用NiosII搭建的固態盤設備系統

　　引言

　　隨著電子技術的發展，人們不斷地追求更好的新型存儲設備。目前海量存儲領域中的主流產品非硬盤莫屬，而固態盤則被認為是一種最有可能取代硬盤的全新解決方案。與硬盤相比，其主要的優勢在于能夠達到更高速度、更小體積、更低功耗、更小噪聲、更高可靠性，同時與硬盤一樣使用方便。

　　廣義上講，固態盤設備包括所有使用半導體芯片作為存儲介質的存儲設備，例如使用動態RAM存儲數據的某些特定設備，或是CF/SD/MMC卡等同樣使用閃存存儲數據但使用了其他接口的存儲設備；但狹義上講，固態盤僅指使用NAND型閃存存儲數據，使用ATA/SATA/SCSI等接口，在行為上與硬盤完全一致的存儲器。在下文中，固態盤一詞僅指狹義上的固態盤。本文介紹的是一種使用ATA接口的固態盤的實現方法。

　　1 系統設計

　　系統對外的主要功能是通過ATA接口完成數據的讀/寫，與NAND型閃存芯片間的數據交換是通過緩存來完成的，對閃存芯片的讀/寫操作由系統內部完成。

　　ATA協議中含有專門針對閃存而設計的CFA指令部分，包含了閃存擦寫等指令內容，CF（Compact Flash）卡即使用了該命令集；而普通硬盤使用的ATA接口一般不使用該命令集，操作中只涉及數據的讀/寫操作和一些輔助特性的設置。因此在固態盤設計中不能利用CFA指令將ATA接口直接轉接至閃存接口，必須在系統內部自動處理與閃存相關的操作，即通過系統的內部處理向上隱藏這一操作細節。

　　可以在系統中通過數據緩存來把ATA端操作和閃存端操作分離開來，這樣就可以方便地解決傳輸協議的轉換和管理問題。基于這種設計思路，綜合考慮閃存的管理、與ATA協議的銜接等問題，可以將實現系統時的主要問題歸結為如下兩個方面：

　　① 數據緩存管理，主要面對與主機端數據交換如何發生的問題，包括緩存數據的建立、查詢、維護、失效、銷毀等問題。

　　② 數據存儲管理，主要面對數據在閃存中的物理存儲問題，包括均衡磨損、壞塊映射等問題。

　　由此得到的系統邏輯結構框圖如圖1所示。

圖1 固態盤設備系統邏輯結構框圖

　　在具體的實現中，系統使用獨立的硬件接口完成ATA接口控制和NAND型閃存控制；使用大容量SDRAM芯片作為數據緩存，由Nios處理器負責調度數據流；使用Avalon總線連接所有模塊，提供快速響應的控制連接和高帶寬的數據連接。

　　在Nios上運行的軟件負責所有組件的控制。由于需要確保響應時間，軟件中不使用包括實時操作系統在內的任何嵌入式操作系統，所有軟件直接貼近硬件事件設計，重要事件采用中斷響應，普通事件采用輪詢響應。

　　2 系統硬件設計

　　系統采用SOPC的設計方式，使得硬件系統獲得相當高的靈活度；而將所有控制邏輯集成在一個FPGA內部的設計方法，在增強了系統可靠性的同時，也降低了對外部板級電路的設計要求。系統除FPGA芯片以外，還使用了數據存儲用NAND型閃存芯片、緩存用SDRAM、ATA接口連線以及Nios程序的代碼存儲/運行的相關芯片。

　　2.1 Nios系統簡介

　　一個基于Nios的SOPC系統主要包括Nios處理器、Avalon總線結構和其他通過總線互連的組件模塊。

　　Nios處理器主要分為兩代，即Nios處理器和NiosII處理器。現在廣泛使用的是NiosII處理器，下文均是針對NiosII處理器。最新的Avalon總線標準是一套擁有AvalonMM和AvalonST兩套分支標準的SOPC總線規范。下文中Avalon總線一詞泛指這兩套規范。在Altera提出的SOPC設計概念當中，兩者將分別用于不同的數據應用，因此兩者的基本結構差異很大：AvalonMM接口是一套互聯式總線接口，主要用于多節點的互聯；而AvalonST接口是一種單向點對點的接口，主要用于單向高速數據流的傳輸。在SOPC設計中，可以針對不同需求將二者結合起來使用，以提高設計的工作性能。由于AvalonST接口是最近剛剛提出的，目前廣泛使用的是AvalonMM接口，在一般設計中，完全能夠提供足夠的傳輸帶寬。

　　2.2 硬件平臺結構

　　硬件系統即FPGA內部基于NiosII處理器的SOPC系統，包括ATA控制器、NAND型閃存控制器、DMA控制器、2個SDRAM控制器、CFI接口閃存控制器以及其他輔助組件等，其結構框圖如圖2所示。

圖2 固態盤設備硬件系統結構

　　在該結構中，使用一塊SDRAM作為NiosII處理器的程序運行空間，使用一塊CFI接口的閃存作為NiosII處理器的軟件代碼的存儲空間，其他I/O和其他組件包括了定時器、調試端口以及用于顯示系統狀態的PIO端口等。總線DMA控制器用于完成NAND型閃存與緩存空間之間的數據交換。ATA控制器則負責ATA接口的實現，并根據配置參數利用自帶的DMA控制器直接完成與緩存之間的數據交換。NiosII處理器通過控制總線DMA控制器和ATA控制器來管理整個系統的數據流，實現靈活的管理策略。