一种PCI-E接口固态硬盘控制器的设计方法技术

本发明专利技术提供一种PCI-E接口固态硬盘控制器的设计方法，固态硬盘控制器整体设计采用SOC架构，所有功能由FPGA完成。采用嵌入式处理器软核作为主控制器，利用FPGAIP核，并设计实现NANDFLASHONFi控制器。PCI-E控制器核作为高速串行传输接口，实现高速传输。嵌入式处理器模块负责NANDFlash的读写控制与SCSI协议命令之间的转换，提高访问效率。控制器完成NANDFLASH存储管理和纠错算法。对于主机端的文件系统而言，固态硬盘控制器作为基于块的NAND文件系统结构，具有结构简单和通用性高的特点，具备可编程、设计灵活性、设计周期短、可在线升级和二次开发等优点，拥有快的构建方式，较低的实现成本。SCSI的通用性和兼容性，可以作为普通盘符，即插即用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及计算机应用
，具体地说是一种PCI-E接口固态硬盘控制器的设计方法。
技术介绍
计算机技术发展速度日新月异，计算机应用不断拓宽，性能要求日益提高，相比处理器发展速度和需求而言，存储发展速度甚是缓慢。如何实现高速数据传输与大容量数据吞吐，是业内研究的重点，当前业内在总线数据传输与硬盘特性发展方面都各有新突破。总线传输方面，PCI Express是新一代成熟的总线接口。它采用了目前业内流行的点对点串行连接，比每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可 以把数据传输率提高到一个很高的频率。以PCI-E3. O为例双向16通道带宽可达到32GB/s，对于需要与主机进行大容量传输的系统来说，该总线标准的优势是非常明显的。传统硬盘的机械体质和物理特性，导致存储系统的硬盘容量增长幅度远大于硬盘转速的增长，硬盘单位容量的I/o性能越来越低。伴随着数据库应用的快速发展、业务和数据库用户的逐年扩大导致的并发容量暴增给本来已经是系统瓶颈的存储系统雪上加霜。对于较高要求的应用，由于机械硬盘采用机械马达和磁片作为存储体，不适于对抗震性、温度和湿度有高要求的应用环境。在以移动、便携、节电为基本要求的消费领域以及更高要求的工业、军事和航天等领域，存储成为一个亟待解决的问题。固态硬盘(SSD, Solid State Disk)又称作电子硬盘或固态电子硬盘，是一种以FLASH为存储介质的新型存储设备。由于它不是以高速旋转的磁盘作为存储介质，数据读写时不需要寻道时间，因此它有着传统硬盘不可比拟的顺序和随机存储速度。同时，固态硬盘中不存在任何机械活动部件，因此还具有高防震性、低发热量、无噪音、可适应恶劣工作环境等优点。随着计算机技术的高速发展，固态硬盘取代传统硬盘已经成为未来存储技术发展的必然趋势。基于Flash的固态硬盘单位空间内的写入寿命通常都有一定的限制。因此通过类似于磁盘存储技术中的“热点均衡”技术来均衡写入负载，避免在固态硬盘内部造成频繁写入的“热点”，同时通过RAID数据冗余保护机制来保护存储数据，是固体硬盘解决方案中的要点问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种PCI-E接口固态硬盘控制器的设计方法。本专利技术的目的是按以下方式实现的，包括主机端和固态硬盘控制器端，其特征在于，固态硬盘控制器端整体设计采用SOC架构，所有功能由FPGA完成，主机端与固态硬盘控制器端使用SCSI协议报文互通，SCSI协议通过PCI-E总线报文进行传输，固态硬盘控制器PCI-E接口作为高速串行传输模块，实现与主机端的信息高速传输，设计步骤如下O固态硬盘控制器整体设计采用SOC架构，所有功能在FPGA内的处理模块中完成，FPGA中各模块使用AHB总线互联，重要的模块有处理器模块，ONFi控制器模块，传输模块，其中 处理模块采用嵌入式处理器软核作为主控制器，负责自PCI-E端口的SCSI协议报文完成信息的分发与聚合； ONFi控制器模块实现NAND FLASH