固态存储器短周期存取速度动态控制

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(新疆轻工职业技术学院 信息与软件分院，乌鲁木齐 830021)

0 引言

固态存储器在我国航天航空领域和工业行业得到了广泛应用，由于信息检测技术的快速发展，数据存取技术也在不断进步，固态存储器在短周期内的海量信息存取成为了目前急需解决的难题。由于视频、图像、语音三路数据采集宽带较大、速率要求较高，可以产生大量的数据，将这些数据快速地存取到固态存储器中成为该课题研究的主要方向。由于数据误码、内存不足等问题，导致传统控制性能变差，为此提出了固态存储器短周期存取速度动态控制[1]。数据存取过程中的客观条件变化是具有绝对性的，不变则是具有相对性的，因此在存取过程中必须随着情况变化进行存取速度的动态控制。针对动态控制的可靠性，进行实验分析，由实验结果表明，动态控制使用均衡加重技术可降低数据误码出现的概率，扩展内存容量可提高信号存取速度，为此采用动态方式控制性能较强。

1 短周期存取速度控制原理

针对固态存储器短周期存取速度控制方案的设计，采用现场可编程门阵列(FPGA)对LVDS接口设置以及数据的发送与处理进行控制。可编程门阵列(FPGA)具有强大的逻辑处理能力，运用丰富的阵列资源可实现对短周期内数据存取速度的有效控制。LVDS是一种能够满足当今高性能数据传输应用的低压差分信号传输技术，能够为数据的传输提供高达3.125 Gb/s的数据率性能，由于该方法消耗功率低、噪声小，促使LVDS成为了目前工业领域最常用的信号传输技术[2]。选用美国生产的DS92LV1023和DS92LV1224型号半导体作为LVDS接口芯片组，一旦系统接通电源，那么经过LVDS接口的芯片数据传输速度就可达到60 MB/s，而数据传输造成的功率消耗则小于300 mW。

将视频数据和图像信息全部存储于固态存储器之中，短周期存取速度控制原理如图1所示。

图1 短周期存取速度控制原理框图

由图1可知：LVDS接口接收的数据，经过转换变成信号，以60 MB/s的速度发送出去。该原理采用模块化设计方式，由1块信号接口板和3块数据存储板组的，其中各个板块是相互独立的，单块存储模块是由LVDS接口对数据接收，存储器进行存储，结构相对单一，为此，电路的连接设计也是比较简单的。在接口板处进行隔离处理，防止其它信号干扰，存储模块采用光电耦合器对信号进行隔离，同时对存取的数据进行均衡处理，将处理后的数据通过LVDS读取出来，上传至测试平台，并通过USB接口将数据传输到计算机中[3]。通过LVDS串行转换，将数据转换为信号，记录该过程完成的时间，进而计算数据存取速度，实现短周期存取速度的控制。

2 存取速度动态控制设计

根据短周期存取速度控制原理可知，对存取的数据进行均衡处理可实现短周期存取速度的控制，但是也存在数据误码、存储内存不足等问题，为了解决该问题，需进行存取速度动态控制设计。

2.1 存取信号均衡加重

在短周期存取数据的过程中，由于出现数据误码，导致数据传输信号衰减，为了保证固态存储器短周期存取速度动态控制的有效性，在优化设计过程中采用具有针对性的数据传输介质来解决数据误码问题。使用信号驱动器模拟信号发送端，使用信号均衡器模拟信号接收端，依然选用美国生产的DS92LV1023和DS92LV1224型号半导体作为LVDS接口芯片组，并在此基础上，增加电缆延展器，通过双绞线或使用同一轴线来驱动芯片内的数据流[4]。利用电缆延展器可驱动来自串行的数据流，实现双绞线或使用同一轴线上的数据进行均衡传输，方便对速度进行动态控制。

使用某公司生产的DS15EA101型号均衡器，可自动均衡出发送器或驱动器信号发射的幅值[5]。针对100欧姆的差分信号，使用该均衡器最佳发射幅值为±400 mV。DS15EA101型号的均衡器对数据均衡处理肯定会耗费一定能量，使用检测电路可将该能量转换为信号形式输入进去，模拟信号传输状态，将接收到的信号信息再次传递给均衡处理器，利用该处理器控制信号传输的速度。将该部分接收的信息与原始信息进行对比，根据对比结果调整自动均衡处理器，使传输速度稳定在一定范围内，进而提高数据传输的量级增益[6]。

数据的输出是通过电容交流耦合作用实现的，在DS15EA101型号均衡器中，接收的芯片端口连接着100欧姆的负载电荷，布置PCB板时尽量贴近该均衡器的输入端口，缩短数据传输之间的距离，方便数据存取速度控制。而在均衡器的输出端口处，需要安装一个外置的最佳发射幅值上拉电阻和两个50 Ω、精度为1%的普通电阻。选择100 Ω的双绞线传输介质电阻，采用交流耦合方式，使输出的电阻值达到953 Ω。而在电缆接收端口处，也需要设置上拉电阻，同样采用交流耦合方式，在芯片组输入端处设立外置交流耦合滤波电容，并与100欧姆的电阻相匹配。

