Flash阵列的高速存储及可靠性设计

摘要

　　在图像数据采集中，存储体系需要满足对图像数据持续高速存储的要求。针对某图像信息处理器的性能测试需求，开发了图像数据的高速并行化存储体系。为实现图像数据的大容量、高速、高可靠、低功耗的存储需求,本文致力于研究一种图像数据高速存储方法，并对高速存储涉及的高可靠低功耗进行了深入研究。

　　首先，为了实现 200 MB/s 的持续存储速度，借鉴流水线和并行扩展的思路，设计了一种结构为 5×8 的 Flash 存储阵列。以状态机实现通道内和通道间的流水线设计，通过双流水线形式的并行工作模式，充分发挥每一片 NAND Flash 的存储性能以实现图像数据的持续高速存储。

　　其次，在可靠性方面，针对 Flash 阵列的无效块管理问题，提出了两种无效块管理方案，并分析了两种无效块管理方案的优缺点，选择了基于组合块理念的无效块管理方案；同时，为了解决突发无效块对高速存储的影响，设计了滞后重写机制。另外，针对Flash 芯片单比特翻转造成的数据误码，提出了双缓存交替的汉明码纠错方案，该方案在不影响数据读取速度的情况下，有效避免了 Flash 的单比特误码的产生。

　　最后，为了降低 FPGA 功耗，减少芯片发热，提出了一种程序低功耗优化方法，采用这种设计方法可以大幅减小内部的逻辑资源、布线资源的使用,从而达到降低动态功耗，提高 FPGA 程序运行可靠性的目的。

　　通过对各项技术指标以及系统总体的性能进行测试，并分析得到的测试数据，设计的 Flash 阵列可以达到 200MB/s 的数据存储速率。通过大量试验证明，存储体系的存储速率以及容量均满足设计指标，工作稳定可靠。

　　关键词：图像数据；Flash 阵列；流水线；无效块

Abstract

　　In the acquisition of image data, storage system needs to meet the requirement of high-speed image data storage. Aiming at image information processor performance test requirements, develops a high-speed image data parallel storage system. In order to realize the large capacity, high speed, high reliability, low power storage requirements, this paper is devoted to research a kind of high speed image data storage method, and the high reliability and low power consumption involved in high-speed storage.

　　First of all, in order to realize the continuous storage of 200 MB/s speed, drawing lessons from the thinking of pipeline and parallel extensions, designs a structure for 5 x 8 Flash storage arrays, the pipeline design within and between channels with state machine, through a parallel work mode in the form of the double pipelines, give full play to each of Flash storage performance to achieve the sustained and rapid storage of image data.

　　Secondly, in terms of reliability, aiming at invalid block management problem of Flash arrays, puts forward two kinds of invalid block management scheme, and analyzes the advantages and disadvantages of two kinds of invalid block management scheme, choose the invalid block management scheme based on composite block concept; At the same time, in order to solve the sudden invalid block influence on high-speed storage, lag to rewrite is designed. In addition, in view of the Flash data error caused by single bit flip chip, hamming code error correction scheme of the double cache alternation is put forward, and the solution does not affect the data read speed, effectively avoid the generation of single bit error of the Flash.

　　Finally, in order to reduce the power consumption of the FPGA and the chip fever, a low power optimization method of program design is proposed, using this method can greatly reduce the use of the internal logic and routing resource, so as to reduce the dynamic power consumption, improving the reliability program runing of the FPGA.

　　Through the performance test of the technology and overall device, analyze and calculate the test data, the design of the Flash array can reach 200 MB/s rate of data storage. A large number of experiment proves that the rate and capacity of the storage system meet the designindex, and the work is stable and reliable.

　　Keyword：image data；Flash arrays；pipeline；invalid block

　　在航空航天领域中，高速高分辨率的成像设备以及性能优良的图像信息处理器对目标的搜索以及识别有着至关重要的意义。以常用的红外成像设备为例，这种成像设备采取中远红外成像技术，可以提供红外图像信息，可以全天候工作，烟雾穿透能力和抗干扰能力强，其广泛应用到导航、火控、侦察、空域监控、航路规划、交通管理和警戒等领域[1]。图像采集完成之后，还要利用高速的计算机技术，对图像信息进行实时识别和处理，并将图像数据存储在存储系统中，方便后续的研究。为了提高系统的测量精度，往往使用高分辨率、高频帧的成像设备，以获得高分辨率、高清晰的图像信息，但是大量、高速的图像数据对存储系统提出了更加严格的要求[2]。

　　大容量、高速的存储系统依赖于大容量的存储介质，不同存储介质应用不同的场合，其有着各自的优势和不足。常用的存储介质有 Flash 闪存、内存存储和机械硬盘等。内存是计算机的数据存储设备之一，数据传送速度较快，但是容量小，掉电数据丢失[3]。

　　硬盘具有较大的存储容量，但是读写速度相对较慢，一般和内存配合使用可以达到很高的读取速度，比较适合用在需要经常读取资料的设备上，所以硬盘是每台电脑的标配，也是放置开机操作系统的绝佳场所。但是常用的机械硬盘内部有高速运转的磁头，其抗震能力较弱，若在使用过程中发生振动或冲击，很容易损坏硬盘，不适合应用在航空难过航天领域。

