基于闪存的星载大容量存储器的研究和实现

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。

２ 闪存构成星载大容量存储器的系统实现方案２．１ 系统的组成

该实现方案将上述关键问题的解决方法融合进来，系统由存储区模块、接口模块、数据缓冲模块及主控模块四部分组成，系统原理图如图３所示。

２．１．１ 存储区模块

为了实现并行和流水技术，整个存储区模块按如下方式构成：由４片Ｋ９Ｋ１Ｇ０８Ｕ０Ｍ型三星闪存芯片组成一个子模块，８个子模块组成８级流水的大模块，而这个大模块即是整个存储区，其总容量为３２Ｇｂｉｔ。无效块备份的冗余区可以设在每个子模块内部，即从子模块的每块芯片中预留出一部分空间。这种模块化管理的方式既便于系统扩展，又可以在不影响系统正常工作的情况下旁路已损坏的存储块。

２．１．２ 接口模块

系统与外部的接口有两个。一是与ＣＰＵ的接口，主要完成系统的初始化、外部命令和地址的输入以及内部状态参数的输出，同时ＣＰＵ 还要对存储区完成管理：无效块的管理、地址的译码和映射等；二是与外部高速数据源的接口，主要完成外部高速数据的接收和发送。这里选用了１３９４高速总线作为数据源总线。

２．１．３ 数据缓冲模块

这一模块包括数据输入ＦＩＦＯ、数据输出ＦＩＦＯ和一个作为数据备份的ＳＲＡＭ。由于闪存的写入速度比较慢，如果没有数据缓冲区，外部的高速数据很有可能会丢失，而且数据回放时也需要一个缓冲区使内外的数据率匹配。考虑到编程出错时需要重新加载数据，按照流水线的工作方式，如果不进行数据备份，可能会出现出错时的数据丢失，因此选用了一个ＳＲＡＭ进行数据备份。当将输入ＦＩＦＯ的数据写入ＦＬＡＳＨ时，同时也将数据写入到ＳＲＡＭ进行备份；当需要重新编程时，再从ＳＲＡＭ中将相应的备份数据重新写入ＦＬＡＳＨ。

２．１．４ 主控模块

这一模块完成整个存储器系统的内部控制，是核心控制机构，连接着存储区、数据缓冲以及外部接口三个模块，完成它们之间的数据、命令、地址、状态的相互传递、转换和处理。主控模块又分为三个子模块，即存储区控制子模块、存储区数据子模块和１３９４接口控制子模块，分别由三片ＦＰＧＡ(现场可编程逻辑阵列)完成。