2.2 短周期扩大存取内存

根据上述采用的均衡加重技术，设置不同阻值的电阻来均衡电路中电流的传输，控制固态存储器在短周期内的电路稳定运行[7]。由于电路采用串行连接方式，电压为定值，一旦电阻变大，那么电流值将下降，虽然控制了电路稳定运行，但是对于运行时间还需进行优化，为此提出了分时加载操作方法，增加固态存储器内存，最大限度提高数据平均写入时间。

采用NANDFLASH存储器可增加固态存储器内存，由于其内部采用非线性宏单元模式，为固态大容量内存的实现提供了廉价有效的解决方案。NANDFLASH具有页编程、块擦除功能，也具有专项执行能力，当NANDFLASH在执行自身功能时，不会受到其它因素影响，直至自身任务完成。采用该存储器可靠性较强，但也必然会拖延数据存取时间，为此在FLASH页编程过程中，增加加载过程和自动编程过程。其中加载过程需要完成命令指定、地址下发、数据写入等过程；而自动编程过程相对加载过程较为复杂，当加载完成第一平面的FLASH后，第一平面所指定的页面直接进行自动编程，在编程的同时，正在加载第二平面的FLASH，并以此类推[8]。当加载完成第N平面FLASH后，第N-1平面所指定的页面已经完成自动编程，最终再对第N平面自动编程，如此循环。

利用分时加载操作，使用NANDFLASH增加固态存储器内存，可保证数据被不断写入芯片中，大大提高了短周期存取写入时间，具体的分时加载操作示意图如图2所示。

图2 分时加载操作示意图

设NANDFLASH分时加载等级为m，那么加载时长需满足大于等于最大编程时长，约束条件如下所示：

(m-1)t1≥t2

(1)

公式(1)中：t1为指定地址数据进行加载的时长；t2为自动编程的时长。分时加载状态下的NANDFLASH固态存储器平均存取时间为：

(2)

公式(2)中：S为并行存储芯片数量。

采用NANDFLASH分时加载操作，令平面1和平面2为第一组，平面3和平面4为第二组，对上述2组当分时加载运行起来后，任何一个时间段内，都会存在若干个小操作同时运转。交替双平面编程方式采用2级分时加载级数，根据公式(1)和(2)可获取平均写入速度，能够满足固态存储器短周期存取速度动态控制优化设计需求。

2.3 数据缓存读取

上述使用NANDFLASH进行分时加载操作时，页面容量为4 KB。根据该存储器自动编程特点，设置FLASH一页内存容纳二级缓存FIFO，即先入先出资源，由于一级缓存需要容量是二级缓存需要容量的2倍，那么两片FLASH内存可容纳两个二级缓存FIFO资源[9]。基于FPGA的二级缓存示意图如图3所示。

图3 基于FPGA的二级缓存逻辑示意图

根据FPGA双口资源对接收的信号进行判断，如果处理器接收到来自主机的传输信号，那么LVDS接口芯片组就会接收来自视频、语言、图像信号进行解码信号；如果处理器未接收到传输信号，那么LVDS接口芯片组就会接收来自其他来源的信号进行解码。利用芯片组将接口的信号传送到一级FIFO_ 8k之中，如果接收的信号转换为数据形式，且写入的数据大于4160字节，那么将该字节以60 MB/s的速度进行读取，当读取到第4096个字节时，缓存到二级FIFO_ 4k之中。判断接收的信号流情况，将信号转换为数据，再判断二级缓存数据量大小，如果写入的数据大于10字节，那么将该字节以30 MB/s的速度进行读取。在此基础上，再次判断一级缓存数据量大小，如果数据量还是大于4160字节，则继续以60 MB/s速度进行读取，当读取到4096个字节时缓存到二级FIFO_ 4k之中，并全部写入FLASH B模块中。

2.4 控制指令快速扩充

使用多线组合指令控制方式减少单一控制线的使用数量，可实现控制指令的快速扩充，促使整个电路使用起来更加简单，方便工作人员进行调试。在固态存储器中，使用NANDFLASH交替双平面编程方式可满足上位机快速对指令控制的需求，以上位机发送的命令为基础，对存储器下达数据读、写、擦除、复位等一系列执行命令，该命令传达的可靠性是存取速度动态控制的首要问题。

采用并行发送方式将上位机的指令传送给存储器，指令数量x与控制线y之间的关系为：

2y>x

(3)

