CN1896968A - 一种容量、速度可扩展的高速数据读写固态盘及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数据存储技术领域，一种容量、速度可扩展的高速固态盘及方法。固态盘是以闪存芯片为基本存储介质，将固态盘结构分成两个部分：底板和存储板，底板为一块，起到将高速的数据流分成一定大小的数据流的作用，存储板可以有多块，起到数据存储的作用。

Description

一种容量、速度可扩展的高速数据读写固态盘及方法

技术领域

本发明涉及数据存储技术领域，尤指一种以闪存芯片为基本存储介质的，一种容量、速度可扩展的高速数据读写固态盘及方法。

背景技术

以闪存芯片为基本存储介质的用来进行数据存储的固态盘(Solid-StateDisk)已经广泛地用在了工业和军事领域。其工作原理大致相同：利用闪存芯片数据存储时间长，可靠性高等特点，对一片或多片闪存芯片进行统一的数据读写操作，以期实现具有一定容量的数据存储固态盘。这种固态盘与其它数据存储装置相比，具有工作温度范围广，数据存储时间长，抗振，抗磁等特点。

但传统的实现基于闪存芯片的固态盘的方式也有其缺点，主要表现在：1.写速度慢。以韩国三星公司的NAND型闪存芯片K9W8G08U1M为例，其每一页(容量为2kByte)的数据写入的标准时间为300us，约为48Mbit/s。以此闪存芯片为基础制作的固态盘其数据写入速度必定会受到制约。2.存储容量限制。由于闪存芯片的制造技术方面的限制，目前市场上很少有大容量闪存芯片。因此要实现大容量的固态盘，需要设计者用多片闪存芯片组成统一的存储阵列以达到增加容量的目的，但如果需要的存储容量非常大，其固态盘中的闪存芯片数量也要相应大幅增加，这会导致固态盘的体积增加。而且，如果日后需要存储更大容量的数据时，设计者将不得不重新设计，制造新的更大的固态盘。

发明内容

本发明的主要目的是针对传统的基于闪存芯片的固态盘的实现方式，提出一种新的基于闪存芯片的固态盘实现方式。将固态盘系统分为底板和存储板两个部分，底板的主要工作是进行高速数据的分流，存储板的主要工作是数据的存储。这样将高速的数据通过单独的数据分流板分成一段段的数据流，不同的数据流由该数据分流板控制进入不同的数据存储板，解决了外部高速数据流与内部闪存芯片相对较慢的写入速度之间的瓶颈问题。

本发明的又一目的在于提出一种新的基于闪存芯片的固态盘的扩展实现方式。将固态盘系统分为底板和存储板两个部分。底板只有一个，进行数据分流。存储板可以有多个，存储板与底板通过各自的接口连接。每块存储板在存储容量，设计方案上都相同，因此，用户可以根据需要存储的数据容量的大小来随时对固态盘进行扩展。在底板上连接的存储板越多，其数据存储容量越大。

本发明的又一目的在于提出一种新的基于闪存芯片的固态盘的实现方式。每块存储板上都带有数据分流电路，当用户需要存储的数据量非常小时，用户可以只用一块存储板当作固态盘进行数据存储，而不再需要底板。而当该存储板连接底板共同使用时，用户可以很方便的将存储板上自身的数据分流电路设定为不工作状态，使之只发挥数据存储的作用。

本发明的又一目的在于提出一种新的提高数据存储和读取速度的方式。利用相对独立的数据分流板将高速数据分成小段的数据流，然后采用流水操作的方法将这些小段的数据流分别分配到各个存储板中，例如在底板上共连接了三块存储板：a，b，c。那么高速数据经分流后的五个小数据流段1，2，3，4，5的存储顺序就可以是1-＞a，2-＞b，3-＞c，4-＞a，5-＞b.将数据读出的顺序与此相反。这样，外部高速数据流与内部闪存芯片较慢的写入速度之间的瓶颈问题就得到了解决。而且，连接在底板上的存储板越多，其固态盘系统整体的数据存储速度就越快。

