闪存的星载大容量存储器的研究与实现

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1、闪存的星载大容量存储器的研究与实现.freel型芯片为例进行介绍。该芯片容量为1Gbit,由8192个块组成,每块又由32个页组成,一页有(512+16)×8bit,该片的8位I/O总线是命令、地址、数据复用的。读写操作均以页为单位,擦除操作则以块为单位,写入每页的典型时间为200μs4,平均每写一个字节约需400ns,即约20Mb/s。这样的写入(编程)速度对于要求高速的应用场合来讲是难以满足的,因此必须采取一定的技术措施。1.1.1并行总线技术并行总线技术亦称宽带总线技术,即通过拓宽数据总线的带宽实现数据宏观上的并行操作

2、。比如,由四片K9K1G08U0M型闪存芯片组成一个32位宽的闪存子模块,它们共用相同的控制信号,包括片选信号、读写信号、芯片内部地址等。子模块总是被看做一个整体而进行相同的操作,只是数据加载的时候是不同的数据。这样,数据量将是使用单独一块芯片时的4倍,所以理论上速度也将是非并行时的4倍。1.1.2流水线技术借鉴现今高性能计算机中的流水线操作原理,可在时间片上实现微观并行。针对闪存的写入速度慢的问题,可以对其进行流水处理。K9K1G08U0M型闪存的写入操作可分为三个步骤:(1)加载操作,即完成命令、地址和数据的载入工作;(2)

3、自动编程操作,即由闪存芯片自动完成编程操作,将载入到页寄存器的数据写到内部存储单元的;(3)检测操作,即在自动编程结束后检测写入的数据是否正确。如果不正确,需要重新编程;如果正确,继续下一步的操作。写流水原理图如图1所示。由图1可以看到,流水线运行起来后,在任一时间片上总有若干小操作在同时进行,即在时间片上实现了复用,因此从整体上看速度将会提高。1.2无效块的三星闪存芯片在使用过程中会出现无效块。无效块是指一个块中存在一个或多个无效位,其可靠性不能得到保证,必须加以标识和旁路(当然无效块不会影响到其它块的有效性)4并进行数据

4、备份。为了对无效块实现管理,可以建立一张无效块到冗余区有效块的映射表。映射表结构如图2所示。映射原理如下:开始是一张初始无效块映射表,这张表可以根据三星公司技术手册给出的算法建立起来。按照图示的映射数据结构对整个存储区进行编号,并根据这个编号对映射表进行排序。进行写操作时,按照上述的映射结构将写地址与映射表进行比较,比较到块级即可。如果是无效块,将待写入的数据写到被映射到的块;如果不是,则直接写入该块。如果在写某块的某页时出现编程错误,则将该块添加进无效块映射表(当编程出错时就表明出错页对应的块无效),同时从该出错页开始,将该块

5、后面的页数据都写入到对应的映射块。这样,在数据读出时,可将读地址与映射表比较,并且需要比较到页级以确定每一页的确切存放位置。如果该页编程正确,则直接读出;如果错误,则到被映射的块的对应页读数据,并且该页之后的页也从被映射块中读数据。根据三星的技术资料,对无效块进行读操作是允许的,即对于编程出错页前面的那些编程正确的页是可以正确读出的,而对无效块进行编程和擦除的操作是不推荐的,因为有时这些操作会使邻近的块也失效4。所以读操作要查找到每一页的对应存放位置,而写操作只要查找到块就行。查找时采用二分查找算法。擦除完后,将擦除出错的块

6、也添加进无效块映射表。无效块映射表需要不断维护和更新。2闪存构成星载大容量存储器的系统实现方案2.1系统的组成该实现方案将上述关键问题的解决方法融合进来,系统由存储区模块、接口模块、数据缓冲模块及主控模块四部分组成,系统原理图如图3所示。2.1.1存储区模块为了实现并行和流水技术,整个存储区模块按如下方式构成:由4片K9K1G08U0M型三星闪存芯片组成一个子模块,8个子模块组成8级流水的大模块,而这个大模块即是整个存储区,其总容量为32Gbit。无效块备份的冗余区可以设在每个子模块内部,即从子模块的每块芯片中预留出一部分空间。

7、这种模块化管理的方式既便于系统扩展,又可以在不影响系统正常工作的情况下旁路已损坏的存储块。表,这张表可以根据三星公司技术手册给出的算法建立起来。按照图示的映射数据结构对整个存储区进行编号,并根据这个编号对映射表进行排序。进行写操作时,按照上述的映射结构将写地址与映射表进行比较,比较到块级即可。如果是无效块,将待写入的数据写到被映射到的块;如果不是,则直接写入该块。如果在写某块的某页时出现编程错误,则将该块添加进无效块映射表(当编程出错时就表明出错页对应的块无效),同时从该出错页开始,将该块后面的页数据都写入到对应的映射块。这样,

8、在数据读出时,可将读地址与映射表比较,并且需要比较到页级以确定每一页的确切存放位置。如果该页编程正确,则直接读出;如果错误,则到被映射的块的对应页读数据,并且该页之后的页也从被映射块中读数据。根据三星的技术资料,对无效块进行读操作是允许的,即对于编程出错页前面的