通常情况下，固态存储器会使用6个指令，那么控制线为3条，在FPGA逻辑控制中会使用三线制指令来控制数据存取速度。具体指令定义如表1所示。

表1 具体指令定义

根据表1中具体指令定义对信息读、写、擦除、复位等一系列执行命令进行控制，并利用三线制组合成不同指令，以此为基础实现短周期存取速度动态控制。

针对短周期存取速度控制方案设计中存在的数据误码、存储内存不足问题，使用均衡加重技术降低数据误码出现的概率，采用NANDFLASH存储器进行分时加载操作扩大存储内存。利用二级缓存对扩大后的内存数据进行缓存读取，根据多线组合指令减少控制线数量，提高动态控制指令扩充速度，进而实现固态存储器短周期存取速度动态控制。

3 实验

为了验证固态存储器短周期存取速度动态控制设计的合理性进行了如下实验。测试台的信号源发送是通过自动加载数据实现的，当数据回读到计算机中，通过视频回放采集数据。针对数据误码、存储内存不足问题，专门成立实验小组展开研究。

3.1 数据误码

由于信号在传输过程中受到外界干扰，导致信号强度降低，致使信号受到破坏，出现误码。使用人造噪音来干扰模拟的现实环境，由此验证数据误码对动态控制的影响。

为了使实验结果更具有可靠性，将传统控制方法与动态控制方法对数据误码进行对比分析，结果如图4所示。

图4 不同控制方法数据误码对比结果

由图4可知：在信号接收端黑色实心点与白色实心点数量相差较小，也就说明传统控制信号接收产生的误码率与动态控制信号接收产生的误码率基本一致，最高都可达85%左右；在信号发送端黑色实心点与白色实心点数量相差较大，明显看出黑色实心点数量较小，也就说明传统控制信号发送产生的误码率大于动态控制信号发送产生的误码率。传统控制方法信号发送最高误码率可达到87%，而动态控制方法信号发送最高误码率最高为70%，两者相差17%，且动态控制方法仅有少量的发送信号出现误码。由此可知，动态控制方法使用均衡加重技术可降低数据误码出现的概率。

3.2 内存容量

传统控制方法直接在固态存储器中对信号进行读取，导致控制性能较差；而动态控制方法采用NANDFLASH存储器进行分时加载操作扩大存储内存，促使控制性能得到改善。为了验证内存容量对控制性能的影响，将传统控制方法与动态控制方法对不同内存容量下，信号发送情况进行对比，结果如表2所示。

表2 不同内存容量下控制信号发送情况

根据表2可知，在不同内存容量下，使用不同控制方法信号传输速率也不同，随着内存容量增大，采用动态控制方法信号传输速率比传统控制方法速率要快，最快可达到5500 bps，与传统方法相比快出2000 bps。以该结果为基础，将两种控制方法在不同内存下，对信号存取速度控制性能展开对比分析，结果如图5所示。

图5 不同内存下两种方法控制性能对比结果

由图5可知：由于在短周期受到时间限制，对于最初信号存取控制不能达到100%。当内存为64 MB时，传统控制方法与动态控制方法差别较小，均保持在80%以上；当内存为128 MB时，传统控制性能下降，低于80%。而动态控制性能仍然保持在80%以上；当内存为1024 MB时，传统方法与采用动态方法控制性能下降最多，分别下降10%和21%。内存继续扩大，传统方法性能持续下降，而动态控制方法稳定在60%左右。由此可知，扩展内存容量可提高信号存取速度，采用动态控制方法性能较好。

3.3 实验结论

实验采用两种方法对比的形式对所提固态存储器短周期存取速度动态控制方法的性能进行验证。分别测试了传统控制方法和所提动态控制方法的误码率和内存容量。实验先对误码率进行测试，利用人造噪音作为干扰因素，来干扰模拟的现实环境，测试数据误码对动态控制的影响；设置固态存储器的不同内存容量，在不同容量情况下，读取信号；测试两种不同方法的信号发送情况并进行对比。通过对比传统控制方法与动态控制方法，可总结实验结论：动态控制方法使用均衡加重技术可降低数据误码出现的概率，在发送端信号误码率较小，而采用传统控制方法误码率最高可达到87%。由于在短周期受到时间限制，对于最初信号存取控制不能达到100%。内存继续扩大，传统方法性能持续下降，而动态控制方法在60%左右波动。由此可知，使用均衡加重技术可降低数据误码出现的概率，扩展内存容量可提高信号存取速度，为此采用动态方式控制性能较强。

4 结束语

固态存储器短周期存取速度动态控制设计采用均衡加重技术提高了信号传输质量，降低了误码出现的概率；使用NANDFLASH双平面交替编程的分时加载操作方式，提高了信号平均存取速度；利用FRGA二级缓存提高数据精准度，基于多线组合指令有效减少控制线使用数量，促使整个电路设计更加简单。通过对短周期存取速度的优化设计，可大大提高动态控制性能，但同时信号传输稳定性却无法得到有效控制，为此，需工作人员对信号传输稳定性进行深入研究。

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