ONFi控制器对NAND固态存储芯片的读写操作，通过负责控制多个NAND FLASH存储单元的完成读写操作，提高访问效率，ONFi控制器模块通过RAID数据冗余保护机制来保护存储数据进行相应的热点控制和纠错处理； 传输模块将SCSI报文进行解析，通过适当的分发调度，通过ONFi控制器，写入到NAND芯片中存储，传输模块还通过“热点均衡”技术来均衡写入负载，避免在固态硬盘内部造成频繁写入的“热点”； 2)对于主机端的文件系统而言，固态硬盘控制器作为基于块的文件系统结构的接口设备，将固态硬盘控制器当作一个SCSI接口设备，通过SCSI协议进行访问，依照SCSI协议，将全系统划分为主机端和控制器端，每端8层结构，访问实现分层协议处理，其中 主机端有4层结构，设备接口层、应用层、文件系统层、块设备层，其中 设备接口层负责SCSI报文通过PCI-E传输后的转化，并实现传输控制； 应用层提供文件读写访问，为用户在主机器上读、写文件提供通用接口服务，应用层访问的是逻辑文件结构； 文件系统层对文件存储器空间进行组织和分配，负责文件的存储并对存入的文件进行保护和检索的系统； 块设备层块设备层将SCSI报文转换为PCI-E报文进行传输； 3)固态硬盘控制器端，有4层结构，设备接口层负责SCSI报文通过PCI-E传输后的转化，并实现传输控制；应用层将主机端的SCSI协议设备块号与SOC端NAND的块号进行映射，负责进行均衡算法、坏块管理、RAID算法的等算法调度，进行ECC校验算法纠错；文件系统层支持SOC上的嵌入式操作系统，支持应用层调度；块设备层负责执行NAND FlashController的读写擦除时序。本专利技术的有益效果是整体设计采用SOC架构，所有功能由FPGA完成。采用嵌入式处理器软核作为主控制器，利用FPGA IP核，并设计实现NAND FLASH ONFi控制器。PCI-E控制器核作为高速串行传输接口，实现高速传输。嵌入式处理器模块负责NAND Flash的读写控制与SCSI协议命令之间的转换，提高访问效率。控制器完成NAND FLASH存储管理和纠错算法。对于主机端的文件系统而言，固态硬盘控制器作为基于块的NAND文件系统结构。主机端负责应用层事务、文件系统、块设备转换，将固态硬盘控制器当作一个SCSI接口设备，通过SCSI协议进行访问。固态硬盘控制器将SCSI报文进行解析，通过适当的分发调度，通过ONFi控制器，写入到NAND芯片中存储，并进行相应的热点控制和纠错处理。本文设计的固态硬盘控制器具有结构简单和通用性高的特点，具备可编程、设计灵活性、设计周期短、可在线升级和二次开发等优点，拥有快的构建方式，较低的实现成本，SCSI的通用性和兼容性，可以作为普通盘符，即插即用。具体实施例方式本专利技术整体设计采用SOC架构，所有功能由FPGA完成。FPGA芯片内由AHB总线互联各个处理模块，采用嵌入式处理器软核作为主控制器，并设计实现NAND FLASH ONFi控制器核和PCI-E接口，与上述功能对应的重要模块为Transaction Module、ONFi ControlModule、PCI-E interface Module。在设备功能方面来看，PCI-E链路通过传输SCSI协议与主机进行信息交换。固态硬盘SOC端负责NAND Flash的读写控制与SCSI协议命令之间的转换。同时控制器完成NAND FLASH存储管理和纠错算法。从文件系统方面来看，本专利技术设计一种基于块的NAND文件系统结构，总体上分为主机端和固态硬盘SOC端。主机端负责应用层事务、文件系统、块设备转换，并将PCI-E接口的固态硬盘当作一个SCSI接口设备，通过SCSI协议进行访问。实施例基于块的NAND的文件系统设计 对于NAND文件系统的层次结构，总体上分为主机端和固态硬盘SOC端。主机端负责应用层事务、文件系统、块设备转换，并将PCI-E接口的固态硬盘当作一个SCSI接口设备，通过SCSI协议进行访问。PCI-E传输链路上传输SCSI协议。固态硬盘SOC端负责NANDFlash的读写控制与SCSI协议命令之间的转换。