CN101354906B - 应用于固态硬盘的闪存控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种应用于固态硬盘的闪存控制器。提供标准的SRAM接口，内置两个2112字节的缓存和DMA，用来实现与NAND闪存的快速数据交换，纠错逻辑ECC能纠正512字节中的3处随机错误。该控制器可为上位机提供方便的接口，实现高速从NAND闪存读数据和向NAND闪存写数据，加入ECC纠错逻辑，确保读取数据和写入信息的正确。
Description
技术领域
本发明提出一种应用于固态硬盘的闪存控制器，为上位机提供方便的访问接口，又能高速无误地读取NAND闪存中的数据和将数据存储在NAND闪存中。
背景技术
磁盘作为信息的存储体随着计算机及其相关技术的飞速发展和计算机应用于各种领域，如航空，卫星，工业等方面，从而对磁盘提出了越来越高的要求。因此固态磁盘抗震、宽温、无噪、低耗、可靠存储技术越来越被人们所重视。
固态硬盘以NAND闪存为存储介质，NAND闪存是一种采用与非结构的非易失半导体存储器，在没有电流供应的情况下，能长期地保存信息，读写操作以页为单位，类似于硬盘操作，以块为单位进行擦除，适用于存储大量的信息。NAND闪存磁盘与以磁介质为存储体的机械磁盘相比有以下几个优点：首先读写时不需要像机械磁盘那样需要寻道时间，因而读写的速度比较快；其次由于NAND闪存是一种半导体存储器，使用时不受震动的影响，功耗低，噪声小，能适应的温度范围大，再次，NAND闪存是通过I/O口读取数据，只要将存储的数据擦除，就不可能再恢复，而磁介质的存储器则可以通过磁头读取已擦除的微弱信息进行恢复。但是NAND闪存存在以下特点：
1、NAND闪存地址线和数据线复用，不便于上位机的访问；
2、NAND闪存的某些操作需要几个步骤才能完成，因此也不便于上位机对NAND闪存的操作，
3、NAND闪存在写入数据时可能会发生位反转，如果不作ECC纠错在读取时将无法得到正确的信息。
4、上位机必须等NAND闪存编程完之后才能再次将数据传输到NAND闪存，无法实现高速的读写。
目前以NAND闪存为存储介质的存储体使用的大多数NAND闪存控制器是针对小容量，低速的存储体，本发明提出一种应用于固态硬盘并根据固态硬盘设计需要的大容量的快速存储体的NAND闪存控制器。
发明内容
针对NAND闪存的特点以及固态硬盘在速度方面的要求设计出NAND闪存控制器。
本发明的技术方案是：该NAND闪存控制器包括寄存器组1、控制模块2、2112字节缓存A3、2112字节缓存B5、DMA通道4以及ECC纠错模块6，其特征在于：寄存器组1连接控制模块2，缓存A3和缓存B5位于控制模块2和DMA通道4之间，并分别与控制模块2和DMA通道4连接，控制模块2还与DMA通道4连接，ECC纠错模块6与控制模块2和DMA通道4连接，具体设计方法为：
①为NAND闪存设计标准的静态随机存储器(SRAM)接口；
②NAND闪存控制器内置寄存器组(1)和控制模块(2)；
③NAND闪存控制器具备2个2112字节数据缓存，缓存A(3)和缓存B(5)；
④数据缓存和NAND闪存之间加DMA通道(4)；
⑤加入ECC纠错模块(6)。
ECC纠错模块6由纠错模块7、状态控制模块8、ECC纠错码生成模块9和NAND FLASH接口10构成，纠错模块7与状态控制模块8和ECC纠错码生成模块9连接，状态控制模块8与ECC纠错码生成模块9和NAND FLASH接口10连接。
1、为NAND闪存设计标准的静态随机存储器(SRAM)接口，使上位机访问控制器就像访问内存那样方便。
2、然而SRAM只有读和写两种主要操作，而NAND Flash除了页编程与读操作之外还有ID读取、重置、块擦除和状态读取等操作，在不改变接口的情况下只能采用与NAND Flash类似的写控制字的方式。NAND闪存控制器内置寄存器组1和控制模块2，寄存器组采用存储器映射(Memory Mapped Register)的编址方式，也就是说，寄存器的地址统一编入内存空间，上位机将命令和地址输入到寄存器组1中的指令寄存器和地址寄存器，然后由内置的控制模块2根据命令寄存器中的命令和地址寄存器中的地址，实现对应的NAND闪存的操作。控制模块有两组地址缓存，这两组地址缓存不能手动切换，控制模块可以通过查询状态寄存器确定两组地址缓存的工作状态。控制模块必须使用一组空闲的地址寄存器下读或写的指令，主控制器收到指令后接管刚才处理器使用的地址寄存器，将另一组地址寄存器交于控制模块控制，控制模块再向这个地址寄存器写入操作的地址信息，这样两组地址寄存器分别交替在主控制器和处理器的控制下同时工作。
3、NAND闪存控制器具备2个2112字节(1个NAND闪存页大)数据缓存，缓存A3和缓存B5，这样在同一时间控制模块能够同时进行读和写的操作。当用一个数据缓存执行完读或写的指令后，会自动切换使用另一个数据缓存，刚才的数据仍在原数据缓存中保存着。从而提高NAND的数据传输速度。
4、数据缓存和NAND闪存之间加DMA通道4，用来提高NAND控制器的读取和存储数据的速度。
