（微电子学与固体电子学专业论文）基于sata接口的固态硬盘控制器设计.pdf

摹于s a t a 接口的同态硬盘拧制器设计 摘要 随着计算机通讯的发展，存储产品广泛地应用于越来越多的领域，而传统的 机械硬盘存在抗震性能低、功耗高和速度提升难度大等缺点，因此无法适应某些 特殊的工作环境。固态硬盘是以半导体材料作为存储介质，无机械装置，具有抗 震、宽温、无噪、可靠和节能等特点，是目前在数据存储领域所存在问题的解决 的有效方案之一。本文针对这一问题，设计了基于s a t a 接口的固态硬盘控制器， 实现数据的固态存储。 本文首先概述硬盘技术的发展，分析固态硬盘的技术现状和发展趋势，阐述 课题研究意义，并介绍了本文研究的主要内容及所做的工作。在设计系统硬件时， 研究了s a t a 接口协议和n a n df l a s h 芯片特性。采用s o p c 架构完成了整体 设计，由单片f p g a 完成所有功能。移植m i c r o b l a z e 嵌入式处理器软核作为主控 制器，利用v e r i l o gh d l 语言描述i p 核形式设计s a t a 控制器核和n a n df l a s h 控制器核。s a t a 控制器核作为高速串行传输接口，实现s a t a l 0 协议。根据协 议划分四层模型，通过状态机和逻辑电路实现协议功能。n a n df l a s h 控制器核 管理n a n df l a s h 芯片阵列，将n a n df l a s h 接口转换成通用的s r a m 接口， 提高访问效率。控制器完成n a n df l a s h 存储操作和纠错算法，实现数据的存 储和读取。而在软件系统设计中，用c 语言描述了各个操作流程，根据s a t a 协议 处理s a t a 接口上的命令和数据，并根据n a n df l a s h 的特点给出了应用于n a n d 闪存的数据管理算法，通过二级地址映射，按块中的脏页数回收脏块和按时间标 记转移静态信息实现坏块管理，均匀损耗。该设计能为硬盘控制器提供底层的 n a n d 闪存存储系统，使其能方便快速地存储数据而不需要考虑n a n d 闪存的物 理特性。最后完成固态硬盘控制器的模块测试和整体测试，介绍测试工具和测试 方法，给出测试结果，并对结果进行分析得出了验证结论。 本文设计的固态硬盘控制器，具有结构简单和稳定性高的特点，易于升级和 二次开发，是实现固态硬盘和固态存储系统的关键技术。 关键词：f p g a ；s o p c ；固态硬盘控制器；s a t a 协议；地址映射；坏块管理； 均衡损耗 i i 硕l 学位论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rc o m m u n i c a t i o n ，s t o r g e sa r eu s e di nm o r ea n d m o r ef i e l d s ，b u tt h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lh a r dd i s k ，s h o w sd i s a d v a n t a g e so fl o w a n t i s e i s mc a p a b i l i t y ，h i g hp o w e rc o n s u m p t i o na n dh a r dl i f t i n gs p e e de t c s o l i ds t a t e h a r dd i s k ，an e wg e n e r a t i o no fh a r dd i s kw i t ht h es e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g yw h i c hi s t h es o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo fd a t as t o r a g e ，h a sal o to ff e a t u r e ss u c ha s h i g h e a r t h q u a k er e s i s t a n c e ，w i d et e m p e r a t u r er a n g e ，r e l i a b l ea n dt h ee n e r g yc o n s e r v a t i o n i nr e s p o n s et ot h i sp r o b l e m ，t h i sp a p e ri sd i s c u s s i n ga b o u tt h ed e s i g no fs o l i ds t a t e d i s kc o n t r o l l e rw i t hs a t ai n t e r f a c e t h i sp a p e ri l l u m i n a t e st h ed e v e l o p m e n to fh a r dd i s kt e c h n o l o g yf i r s