用NiosII搭建的固态盘设备系统

　　引言

　　随着电子技术的发展，人们不断地追求更好的新型存储设备。目前海量存储领域中的主流产品非硬盘莫属，而固态盘则被认为是一种最有可能取代硬盘的全新解决方案。与硬盘相比，其主要的优势在于能够达到更高速度、更小体积、更低功耗、更小噪声、更高可靠性，同时与硬盘一样使用方便。

　　广义上讲，固态盘设备包括所有使用半导体芯片作为存储介质的存储设备，例如使用动态RAM存储数据的某些特定设备，或是CF/SD/MMC卡等同样使用闪存存储数据但使用了其他接口的存储设备；但狭义上讲，固态盘仅指使用NAND型闪存存储数据，使用ATA/SATA/SCSI等接口，在行为上与硬盘完全一致的存储器。在下文中，固态盘一词仅指狭义上的固态盘。本文介绍的是一种使用ATA接口的固态盘的实现方法。

　　1 系统设计

　　系统对外的主要功能是通过ATA接口完成数据的读/写，与NAND型闪存芯片间的数据交换是通过缓存来完成的，对闪存芯片的读/写操作由系统内部完成。

　　ATA协议中含有专门针对闪存而设计的CFA指令部分，包含了闪存擦写等指令内容，CF（Compact Flash）卡即使用了该命令集；而普通硬盘使用的ATA接口一般不使用该命令集，操作中只涉及数据的读/写操作和一些辅助特性的设置。因此在固态盘设计中不能利用CFA指令将ATA接口直接转接至闪存接口，必须在系统内部自动处理与闪存相关的操作，即通过系统的内部处理向上隐藏这一操作细节。

　　可以在系统中通过数据缓存来把ATA端操作和闪存端操作分离开来，这样就可以方便地解决传输协议的转换和管理问题。基于这种设计思路，综合考虑闪存的管理、与ATA协议的衔接等问题，可以将实现系统时的主要问题归结为如下两个方面：

　　① 数据缓存管理，主要面对与主机端数据交换如何发生的问题，包括缓存数据的建立、查询、维护、失效、销毁等问题。

　　② 数据存储管理，主要面对数据在闪存中的物理存储问题，包括均衡磨损、坏块映射等问题。

　　由此得到的系统逻辑结构框图如图1所示。

图1 固态盘设备系统逻辑结构框图

　　在具体的实现中，系统使用独立的硬件接口完成ATA接口控制和NAND型闪存控制；使用大容量SDRAM芯片作为数据缓存，由Nios处理器负责调度数据流；使用Avalon总线连接所有模块，提供快速响应的控制连接和高带宽的数据连接。

　　在Nios上运行的软件负责所有组件的控制。由于需要确保响应时间，软件中不使用包括实时操作系统在内的任何嵌入式操作系统，所有软件直接贴近硬件事件设计，重要事件采用中断响应，普通事件采用轮询响应。

　　2 系统硬件设计

　　系统采用SOPC的设计方式，使得硬件系统获得相当高的灵活度；而将所有控制逻辑集成在一个FPGA内部的设计方法，在增强了系统可靠性的同时，也降低了对外部板级电路的设计要求。系统除FPGA芯片以外，还使用了数据存储用NAND型闪存芯片、缓存用SDRAM、ATA接口连线以及Nios程序的代码存储/运行的相关芯片。

　　2.1 Nios系统简介

　　一个基于Nios的SOPC系统主要包括Nios处理器、Avalon总线结构和其他通过总线互连的组件模块。

　　Nios处理器主要分为两代，即Nios处理器和NiosII处理器。现在广泛使用的是NiosII处理器，下文均是针对NiosII处理器。最新的Avalon总线标准是一套拥有AvalonMM和AvalonST两套分支标准的SOPC总线规范。下文中Avalon总线一词泛指这两套规范。在Altera提出的SOPC设计概念当中，两者将分别用于不同的数据应用，因此两者的基本结构差异很大：AvalonMM接口是一套互联式总线接口，主要用于多节点的互联；而AvalonST接口是一种单向点对点的接口，主要用于单向高速数据流的传输。在SOPC设计中，可以针对不同需求将二者结合起来使用，以提高设计的工作性能。由于AvalonST接口是最近刚刚提出的，目前广泛使用的是AvalonMM接口，在一般设计中，完全能够提供足够的传输带宽。

　　2.2 硬件平台结构

　　硬件系统即FPGA内部基于NiosII处理器的SOPC系统，包括ATA控制器、NAND型闪存控制器、DMA控制器、2个SDRAM控制器、CFI接口闪存控制器以及其他辅助组件等，其结构框图如图2所示。

图2 固态盘设备硬件系统结构

　　在该结构中，使用一块SDRAM作为NiosII处理器的程序运行空间，使用一块CFI接口的闪存作为NiosII处理器的软件代码的存储空间，其他I/O和其他组件包括了定时器、调试端口以及用于显示系统状态的PIO端口等。总线DMA控制器用于完成NAND型闪存与缓存空间之间的数据交换。ATA控制器则负责ATA接口的实现，并根据配置参数利用自带的DMA控制器直接完成与缓存之间的数据交换。NiosII处理器通过控制总线DMA控制器和ATA控制器来管理整个系统的数据流，实现灵活的管理策略。