主机端 主机端负责应用层事务处理，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种PCI？E接口固态硬盘控制器的设计方法,？包括主机端和固态硬盘控制器端，其特征在于，固态硬盘控制器端整体设计采用SOC架构，所有功能由FPGA完成，主机端与固态硬盘控制器端使用SCSI协议报文互通，SCSI协议通过PCI？E总线报文进行传输，固态硬盘控制器PCI？E接口作为高速串行传输模块，实现与主机端的信息高速传输，设计步骤如下：1）固态硬盘控制器整体设计采用SOC架构，所有功能在FPGA内的处理模块中完成，FPGA中各模块使用AHB总线互联，重要的模块有处理器模块，ONFi控制器模块，传输模块，其中：处理模块采用嵌入式处理器软核作为主控制器，负责自PCI？E端口的SCSI协议报文完成信息的分发与聚合；ONFi控制器模块实现NAND？FLASH？ONFi控制器对NAND固态存储芯片的读写操作，通过负责控制多个NAND？FLASH存储单元的完成读写操作，提高访问效率，ONFi控制器模块通过RAID数据冗余保护机制来保护存储数据进行相应的热点控制和纠错处理；传输模块将SCSI报文进行解析，通过适当的分发调度，通过ONFi控制器，写入到NAND芯片中存储，传输模块还通过？“热点均衡”技术来均衡写入负载，避免在固态硬盘内部造成频繁写入的“热点”；2）对于主机端的文件系统而言，固态硬盘控制器作为基于块的文件系统结构的接口设备，将固态硬盘控制器当作一个SCSI接口设备，通过SCSI协议进行访问，依照SCSI协议，将全系统划分为主机端和控制器端，每端8层结构，访问实现分层协议处理，其中：主机端有4层结构，设备接口层、应用层、文件系统层、块设备层，其中：设备接口层：负责SCSI报文通过PCI？E传输后的转化，并实现传输控制；应用层：提供文件读写访问，为用户在主机器上读、写文件提供通用接口服务，应用层访问的是逻辑文件结构；文件系统层：对文件存储器空间进行组织和分配，负责文件的存储并对存入的文件进行保护和检索的系统；块设备层：块设备层将SCSI报文转换为PCI？E报文进行传输；3）固态硬盘控制器端，有4层结构，设备接口层：负责SCSI报文通过PCI？E传输后的转化，并实现传输控制；应用层：将主机端的SCSI协议设备块号与SOC端NAND的块号进行映射，负责进行均衡算法、坏块管理、RAID算法的等算法调度，进行ECC校验算法纠错；文件系统层：支持SOC上的嵌入式操作系统，支持应用层调度；块设备层：负责执行NAND？Flash？Controller的读写擦除时序。...

【技术特征摘要】
1.一种PCI-E接口固态硬盘控制器的设计方法，包括主机端和固态硬盘控制器端，其特征在于，固态硬盘控制器端整体设计采用SOC架构，所有功能由FPGA完成，主机端与固态硬盘控制器端使用SCSI协议报文互通，SCSI协议通过PCI-E总线报文进行传输，固态硬盘控制器PCI-E接口作为高速串行传输模块，实现与主机端的信息高速传输，设计步骤如下 O固态硬盘控制器整体设计采用SOC架构，所有功能在FPGA内的处理模块中完成，FPGA中各模块使用AHB总线互联，重要的模块有处理器模块，ONFi控制器模块，传输模块，其中 处理模块采用嵌入式处理器软核作为主控制器，负责自PCI-E端口的SCSI协议报文完成信息的分发与聚合； ONFi控制器模块实现NAND FLASH ONFi控制器对NAND固态存储芯片的读写操作，通过负责控制多个NAND FLASH存储单元的完成读写操作，提高访问效率，ONFi控制器模块通过RAID数据冗余保护机制来保护存储数据进行相应的热点控制和纠错处理； 传输模块将SCSI报文进行解析，通过适当的分发调度，通过ONFi控制器，写入到NAND芯片中存储，传输模块还通过“热点均衡”技术来均衡写入负载，避免在固态硬盘内部造...

【专利技术属性】
技术研发人员：张峰，陈继承，
申请(专利权)人：浪潮电子信息产业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：