t l y ，a n a l y z e s t h ep r e s e n tt e c h n i q u es t a t u so fs o l i ds t a t ed r i v ea sw e l la si t sd e v e l o p i n gt r e n dw h i c h i n d i c a t et h em e a n i n go ft h es t u d y t h e ni ts e tab r i e fi n t r o d u c t i o nt om a i nc o n t e n tf o r t h i sp a p e r i nt h eh a r d w a r ed e s i g no fs y s t e m ，s t u d i e st h es a t ap r o t o c o la n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fn a n df l a s hc h i p ，p r e s e n tag e n e r a lb l u e p r i n tf o rt h es y s t e m d e s i g nb a s e do ns o p c a l lf u n c t i o n sa r ec o m p l e t e db yas i n g l ef p g a t h ed e s i g ns e t m i c r o b l a z ee m b e d d e dp r o c e s s o rs o f t c o r ea st h em a i nc o n t r o l l e r n e x t ，d e s i g n so f s a t ac o n t r o l l e ri pc o r ea n dn a n df l a s hc o n t r o l l e ri pc o r ew i t hv e r i l o gh d l l a n g u a g e t h es a t ac o n t r o l l e ra c c o r dt os a t a l 0p r o c o t o la sah i g h s p e e ds e r i a l t r a n s f e ri n t e r f a c ew h i c hi sd i v i d e di n t of o u rm o d e l s n a n df l a s hc o n t r o l l e r m a n a g e sn a n df l a s hc h i pa r r a y s ，a n dc o n v e r t e dn a n df l a s hi n t e r f a c ei n t o c o m m o ns r a mi n t e r f a c e ，s oa st oi m p r o v ea c c e s s e f f i c i e n c y n a n df l a s h c o n t r o l l e rc o m p l e t e ss t o r a g eo p e r a t i o n sa n de r r o rc o r r e c t i o na l g o r i t h m s ，a c h i e v e st h e d a t as t o r a g ea n dd a t ar e a d i n g i nt h es o f t w a r ed e s i g no fs y s t e m ，e v e r yf l o wa r e d e s c r i b e dw i t hc l a n g u a g e ，d e a lw i t ht h ec o m m a n da n dd a t aa c c o r d i n gt ot h ep r o t o c o l o fs a t a ，a n dd e s i g nm a n a g e m e n to fn a n df l a s ha c c o r d i n gt ot h ep h y s i c sp r o p e r t i e s o fn a n df l a s h ，a c h i e v i n gt h ep u r p o s eo fb a db l o c km a n a g e m e n ta n dw e a rl e v e l i n g b yt w os t e p so fa d d r e s sm a p ，r e c y c l i n gd i r t yb l o c ka c c o r d i n gt ot h en u m b e ro fd i r t y p a g ea n dt r a n s f e rt h es t a t i ci n f o r m a t i o na c c o r d i n gt ot h et i m em a r k t h i sd e