基于闪存的星载大容量存储器的研究和实现
时间：01-09
来源：21IC
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摘要：就闪存应用于星载大容量存储器时的写入速度慢、存在无效块等关键问题探讨了可行性解决方案，并在方案讨论的基础上论述了一个基于闪存的大容量存储器的演示样机的实现。
无效块空间飞行器的数据记录设备是卫星上的关键设备之一。自２０世纪９０年代初起，各航天大国开始研制固态记录器（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｒｅｃｏｒｄｅｒ，简称ＳＳＲ）。由于ＳＳＲ使用半导体存储芯片作为存储介质，所以其存储密度高、无转动部件、可靠性高、体积小、重量轻，因而逐渐成为空间飞行器的数据记录器的主流方案。闪速存储器（简称闪存）作为一种新兴的半导体存储器件，以其独有的特点得到了迅猛的发展，其主要特点有：（１）具有非易失性，掉电时数据不丢失，可靠性高；（２）功耗小，不加电的情况下可长期保持数据信息；（３）寿命长，可以在在线工作情况下进行写入和擦除，标准擦写次数可达十万次；（４）密度大、成本低，存储单元由一个晶体管构成，具有很高的容量密度，且价格也在不断降低；（５）适应恶劣的空间环境，具有抗震动、抗冲击、温度适应范围宽等特点。由于闪存的这些特点，使它受到了航天领域研究人员的关注。２０世纪９０年代中期，Ｆｉｒｅｃｈｉｌｄ公司就曾为Ｆ－１６侦察星成功设计了ＳＳＲ２，使用的主要存储芯片就是闪存；国内的ＦＹ－２卫星也曾采用闪存作为该星的固态存储器的存储介质。虽然有这些成功的应用案例，但是闪存也存在一些明显的缺点，如写入速度较慢、使用过程中会出现无效块等。本文将探讨如何解决和突破这些缺点，并依此给出一个具体的系统实现方案。
１ 闪存构成星载大容量存储器的关键问题
１．１ 写入速度问题
目前闪存有多种技术架构，其中以ＮＯＲ技术和ＮＡＮＤ技术为主流技术３。ＮＯＲ型闪存是随机存取的设备，适用于代码存储；ＮＡＮＤ型闪存是线性存取的设备，适用于大容量数据存储４。ＮＡＮＤ型闪存有一定的工业标准，具有一些统一的特点，现以三星公司的Ｋ９Ｋ１Ｇ０８Ｕ０Ｍ型芯片为例进行介绍。该芯片容量为１Ｇｂｉｔ，由８１９２个块组成，每块又由３２个页组成，一页有（５１２＋１６）×８ｂｉｔ，该片的８位Ｉ／Ｏ总线是命令、地址、数据复用的。读写操作均以页为单位，擦除操作则以块为单位，写入每页的典型时间为２００μｓ４，平均每写一个字节约需４００ｎｓ，即约２０Ｍｂ／ｓ。这样的写入（编程）速度对于要求高速的应用场合来讲是难以满足的，因此必须采取一定的技术措施。
１．１．１ 并行总线技术
并行总线技术亦称宽带总线技术，即通过拓宽数据总线的带宽实现数据宏观上的并行操作。比如，由四片Ｋ９Ｋ１Ｇ０８Ｕ０Ｍ型闪存芯片组成一个３２位宽的闪存子模块，它们共用相同的控制信号，包括片选信号、读写信号、芯片内部地址等。子模块总是被看做一个整体而进行相同的操作，只是数据加载的时候是不同的数据。这样，数据量将是使用单独一块芯片时的４倍，所以理论上速度也将是非并行时的４倍。
１．１．２ 流水线技术
