基于閃存的星載大容量存儲器的研究和實現

三星閃存芯片在使用過程中會出現無效塊。無效塊是指一個塊中存在一個或多個無效位，其可靠性不能得到保證，必須加以標識和旁路（當然無效塊不會影響到其它塊的有效性）４并進行數據備份。為了對無效塊實現管理，可以建立一張無效塊到冗余區有效塊的映射表。映射表結構如圖２所示。映射原理如下： 開始是一張初始無效塊映射表，這張表可以根據三星公司技術手冊給出的算法建立起來。按照圖示的映射數據結構對整個存儲區進行編號，并根據這個編號對映射表進行排序。進行寫操作時，按照上述的映射結構將寫地址與映射表進行比較，比較到塊級即可。如果是無效塊，將待寫入的數據寫到被映射到的塊；如果不是，則直接寫入該塊。如果在寫某塊的某頁時出現編程錯誤，則將該塊添加進無效塊映射表（當編程出錯時就表明出錯頁對應的塊無效），同時從該出錯頁開始，將該塊后面的頁數據都寫入到對應的映射塊。這樣，在數據讀出時，可將讀地址與映射表比較，并且需要比較到頁級以確定每一頁的確切存放位置。如果該頁編程正確，則直接讀出；如果錯誤，則到被映射的塊的對應頁讀數據，并且該頁之后的頁也從被映射塊中讀數據。根據三星的技術資料，對無效塊進行讀操作是允許的，即對于編程出錯頁前面的那些編程正確的頁是可以正確讀出的，而對無效塊進行編程和擦除的操作是不推薦的，因為有時這些操作會使鄰近的塊也失效４。所以讀操作要查找到每一頁的對應存放位置，而寫操作只要查找到塊就行。查找時采用二分查找算法。擦除完后，將擦除出錯的塊也添加進無效塊映射表。無效塊映射表需要不斷維護和更新。

２ 閃存構成星載大容量存儲器的系統實現方案２．１ 系統的組成

該實現方案將上述關鍵問題的解決方法融合進來，系統由存儲區模塊、接口模塊、數據緩沖模塊及主控模塊四部分組成，系統原理圖如圖３所示。

２．１．１ 存儲區模塊

為了實現并行和流水技術，整個存儲區模塊按如下方式構成：由４片Ｋ９Ｋ１Ｇ０８Ｕ０Ｍ型三星閃存芯片組成一個子模塊，８個子模塊組成８級流水的大模塊，而這個大模塊即是整個存儲區，其總容量為３２Ｇｂｉｔ。無效塊備份的冗余區可以設在每個子模塊內部，即從子模塊的每塊芯片中預留出一部分空間。這種模塊化管理的方式既便于系統擴展，又可以在不影響系統正常工作的情況下旁路已損壞的存儲塊。

２．１．２ 接口模塊

系統與外部的接口有兩個。一是與ＣＰＵ的接口，主要完成系統的初始化、外部命令和地址的輸入以及內部狀態參數的輸出，同時ＣＰＵ 還要對存儲區完成管理：無效塊的管理、地址的譯碼和映射等；二是與外部高速數據源的接口，主要完成外部高速數據的接收和發送。這里選用了１３９４高速總線作為數據源總線。

２．１．３ 數據緩沖模塊

這一模塊包括數據輸入ＦＩＦＯ、數據輸出ＦＩＦＯ和一個作為數據備份的ＳＲＡＭ。由于閃存的寫入速度比較慢，如果沒有數據緩沖區，外部的高速數據很有可能會丟失，而且數據回放時也需要一個緩沖區使內外的數據率匹配。考慮到編程出錯時需要重新加載數據，按照流水線的工作方式，如果不進行數據備份，可能會出現出錯時的數據丟失，因此選用了一個ＳＲＡＭ進行數據備份。當將輸入ＦＩＦＯ的數據寫入ＦＬＡＳＨ時，同時也將數據寫入到ＳＲＡＭ進行備份；當需要重新編程時，再從ＳＲＡＭ中將相應的備份數據重新寫入ＦＬＡＳＨ。

２．１．４ 主控模塊

這一模塊完成整個存儲器系統的內部控制，是核心控制機構，連接著存儲區、數據緩沖以及外部接口三個模塊，完成它們之間的數據、命令、地址、狀態的相互傳遞、轉換和處理。主控模塊又分為三個子模塊，即存儲區控制子模塊、存儲區數據子模塊和１３９４接口控制子模塊，分別由三片ＦＰＧＡ(現場可編程邏輯陣列)完成。