本发明的又一目的在于提出一种新的提高数据存储和读取速度的方式。在单独一块数据存储板中，将若干块闪存芯片分为一个存储组，这样就可以满足用户对总线宽度的要求，以韩国三星公司的NAND型闪存芯片K9W8G08U1M为例，其数据线为8条，如果用户需要有32位的数据总线宽度，只需将4块该类型闪存芯片组成一个存储组即可。以这样组成的存储组为存储数据的基本单位进行数据的读写操作。由于该操作为并行操作，其读写速度也将大幅提高，例如如果用4块闪存芯片组成一个存储组，并行操作相对于对单独一个闪存芯片进行操作其速度将提高4倍。一个存储板中包含有多少这样的存储组由外部需要对该固态盘进行操作的系统要求而定，在同一块存储板中，但外部的某数据流段进入时，也将采用流水存储的模式将该数据流写入各个存储组。

本发明的内容主要包括以下几个方面：

a.将固态盘系统分为底板和存储板两个部分。底板只有一块，主管数据分流。存储板可以有多块，每块用单独的接口与存储板相连，主管数据存储。在底板上连接多少块存储板可以由用户自由控制，连接的存储板越多，其固态盘系统的存储容量越大，存储速度越快。

b.在存储板中，用若干个闪存芯片组成小的存储组进行统一并行操作。

c.在存储数据时，底板将外部高速的数据流分成多个具有一定容量的小数据流。将这些小数据流用流水操作的方式分配到与其相连的各个存储板上进行存储。当某小数据流进入某存储板后，该存储板用流水操作的方式将这一段小数据流分配到各个小存储组进行存储。

d.在读取数据时，底板采用和数据存储时相同顺序的流水操作控制各个存储板读出各个小段数据流(在存储板内部，也要以和数据存储时相同顺序的流水操作读出数据)，然后将这些小段数据流连续的对外发出，形成和存储时相同的高速数据流。

e.每块存储板上都带有数据分流电路，当用户需要存储的数据量非常小时，用户可以只用一块存储板当作固态盘进行数据存储，而不再需要底板。而当该存储板连接底板共同使用时，用户可以很方便的将存储板上自身的数据分流电路设定为不工作状态，使之只发挥数据存储的作用。

底板依靠用两片CPLD芯片控制四片FIFO芯片的乒乓读写操作来实现数据的高速分流，这四片FIFO芯片两两为一组，一组负责数据写入的乒乓操作，一组负责数据读取的乒乓操作，两片CPLD一片负责对外的接口，一片负责对底板中开关器件的流水控制。

在数据存储操作中，第一组FIFO起作用，两片CPLD中一片控制这一组FIFO的数据读出端，一片控制这一组FIFO的数据写入端。

一种可扩展的高速数据读写固态盘方法，所述的数据写入操作步骤为：

a.第一片CPLD(可编程逻辑器件)(图5中的CPLD1)控制第一片FIFO(图5中的FIFO1)写入数据；

b.第一片FIFO写满，第二片CPLD(图5中的CPLD2)开始读取第一片FIFO中的数据，同时第一片CPLD检测第二片FIFO(图5中的FIFO2)是否为空，如果是则进入步骤c，否则等待；

c.第一片CPLD控制第二片FIFO写入数据，同时，第二片CPLD读取第一片FIFO中的数据，如果这时第一片FIFO中的数据全部读出，显示为空，则进入步骤d；

d.第二片CPLD检测第二片FIFO是否写满，如果是则进入步骤e，如果否则等待；

e.第二片FIFO写满，第一片CPLD检测第一片FIFO是否为空，如果是，则进入步骤f，否则等待，同时第二片CPLD开始控制读出第二片FIFO中的数据；

f.第一片CPLD控制第一片FIFO写入数据，同时第二片CPLD正在读出第二片FIFO中的数据；

g.第一片FIFO写满，第一片CPLD开始检测第二片FIFO是否为空，如果是则进入步骤c，否则等待。

在数据写入的操作中，第二片CPLD在从第一组FIFO(图3中的FIFO1和FIFO2)中读出数据的同时，控制底板中的多个开关器件按照流水顺序依次打开，具体的打开顺序是每当一个FIFO读完，开始换另一个FIFO继续读时，就关闭上一个开关器件，打开下一个，这样就使数据流按照流水顺序进入到对应的存储板中，假设共有3个存储板与底板相连，则其操作步骤为：

h.读第一片FIFO，打开存储板1对应的开关器件1；

i.读第二片FIFO，打开存储板1对应的开关器件2，关闭1；

j.读第一片FIFO，打开存储板1对应的开关器件3，关闭2；

k.读第二片FIFO，打开存储板1对应的开关器件1，关闭3。

在数据读取的操作中，第二组FIFO(图3中的FIFO3和FIFO4)起作用，两片CPLD中一片控制这一组FIFO的数据读出端，一片控制这一组FIFO的数据写入端。

