一种基于NAND?Flash的数据记录方法与记录控制器包括：硬件坏块管理方法：发生突发坏块时，无延时跳入下一个已经与匹配好了的有效块继续记录，最后将发生坏块之前页的数据滞后回写到跳入的有效块；硬件均衡方法：擦写操作都接着上次的擦写地址开始，使NAND?Flash每块的擦写次数都接近均等；IO扩展方法：转换数据位宽和切换控制信号使单片NAND?Flash驱动器可以控制多片多组NAND?Flash。控制器包括FRAM控制器，顶层状态控制器，损耗均衡器，接口切换模块，预匹配模块，地址生成模块，寄存器组，数据校验模块，标准FIFO接口，标准SRAM接口，命令控制接口和NAND?Flash驱动器。整个控制器可挂接到嵌入式处理器的PLB总线上，也可以通过命令控制接口和外部模块进行控制信号和状态信号的数据交换。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及NAND Flash数据记录控制器的实现，特别是高速高可靠NAND Flash 数据记录控制器的实现。采用大规模现场可编程门阵列(Field Programable Gate Array, FPGA)作为实现平台，实现数据在单片NAND Flash或NAND Flash阵列中的高速记录存储、 读出和擦除，同时在不影响记录性能的情况下实现有效的坏块管理。
技术介绍
数据记录技术，一直是国内、外在航空、航天、航海等领域研究的关键技术之一。实际应用中，需要将采集到的高速实时数据(比如高分辨率图像数据)实时地记录下来以便事后处理。随着采集数据精度的提高以及记录参数的增多，需要记录的数据量急剧增加、数据传输速率也越来越高。这使记录设备在实时、超大容量、可靠性等方面的研究成为了热点ο目前大多数的数据记录系统都是基于磁记录技术，但磁记录设备的核心部件磁带机或硬盘有以下缺点1.读写速度慢。硬盘采用盘片高速旋转、磁头作径向移动的数据读取方式，因此在硬盘中执行一次数据读写操作的时间周期分为三部分寻道时间、旋转等待延时和数据传输时间。无论读写数据的大小，前两个步骤是必须执行的，而这两个步骤一般都耗时5ms以上。2.不稳定。硬盘的机械结构导致硬盘故障率较高。磁头磨损，悬臂变形，硬盘在受到震动后外壳、盘面或马达的微小的变形都将导致硬盘工作性能的不稳定。目前普通硬盘在非工作状态下仅可承受百g左右的冲击力，因此在移动设施或震动较大场合等复杂状态下，传统硬盘都不太适用。是在实际应用中，设备产生的晃动都会严重影响机械硬盘盘片旋转的稳定性，从而导致数据采集的可靠性大大降低。3.功耗大发热大。硬盘中盘片的机械旋转和磁头的径向运动均会在很大程度上导致硬盘功耗增大。此外，随着对硬盘存取速度要求的不断提高，硬盘的转速也在不断地提高，这会导致两方面的后果一是功耗的上升，大功耗对于加重了在特殊环境中如机载空载设备的功耗负担；二是热量的不断提高，这要求有更好的散热措施，否则硬盘工作的可靠性将急剧下降。增加散热设备会增加记录设备的重量和复杂度，从另一方面降低了记录设备的可靠性。相比于机械硬盘，基于半导体存储技术的存储芯片具有以下优点1.读写速度快。存储芯片执行一次数据读写的周期比传统硬盘短，在已存储芯片执行一次数据访问的周期大致为15US-30US，比起传统硬盘的要5ms快得多。2.抗震性好。存储芯片内部不存在任何机械活动部件，不会发生机械故障，也不怕碰撞、冲击、震动，因此即使在剧烈震动的情况下也能正常工作。3.工作温度范围大。机械硬盘只能在5-55摄氏度范围内工作，而一些存储芯片可以达到工业级工作温度甚至宇航级，范围甚至达到了 -40-85摄氏度甚至更宽。4.发热低、噪音小。由于没有传统机械硬盘中的马达，存储芯片工作时的噪音几乎为分贝，并且存储芯片发热量小，基于此设计的记录设备工作时的发热量也大大地减小。5.体积小。相比传统的机械硬盘，存储芯片体积更小，重量更轻。这对载重严格要求的机载或星载应有极大的意义。因此自九十年代初，各航天大国开始就研制的固态记录器(Solid State Reorder,简称SSR)，使用半导体存储芯片作为存储介质，其存储密度高、无转动部件、可靠性高、体积小、重量轻，较磁记录设备更适于应用在航天航空领域，因而逐渐成为空间飞行器的数据记录器的主流方案。半导体存储器件，常见的有DRAM、SRAM、FLASH MEMORY、EPROM、EEPROM, ROM 等等。1. ROM具有高密度、高可靠性、数据非丢失性等特性，但是其出厂后内容就不能更改，所以根本不能用作记录器的存储介质。2. EPROM具有数据非丢失性、高密度、可重写等特性，但是不能在系统在线时重写， 必须将其从系统中移出、用紫外线擦除后方能重写，所以也不能用记录器的存储介质。3. EERPOM是数据非丢失性的，并且支持系统在线重写，但由于擦除和写入时需要高压电脉冲，而且擦写的时间较长，所以在系统的正常工作状态下，EERPOM仍然只能工作在读出状态。EERPOM可作ROM使用，不可用作记录器的存储介质。4. DRAM最基本的存储单元是CMOS晶体管，由电容驱动，通过充放电来存储数据， 它的优点在于其具有高密度和存取速度快的特性，但是其数据的丢失性使其要求有持续的供电电源(掉电丢失数据)，且需要辅以必要的刷新控制电路，所以比较耗电。5. SRAM的存储单元实际上是个触发器，数据可以在不掉电的情况下一直保持，不需要刷新，它的功耗也比DRAM低，速度也更快，但是，SRAM存储密度很低，所以现在SRAM多用在小存储容量系统中(也属于掉电丢失数据的存储器)。6. FLASH的存储单元是由一个晶体管构成，因此具有极高的容量密度。与DRAM和 SRAM不同的是它具有掉电数据不丢失的特性，这样不仅可以大大降低功耗，而且可以保证数据存储的可靠性，所以FLASH闪存可以代替现在的磁介质存储器。根据实现的技术架构的不同，闪存芯片可以分为NOR、NAND, DIN0R、AND等几种类型。NOR技术(亦称为Linear技术)闪速存储器是最早出现的闪存芯片，由Intel公司在1988年开发成功。它的出现彻底改变了原先由EPROM和EEPROM—统天下的局面。和其它的存储介质相比，它的可靠性高，随机读取速度快，非常适用于擦除和编程操作较少而直接执行代码，尤其是纯代码存储的场合，如PC的BIOS固件、移动电话、硬盘驱动器的控制存储器等。NOR技术闪存芯片具有以下特点1.程序和数据可存放在同一芯片上，拥有独立的数据总线和地址总线，能决速随机读取，允许系统直接从闪存芯片中读取代码执行，而无需先将代码下载至RAM中再执行；2.可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以块为单位或对整片执行擦除操作，在对存储器进行重新编程之前需要对块或整片进行预编程和擦除操作；3.传输效率很高，在1-4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是较低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。