s i g nc o u l d p r o v i d et h eh a r dd i s kc o n t r o l l e rw i t hn a n d f l a s hs t o r a g es y s t e m ，a n dc o u l ds t o r a g e d a t ae a s i l ya n dq u i c k l yw i t h o u tr e g a r dt ot h ep h y s i c a lc h a r a c t e ro fn a n d a tt h ee n d o ft h i sp a p e r ，t h em o d u l ea n ds y s t e ma r et e s t e da n dt ov e r i f y ，t h e ni n t r o d u c et h et e s t m e t h o da n dt e s ti n s t r u m e n t ，f i n a l l yg e t st h ee x p e r i m e n t a la c h i e v e m e n t sa n dr e a c h e s t h ec o n c l u s i o nt h r o u g ha n a l y z i n g i i i 基于s a t a 接口的同态硬盘控制器设计 t h ed e s i g no fs o l i ds t a t ed r i v ec o n t r o l l e ri nt h i sp a p e r ，w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c s o fs i m p l ea r c h i t e c t u r e ，g o o dr e l i a b i l i t y ，e a s yt ou p g r a d ea n dt h er e - d e v e l o p m e n t ，i st h e k e yt e c h n o l o g yt or e a l i z es o l i ds t a t ed r i v ea n ds o l i ds t a t es t o r a g es y s t e m k e yw o r d s ：f p g a ；s o p c ；s o l i ds t a t ed i s kc o n t r o l l e r ；s a t ap r o t o c o l ；t w os t e p so f a d d r e s sm a p ；b a db l o c km a n a g e m e n t ；w e a rl e v e l i n g i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 、 作者签名：平厶 隰川年舌月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：掂书匀日期：伽弘石月弓日 新签名：漫教眺刊年么月弓日 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1n a n df l a s h 技术介绍 闪存技术起源于日本，随而产生的巨大市场前景立即吸引美国的一些传统芯 片生产商纷纷投入到该领域，如美国的i n t e l 公司和a m d 公司等。美国的芯片开 发商由于过去在c p u 设计和生产领域有先进的技术积累，它们研发出来的闪存产 品很快就占据了相当大的市场份额。不同的应用领域对闪存有不同的需求。例如： 数码相机追求大容量的存储器，以便保存数量巨大的数据；而手机等通信设备则 更渴望高速的数据读写速度，从而在无线上网和手机游戏中能吸引更多的用户。 为了满足不同应用领域的特定需求，闪存产品和标准目前正在呈多样性发展，产 生了多个与之相关术语，如：s m ( s m a r tm e d i a ) 卡、c f ( c o m p a c tf l a s h ) 卡， m m c ( m u l t im e d i ac a r d ) 卡、s d ( s e c u r ed i g i t a l ) 卡和记忆棒( m e m o r ys t i c k ) 等。闪 存内部构架和实现技术可以分为a n d 、n a n d 、n o r 和d i n o r 等几种，但目前以 n a n d 和n o r 为主流。n o r 技术是由i n t e l 公司1 9 8 8 年首先推出，n a n d 技术是由 东芝公司1 9 8 9 年发明。n a n d 技术在设计之初是为了数据存储应用，n o r 技术则 是为了满足程序代码的高速访问，并且支持程序在芯片内部运行，目前关于这两 种技术的发展前景很多，但客观来看，二者各有优势和不足，n o r 工作电压低， 随机读取快，功耗低，稳定性高；而n a n d 则会速度快，芯片面积小，容量大。 n a n d 以页为基本存贮单元，一页一般为5 1 2 至4 0 9 6 个字节，并且每一页都有剩余 空间，如页大小为2 0 4 8 字节的闪存剩余空间大小为6 4 字节，多个页面组成块。