借鉴现今高性能计算机中的流水线操作原理，可在时间片上实现微观并行。针对闪存的写入速度慢的问题，可以对其进行流水处理。Ｋ９Ｋ１Ｇ０８Ｕ０Ｍ型闪存的写入操作可分为三个步骤：（１）加载操作，即完成命令、地址和数据的载入工作；（２）自动编程操作，即由闪存芯片自动完成编程操作，将载入到页寄存器的数据写到内部存储单元的；（３）检测操作，即在自动编程结束后检测写入的数据是否正确。如果不正确，需要重新编程；如果正确，继续下一步的操作。写流水原理图如图１所示。由图１可以看到，流水线运行起来后，在任一时间片上总有若干小操作在同时进行，即在时间片上实现了复用，因此从整体上看速度将会提高。
１．２ 无效块的管理
三星闪存芯片在使用过程中会出现无效块。无效块是指一个块中存在一个或多个无效位，其可靠性不能得到保证，必须加以标识和旁路（当然无效块不会影响到其它块的有效性）４并进行数据备份。为了对无效块实现管理，可以建立一张无效块到冗余区有效块的映射表。映射表结构如图２所示。映射原理如下： 开始是一张初始无效块映射表，这张表可以根据三星公司技术手册给出的算法建立起来。按照图示的映射数据结构对整个存储区进行编号，并根据这个编号对映射表进行排序。进行写操作时，按照上述的映射结构将写地址与映射表进行比较，比较到块级即可。如果是无效块，将待写入的数据写到被映射到的块；如果不是，则直接写入该块。如果在写某块的某页时出现编程错误，则将该块添加进无效块映射表（当编程出错时就表明出错页对应的块无效），同时从该出错页开始，将该块后面的页数据都写入到对应的映射块。这样，在数据读出时，可将读地址与映射表比较，并且需要比较到页级以确定每一页的确切存放位置。如果该页编程正确，则直接读出；如果错误，则到被映射的块的对应页读数据，并且该页之后的页也从被映射块中读数据。根据三星的技术资料，对无效块进行读操作是允许的，即对于编程出错页前面的那些编程正确的页是可以正确读出的，而对无效块进行编程和擦除的操作是不推荐的，因为有时这些操作会使邻近的块也失效４。所以读操作要查找到每一页的对应存放位置，而写操作只要查找到块就行。查找时采用二分查找算法。擦除完后，将擦除出错的块也添加进无效块映射表。无效块映射表需要不断维护和更新。
无效块空间飞行器的数据记录设备是卫星上的关键设备之一。自２０世纪９０年代初起，各航天大国开始研制固态记录器（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｒｅｃｏｒｄｅｒ，简称ＳＳＲ）。由于ＳＳＲ使用半导体存储芯片作为存储介质，所以其存储密度高、无转动部件、可靠性高、体积小、重量轻，因而逐渐成为空间飞行器的数据记录器的主流方案。闪速存储器（简称闪存）作为一种新兴的半导体存储器件，以其独有的特点得到了迅猛的发展，其主要特点有：（１）具有非易失性，掉电时数据不丢失，可靠性高；（２）功耗小，不加电的情况下可长期保持数据信息；（３）寿命长，可以在在线工作情况下进行写入和擦除，标准擦写次数可达十万次；（４）密度大、成本低，存储单元由一个晶体管构成，具有很高的容量密度，且价格也在不断降低；（５）适应恶劣的空间环境，具有抗震动、抗冲击、温度适应范围宽等特点。由于闪存的这些特点，使它受到了航天领域研究人员的关注。２０世纪９０年代中期，Ｆｉｒｅｃｈｉｌｄ公司就曾为Ｆ－１６侦察星成功设计了ＳＳＲ２，使用的主要存储芯片就是闪存；国内的ＦＹ－２卫星也曾采用闪存作为该星的固态存储器的存储介质。虽然有这些成功的应用案例，但是闪存也存在一些明显的缺点，如写入速度较慢、使用过程中会出现无效块等。本文将探讨如何解决和突破这些缺点，并依此给出一个具体的系统实现方案。
１ 闪存构成星载大容量存储器的关键问题
１．１ 写入速度问题
