嵌入式高速固態(tài)存儲(chǔ)器的組成原理與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

信息化時(shí)代的到來(lái)，使得信息和數(shù)據(jù)成為推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的主要因素，對(duì)于數(shù)據(jù)的處理提出了更高的要求。為了適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需求，現(xiàn)代數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)必須具備快速的數(shù)據(jù)采樣能力和較寬的數(shù)據(jù)帶寬，這就使得嵌入式高速固態(tài)存儲(chǔ)器得到了發(fā)展的機(jī)會(huì)。本文對(duì)嵌入式高速固態(tài)存儲(chǔ)器的組成原理進(jìn)行了分析，并提出了其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基本構(gòu)造和可能性。

信息化時(shí)代的發(fā)展促進(jìn)了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)主要因素的轉(zhuǎn)變，在當(dāng)前市場(chǎng)環(huán)境變幻莫測(cè)的背景下，信息的及時(shí)性和準(zhǔn)確性成為衡量企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素，科學(xué)技術(shù)成為第一生產(chǎn)力。為了提高信息數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理速度，對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，嵌入式高速固態(tài)存儲(chǔ)器得到了良好的發(fā)展機(jī)遇。

1 嵌入式高速固態(tài)存儲(chǔ)器概述

所謂的嵌入式高速固態(tài)存儲(chǔ)器，是一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，可以將被測(cè)量信號(hào)存儲(chǔ)起來(lái)，便于之后進(jìn)行分析處理、故障診斷、運(yùn)行狀態(tài)記錄等，為大量數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)提供了有效的手段。嵌入式高速固態(tài)存儲(chǔ)器自身具備可靠性高、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存完整不易丟失等眾多優(yōu)點(diǎn)，適合高速、高精準(zhǔn)度的測(cè)量系統(tǒng)，其采樣速度的快速性和采樣數(shù)據(jù)的大量性可以滿足高保真數(shù)據(jù)還原的需求。同時(shí)，NAND FLASH作為一種安全、快速的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒介，自身具備大容量、小體積、低成本、抗高溫等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域得到了廣泛的普及和應(yīng)用。本文提到的嵌入式高速固態(tài)存儲(chǔ)器，正是以NAND FLASH為存儲(chǔ)介質(zhì)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 嵌入式高速固態(tài)存儲(chǔ)器的組成原理

嵌入式高速固態(tài)存儲(chǔ)器作為一種存儲(chǔ)設(shè)備，其自身并不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，因此并不存在復(fù)雜的軟件組成，這里著重分析其硬件組成。在嵌入式高速固態(tài)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)構(gòu)成中，使用的是NAND FLASH存儲(chǔ)器，其主要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)載體是半導(dǎo)體材料，相比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，應(yīng)用范圍更加廣泛，對(duì)于溫度、壓力、振動(dòng)等的適應(yīng)性較強(qiáng)，是實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)設(shè)備高可靠性、高速度、低功耗和小型化的最佳選擇。在設(shè)計(jì)時(shí)，由于其自身對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速度和容量方面的要求較高，單一的NAND FLASH無(wú)法滿足，因此需要使用復(fù)數(shù)的NAND FLASH存儲(chǔ)器，并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和排列，兼顧存儲(chǔ)速度和容量，同時(shí)也不能使設(shè)備的構(gòu)成過(guò)于復(fù)雜。

因此，可以使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(即FPGA)作為主控制器，通過(guò)片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸和對(duì)FLASH存儲(chǔ)陣列的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

3 嵌入式高速固態(tài)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)器的硬件部分可以由8片NAND FLASH器件共同構(gòu)成，對(duì)其存儲(chǔ)容量和速度進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展，組成64位DDR接口界面，并且形成一組FLASH塊，接入FPGA。同時(shí)，可以將64片 NAND FLASH器件等分成8個(gè)部分，之后分別接人FPGA中，為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸提供4種接口形式，擴(kuò)展其使用范圍?？梢栽谠O(shè)備上串行高級(jí)技術(shù)附件，以及 USB接口，用于計(jì)算機(jī)的訪問和連接。存儲(chǔ)器上的網(wǎng)絡(luò)接口可以用來(lái)與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的管理和遠(yuǎn)程處理。

3.2 FPGA設(shè)計(jì)

FPGA系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)的要求較高，必須可以進(jìn)行高速數(shù)據(jù)率的連續(xù)訪問，而對(duì)于數(shù)據(jù)管理和整片存儲(chǔ)器的擦除速度要求較低，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，可以優(yōu)先考慮連續(xù)訪問速度，文件管理和擦除可以低速進(jìn)行。體現(xiàn)在對(duì)FLASH的操作中，即通過(guò)電路實(shí)現(xiàn)FLASH頁(yè)面的讀寫功能，通過(guò)片上處理器，運(yùn)用相應(yīng)的軟件程序，實(shí)現(xiàn)文件管理、塊擦除、格式化等功能。

在嵌入式高速固態(tài)存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后，為了保證其功能和使用效果，還需要對(duì)存儲(chǔ)器的相關(guān)性能進(jìn)行分析。本文通過(guò)相應(yīng)的方法，以 MT29F256G08AUAAA器件為例，對(duì)存儲(chǔ)器的速度和容量進(jìn)行分析，以確保存儲(chǔ)器的正常使用。假設(shè)存儲(chǔ)器在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，每頁(yè)數(shù)據(jù)的讀取時(shí)間為 35，對(duì)每頁(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和編程的時(shí)間為350，接口處的數(shù)據(jù)傳輸速度為400M/s。由于使用DDR進(jìn)行操作，假定數(shù)據(jù)選取時(shí)間為5ns，每頁(yè)數(shù)據(jù)總量為8640字節(jié)，包含連續(xù)區(qū)的8192字節(jié)和離散區(qū)的448字節(jié)。

首先，對(duì)存儲(chǔ)速度進(jìn)行分析。在對(duì)NAND FLASH進(jìn)行操作時(shí)，其操作一般可以分為兩個(gè)部分，即片內(nèi)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)訪問部分，以及頁(yè)面編程部分。緩沖區(qū)數(shù)據(jù)訪問需要的時(shí)間為：8640字節(jié) /400MT/s=2106。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取操作時(shí)，以35為最大處理時(shí)間，采用乒乓切換的方式進(jìn)行外部緩沖，則64片系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取速度為8640字節(jié)/35 x64=15GB。而在進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫操作時(shí)，同樣以35為最大讀取時(shí)間，使用乒乓切換的方式進(jìn)行外部緩沖，因而在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取操作時(shí)，最大處理時(shí)間為 350，則64片系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀速度為8640字節(jié)/350x64=1.5GB。

其次是容量分析。單片容量為2048GB，假設(shè)平均最大壞塊數(shù)為640塊，每塊的容量為1024字節(jié)，則無(wú)效容量為42GB。存儲(chǔ)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量約為2000GB，若以1.5GB的速度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，則可以得出，系統(tǒng)的最大可存儲(chǔ)時(shí)間為22min。

4 小結(jié)

綜上所述，本文從NAND FLASH出發(fā)，對(duì)嵌入式高速固態(tài)存儲(chǔ)器進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并對(duì)其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速度和容量進(jìn)行了分析計(jì)算，為相應(yīng)的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。而隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)也會(huì)不斷進(jìn)步，存儲(chǔ)器的性能也會(huì)不斷得到提高，需要相關(guān)技術(shù)人員的努力，推動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展。