闪 存的容量大小不同，其内部的块、页大小也可能有不同的组合。例如：三星公司 的k 9 k a g 0 8 u o m ：总容量为2 g b y t e s ，由1 6 3 8 4 块存储大单元组成，而每一块存储 大单元由6 4 页存储小单元组成。n a n d 存储器由多个块串行排列组成。实际上， n a n df l a s h 可认为是顺序读取的设备，它仅用8 位的i o 端口就可以存取按页为单 位的数据。n a n d 在读和擦写文件、特别是连续的大文件时，速度相当快，但随 机存取速度则比较慢，因为它不能按字节写。这8 位端口不仅承担着数据总线的功 能，还承担着地址及指令总线的功能。n a n d 型存储器的价格如今已经比较便宜， 且仍呈下降趋势。n a n df l a s h 设备易有坏块，为了补偿可能存在的坏块，通常在 设计、生产时在规定的存储容量外另附加约2 大小的额外存储空间。n a n df l a s h 用个控制器管理坏块，当出现坏块控制器将数据转移到预定空闲存储区间。 n a n df l a s h 的最大优点在于编程( 写) 和擦除操作的速率快，n a n d 的缺点 基于s a t a 接l j 的同态硬盘拧制器设计 是随机存取的速率慢，因此n a n df l a s h 较适合存储连续的大容量数据，如图片、 音频或个人电脑数据。n a n df l a s h 仅需2 4 个引脚。n a n df l a s h 器件能够复用 指令、地址和数据总线，从而节省了引脚数量。复用接口的一项好处，就在于能 够利用同样的硬件设计和电路板，支持较大的n a n d 器件。由于普通的t s o p 1 封装已经沿用多年，该功能让客户能够把较高密度的n a n d 器件移植到相同的电 路板上。n a n d 器件的另外一个好处显然是其封装选项：n a n d 提供一种厚膜的 2 g b 裸片或能够支持最多四颗堆叠裸片，容许在相同的t s o p 1 封装中堆叠一个 8 g b 的器件。采用f l a s h 介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩 展m t b f ( 平均故障间隔时间) 的系统来说，f l a s h 是非常合适的存储方案。在设 计以n a n df l a s h 为存储介质的存储系统中，可以从寿命( 耐用性) 、位交换和坏块 处理三个方面来考虑。 在n a n d 采用非易失性与非门结构，闪存中每个块的最大擦写次数是一百万 次，因此在使用n a n d 闪存时必须考虑到闪存的寿命问题，避免频繁地擦写某些 块，从而导致某些块在短时间内无法存储信息，变成坏块，因而有必要对n a n d f l a s h 的存储进行管理，保证每个块使用次数的均衡，从而实现最大空间和最长使 用时间。 所有f l a s h 器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下，一个比特位会发生 反转或报告反转。一位的变化可能不很明显，但是如果发生在一个关键文件上， 这个小小的故障可能导致系统死机。如果只是报告有问题，多读几次就可能解决 了。当然，如果这个位真的改变了，就必须采用错误探n 错误更正( e d c e c c ) 算 法。位反转的问题更多见于n a n df l a s h ，n a n df l a s h 的供应商建议使用n a n d f l a s h 的时候，同时使用e d c e c c 校验算法。这个问题对于用n a n df l a s h 存储 多媒体信息时倒不是致命的。当然，如果用本地存储设备来存储操作系统、配置 文件或其他敏感信息时，必须使用e d c e c c 系统以确保可靠性。 n a n df l a s h 中几乎都存在坏块，坏块的位置和数量是随机分布的。以前也曾 有过消除坏块的努力，但发现成品率太低，代价太高，根本不划算。n a n df l a s h 需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。在己制成的器 件中，如果通过可靠的方法不能进行这项处理，将导致高故障率。n a n df l a s h 要复杂得多，各种n a n df l a s h 器件的存取方法因厂家而异。在使用n a n df l a s h 器件时，必须先写入驱动程序或使用n a n df l a s h 控制器，否则操作n a n df l a s h 将是一项非常繁琐的事。 移动电话、数码相机、掌上电脑，m p 3 ，m p 4 ，笔记本电脑，车载播放器等已 成为目前最广泛的闪存技术应用领域。闪存的数据访问速度基本能满足应用需求， 而用户对容量的需求以及存储的速度的需求永无止境，以手机为例，过去我们对 容量的需求仅仅是嵌入式系统的自身代码、数据存储的需求；后来逐步过渡到存 硕i j 学位论文 储电话号码、短信息、手机游戏程序等；如今的不少手机具有拍照功能，因此它 应具备存储图像的能力。随着时间的推进，用户对图像的质量、数量要求将越来 越高，相应的手机内闪存容量一定得增大。