所述的数据读取操作步骤为：

a)第二片CPLD控制第一片FIFO(图3中的FIFO3)写入数据；

b)第一片FIFO写满，第一片CPLD开始读取第一片FIFO中的数据，同时第二片CPLD检测第二片FIFO(图3中的FIFO4)是否为空，如果是则进入步骤c，否则等待；

c)第二片CPLD控制第二片FIFO写入数据，同时，第一片CPLD读取第一片FIFO中的数据，如果这时第一片FIFO中的数据全部读出，显示为空，则进入步骤d；

d)第一片CPLD检测第二片FIFO是否写满，如果是则进入步骤e)，如果否则等待；

e)第二片FIFO写满，第二片CPLD检测第一片FIFO是否为空，如果是，则进入步骤f)，否则等待，同时第一片CPLD开始控制读出第二片FIFO中的数据；

f)第二片CPLD控制第一片FIFO写入数据，同时第一片CPLD正在读出第二片FIFO中的数据；

g)第一片FIFO写满，第二片CPLD开始检测第二片FIFO是否为空，如果是则进入步骤c，否则等待。

在数据读取的操作中，第二片CPLD在向第二组FIFO中写入数据的同时，控制底板中的多个开关器件按照流水顺序依次打开，具体的打开顺序是每当一个FIFO写完，开始换另一个FIFO继续写时，就关闭上一个开关器件，打开下一个，这样就使数据流按照流水顺序进入到对应的FIFO中，假设共有3个存储板与底板相连，则其操作步骤为：

a)写第一片FIFO，打开存储板1对应的开关器件1；

b)写第二片FIFO，打开存储板1对应的开关器件2，关闭1；

c)写第一片FIFO，打开存储板1对应的开关器件3，关闭2；

d)写第二片FIFO，打开存储板1对应的开关器件1，关闭3。

存储板中包括两块CPLD，一块实现与底板相连的接口功能，另一块实现对闪存阵列的并行以及流水读写和擦除操作，存储板中还包括有两个FIFO器件和一个开关器件。

存储板中的两个FIFO器件一个负责数据写入缓冲，一个负责数据读出缓冲，存储板可以脱离底板单独使用，当单独使用时，CPLD关闭两个FIFO，打开开关器件即可。

当经过了底板分流的小数据流进入到底板中时，底板中的CPLD负责将这个小数据存储到闪存阵列中，存储采用并行与流水向结合的操作。

在存储板中将若干个闪存芯片组成一个小的存储单元，对它们进行统一读，写和擦除操作，这样，就可以满足不同的用户对数据总线宽度的要求，例如：闪存芯片的数据总线宽度为8位，如果用户需要32位的数据总线，则将4个闪存芯片组成一个存储单元即可，在具体操作中，由于是对多个闪存芯片同时并行操作，故操作速度会有所提升。

在存储板中存在多个存储单元，CPLD控制对这些存储单元进行流水操作，由于闪存芯片的读写操作以页为单位，故每次只读写一个存储单元的一页数据，然后换另一个存储单元继续读写，假设有4个存储单元，则其具体的操作步骤为：