目前闪存有多种技术架构，其中以ＮＯＲ技术和ＮＡＮＤ技术为主流技术３。ＮＯＲ型闪存是随机存取的设备，适用于代码存储；ＮＡＮＤ型闪存是线性存取的设备，适用于大容量数据存储４。ＮＡＮＤ型闪存有一定的工业标准，具有一些统一的特点，现以三星公司的Ｋ９Ｋ１Ｇ０８Ｕ０Ｍ型芯片为例进行介绍。该芯片容量为１Ｇｂｉｔ，由８１９２个块组成，每块又由３２个页组成，一页有（５１２＋１６）×８ｂｉｔ，该片的８位Ｉ／Ｏ总线是命令、地址、数据复用的。读写操作均以页为单位，擦除操作则以块为单位，写入每页的典型时间为２００μｓ４，平均每写一个字节约需４００ｎｓ，即约２０Ｍｂ／ｓ。这样的写入（编程）速度对于要求高速的应用场合来讲是难以满足的，因此必须采取一定的技术措施。
１．１．１ 并行总线技术
并行总线技术亦称宽带总线技术，即通过拓宽数据总线的带宽实现数据宏观上的并行操作。比如，由四片Ｋ９Ｋ１Ｇ０８Ｕ０Ｍ型闪存芯片组成一个３２位宽的闪存子模块，它们共用相同的控制信号，包括片选信号、读写信号、芯片内部地址等。子模块总是被看做一个整体而进行相同的操作，只是数据加载的时候是不同的数据。这样，数据量将是使用单独一块芯片时的４倍，所以理论上速度也将是非并行时的４倍。
１．１．２ 流水线技术
借鉴现今高性能计算机中的流水线操作原理，可在时间片上实现微观并行。针对闪存的写入速度慢的问题，可以对其进行流水处理。Ｋ９Ｋ１Ｇ０８Ｕ０Ｍ型闪存的写入操作可分为三个步骤：（１）加载操作，即完成命令、地址和数据的载入工作；（２）自动编程操作，即由闪存芯片自动完成编程操作，将载入到页寄存器的数据写到内部存储单元的；（３）检测操作，即在自动编程结束后检测写入的数据是否正确。如果不正确，需要重新编程；如果正确，继续下一步的操作。写流水原理图如图１所示。由图１可以看到，流水线运行起来后，在任一时间片上总有若干小操作在同时进行，即在时间片上实现了复用，因此从整体上看速度将会提高。
１．２ 无效块的管理
三星闪存芯片在使用过程中会出现无效块。无效块是指一个块中存在一个或多个无效位，其可靠性不能得到保证，必须加以标识和旁路（当然无效块不会影响到其它块的有效性）４并进行数据备份。为了对无效块实现管理，可以建立一张无效块到冗余区有效块的映射表。映射表结构如图２所示。映射原理如下： 开始是一张初始无效块映射表，这张表可以根据三星公司技术手册给出的算法建立起来。按照图示的映射数据结构对整个存储区进行编号，并根据这个编号对映射表进行排序。进行写操作时，按照上述的映射结构将写地址与映射表进行比较，比较到块级即可。如果是无效块，将待写入的数据写到被映射到的块；如果不是，则直接写入该块。如果在写某块的某页时出现编程错误，则将该块添加进无效块映射表（当编程出错时就表明出错页对应的块无效），同时从该出错页开始，将该块后面的页数据都写入到对应的映射块。这样，在数据读出时，可将读地址与映射表比较，并且需要比较到页级以确定每一页的确切存放位置。如果该页编程正确，则直接读出；如果错误，则到被映射的块的对应页读数据，并且该页之后的页也从被映射块中读数据。根据三星的技术资料，对无效块进行读操作是允许的，即对于编程出错页前面的那些编程正确的页是可以正确读出的，而对无效块进行编程和擦除的操作是不推荐的，因为有时这些操作会使邻近的块也失效４。所以读操作要查找到每一页的对应存放位置，而写操作只要查找到块就行。查找时采用二分查找算法。擦除完后，将擦除出错的块也添加进无效块映射表。无效块映射表需要不断维护和更新。
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