相反手机的体积还在不断变小，直接 增加闪存芯片得数量显然不是解决方法，而应采用信息存储密度更大的闪存。 目前，s a n d i s k 和t o s h i b a 已发展至t j 4 3 n m $ i j 程，最新的4 3 n m s u 程产品基于4 位单 元技术，并将于2 0 0 9 年秋季推出3 2 n mn a n df l a s h 芯片。i n t e l 和m i c r o n 公司己推出 3 4 n m 的n a n d 产品，而市场的领先者s a m s u n g 公司则一直提供4 2 n m 的器件，并将于 2 0 0 9 年内推出3 0 n m 的n a n d 产品，单片容量达到6 4 gb i t ，单片的读速度可达 2 0 0 b p s ，写速度可达1 0 0 b p s 。因此存储设备开发商都认为：n a n df l a s h 将在未来 几年中成为刺激存储市场的一个主要因素。特别是移动通信正处在向3 g 网络过 渡，新网络的建设将带来巨大的新手机需求，从而需要更多的闪存产品。用户存 储拍摄到图象或者使用手机上网时，更多地考虑到存储的速度和存储容量，网络 接入带宽越来越高，用户上网或者拍照的频率将越来越高，这些操作都将提高闪 存的写操作次数。由此可见，n a n d 类型的闪存适合将越来越多地应用到存储事 业的各个领域。 1 1 2 固态硬盘简介 随着电脑技术的发展，人们对电脑的数据处理速度的要求越来越高，机械硬 盘则成了制约电脑性能的一个重要因素【1 】，它需要寻道时间，同时因为它的防震 性差以及工作时的噪声等原因往往无法适应特定的环境，因此寻找新的存储介质 成为解决当前问题的出路。在众多的存储介质中，n a n df l a s h 以其优越的性能成 为硬盘存储介质的首选。以n a n df l a s h 为存储介质的固态硬盘与传统硬盘不一样 的是，它不需要精密伺服系统来实现诸如寻道、定位等复杂的机械操作【2 儿3 i 。仅 通过数字信号的控制来实现对数字存储器的操作。而与常见的u 盘不同的是，u 盘是建立在操作系统识别的基础之上的。比如，在w i n 9 8 系统之下，如果要使用 u 盘还必须添加驱动程序。虽然现在的系统不需要再添加驱动程序，但那是因为 操作系统已经包含了u 盘的驱动程序。而固态硬盘由于采用最底层的接口协议， 因此不依赖操作系统的存在，完全与操作系统无关。它采用传统硬盘的i d e 接口 或s a t a 接口，利用i d e 接口协议或s a t a 接口协议与主机连接。 固态硬盘也被称为电子硬盘，此前一直应用于军事、航空、医疗、工控等专 业领域。相比普通硬盘而言，固态硬盘有着以下几个明显优势【4 儿5 j ： 第一，数据存取速度快。由于固态硬盘没有普通硬盘的机械结构，因而系统 能够在低于l m s 的时间内对任意位置存储单元完成i o ( 输入输出) 操作。而且， 固态硬盘也不存在机械硬盘的寻道问题。在存取时间一项上，传统硬盘的花费是 1 4 1 m s ，而固态硬盘是0 1 m s 。根据国外相关媒体测试：在同样配置的笔记本电 摹于s a t a 接l j 的同态硬盘摔制器设计 脑下，运行大型图像处理软件时能明显感觉到固态硬盘无论在保存还是在打开文 件都更快。 第二，经久耐用、防震抗摔。因为全部采用了闪存芯片，所以固态硬盘内部 不存在任何机械部件，这样即使在高速移动甚至伴随翻转倾斜的情况下也不会影 响到正常使用，而且在笔记本电脑发生意外掉落或与硬物碰撞时能够将数据丢失 的可能性降到最小。 第三，固态硬盘工作时非常安静，没有任何噪音产生。得益于无机械部件及 闪存芯片发热量小、散热快等特点，固态硬盘因为没有机械马达和风扇，工作时 噪音值为0 分贝。 第四，固态硬盘比常规1 8 英寸硬盘重量轻2 0 3 0 克，可千万别小看这些重量， 在笔记本电脑、卫星定位仪等随身移动产品上，更小的重量有利于便携。此外， 重量的减轻也使得笔记本搭载多块固态硬盘成为可能。 第五，固态硬盘的数据保密性好，因为其存储介质为n a n df l a s h ，通过数据接 口读写数据，一旦擦除，其数据将不可恢复。 第六，固态硬盘的功耗小，因为其采用的是半导体材料的存储介质，工作时 没有任何的机械运动。 第七，固态硬盘工作的温度和湿度范围大，能工作在比较苛刻的环境中。 电子硬盘的工作原理就是通过a t a 协议或s a t a 协议与h o s t ( 主机方，包括 c p u 和主板上的a t a a t a p i s a t a 控制器) 进行交互，以n a n df l a s h 存储芯片取 代传统硬盘中的磁盘及控制磁盘读写的伺服系统。利用n a n df l a s h 芯片保存数据。 由硬盘控制器芯片管理电子硬盘的操作。在电子硬盘的前端，硬盘控制器通过标 准的接口与主机联接，由硬盘控制器通过接收执行硬盘操作的指令及参数和执行 数据操作的数据并返回硬盘工作状态和必要数据，与主板上的主控状态机控制器 配合工作。在电子硬盘后端，硬盘控制器启动n a n df l a s h 状态机模块负责完成对 n a n df l a s h 存储器的操作。 由于本文课题来源于实际的工程项目，本身就有实际的应用价值。