一种基于软件定义的使其具备相应性能的一种基于固态电子存储芯片阵列从而制成的硬盘的方法及结论

摘 要

在现在的软件应用领域中, 经常需要用到高速大容量的数据存储系统 。目前 , 绝大多数存储系统都采用传统机械硬盘作为存储器 , 而传统机械硬盘的机械结构正是导致其存在存取数据慢 、 工作不稳定、 功耗大等诸多缺点的最大因素 。所以有人提出了固态硬盘的概念 。它是一种以半导体芯片作为存储介质的存储器 。由于不包含机械部件 , 它的存取速度较传统机械硬盘有了很大的提高 。同时 , 近几年来半导体器件的高速发展 , 使得固态硬盘具有了更广泛的应用前景 。虽然目前市场上已出现了多数固态硬盘产品, 其速度和容量也都比较可观 ,但对大量数据作长时间连续存储时仍无法做到高速存储注1。本设计采用二次开发, 以并行方式定义存储阵列 , 并利用流水线存储操作 , 实现了对 芯片阵列的数据高速连续写入注2 , 从而提高了硬盘的平均写入速度 。同时 , 本设计还具有良好的灵活性和可扩展性注3 , 可适应日益增长的对存储容量的需求。本文章主要研究内容包括对系统的整体方案进行论证 进行系统的硬件电路设计以及相关软件的设计及调试 。

整体方案分析

高速大容量固态硬盘的需求分析

传统硬盘和普通的固态硬盘由于存在数据写入介质速度较慢的瓶颈 , 平均存储速度在40MB/s 到80MB/s 之间。为了满足高速数据采集的需要 , 要求设计的固态硬盘的平均存储速度至少达到300MB/s 。在后期处理时为了与机兼容仍然采用通过sata接口协议制定数据传输接口标准 , 在文件的存储管理方面采取如今比较成熟的 文件管理系统 。为了避免存储器的应用中极可能出现的容量不够的情况 , 要求本存储系统具有可扩展性注3 。针对以上要求 , 提出了系统的总体设计方案

几种常用存储器结构的比较

由于 NAND 闪存具有非易失性、低待机功耗、高密度和抗冲击性等优点,而被广泛应用于嵌入式系统中。巨大的商业前景又促进了 NAND 闪存技术的快速发展,最新型QLC(Four l Level Cell)以及流行型的TLC(Triple Level Cell) TLC的NAND闪存的存储密度是传统SLC(Single Level Cell)NAND 闪存的 3 倍,是 MLC(Multi Level Cell)NAND 闪存的 1.5 倍,且成本较为低廉, 逐渐成为主流的 NAND 闪存存储介质。然而,与传统闪存相比,TLC NAND 闪存也有明显的不足,比如:读取/写入延迟高和耐久性低。这些都将成为基于 TLC NAND 闪存的嵌入式系统的性能瓶颈。

NAND 闪存的原理

闪存(Flash Memory)有由日本东芝公司于 20 世纪 80 年代发明,并发表在当年的 IDEM(International Electron Devices Meeting)上。NAND 闪存是闪存的一种,近来,NAND 闪存以其非易失性、较快的访问速度、耐冲击和低能耗等优越性,被广泛应用于嵌入式设备中:如数码照相机,手机以及SSD(solid state disk,固态硬盘)等 。NAND 闪存和磁盘都具有非易失性的特征,即在断电后,仍然可以保存数据,计算机在访问传统磁盘时,磁头需要在磁盘上做机械运动,而在访问闪存则不需要,所以计算机对闪存的访问速度更快。

展示了 NAND 闪存的存储原理 。NAND 闪存的存储单元主要由浮栅、控制栅、源、漏端、P 型衬底和隧穿氧化层组成。NAND 闪存中是以浮栅中存储的电荷在表示数据,由于浮栅周围氧化层的存在,使得电子无法逃逸,这便使得 NAND 闪存非易失性的来源。当进行数据写入操作时,闪存在控制栅上施加一个正极高电压,在氧化层周围会产生一个较强的电场,沟道中的电子在电场的作用下穿过氧化层进入浮栅。当正极高电压消失后,由于浮栅周围氧化层的存在,电子便被保存下来;当进行数据擦除操作时,闪存在控制栅上施加一个负极高电压,同样在强电场的作用下,浮栅中的电子将通过氧化层回到 P 型衬底;当进行数据读取操作时,闪存在控制栅施加一个偏置电压,如果浮栅中存有大量电子时,此时源漏电流为 0,即闪存的状态为“0”;如果浮栅中几乎没有电子时。此时源漏电流不为 0,即闪存的状态为“1”。由于偏置电压很小,不能改变浮栅中原有的电荷量,所以读取操作不会闪存的状态。

注释

1.高速的定义是以一种趋近于平整的速度曲线,且不应低于该接口上限速度的50%。

2.高速写入是指按照20M的块文件写入,且不应低于该接口上限速度的50%。

3.拓展性是指固态硬盘将保留至少2位的焊接口数量,且保证焊接口的数量是2的倍数。

 

好了,我编不下去了,正文开始吧

2019/11/01

2020/02/24修订英文

第一次制作

第一版

第二次修订

主板:SMI2256k带512m缓存

颗粒:H27QFGDPEM5R 海力士64G颗粒

图1:颗粒信息图

2256k短接图

本次采用8贴颗粒

贴f1/f2 f9/f10 f5/f6 f13/f14

短接ce为

短接1/3/5/7

Ce数为单颗4ce*8颗共32ce,符合2256K ce数支持数量

配置图

英文翻译

Don't Reference and Skip Original Bad

不要引用并跳过原始错误(屏蔽坏块)

reference run time bad

参考运行时间错误(参考原坏块数)

Don't Reference Original Bad

不要引用原始的坏块

Reference Original Bad

参考原始错误

chk pre test fail

该错误有可能跟屏蔽了坏块之后容量变小有关系,可参考capacity setting来判断

 

开卡成功

 

 

 

 

 

 

 

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