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。