基于FPGA的高速大容量固态存储设备设计

1 引言

高速数据采集系统目前已在雷达、声纳、图像处理、语音识别、通信、瞬态信号测试等领域得到广泛应用。它的关键技术是高速ADC技术、数据存储与传输技术和抗干扰技术。当大量的高速实时数据经过模数转换后，必须高速存储，多通道高采样率的数据采集系统会产生巨大的数据流。这样就需要高速大容量的存储板将数据存储起来，然后再读回计算机进行处理。基于以上原因，本文设计了可以同时存储两通道采样数据的大容量存储板，板中采用了64片Samsung公司的高速大容量存储器K9F2G08UOM，使整块板卡的存储容量达到128Gbit。采用FPGA作为控制器，通过标准的CPCI工控机箱操作存储板，并通过CPCI总线将存储板上的数据高速读回计算机，提高了读取数据的速度。

2 K9F2G08UOM简介

NOR Flash和NAND Flash是目前市场上的两种主要的非易失性闪存技术，本设计的目的是为了高速存储大容量的数据，因此，选择NAND型K9F2G08U0M存储器。它的存储容量是2 Gbit，8位位宽，页大小为2 048×8 bit，每块由64页组成，共有2 048块。每页带有64×8 bit的空闲存储区，共有8 192 K×8 bit的空闲存储区。页编程的典型时间为300μs，最大页编程时间为700μ8。页内连续最小访问时间为30 ns／Byte，即数据写入Flash数据寄存器的速度可达33 MB／s。但是单页数据的典型编程速度为2 048／300μs=6.8 MB／s，最慢的编程速度为2 048／700μs=2.9 MB／s。块擦除的典型时间为2 ms。K9F2G08U0M具有硬件数据保护功能，即在电源上电、掉电期间关闭编程／擦除操作。K9F2G08U0M内部写控制器使得所有的编程和擦除操作自动进行，片内包含一个页(2 048+64字节)的数据寄存器，读写过程中始终是将存储单元数据或外部数据先缓存到数据寄存器，然后再读出数据或写入存储单元。因此，它是基于页读写，基于块擦除的。当然，它也支持随机读写。但本设计目的是高速存储数据，因此对它的读写操作完全是基于页的。K9F2G08U0M的主要引脚有CLE(命令锁存允许)、ALE(地址锁存允许)、CE(片选)、WE(写允许)、RE(读允许)、WP(写保护)、R／B(准备好／忙)、PRE(上电读使能)、I／O0～I／O7(输入，输出)。其中I／O0～I／O7既可作为数据输入输出引脚，又可作为命令地址的输入引脚，命令、地址、数据分时复用，根据不同的命令区分地址和数据。一般的操作流程为：

1) 写入命令，通知器件所要完成的操作(读、写、擦除等)；

2) 写入地址，即写入要读写数据的起始地址，包括列地址和页地址；

3) 如果是读或者擦除，写入一个确认命令。如果是写操作，输人待编程的数据，完成后输入编程确认命令。

因为K9F2G08U0M共有128 K页，每页的大小为(2 048+64)×8 bit，所以在写入地址时列地址需要12根地址线，页地址需要17根地址线。这样就需要5个时钟周期来写入地址。前两个时钟写入列地址，后三个时钟写人页地址。

3 系统设计

3.1 总体硬件设计

外部数据采集系统是2个40 MHz采样的16位A／D通道，所以设计时分成两个通道独立设计。虽然K9F2G08U0M的数据寄存器写入速度可达33MB／s，但在FPGA设计时，为了在时序上更加可靠，选择使用25 MHz的时钟设计，则K9F2G08U0M的写入速度为50 MB／s(把两个K9F2G08U0M并成16bit，写入速度即为25 M×l6 b／s)。这样，在FPGA内部开辟3个页大小的双口RAM作为缓存区就能满足40 M×16 b／s的写入速度，即在写第2、3个RAM的时间(25 ns×2 048×2=102.4μs)内，启动第1个RAM把数据写入Flash的数据寄存器，所需时间为40 ns×2 048=81.92μs，小于102.4μs。

在读回数据时，如以20 MHz读取Flash，以40MHz读出缓冲区中的数据，3个双口RAM就能刚好满足要求，如图1。读取K9F2G08U0M一页数据能达到33 MHz的速度，为了让读写Flash使用同一时钟，读Flash也采用25 MHz的速度。同时为了增加系统设计的冗余，采用4页的双口RAM作为缓冲区。所以每片FPGA内部至少需要4×2 048×16 bit=131 072 bit的存储空间。

由于数据在写入Flash后还有较长的编程时间，一页的编程时间典型值为300μs，最大值为700μs。数据在存储上不能有任何的停顿，否则就会丢失数据，所以不能使用R／B信号进行设计。为了系统更加可靠，选择最大编程时间700μs。两次对同一组Flash进行写操作的时间间隔为700μs+81.92μs=781.92μs，一页的数据写到双口RAM要用25ns×2 048=51.2μs。总时间除以写一页数据的时间：781.92／51.2=15.3μs，说明一个循环内至少需要16组Flash才能满足要求。所以在设计中，对于每路A／D采样通道都用一片FPGA作为缓冲和控制系统，在每片FPGA内部都采用4个缓冲区，每个缓冲区对应一条外部总线，每条总线上挂有4组K9F2G08U0M×2(将两片Flash并成16位操作，即把I／O并成16位，共用控制信号线)。系统整体框图如图2所示。