但是从国 内固态硬盘的发展来看，目前具有完全的自主技术的公司国内仅有一家，另外， 虽然目前固态硬盘的每个扇区可以重复读写1 0 0 0 0 0 0 次，但某些应用，如操作系 统的l o g 记录等，可能会对某一扇区进行多次反复读写，而这种情况下，固态 硬盘的实际寿命还未经考验，而这个问题是实现固态硬盘的关键，目前尚未有统 一的标准，在本文中将提出适应n a n df l a s h 的管理算法，进行坏块管理，均衡损 耗的管理，实现大容量的高速固态硬盘。 硕十学位论文 1 2 国内外发展及趋势 随着n a n df l a s h 技术的成熟，固态硬盘在性能上的进一步提高以及价格上 的降低，固态硬盘不仅用于航空航天，卫星以及工业存储数据，而且开始出现在 民用市场上，2 0 0 8 年底，百度公司宣布将旗下的上千台服务器的硬盘更换为s s d 固态硬盘以提高计算速度。而此前，包括三星、索尼等全球众多知名品牌也推出 了搭载s s d 固态硬盘的笔记本电脑。固态硬盘在商业市场的应用日益广泛。 固态硬盘优势已经有目共睹【6 ，在2 0 0 8 年，多层存储芯片将开始广泛应用，固 态硬盘也将采用多层存储快闪记忆芯片，多层存储芯片每个存储单位容纳2 位的数 据，不久后有望扩增至4 位。虽然多层存储芯片的可靠性不及单层存储记忆芯片， 但错误率已经控制在相当低的范围内，已经足以满足笔记本电脑市场的需求。而 且，多层存储芯片可让固态硬盘厂商提高产能进而降低售价。美光n a n d 开发部 副总裁f r a n k i er o o h p a r v a r 估计，就等量产能而言，多层存储芯片可让固态硬盘制 造成本大减4 0 左右。另外，两年前n a n d 闪存生产还在使用9 0 n m 工艺，而现在 通过5 0 n m 工艺，能让n a n d 闪存生产成本下降一半以上。而2 0 0 8 年n a n d 闪存生 产厂商都将进入“3 0 n m $ i j 程”时代，由此带来的产能增加，将让闪存价格进一步下 滑，预计2 0 0 8 年n a n d 售价将下滑5 2 。三星在去年1 0 月份宣布采用3 0 n m 工艺开 发6 4 g b i t 产品。占据固态硬盘绝大部分成本的闪存价格下降，将必然导致固态硬 盘价格的下滑。从全球角度来看，固态硬盘需求暴涨。届时固态硬盘将会大规模 取代传统的机械硬盘，成为笔记本电脑中的主流配置。一旦笔记本电脑采用固态 硬盘，不论是从休眠状态苏醒，还是启动应用程序，速度都会加快。固态硬盘与 机械硬盘的原理完全不同，我国在电子工业和芯片设计上已有了一定的基础，重 视固态硬盘技术，生产大容量高速的固态硬盘在国防，工业，民用范围内都具有 重要的意义。 1 3 论文的主要内容及创新点 本文研究目的是设计出可以应用到高速数据存储的固态硬盘原型。系统拟采 用在f p g a 器件中嵌入m i c r o b l a z e 微处理器软核，s a t a 协议控制逻辑以及专用 n a n df l a s h 逻辑控制模块来实现硬盘数据存储，通过硬件描述语言v e r i l o gh d l 语 言开发专用的逻辑控制器模块实现硬件控制，再根据s a t a 协议用c 语言开发应用 于命令解析和数据传输的流程，以及n a n df l a s h 数据管理，实现以n a n df l a s h 为存储介质的固态硬盘控制器设计。 论文按照如下结构组织： 第一章为绪论，介绍了n a n df l a s h 闪存技术和固态硬盘的技术，发展和面临 的挑战，然后介绍了本文的主要工作及意义。 基于s a t a 接口的f i i i 】态硬盘控制器设计 第二章为s a t a 协议技术的介绍，主要分析了s a t a 接口技术及数据传输实 现的技术细节。 第三章为固态硬盘整体硬件构架设计，给出系统的s o p c 设计架构，并重点 介绍具有固态硬盘特点的n a n df l a s h 控制器的设计和实现。 第四章为固态硬盘的软件设计，包括s a t a 协议的命令解析，内部的d m a 控制，以及n a n df l a s h 数据管理。 第五章是仿真验证的结果，采用的测试工具有x i l i n x 公司的软件调试环境 e d k 和嵌入式调试软件c h i p s c o p e 以及f i n i s a r 公司的s a t a 总线分析仪，进行系 统的模块测试和整体测试。 最后，在结论中介绍了本论文所取得的主要成果，并针对论文中的一些不足 之处给出了下一步工作的建议。 本文创新之处是n a n df l a s h 的数据管理部分，由于n a n df l a s h 的物理特 性，在使用n a n df l a s h 作为存储介质时很不方便，需要在软件上对n a n df l a s h 的存储操作进行管理，管理算法的设计的好坏直接影响到n a n df l a s h 的读写速 度，寿命。 1 、本文提出了二级地址映射，为上位机提供连续可用的逻辑存储空间，屏蔽 n a n d 闪存物理上的不连续，能适应上位机的任何文件系统存储管理，实现 开放式存储系统。适应大容量的n a n d 闪存数据管理。并提出简捷的地址映 射算法，在寻址时尽量地减少处理器的工作。 