基于NAND FLASH陣列的存儲技術研究

王杰

【摘 要】隨著軍用電子裝備中數據存儲密度的不斷增長，基于NAND FLASH的存儲技術發展為一個重要的研究方向。本文提出了一種基于NAND FLASH陣列的存儲技術，結果表明，本方法能有有效地提高單位面積上的存儲密度和讀寫速度，具有良好的應用價值。

【關鍵詞】高速存儲；NAND Flash；存儲密度

A Study of Storage Technique Based on NAND FLASH Array

WANG Jie1，2，3

（1.No.38 Research Institute of CETC，Hefei Anhui 230088，China；

2.Key laboratory of Aperture Array and Space Application，Hefei Anhui 230088，China；

3.Key laboratory of Intelligent Information Processing，Hefei Anhui 230088，China）

【Abstract】With the increasing of data storage density in military electronic equipment，the storage technique based on NAND FLASH has become an important research direction.A storage technique based on NAND FLASH array has been proposed in this paper，practice has proved that the storage density pre unit area and write speed can be greatly improved.Results indicated the application value of the proposed method.

【Key words】High speed storage；NAND flash；Storage density

0 引言

隨著軍用電子技術的快速發展和新體制電子裝備不斷出現，信息的高速記錄作為一項重要的功能被廣泛應用于重大空情記錄回放、雷達回波數據記錄、圖形圖像實時捕獲等，其技術和應用需求日趨迫切[1]。

目前常用的設計方法是采用SATA接口的硬盤作為存儲介質[2-4]，通過多個硬盤并行讀寫以提高讀寫速度。這種方式的缺點是硬盤體積大、重量大，限制了存儲系統的存儲密度，讀寫速度受限于硬盤的讀寫速度，難以適用于航空、航天等高速大容量實時記錄的應用需求。本文提出了一種NAND FLASH陣列的存儲技術，具有存儲密度高、讀寫速度快、容量可擴展等特點。可以滿足對體積、重量敏感的高速大容量存儲需求，具有廣泛的應用前景。

1 NAND FLASH 固態存儲技術

固態存儲由于使用半導體存儲芯片作為存儲介質，其存儲密度高、無轉動部件、可靠性高、體積小、重量輕，這些優點使得固態存儲在軍用、航天領域得到廣泛應用。同時在常見的DRAM、SRAM、FLASH Memory、EPROM等存儲芯片中，FLASH存儲方案以其高密度、非易失性、低功耗、低成本的優勢，在大容量存儲應用中成為主流。

對于固態存儲系統來說，基本存儲芯片的選用無疑是決定整個設備性能的基礎。本課題旨在研制一種適合軍用雷達應用的，基于NAND型FLASH的固態存儲器。作為全球最大的NAND型FLASH芯片生產廠商，韓國SAMSUNG電子的產品無論是在性能、尺寸、存儲密度還是價格上，與其他廠商相比都具有一定的優勢。另外，在封裝、管腳定義以及內部結構與工作原理上都是兼容的，因此對于設計人員來說，當系統容量需要擴展時，只需更換更大容量的芯片并對系統做少許改動即可。

以SAMSUNG公司的K9MDG08U5DPIB0芯片為例，其單品容量為16G Byte。其單片讀寫速度可達20MB/s，支持片內并行讀寫方式，通過多通道并行編程可進一步提高讀寫速度。SAMSUNG公司提供的最高級別為工業級，通過篩選和加固可以滿足軍用、航空等高要求應用場合。

K9MDG08U5D芯片單片容量為16G Byte，片內封裝4個4GB？子片。每個子片包含8192個塊（block）統一編址，每個塊包含128頁，每頁約4K Byte（4096+218）。為了滿足片內并行讀寫需求，這8192個塊分為4個PLANE，PLANE間可并行/交叉操作。數據總線為8位，片內地址為33位：A0—A12為頁內地址，A13—A19為塊內頁地址，A20 為PLANE地址，A21—A32為塊地址。

K9MDG08U5D芯片主要操作方式大致分為：寫、讀、擦除、狀態讀取4類。其中常用讀寫操作一般以頁為基本單位，如Page Program，Page Read，對一個塊的頁編程操作要按順序執行。同時也支持隨機讀寫，直接對頁內數據按字節操作，如Random Data Input和Random Data Output。擦除操作Block Erase基本單位為塊。芯片支持片內加速讀寫方式，例如雙面讀寫Two-Plane Read和Two-Plane Page Program，以及交叉讀寫方式Interleaving Page Program 和 Interleaving Page Read，或者交叉雙面讀寫Interleaving Two Plane Page Program。這些靈活的操作方式可以有效的提高芯片讀寫速度。

2 存儲插件設計

存儲插件主要以FPGA+外圍設備+FLASH的硬件架構方式實現，其中FPGA實現了系統中FLASH控制器以及CPU核的搭建。在FPGA中使用NIOS II CPU核作為處理器[5]，配合外設IP核搭建了控制計算機，將負責接收接口插件的控制命令，參與存儲管理，進行分區以及壞塊管理。FLASH控制器負責產生FLASH讀寫控制時序，控制各片FLASH進行并行數據寫入和讀出。運用FPGA內的串口、網絡控制IP核進行傳輸通信控制。此外插件的外圍設備及接口包括：存儲器（擴展內存、固態外存）、FPGA配置、網絡、光電、232/422電路、TTL接口、A/D、D/A、時鐘和電壓轉換等電路。

3 FLASH陣列設計

FLASH陣列擔負系統的主要存儲功能實現，是所有數據最終駐留的地方。為了滿足系統記錄和回放帶寬要求，FLASH芯片應用片內和片間并行讀寫技術。其中片內采用交叉雙面讀寫方式，片內達到4倍常規讀寫速度。FLASH芯片邏輯上排列成橫豎二維的陣列形狀，橫向FLASH芯片采用流水線方式進行讀寫操作，縱向形成多個通道的FLASH組，每個通道獨立并行進行讀寫，以擴展讀寫位寬。對于M乘以N的FLASH陣列，最終可以實現M*N個FLASH芯片并行讀寫的帶寬。每組FLASH芯片共用一個FLASH控制器，組間由FPGA內的控制計算機來進行統籌控制，從而實現所有FLASH芯片的有序數據讀寫。

4 結論

隨著電子技術的進步和軍用電子裝備的發展，數據存儲對存儲密度和讀寫速度的要求越來越高，傳統SATA硬盤的存儲方式難以滿足需求。本文提出了一種基于NAND FLASH陣列的存儲技術，結果表明，本方法可以有效地提高存儲密度高和讀寫速度，可以滿足對體積、重量敏感的高速大容量存儲需求。

【參考文獻】

[1]許正榮，昂志敏.PCI總線主控接口在雷達回波記錄與重演設備中的應用[J].現代電子技術，2004，27（5）：21-23.

[2]汪濤.基于SATA總線技術的雷達I/Q數據記錄重演系統設計[D].南京：南京理工大學，2014.

[3]侯冰劍.固態硬盤的多通道存儲系統設計[D].武漢：華中科技大學，2009.

[4]梁正亮.深空探測應用中的高速數據存儲技術研究[D].西安：西安電子科技大學，2012.

[5]張龍濱.基于NIOS II與IP軟核技術的SOPC系統設計與實現[D].長沙：湖南大學，2011.

[責任編輯：田吉捷]