由于NOR技术闪存芯片的擦除和编程速度较慢，而块尺寸又较大，因此擦除和编程操作所花费的时间很长，在纯数据存储和文件存储的应用中，NOR技术显得力不从心。不过，仍有支持者在以写入为主的应用，如Compact Flash卡中继续看好这种技术。NAND技术闪存芯片具有以下特点1.以页为单位进行读和编程操作，1页为256或512 Byte ；以块为单位进行擦除操作，1块为4K, SK, 16KByte或更大。2.具有块编程和块擦除的功能，其块擦除时间是ans，而NOR技术的块擦除时间为几百mso3.数据、地址采用同一总线，实现串行读取。不能按字节随机编程。4.芯片尺寸小，引脚少，是位成本最低的固态存储器。5.芯片包含有无效块。无效块不会影响有效块的性能，但设计者需要将失效块在地址映射表中屏蔽起来。NAND技术闪存芯片能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。因此，它是实现大容量数据存储器的理想数据存储介质。但是用NAND flash来设计记录器时，面临如下问题1. NAND flash由若干存储块构成，每个块由若干页构成。NAND flash读写是以页为单位，不能按位写入；并且不支持覆盖写入，重新写入本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种基于ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ的数据记录方法，特征在于该方法包括：硬件管理坏块方法：对ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ中每个块，用二进制１表示无效块、用０表示有效块，或用０表示无效块、用１表示有效块，组成二进制序列作为坏块表；先建立初始坏块表，在ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ使用过程中发生突发坏块时，将缓存中的数据重新写入到下一个有效块相应页中，该页地址为前面突发坏块中写入出错时的页地址；当记录任务结束后，将之前已经写入突发坏块中的数据拷贝到下一个有效块的对应页中，并更新坏块表，拷回出错前的数据来保持读写带宽不变；坏块表存储在非易失存储器中；在读、写、擦除加载地址之前，根据坏块表预匹配出下一有效块的物理地址，加载地址时始终加载的是有效块的物理地址；损耗均衡方法：每次写入结束后，记录下最后写入的物理地址，擦除标志保持为０，下次写入时，接着上次写入的物理地址开始写，擦除操作只擦除最后写入的物理地址以及该物理地址之前的块，并将擦除标志置１，之后写入时，把最后擦除的物理地址的下个地址作为写入的初始地址；ＩＯ扩展方法：在ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ控制器和ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ阵列接口之间加入一个ＩＯ扩展层，使硬件管理坏块方法和损耗均衡方法可以用在ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ阵列的场合；ＩＯ扩展层完成数据宽度转换，控制信号的切换以及ＮＡＮＤ ｆｌａｓｈ组的切换；将ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ忙信号进行线与后接入控制器，或分别将各片ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ的忙信号接入ＩＯ扩展层中进行与操作后再送入控制器，ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ阵列的每组控制信号并联后通过ＩＯ扩展层接入到单片ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ控制器中；ＮＡＮＤＦｌａｓｈ控制器的读、写、擦除模块各输出一个数据的方向信号和数据状态信号；ＩＯ扩展层根据数据方向信号、状态信号和当前操作命令进行如下操作：写入数据操作时，同一组ＮＡＮＤＦｌａｓｈ加载相同的写命令和写地址，加载写入数据阶段，将数据位宽进行分割，不同数据位段同时写入各片ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ，在读状态阶段，将同一组各片ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ输出状态数据的高两位相或、以及低三位相与的结果送给ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ控制器；读数据操作时，同一组ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ加载相同的读命令和读地址，在读数据阶段，将各片ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ读出数据进行拼接输出，在读状态阶段，将同一组各片ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ输出状态数据的高两位相或、以及低三位相与的结果送给ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ控制器；擦除操作时，同一组ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ加载相同的擦除命令和擦除地址，在读状态阶段，将同一组各片ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ输出状态数据的高两位相或、以及低三位相与的结果送给ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ控制器；当一组ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ的地址达到最后地址时，自动切换组片选信号，使下一组ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ成为当前操作ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ组。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：任国强，徐永刚，姚俊，张峰，李其虎，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：90
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