基于SOPC的多通道NAND FLASH控制器设计与实现

摘要

SSD即固态硬盘是由主控单元、固态存储单元（DRAM或FLASH芯片）组成的硬盘，其在结构上完全摒弃了传统硬盘的机械式结构，使用闪存或DRAM作为存储数据的介质，拥有传统硬盘所不具备的优点，存储性能极高，在存储技术领域具有巨大的发展潜力。
　　SSD主控单元在SSD中起着至关重要的作用，性能优异的SSD主控单元是整个SSD系统的灵魂，其主要包括主机接口模块、数据缓存模块、闪存接口模块等。本文的主要内容是其中闪存接口模块的设计即NANDFLASH控制器的设计，其支持LegacySDR和ToggleDDR两种标准，并可构成多通道架构实现对闪存阵列的控制。
　　作者对应用于SSD主控的NANDFLASH控制器进行了合理的结构设计和模块划分，包括寄存器组、缓存模块、闪存SDR接口模块、闪存DDR接口模块及ECC检错纠错模块等。论文主要工作包括两个接口模块的状态机设计、控制器的DMA支持、NIOSⅡ处理器中的底层驱动程序设计及多通道管理等。该控制器作为挂在Avalon总线上的自定义组件来使用，一个控制器即为一个通道，多个控制器即可实现多通道结构，可以在CPU的控制下实现单通道内的流水线操作和多通道间的并行操作。本设计只需修改相应参数即可支持不同页大小的FLASH器件。
　　整个设计基于SOPC系统设计实现，在QuartusⅡ中进行硬件设计，在NIOSEclipse环境下进行软件驱动程序设计。单个NANDFLASH控制器耗费1980个FPGA逻辑单元。在ModelSim中对单通道单片FLASH进行的仿真结果是写性能为5.77MB/s，读性能为18.8MB/s，单通道4级流水线仿真结果是写性能16.43MB/s，读性能32.12MB/s，N通道可近似实现N倍于单通道的读写性能。本设计可广泛应用于固态硬盘等大容量高速FLASH存储系统，具有广阔的应用前景。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 发展现状及趋势

1．3 论文结构

第二章 NAND FLASH结构和操作方法

2．1 NAND FLASH物理结构

2．2 NAND FLASH接口定义

2．3 NAND FLASH操作方法和时序

2．4 Toggle DDR标准及操作方法

2．5 本章小结

第三章 多通道NAND FLASH控制器设计与实现

3．1 多通道NAND FLASH控制器的整体框架

3．2 单通道NAND FLASH控制器的设计与实现

3．2．1 寄存器组(Registers)

3．2．2 缓存模块(Buffer)

3．2．3 Legacy SDR接口模块(NFI_Legacy)

3．2．4 Toggle DDR接口模块(NFI_Toggle)

3．3 SOPC系统搭建

3．4 NAND FLASH控制器软件驱动设计

3．5 NAND FLASH控制器的DNA支持

3．6 多通道管理的实现

3．7 本章小节

第四章 仿真与测试

4．1 Legacy SDR Nand Flash的仿真与测试

4．1．1 仿真

4．1．2 板级调试

4．2 Toggle DDR Nand Flash的仿真

4．3 多通道、流水线操作的仿真

4．4 本章小结

第五章 论文总结与展望

参考文献

附录

致谢