a)对存储单元1的第一页读写；

b)对存储单元2的第一页读写；

c)对存储单元3的第一页读写；

d)对存储单元4的第一页读写；

e)对存储单元1的第二页读写。

在存储板中，放置了一个SRAM用来对闪存芯片进行坏块表管理，主要是进行坏块表地址临时存放。

附图说明

图1是现有技术中，以闪存芯片为基本存储介质的固态盘的实现电路框图。

图2是本发明中的以闪存芯片为基本存储介质的固态盘的实现框图。

图3是本发明中的底板电路框图。

图4是典型的单向FIFO电路图

图5是本发明中的底板用来实现数据分流的FIFO乒乓读写流程图。

图6是本发明中的存储板电路框图。

具体实施方式

下面结合说明书附图来说明本发明的具体实施方式。

本发明的核心思想，是将系统分为底板和存储板两大部分来实现系统在容量和速度方面的可扩展型。并通过多重流水加并行操作的方法提升系统的数据读写速度。

如图1所示，是现有技术中一个典型的以闪存芯片为基本存储介质的固态盘的实现电路框图。

如图2所示，是本发明中的以闪存芯片为基本存储介质的固态盘的实现电路框图。在本发明中，固态盘系统被分成了底板和存储板两大部分。底板只有一块，上面有很多用来连接存储板的接口，存储板可以有多块。用户可以按照自己实际的需要在底板上连接不同数量的存储板。连接的越多，该固态盘系统的数据存储容量越大，数据读写速度越快。

如图3所示，是本发明中的底板电路框图。在底板中，使用了4块FIFO用来完成数据分流的功能，分别为FIFO1，FIFO2，FIFO3，FIFO4。其中FIFO1和FIFO2为一组，用来完成数据存储操作的分流功能。FIFO3和FIFO4为一组，用来完成数据读取操作的分流功能。在数据存储操作中，第一组FIFO起作用，两片CPLD中一片控制这一组FIFO的数据读出端，一片控制这一组FIFO的数据写入端。

如图4所示，典型的单向FIFO芯片除其它控制端接口外，与实际数据有关的接口可以分为读取数据和写入数据两个部分。其中与读取数据有关的接口为：REN，RCLK。与写入数据有关的接口为：WEN，WCLK，OE。在底板中还使用了两块CPLD芯片：CPLD1和CPLD2。其中CPLD1为接口控制模块，实现与外部接口的连接，同时还负责对FIFO1，FIFO2的写入数据端接口WEN，WCLK和OE的控制以及FIFO3，FIFO4的读取数据端接口REN，RCLK的控制。CPLD2为总体控制模块，它可以接收外部控制芯片的读写命令(该命令也可以由CPLD1的接口处得到)。同时，它还控制这FIFO1和FIFO2的读取数据端接口REN，RCLK；FIFO3和FIFO4的写入数据端接口WEN，WCLK和OE；所有开关电路的控制。

在数据存储操作中，当外部数据进入时，FIFO1和FIFO2在CPLD1和CPLD2的控制下通过乒乓读写的方式将连续数据流分成一定大小的数据流。具体分流方法如图5所示。在存储操作中，CPLD1控制FIFO1和FIFO2的数据写入端，CPLD2控制FIFO1和FIFO2的数据读取端。首先，外部数据流被写入FIFO1中，当FIFO1满时，CPLD1控制外部数据流写入FIFO2中，同时FIFO1中的数据在CPLD2的控制下读出，CPLD2按照流水操作的顺序依次打开开关电路，使FIFO1中的数据进入到对应的存储板中。每当FIFO1/FIFO2被写满时，CPLD1立即检查FIFO2/FIFO1是否已经被读空，如果是，则开始写入数据，如果否则等待。每当FIFO1/FIFO2被读空时，CPLD2立即检查FIFO2/FIFO1是否被写满，如果是，则开始读，如果否则等待。

在数据读取操作中，当接到读取命令时，FIFO3和FIFO4在CPLD1和CPLD2的控制下通过乒乓读写的方式将连续数据流分成一定大小的数据流。具体分流方法如图5所示。在存储操作中，CPLD1控制FIFO3和FIFO4的数据读取端，CPLD2控制FIFO3和FIFO4的数据写入端。首先，外部数据流被写入FIFO3中，当FIFO3满时，CPLD2控制外部数据流写入FIFO4中，同时FIFO3中的数据在CPLD1的控制下读出，CPLD2按照流水操作的顺序依次打开开关电路，使对应的存储板中的数据依次进入到FIFO3中。每当FIFO3/FIFO4被写满时，CPLD2立即检查FIFO4/FIFO3是否已经被读空，如果是，则开始写入数据，如果否则等待。每当FIFO3/FIFO4被读空时，CPLD1立即检查FIFO4/FIFO3是否被写满，如果是，则开始读，如果否则等待。

