多通道固态存储测试系统的设计和实现

多通道固态存储测试系统的设计和实现

许智鑫

深圳市硅格半导体有限公司  深圳   518000

【摘要】传统硬盘因存在机械运行部件，导致功率大抗震性能查。固态盘拥有高性能等诸多优点，是传统硬盘的理想替代品。随着Flash应用技术的改进，单通道闪存设备接口带宽不能满足用户的要求。采用固态存储设备多通道设计，有效提高固态存储设备读写带宽。介绍基于AT89S52单片机构成大容量存储测试系统设计，使用普通U盘为存储设备存储MTX传感器采集大量多参数数据，配备软件方便与计算机数据交换，给出设计调试结果证明系统方案可行性。

【关键词】存储系统；大容量；设计测试

  近年来计算机技术迅速发展，人们对数据存储要求不断提高。高安全性，低噪音成为选择存储设备的基本要求。传统机械硬盘由于物理特性局限性，导致抗震性等方面难以满足要求。SSD具有存取速度快，重量轻等多项优点，成为存储设备发展的必然趋势。NAND闪存技术具有节能抗震等优点，通过设计固态盘多通道存储系统，可以摒弃传统硬盘机械部分。存储测试技术是特殊环境下完成运动体工况参数测试的有效手段，随着测试时间的增加加大记录信息量，存储容量成为记录中需要解决的问题。传统测试发生数据漏采现象，本文介绍大容量存储测试系统，用户可根据需要调整存储容量，测试系统存储模块具有通用性。

1. 固态硬盘多通道存储系统

  随着信息技术的发展，多媒体普遍应用产生空前数据量，目前普遍采用局部性原理分析技术构造存储器层次结构，局部原理是基于不同速度的存储器层次结构理论依据，多级存储器层次结构按容量分层组织，提供存储系统具有最快层次存储器访问速度。随着处理器性能的提高，存储器层次结构重要性不断增加【1】。寄存器与CPU同频率可提供与处理器速度相当的存取速度，新出现DDR3SDRAM技术使得内存频率达2133MHz。

   随着内存DDR3 SDRAM技术的发展，存储系统中输入设备速度差异明显。广泛应用于数码产品的闪存技术迅速发展，时延比传统硬盘快100-1000倍，闪存具有读取数据快等优点，硬盘在存储系统中占据重要地位，传统硬盘存储容量增长缓慢，NAND闪存具有耗电量低，速度快等优点【2】。根据闪存内部物理构造不同芯片分为NAND与NOR Flash，NAND Flash技术由日本公司研制，具有独立的地址线与数据线，随机读取速度快可靠性高，适合频繁随机读写的场合，NAND Flash相比NOR成本低容量大，单位成本效益高，高密度NAND Flash适用于大容量数据存储。NAND闪存分为SLC单层式与MLC多层式储存，SLC存储单元存放二进制值由不同阈值电压区分，MLC存储单元可表示不同值，MLC闪存价格低但性能较差。

  SLC不同状态间隔大，写入要求高的业务可采用单层存储固态盘。MLC可提供更大的存储容量，SLC用于工业军事领域，SLC单颗粒容量通常为16-32Gb。大容量存储器件NAND Flash芯片电源电压范围为1.7-3.6V【3】。K9K8G080A闪存快有64个页，后64字节用于存放元数据信息，空闲区信息包括业内数据的ECC校验和与其他信息系统。NAND闪存存储以块为单位，基本读写操作以页为单位，闪存读写操作代价不同，SAMSUNG公司K9K8G08U0A闪存芯片读写操作需25μs,固态盘页为数据读写最小单位，读操作将数据存储介质读入2KB数据寄存器需25μs。数据从总线送到寄存器需要50μs,闪存擦除是放电过程，编程是充电过程。擦除操作比读写开销大需1.5ms。

2. 多通道固态硬盘存储系统技术

 SLC Flash每块擦除次数有限，Fashion寿命有限应确保每块均匀擦除，闪存器件将原始部分呈现给操作系统，大多数闪存器件通过管理层可估计剩余寿命。SSD泛指使用NAND Flash组成固态盘，SSD必须包含主机接口逻辑支持某些形式物理接口连接，主机接口发展趋势是高速串行代替传统并行传输，SATA等并行接口取代PCI等，主机互联带宽制约系统的性能。SSD包含固态盘控制器与闪存芯片【4】。固态盘控制器包含buffer管理等部分。处理器用于处理请求流到Flash物理地址的映射。