5、加入ECC纠错模块6，能纠正512字节中的3位随机错误。ECC纠错模块6由纠错模块7、状态控制模块8、ECC纠错码生成模块9和NAND FLASH接口10构成。当向NAND闪存中写数据时，ECC纠错码生成模块9产生ECC纠错码并与数据一起通过NAND FLASH接口10写入NAND闪存；读数据时，产生ECC纠错码，通过纠正模块6比较产生的ECC纠错码和从NAND闪存读出来的ECC纠错码，状态控制模块8将比较结果通知控制模块2，控制模块2根据比较的结果纠正已读取到数据缓存中的数据。
本发明具有如下优点：
1：为上位机提供方便的接口。
2：实现高速从NAND闪存读数据和向NAND闪存写数据。
3：加入ECC纠错模块，确保读取数据和写入信息的正确。
附图说明
图1：NAND闪存控制器框图
图2：ECC纠错模块框图
具体实施方式
1、寄存器组，包括指令寄存器、地址寄存器、状态寄存器，用于存储主机CPU发过来的指令，并反馈NAND Flash的状态信息；
2、控制器模块，控制器的核心部分，实现对NAND Flash的各类基本操作的逻辑，包括页读、页写、块擦除、随机读、随即写、读ID等功能。并控制DMA和Buffer模块，实现数据的传输。
3、乒乓缓存单元，采用双Buffer，可以同时进行读写操作，并以乒乓的形式实现提高对NAND Flash的数据传输速度。
4、直接存取单元，负责Buffer和NAND Flash之间的数据传输，可以免除CPU的干预。
5、与3配合提供乒乓操作；
6、ECC单元，实现对数据错误的检错和纠错，效率为8bit/512Byte；
7、ECC纠错模块，根据ECC校验码，对错误的数据实现纠错；
8、ECC功能模块，控制ECC纠错模块和ECC校验码生成模块；
9、ECC校验码生成模块，在读数据和写数据，生成校验码。
10、NAND Flash控制器接口模块，用于连接8bit总线宽度的NAND Flash芯片。
在本发明中，NAND闪存控制器由寄存器组，控制模块，两个2112字节的缓存，以及DMA和ECC纠错模块组成。寄存器组采用存储器映射的编址方式，上位机将命令和地址输入到寄存器组1中的指令寄存器和地址寄存器，然后由内置的控制模块2根据命令寄存器中的命令和地址寄存器中的地址，实现对应的NAND闪存的操作。两个2112字节的缓存及其对应的寄存器组中有两组地址寄存器不能手动切换，控制模块可以通过查询状态寄存器确定两个2112字节的缓存及其对应的地址寄存器的工作状态。控制模块必须使用一组空闲的地址寄存器，上位机收到指令后接管刚才处理器使用的2112字节的缓存及其对应的地址地址寄存器，将另一组2112字节的缓存及其对应的地址寄存器交于控制模块控制，控制模块再向这个地址寄存器写入操作的地址信息，从2112字节的缓存中读写数据。这样两组2112字节的缓存及其对应的地址寄存器分别交替在上位机和NAND闪存控制器中的控制模块的控制下同时工作。内部有DMA通道，提高NAND闪存控制器与NAND闪存之间的数据传输。
NAND闪存控制器中加入ECC纠错模块，能纠正512字节中的3位随机错误。当向NAND闪存中写数据时，ECC码生成模块9产生ECC纠错码并与数据一起通过NAND闪存接口10写入NAND闪存；读数据时，产生ECC纠错码，通过纠正模块7比较产生的ECC纠错码和从NAND闪存读出来的ECC纠错码，控制状态控制模块8将比较结果通知控制模块2，控制模块根据比较的结果纠正已读取到数据缓存中的数据。
实施案例
SATA接口固态硬盘
SATA接口固态硬盘硬件环境由SATA接口协议，MPU，FLASH控制器和FLASH阵列构成，软件环境由地址映射模块，坏块管理模块，均衡损耗模块构成，使SATA接口固态硬盘对上位机表现为无差别于机械硬盘的器件，实现以NAND闪存为存储介质的大容量数据存储。
Claims (2)
1.应用于固态硬盘的闪存控制器，包括寄存器组(1)、控制逻辑程序模块(2)、2112字节缓存A(3)、2112字节缓存B(5)、DMA通道(4)以及ECC纠错逻辑程序模块(6)，其特征在于寄存器组(1)连接控制逻辑程序模块(2)，缓存A(3)和缓存B(5)位于控制逻辑程序模块(2)和DMA通道(4)之间，并分别与控制逻辑程序模块(2)和DMA通道(4)连接，控制逻辑程序模块(2)还与DMA通道(4)连接，ECC纠错逻辑程序模块(6)与控制逻辑程序模块(2)和DMA通道(4)连接；特征在于：
①为NAND闪存设计标准的静态随机存储器(SRAM)接口；
②NAND闪存控制器内置寄存器组(1)和控制逻辑程序模块(2)；
③NAND闪存控制器具备2个2112字节数据缓存，缓存A(3)和缓存B(5)；
④数据缓存和NAND闪存之间加DMA通道(4)；
⑤加入ECC纠错逻辑程序模块(6)。
2.根据权利要求1所述的应用于固态硬盘的闪存控制器，其特征在于ECC纠错逻辑程序模块(6)由纠错逻辑程序模块(7)、状态控制逻辑程序模块(8)、NAND FLASH接口(10)和ECC纠错码生成逻辑程序模块(9)构成，纠错逻辑程序模块(7)与状态控制逻辑程序模块(8)和ECC纠错码生成逻辑程序模块(9)连接，状态控制逻辑程序模块(8)与ECC纠错码生成逻辑程序模块(9)和NANDFLASH接口(10)连接。
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