如图6所示，是本发明的存储板电路框图。在存储板中也包括两个FIFO：FIFO1和FIFO2。包括两个CPLD：CPLD1和CPLD2，还包括一个开关器件。其中CPLD1负责对外接口。CPLD2负责对闪存阵列进行并行和流水读写操作。当用户需要存储的数据量不大，要求的操作速度不高时，该存储板可以被单独使用。这时，CPLD2控制开关器件关闭，同时控制FIFO1进行数据存储缓冲，控制FIFO2进行数据读取缓冲。当该存储板与底板共同使用是，CPLD2控制开关器件打开，同时关闭FIFO1和FIFO2。

存储板中包含的SRAM主要是对闪存阵列进行坏块表整理以及地址映射之用。

CPLD2控制闪存阵列进行流水读写操作。图6中所示为要求总线宽度为32位时的连接图。4个闪存芯片被当作一个小存储单元，统一进行读写操作。当一块存储板上有N个存储单元时，流水操作的顺序为：1，2…N。

Claims (15)

1.一种可以扩展的高速数据读写的固态盘，其特征在于：以闪存芯片为基本存储介质，将固态盘结构分成两个部分：底板和存储板，底板为一块，起到将高速的数据流分成一定大小的数据流的作用，存储板可以有多块，起到数据存储的作用。

2.如权利要求1所述的可以扩展的高速数据读写的固态盘，其特征在于：用户可以根据需要在底板上连接相应数量的存储板，连接的存储板越多，整个固态盘的数据存储容量越大，操作速度越快。

3.如权利要求1所述的可以扩展的高速数据读写的固态盘，其特征在于：底板依靠用两片CPLD芯片控制四片FIFO芯片的乒乓读写操作来实现数据的高速分流，这四片FIFO芯片两两为一组，一组负责数据写入的乒乓操作，一组负责数据读取的乒乓操作，两片CPLD一片负责对外的接口，一片负责对底板中开关器件的流水控制。

4.如权利要求1或3所述的可以扩展的高速数据读写的固态盘，其特征在于：在数据存储操作中，第一组FIFO起作用，两片CPLD中一片控制这一组FIFO的数据读出端，一片控制这一组FIFO的数据写入端。

5.一种可扩展的高速数据读写固态盘方法，其特征在于：所述的数据写入操作步骤为：

a.第一片CPLD控制第一片FIFO写入数据；

b.第一片FIFO写满，第二片CPLD开始读取第一片FIFO中的数据，同时第一片CPLD检测第二片FIFO是否为空，如果是则进入步骤c，否则等待；

c.第一片CPLD控制第二片FIFO写入数据，同时，第二片CPLD读取第一片FIFO中的数据，如果这时第一片FIFO中的数据全部读出，显示为空，则进入步骤d；

d.第二片CPLD检测第二片FIFO是否写满，如果是则进入步骤e，如果否则等待；

e.第二片FIFO写满，第一片CPLD检测第一片FIFO是否为空，如果是，则进入步骤f，否则等待，同时第二片CPLD开始控制读出第二片FIFO中的数据；

f.第一片CPLD控制第一片FIFO写入数据，同时第二片CPLD正在读出第二片FIFO中的数据；

g.第一片FIFO写满，第一片CPLD开始检测第二片FIFO是否为空，如果是则进入步骤c，否则等待。

6.如权利要求5所述的可以扩展的高速数据读写的固态盘方法，其特征在于：在数据写入的操作中，第二片CPLD在从第一组FIFO中读出数据的同时，控制底板中的多个开关器件按照流水顺序依次打开，具体的打开顺序是每当一个FIFO读完，开始换另一个FIFO继续读时，就关闭上一个开关器件，打开下一个，这样就使数据流按照流水顺序进入到对应的存储板中，假设共有3个存储板与底板相连，则其操作步骤为：

h.读第一片FIFO，打开存储板1对应的开关器件1；

i.读第二片FIFO，打开存储板1对应的开关器件2，关闭1；

j.读第一片FIFO，打开存储板1对应的开关器件3，关闭2；

k.读第二片FIFO，打开存储板1对应的开关器件1，关闭3。

7.如权利要求5或6所述的可以扩展的高速数据读写的固态盘方法，其特征在于：在数据读取的操作中，第二组FIFO起作用，两片CPLD中一片控制这一组FIFO的数据读出端，一片控制这一组FIFO的数据写入端。