2 、按时间标记转移静态信息，该算法使得处理器所做的工作大大地减少，并且 在长时间的使用过程中，实现存储空间的均匀损耗。 3 、建立回收标准，提出块可回收值的计算方法，实现及时将含无效信息或静态 信息的存储空间回收，以及尽量减少存储空间的擦写次数之间的平衡。 硕_ | 学位论文 第2 章s a t a 协议的分析 s a t a 是s e r i a la t a 的缩写( 串行a t a ) t 。这是一种完全不同于并行a t a 的 新型硬盘接口类型，采用串行方式传输数据。相对并行a t a 总线而言，s a t a 总 线具有以下的优点，传输速率快，由s a t a l o 的1 5 g b s 发展到s a t a 2 5 的3 0 g b s 。 并且在2 0 0 8 年秋季的i d f 上，s a t a3 0 规范也被第一次得到了确立，传输率达 到6 0 0 m b s e c ；电缆线的宽度降低而长度增加，宽度由a 1 脯总线的4 0 针减少到7 针，长度由18 英寸增加到1 米；支持热插拔，这使得s a t a 硬盘的使用更加方便， 可以当移动硬盘使用；提高了数据传输的精确度，a t a 3 标准引入了基于c r c ( 循 环冗余码校验) 的数据包出错检测，但是，没有任何一种并行a t a 标准提供命令 和状态报的出错检测，s a t a 提高了c r c 对数据、命令和状态包错误的检测能力， 从而提高了数据传输的精确度；支持全速命令队列，大大提高了硬盘的数据传输 速度。此外，s a t a 协议采用点对点结构，降低了磁盘阵列的出错风险，降低了 工作电压，减少了功耗，向下软件兼容并行a 1 渔，横向兼容s a s 协议。 2 1s a t a 接口模块的组成 如图2 1 所示，s a t a 接口包括s a t a 控制器和s a t a 物理层，s a t a 物理层 通过s a t a 连接线与主机连接，s a t a 控制器通过a h bs l a v e 接口和a h bm a s t e r 接口连接到总线，连接到总线上的还有硬盘控制器的微处理器、内存等器件。 图2 1s a t a 接口模块 s a t a 接1 2 1 物理层采用7 根电缆与主机进行连接【8 1 ，其中3 根为地线，一对差 基于s a t a 接口的同态硬盘拧制器设计 分数据输入线，一对差分数据输出线，物理层的功能是实现差分串行数据传输， 提供1 0 0 欧姆的传输终端和接受终端电阻匹配，实现将并行输入的1 0 ，2 0 ，4 0 位并行数据串行传输，从串行数据流中读取需要的数据，将接收到的串行数据转 换位并行数据。并为链路层提供当前控制器的状态，包括当前器件有效，当前器 件无效，和当前器件有效但不能进行数据传输。通过使用专用的o o b 信号协议， 来实现s a t a 接口物理层的连接初始化，并用此o o b 信号队列来执行预定义的速 度。使用本地器件时钟向主机发送数据，使用接收时钟来从主机读取数据。 s a t a 控制器支持1 5 g b p s 和3 o g b p s ，具有两个时钟域，一个是s a t a 时钟 区域，一个是系统时钟区域，支持2 0 b i t 物理接口和4 8 b i t 逻辑地址寻址，用2 5 6 b y t e f i f o 来缓存数据，通过弹性缓冲区来消除主机和器件之间的频率差异，通过 a m b a2 0 a h b 总线与系统接口，用缓存来存储输出或输入的数据包头文件( 8 d w o r d ) ，允许固件通过i o 口实现数据包的接收和传输，具有纠正s a t a 控制 器以及s a t a 链路层的数据传输纠错能力，提供所有的a t a 命令寄存器和控制寄 存器，并提供内部的d m a 通道，实现数据的快速传输。s a t a 控制器由链路层、 传输层、应用层构成，应用层与p a l m b u s 接口连接，通过a h bs l a v e 桥转换为a h b s l a v e 接口，然后连接到总线上，微处理器可通过该接口向应用层寄存器写入信息 或读取信息，从而控制s a t a 控制器进行工作。d m a 控制器与应用层相连，同时 也与传输层相连，应用层控制d m a 控制器进行工作，当d m a 数据传输使能时， d m a 控制器控制数据在传输层与总线之间的数据传输。如果s 扎控制器在工作 过程中发生导致中断产生的事件则使能中断控制器，产生中断，通知微处理器处 理当前事件，如图2 2 所示。 a h b s a t ad e v i c ec o r e a h bs l a v e p a l r e b u s b r i d g e 。 i n t e r f a c e i n t e r f a c e ji a p l i c a t i o nl a y e r 1 i n t 。