NAND Flash算法验证平台研制

摘要

NAND Flash存储器因具有速度快、体积小、存储容量大、抗振动性能强等优点得到了大范围应用。但由于NAND Flash具有不能连续寻址、先擦后写和存在坏块等缺陷，使得已有的磁盘管理方法不再适用于 NAND Flash存储器，广大研究者一直致力于寻求能快速解决NAND Flash存储问题的方法。目前NAND Flash管理算法评估还没有统一的验证平台，亟需设计一款简单通用的平台对管理算法进行直观评估。本文深入分析NAND Flash操作特性和管理算法的研究方向后，基于 Xilinx公司全可编程的Zynq-7000 Soc研制了一款软、硬件结合的NAND Flash管理算法验证平台。
　　在硬件方面，利用 Zynq内嵌的PL（Programmable Logic，PL）实现了NAND Flash控制器、数据传输主控模块，数据错误引入模块和坏块管理模块等。其中，NAND Flash控制器采用双乒乓缓存以提升数据写入速度；数据传输主控模块一方面采用AXI GP接口实现了PS（Processing System，PS）应用程序对其的控制功能，另一方面采用AXI HP接口实现了AXI DMA以完成PS和PL间的高速数据传输；数据错误引入模块通过 AXI GP接口获取 PS给出的错误位置，并能在NAND Flash页编程时实现相应的位翻转功能；坏块管理模块除实现正常读、写、擦除失败产生的坏块标记和重映射外，还利用 Xilinx的HLS工具实现了BCH纠错算法来发现数据出错的坏块并标记与重映射。
　　在 PS设计方面，通过移植实时系统 FreeRTOS对应用程序进行管理，并利用 Zynq内嵌的USB控制器实现了USB大容量存储协议以将多种文件系统引入验证平台，同时通过移植LwIP TCP/IP协议栈实现了千兆以太网的传输，完成算法性能分析时必要数据的快速上传。最后，本文利用 PS实现了经典的页映射算法、FAST等 FTL算法以作为其它 FTL算法的参考基准，并可为验证数据压缩等高级算法提供运行环境。此外，为弥补商业软件的不足，设计了测试软件对NAND Flash管理算法的常用指标进行评估。
　　系统测试表明，研制的NAND Flash算法验证平台能够实现对NAND Flash管理算法的有效验证，并可给出直观的评估结果，满足设计要求。

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第1章 绪论

1.1课题的来源及研究目的和意义

1.2国内外研究现状和分析

1.3主要研究内容及论文结构

第2章 算法验证平台总体方案设计

2.1 NAND Flash管理算法验证平台需求

2.2总体方案设计

2.3详细方案论证

2.4本章小结

第3章 Zynq PL设计与验证

3.1 FPGA设计流程

3.2 AXI总线简介

3.3 FPGA逻辑总体框架

3.4数据传输主控模块设计与验证

3.5 NAND Flash 主控制器设计与验证

3.6数据缓存机制设计

3.7数据错误引入模块设计

3.8坏块管理实现

3.9本章小结

第4章 Zynq PS固件设计

4.1 PS应用程序总体设计

4.2 USB存储设备设计

4.3驱动程序设计

4.4千兆以太网通讯实现

4.5本章小结

第5章 系统测试及实验验证

5.1系统测试

5.2 FTL算法验证

5.3本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其它成果

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