图2中2个外部接口连接2个A／D通道，采用两片FPGA作为控制和缓冲区，每片控制16组Flash。存储板通过PCI9054与CPCI总线相连，通过CPCI总线可以将存储板数据高速读回计算机。

3.2 系统设计思想

为了解决高速的数据采集和低速的Flash访问速度之间的矛盾，采取将数据流串并转换，复制多个操作模块并行处理的设计方法。通过利用FPGA内部的存储区实现4个双口RAM作为缓冲区。每条外部Flash总线用一个双口RAM，采集到的数据分时加载到4个RAM中，然后再写入Flash。写入Flash的操作以流水方式进行，具体方式如图3所示。首先，外部A／D采样通道写数据到RAM1。当RAM1写满时，加载数据到第一组Flash数据寄存器，加载完成后第一组Flash进入自动编程阶段；当RAM2写满时，第2组Flash加载开始，数据加载完成后，进入自动编程阶段。依次加载RAM3，当RAM4写满，第4组Flash开始加载后，FPGA内部控制重新写RAM1，开始对第5组Flash操作，然后依此循环方式对第6～16组Flash进行操作；当第16组数据加载完成后，第1组Flash已经编程结束，接着从第1组Flash开始加载和编程。可看出向16组Flash写入数据是并行的，通过并行写操作，可存储高速采集的数据。

FPGA内部设计大体可划分为PCI9054操控部分和数据录放部分。PCI9054操控部分一方面跟PCI9054接口，一方面要完成对Flash的操作。数据录放部分主要完成外部数据写入、读出以及擦除、建立无产块信息列表等功能。由于对4组Flash的操作都是一样的，所以数据录放部分可以分为数据流控制部分和Flash操控部分。数据流控制部分控制数据写入或读取哪组Flash；Flash操控部分用于对Flash的具体操作。图4为数据录放部分FPGA功能结构。为了节省内部存储单元的数量，写入和读取数据要使用同样的缓存区。

3.3 无效块的建立和操作

当一个块中有一位或更多位不能正确操作时，就定义此块为无效块。无效块并不影响其他块的正常工作，各个块之间是相互独立的。所选的K9F2G08U0M在出厂时可能存在无效块，在使用中也可能产生新的无效块，但是器件的第一个块一定不是无效块。NAND Flash在出厂时就标记本身的无效块，每个块的第一页或第二页的空闲区的第一个数据不是FFh，则表示此块为无效块。为了保证Flash的正确操作，必须在操作之前建立无效块信息表。在每片FPGA中设计了4个2 048×1 bit的RAM用于存储无效块的信息。RAM的每一个存储单元存储相应总线上的4组Flash的无效块信息。其中某一块的无效块信息是4组Flash的无效块信息相“与”后的结果(1表示正常，0表示无效块)。在对Flash进行读、写或擦除操作之前，应先从RAM中读取无效块信息，然后根据无效块信息决定是否对当前块操作。

3.4 读写Flash操作

对Flash的读写操作都是基于页的，读写操作的时序分别如图5和图6所示。计算机通过CPCI总线发送出读或写命令后，FPGA内部根据接收到的命令执行相应操作。写Flash时，外部采集的数据输入RAM1，RAM1满后，开始向RAM2写入数据，同时选通第一条总线上第一组Flash的写模块，在写模块中通过计数器产生ALE、CLE、WE、RE等控制写Flash的相应时序，将数据从RAM中编程到Flash内存，并令页地址加1，依次循环(循环流程见图3)。当总线上的第4组Flash的页地址为64时，块地址加1，并读取无效块信息，如果为无效块，则屏蔽此块，重新读取下一块信息，直至读取到正常块为止。如果是正常块，则向此块中写入数据，同时将页地址清零。读操作与写操作类似，只不过是将Flash中的数据读出先送到RAM，然后依循环次序读取RAM即可。

3.5 PCI9054操控部分的设计

通过编写PCI9054专用的驱动和应用软件，实现由计算机通过CPCI总线操控存储板卡。在应用软件中，对Flash读写或者擦除等命令自定义为对CPCI总线发送特定的数据。而在FPGA内部根据PCI9054发送的局部端数据线上的特定数据判断是何种操作，并执行相应操作。FPGA和PCI9054通信的主要信号线有LHOLD、LHOLDA、READY、ADS、ADDR、DATA，利用这些信号线可以实现PCI9054局部端和FPGA握手。将数据写到计算机中。在PCI9054专用的驱动和应用软件中，利用DMA方式读取Flash，读取速度可提高至1.3 MHz×16 bit。

4 结束语

本设计采用流水、并行处理技术，利用FPGA内部嵌入的存储块设计一组高速数据缓冲区，使得多个慢速的存储器件并行工作，令系统内外部数据的速率匹配，避免了外置高速缓存，简化了硬件电路，且极大地提高了存储数据的速率。大容量高密度闪存器件可使单片存储板容量高达128 Gbit。在FP-GA内部设计中，建立Flash无效块信息列表，并在此基础上对Flash进行读、写、擦除及重建无效块信息等操作。使系统具有集成度高、灵活性好、可移植性强、速度快等特点。通过CPCI总线采取DMA方式读取，极大地提高了读取速度。当接收到的数据带宽很大，速度很高时，可将存储板并联起来，多个存储板级联可满足更大的存储容量需求，也可将级联并联二者结合起来以满足不同系统的要求。整个系统基于CPCI工控机箱，更适合于野外的工作环境，并能及时保存、分析数据。