8.如权利要求5或6所述的可以扩展的高速数据读写的固态盘方法，其特征在于：所述的数据读取操作步骤为：

a)第二片CPLD控制第一片FIFO写入数据；

b)第一片FIFO写满，第一片CPLD开始读取第一片FIFO中的数据，同时第二片CPLD检测第二片FIFO是否为空，如果是则进入步骤c，否则等待；

c)第二片CPLD控制第二片FIFO写入数据，同时，第一片CPLD读取第一片FIFO中的数据，如果这时第一片FIFO中的数据全部读出，显示为空，则进入步骤d；

d)第一片CPLD检测第二片FIFO是否写满，如果是则进入步骤e，如果否则等待；

e)第二片FIFO写满，第二片CPLD检测第一片FIFO是否为空，如果是，则进入步骤f，否则等待，同时第一片CPLD开始控制读出第二片FIFO中的数据；

f)第二片CPLD控制第一片FIFO写入数据，同时第一片CPLD正在读出第二片FIFO中的数据；

g)第一片FIFO写满，第二片CPLD开始检测第二片FIFO是否为空，如果是则进入步骤c，否则等待。

9.如权利要求1或3或7或8所述的可以扩展的高速数据读写的固态盘方法，其特征在于：在数据读取的操作中，第二片CPLD在向第二组FIFO中写入数据的同时，控制底板中的多个开关器件按照流水顺序依次打开，具体的打开顺序是每当一个FIFO写完，开始换另一个FIFO继续写时，就关闭上一个开关器件，打开下一个，这样就使数据流按照流水顺序进入到对应的FIFO中，假设共有3个存储板与底板相连，则其操作步骤为：

a)写第一片FIFO，打开存储板1对应的开关器件1；

b)写第二片FIFO，打开存储板1对应的开关器件2，关闭1；

c)写第一片FIFO，打开存储板1对应的开关器件3，关闭2；

d)写第二片FIFO，打开存储板1对应的开关器件1，关闭3。

10.如权利要求5所述的可以扩展的高速数据读写的固态盘方法，其特征在于：存储板中包括两块CPLD，一块实现与底板相连的接口功能，另一块实现对闪存阵列的并行以及流水读写和擦除操作，存储板中还包括有两个FIFO器件和一个开关器件。

11.如权利要求5所述的可以扩展的高速数据读写的固态盘方法，其特征在于：存储板中的两个FIFO器件一个负责数据写入缓冲，一个负责数据读出缓冲，存储板可以脱离底板单独使用，当单独使用时，CPLD关闭两个FIFO，打开开关器件即可。

12.如权利要求5所述的可以扩展的高速数据读写的固态盘方法，其特征在于：当经过了底板分流的小数据流进入到底板中时，底板中的CPLD负责将这个小数据存储到闪存阵列中，存储采用并行与流水向结合的操作。

13.如权利要求12所述的可以扩展的高速数据读写的固态盘方法，其特征在于：在存储板中将若干个闪存芯片组成一个小的存储单元，对它们进行统一读，写和擦除操作，这样，就可以满足不同的用户对数据总线宽度的要求，例如：闪存芯片的数据总线宽度为8位，如果用户需要32位的数据总线，则将4个闪存芯片组成一个存储单元即可，在具体操作中，由于是对多个闪存芯片同时并行操作，故操作速度会有所提升。

14.如权利要求12或13所述的可以扩展的高速数据读写的固态盘方法，其特征在于：在存储板中存在多个存储单元，CPLD控制对这些存储单元进行流水操作，由于闪存芯片的读写操作以页为单位，故每次只读写一个存储单元的一页数据，然后换另一个存储单元继续读写，假设有4个存储单元，则其具体的操作步骤为：

a)对存储单元1的第一页读写；

b)对存储单元2的第一页读写；

c)对存储单元3的第一页读写；

d)对存储单元4的第一页读写；

e)对存储单元1的第二页读写。

15.如权利要求5所述的可以扩展的高速数据读写的固态盘方法，其特征在于：在存储板中，放置了一个SRAM用来对闪存芯片进行坏块表管理，主要是进行坏块表地址临时存放。

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