  Flash控制器可发出指令，控制Flash基本操作。微处理器与Flash控制器可在ASIC上实现，采用Flash芯片多SSD控制复杂。我国固态盘产业滞后，工业界提出很多关于通道闪存设备的设计思想，闪存芯片采用位扩展方式导致地址转换机制复杂。多通道同时执行主机指令进行操作，读出数据面临如何组织等问题。国内现有学术研究集中于Flash Translation Layer层次，很多文献讨论早期闪存应用相关技术，但固态盘对容量要求高很多算法不适用。一些文章提出利用多通道提高闪存设备并行性思想，如将写入请求分散在多个way固定分配方法导致不同颗粒擦除次数不同。最好的分配方式应是随机根据请求类型分配。高速大容量固态盘是发展趋势，多通道利用是提高性能的关键研究热点，设计基于页映射可充分利用固态盘系统软件。

 Flash读写延迟导致单片Flash读写速度低，由于MLC Flash出现接口带宽受限问题严重。随着Flash应用技术的改进单通道闪存设备接口带宽不能满足用户的要求，多通道闪存设备优点是可为多通道同时操作，SSD性能依赖于架构设计与软件管理策略。固态盘是软硬件组成，存储系统是典型的嵌入式系统，体系架构为无操作系统情况。固态盘存储系统包括存储器与FPGA等，软硬件层间为中间层，使系统底层驱动程序与硬件无关。嵌入式系统中社保驱动程序必不可少，软件层可方便使用系统原来库与底层硬件通讯，设计上下层程序软件层次方便软硬件设计人员并行开展工作，HAL层功能是将对硬件I/O访问封装。如HAL提供pageread函数，上层不关心读操作具体工作过程。

3. 大容量存储系统设计实现

高速数据采集与存储设备在图像处理等领域应用广泛，对后端数据存储系统容量提出很高的要求。传统存储器由于物理特性发展缓慢，基于Flash的固态存储系统由于功耗低等优势成为高速存储的主流方案【5】。有研究提出高性能多通道固态存储方案，硬件上提高系统的数据传输带宽，但方案未从FTL层面提高系统存储性能。本文设计实现多通道并行固态存储系统，提出高速多通道并行存储架构。图1 系统框架图。

                  图1 系统框架图     

  大容量存储系统包括数据采集与再现模块，大容量存储测试关键部分为存储模块部分，采用U盘为数据存储介质，新型移动存储U盘具有体积小等特点，系统采用CH375芯片的USB主控功能，使用单独单片机完成U盘读写。系统上电后查询是否正常，初始化串口等待接收A单片机数据，利用CH375芯片的USB HOST功能，将512B数据存储于U盘，重复操作完成测试。系统采用低功耗CMOS8位控制器AT89S52为控制器，单片机具有3个16位定时器，全双工UART串行通道。单片机对U盘进行数读写必须以页为单位，系统扩展RAM采用32KB×8位28引脚静态读写存储器62256，通过控制62256的WE实现D0-D7状态控制。CH375内置固件处理海量存储设备通信协议，采用CH375模块利用接插口连接。

 AT89S52控制U盘完成大量数据存储是下位机软件设计关键部分，采用节省存储器容量二进制文件格式，必须通过单片机与CH375通信。程序支持文件新建等功能，单片机与U盘操作包括对FAT文件系统操作。存储测试后将U盘BIN文件中的数据处理。软件在VC++6.0平台采用MFC编程建立程序，使用类包括CDialogDIG,CLogDialog等。按设计方案完成系统软硬件调试，通过比较系统静止与加速度曲线，符合预期实验目的。测试设计系统并行存储性能，选用测试工具PCMark05模拟PC环境下典型负载，WindowsXP启动负载是模拟启动读写请求，应用程序装载模拟主机在装载应用程序读写请求，文件读写模拟为主机写入800MB文件读写请求。测试表明设计储存架构提高系统存储性能。

结语

固态存储器是半导体器件中的重要部分，随着集成电路的快速发展，现有存储器向大容量方向发展。更小面积的晶体管为存储器带来新的机遇与挑战，存储器是电子系统的重要部分，故障会导致灾难性后果，使用存储器前进行测试非常重要。随着NAND Flash固态存储技术的成熟，相应体积成本不断减小。本文提出多通道并行存储框架，硬件架构可提高系统并行操作度，FPGA具有灵活等特点。系统使用清华紫光等U盘进行测试，实验表明系统可完成大量数据存储与再现，有利于扩大存储测试系统的应用领域。

参考文献

[1]李张倩,马银鸿洪应平,刘文怡,熊继军,张会新. 多通道固态存储器测试系统设计与研究[J]. 电子测量技术,2021,44(09):158-162.

[2]郑万斌. 基于虚拟仪器技术的大容量数据处理软件的关键技术研究[D].中北大学,2020.

[3周玉山. 基于FPGA的多通道SATA接口设计与实现[D]. 陕西:西安电子科技大学,2017.

[4]陈妍霖. 固态存储阵列的多通道I/O优化研究[D]. 黑龙江:黑龙江大学,2020.

[5]陈福丽. 面向多核的高可扩展NVM存储系统[D]. 江苏:江苏大学,2021.