24)x 4，其中數(shù)據(jù)80位，控制信號(hào)12位。(4)命令地址等其它低速信號(hào)線為14線。(5)輸出讀寫(xiě)速度>20 MHz。(6)引腳需求數(shù)：(16+2)×2+104×4+4+10=466。
擬采用Xilinx公司的Virtex-4系列FPGA可以滿足設(shè)計(jì)要求，如XC4VLX80。其相關(guān)技術(shù)參數(shù)：(1)18 kBRAM模塊：200個(gè)，3 600 kB。(2)內(nèi)部存儲(chǔ)器讀寫(xiě)速度>500 MHz。(3)LVDS通道數(shù)為384。(4)用戶可利用的IO引腳數(shù)為768。
3 FPGA控制邏輯設(shè)計(jì)
3．1 并行的NAND接口的設(shè)計(jì)
并行操作可以按照需要將多片閃存芯片的數(shù)據(jù)線結(jié)合起來(lái)共同使用，以此提高系統(tǒng)讀寫(xiě)帶寬和讀寫(xiě)效率。在并行系統(tǒng)中，引進(jìn)模塊化的思想，即將多片閃存芯片當(dāng)作一個(gè)模塊，把這個(gè)模塊作為整個(gè)系統(tǒng)最小的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，任何操作都是面向這些模塊來(lái)進(jìn)行。也就是說(shuō)，多片閃存芯片作為一個(gè)整體，對(duì)外輸出8×n位的數(shù)據(jù)。同時(shí)，并行操作也大大提高了系統(tǒng)的操作速度。以下以寫(xiě)4 kByte的數(shù)據(jù)進(jìn)入一個(gè)由5片閃存芯片組成的的模塊為例：當(dāng)只對(duì)一片閃存芯片操作時(shí)，典型的寫(xiě)入時(shí)間為200μs。但當(dāng)閃存芯片模塊進(jìn)行操作時(shí)，由于是對(duì)模塊內(nèi)的5片芯片進(jìn)行同時(shí)寫(xiě)入，因此系統(tǒng)的整體操作速度提高了4倍。
并行操作的實(shí)現(xiàn)依賴于并行的NAND接口的設(shè)計(jì)。板卡中采用的K9WBG08U1M的IO位寬為8 bit。由上節(jié)的分析可知，對(duì)于200 MB·s-1的要求，需要40片存儲(chǔ)器并行工作，才能滿足實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的要求。板上共載有40片NAND，分為4組，每組10片存儲(chǔ)芯片，則單板容量為40×單片存儲(chǔ)容量4 GB。為滿足信號(hào)驅(qū)動(dòng)特性的要求，每5片F(xiàn)lash存儲(chǔ)芯片由FPGA單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。
評(píng)論