p 叩c - i n t e r r u p t ， l i n ec o n t r o l l c r 1r t r a n s p o r t l i n k l a y e r = l a y e r 一r k - 1 i n 矗蒜e厂 c o 咖l l 盯l 图2 2s a t a 控制器模块 链路层的功能是用来接收或发送数据帧，根据传输层的控制信号进行原语通 讯传输，以及从物理层接收原语用来控制传输层的操作，链路层对所传输的内容 不作处理，只是将原语加入数据帧或将接收到的数据帧的原语删除，通过原语来 控制数据帧的传输，链路层通过弹性缓存来消除消除主机和器件之间的频率及相 位的差异，当传输层要求进行帧传输时，链路层将提供以下的服务，当主机和器 件同时发出传输数据的请求时由仲裁决定，将传输层发送过来的数据加上原语， 以双字节的方式从传输层取出数据，对传输层发送过来的数据进行c r c 编码，以 硕十学位论文 数据帧的方式传输，根据链路层的输入输出的缓存f i f o 和主机链路层的要求来 从中数据帧的传输，接收主机链路层的应答信号，将传输过程的结果( 包括物理 层和链路层) 通知传输层，实现8 b 1 0 b 编码，将数据加扰来避免由电磁干扰产生 的传输错误。数据帧的接收过程：在接收数据时产生应答信号告诉主机的链路层， 从物理层接收可解码的数据，将双字的数据流进行8 b 1 0 b 编码或将从物理层来的 数据流进行8 b 10 b 解码还原为双字的数据。去掉从物理层来数据包的原语，根据 链路层的输入输出缓存f i f o 的要求或主机的链路层的状态来控制数据帧的传输， 比较计算后的c r c 纠错码和接收到的c r c 纠错码，通知传输层在接收数据的过 程中实现完整传输或链路层和物理层所产生的错误。 传输层传输层不会改变传输的数据的结构，它会将要传输的数据打包成数据 帧的结构，并且将接收到的数据帧还原成数据。数据帧打包：传输层根据需要传 输的数据帧的要求收集帧的数据，将数据按照要求组合成数据帧，通知链路层要 进行数据传输并将数据帧传输到链路层，对缓存中的进行监控，并根据监控的情 况控制链路层进行数据传输，接收从链路层反馈的应答信息，向应用层通知上次 传输是否正确。数据帧解帧：当传输层从链路层接收到数据帧后，传输层将进行 解帧并将数据帧还原为需要存储的数据流，从链路层接收数据帧，判断数据帧的 类型，根据帧的类型将数据分配到具体的位置，向应用层报告数据接收是否成功。 应用层s a t a 应用层和扎协议中的应用层功能一样，当主机的b i o s 程序或 软件向硬盘控制器发送主机命令时，s a t a 应用层对主机发送过来的s a t a 命令 进行解析和执行，因此s a t a 应用层通过命令和控制寄存器用来接受命令，完成 命令或执行命令的过程中设置状态寄存器用来向主机通知当前的状态，为硬盘控 制器的微处理器提供当前的的执行状态，使得硬盘系统软件根据当前的情况来继 续下一步操作，通过设置相应的寄存器控制传输层进行数据的传输操作，同时应 用层还包括对s a t a 器件内部d m a 的控制，通过配置d m a 控制器来实现数据的 快速传输。 2 2 硬盘工作状态 s a t a 硬盘控制器应用层对命令的解析和执行和a t a 硬盘控制器一样【9 】【10 1 ， 不同的是，从主机发送过来的命令由s a t a 控制器的传输层将数据帧解帧后得到， 并写入相应的寄存器，s a t a 应用层根据寄存器的内容识别当前的内容进行相应 的操作，同时也将完成的状态存放在相应的状态寄存器，由传输层读取后打包成 数据帧发送给主机。 2 2 1 硬件复位和软件复位 硬件复位如图2 3 所示，主机向硬盘控制器发出一个硬件复位命令，不管硬 幕于s a t a 接口的同态硬盘控制器设计 盘控制器当前是否在执行命令，控制器将放弃当前操作，立即执行硬件复位命令。 当传输层确定接收到硬件复位时，控制器进入h a r d w a r er e s e ta s s e r t e d 状态，并等 待硬件复位信号无效，当传输层确定硬件复位信号无效后，控制器将进入 e x e c t u t ed i a g n o s t i c s 状态，控制器进行硬件初始化、上电初始化，如果成功执行 完所有操作，控制器进入发送s e n dg o o ds a t u s 状态，否则，控制器进入 s e n db a ds t a t u s 状态，控制器通过传输层发送一个数据帧到主机，发送完毕后， 控制器进入d e v i c ei d l e 状态。同样在s e n db a ds t a t u s 状态中，控制器也会通过传 输层向主机发送一个数据帧，然后进入d e v i c ei d l e 状态。 图2 3 硬件复位状态图 软件复位如图2 4 所示，当主机向控制器发送一个数据帧，并且该数据帧对 应的器件控制寄存器的s r s t 位被置1 ，则不管当前控制器处于任何状态，将进 行软件复位。软件复位信号有效时，即控制器接收到的数据帧对应的控制寄存器 中的c 位被清除为0 ，s t s t 位被置1 时，控制器进入s o f t w a r er e s e ta s s e r t e d 状 态，等待软件复位信号无效，当软件复位信号无效时，即在接收到的数据帧中对 应的控制寄存器中的c 位和s r s t 位被清除为o 时，控制器进入 e x e c u e td i a g n o s t i c s 状态，进行控制器初始化和会话操作，如果器件初始化和会话 操作成功完成，控制器进入s e n dg o o ds t a t