　　而 NAND Flash 芯片作为一种半导体存储介质，有着存储信息密度高、单器件存储容量大、掉电不丢失、数据保存时间长、在较恶劣环境下工作可靠等优点，成为航空航天领域近年来在数据高速可靠存储应用方面的首选器件。随着成像设备的分辨率以及信息处理器性能的提升，图像数据量成指数性增长[4]。而单片 NAND Flash 存储速度以及容量有限，难以满足图像数据高速存储的要求，所以使用多片 NAND Flash 构建存储阵列以提高存储速度及存储容量显得尤为重要[5]。并解决高速存储阵列的无效块管理以及高可靠低功耗问题是实现高速存储的关键[6]。

　　本文是在 “某高速图像记录器” 项目的支持下，围绕高速图像数据高速存储技术展开研究，并解决高速存储阵列中涉及到的无效块管理、误码纠错、低功耗等问题。该系统由高速图像记录器、地面测试台及配套上位机软件以及配套电缆网组成。

　　本文围绕高速图像记录器在高速存储方面的相关技术展开研究。文章首先介绍了大容量固态记录器的发展现状和发展趋势，结合任务书要求，借鉴实验室在高速存储领域的技术以及经验，设计了高速图像记录器的总体方案。

　　全文共分为七章，章节安排如下：

　　第一章：绪论，首先介绍了高速图像记录器的研究背景。简要说明了国内外的研究历史以及当前发展现状，并梳理了高速图像记录器涉及到的关键技术，说明了本文具体的研究内容和成果。

　　第二章：总体方案设计，简要说明了高速图像记录器主要组成和功能。并随后介绍了图像采集存储卡的组成以及其功能。

　　第三章：介绍了 Camera Link 接口和 NAND Flash 存储阵列的硬件设计，重点说明了 NAND Flash 阵列的设计原理。

　　第四章：针对高速图像数据的高速存储问题，在构建了 NAND Flash 存储阵列的基础上，提出了一种基于 FPGA 的双流水线形式的并行存储模式。针对 5×8 Flash 存储阵列的无效块管理问题，提出了两种无效块管理方法，并比较了两种无效块管理方法的优缺点。针对 NAND Flash 的单比特翻转产生的误码问题，提出了双缓存交替工作的汉明码纠错方案，该方案在不影响数据回读速率的同时达到了汉明码纠错的目的。针对 FPGA运行时功耗大，芯片发热严重，影响稳定性和可靠性问题，提出了基于 RAM 映射的高稳定低功耗程序设计方法，并探讨了其与传统设计方法在资源和功耗方面的差异。

　　第五章：系统测试与性能分析，对本文提出的关键技术的性能进行测试，并与传统技术进行了对比，之后对测试结果进行了科学的分析。

　　第六章：结论与展望，总结了高速图像记录器的研制工作，并对未来的研究以及开发工作进行了展望。

　　Flash阵列的高速存储测试性能：

回读的数据

丢数现象

一级缓存溢出

测试中出现的误码

高速图像记录器系统功能测试

目 录

　　1 绪论
　　　　1.1 研究背景
　　　　1.2 课题性质及来源
　　　　1.3 国内外研究现状
　　　　1.4 高速图像数据存储卡关键技术
　　　　　　1.4.1 图像数据的高速存储
　　　　　　1.4.2 存储阵列可靠性设计
　　　　1.5 研究内容与论文安排
　　2 总体方案设计
　　　　2.1 图像记录器系统组成及功能
　　　　2.2 图像采集存储卡组成与功能
　　　　2.3 本章小结
　　3 高速存储系统硬件技术
　　　　3.1 高速存储系统总体设计
　　　　3.2 系统硬件电路
　　　　　　3.2.1 图像接口电路设计
　　　　　　3.2.2 存储阵列电路设计
　　　　3.3 本章小结
　　4 高速存储技术逻辑设计
　　　　4.1 高速存储技术概述
　　　　4.2 双流水线调度逻辑设计
　　　　　　4.2.1 通道内流水线设计
　　　　　　4.2.2 通道间流水线设计
　　　　4.3 阵列无效块地址管理
　　　　　　4.3.1 基于 RAM 映射的无效块管理方案
　　　　　　4.3.2 基于组合块的无效块管理方案
　　　　　　4.3.3 两种无效块管理方案的比较
　　　　　　4.3.4 突发无效块管理方案
　　　　4.4 错误检测和纠错设计
　　　　　　4.4.1 Flash 误码原因
　　　　　　4.4.2 指令纠错技术简介
　　　　　　4.4.3 基于汉明码的纠错算法
　　　　　　4.4.4 双缓存交替的汉明码纠错实现方案
　　　　4.5 高稳定低功耗程序设计
　　　　　　4.5.1 有限状态机简介
　　　　　　4.5.2 有限状态机功耗优化方法
　　　　　　4.5.3 基于 RAM 映射的低功耗有限状态设计
　　　　4.6 本章小结
　　5 系统测试及性能分析
　　　　5.1 存储阵列存储速度测试
　　　　5.2 存储阵列可靠性测试
　　　　　　5.2.1 滞后重写机制性能测试
　　　　　　5.2.2 错误检测和纠错设计性能测试
　　　　　　5.2.3 高稳定低功耗程序设计性能测试
　　　　5.3 高速图像记录器总体性能测试
　　6 结论
　　　　6.1 研究总结
　　　　6.2 工作展望
　　参考文献

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