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電子論文

基于iOS的高速存儲電路設計與實現

時間:2019年07月20日 所屬分類:電子論文 點擊次數:

摘要:為了解決iOS移動設備外部存儲器件傳輸速度及存儲容量的問題,設計了一套適用iOS的外設高速存儲電路。通過采用兼容USB2.0的數據高速傳輸和處理技術USB3.1標準,以提高傳輸速度;使用FlashRaid技術進行讀寫管理,將NAND和eMMCFlash芯片的數據并行傳輸和管

  摘要:為了解決iOS移動設備外部存儲器件傳輸速度及存儲容量的問題,設計了一套適用iOS的外設高速存儲電路。通過采用兼容USB2.0的數據高速傳輸和處理技術USB3.1標準,以提高傳輸速度;使用FlashRaid技術進行讀寫管理,將NAND和eMMCFlash芯片的數據并行傳輸和管理技術進行集成,實現雙Flash芯片同步讀寫的雙通道數據高速傳輸與存儲,并內置多種容錯機制。實驗結果表明,重新設計的高速存儲電路可適應和擴展外設存儲容量,還可提升讀寫速度,其在iOS端的讀寫速度達到25,16MB/s,實現了iOS移動設備外部存儲高速傳輸與存儲目的。

  關鍵詞:數據采集;高速電路;NANDFlash;eMMCFlash;雙通道

中國集成電路

  0引言

  隨著電子信息技術和移動互聯網的快速發展,移動端的數據傳輸與存儲成為日常通信領域中不可缺少的一個環節,消費者對移動端的信息傳輸與存儲容量的需求也越來越大。iOS系統是由蘋果公司開發的移動操作系統,是目前移動端主流系統之一,開發適用與iOS外接的高速大容量存儲器件成為一種必然趨勢。NANDFlash作為目前市場大部分的存儲系統存儲介質,具有非易失性、存儲密度較大、功耗較低、可靠性較高等優點,已經逐漸成為當前存儲技術研究和應用的熱點[1-3]。

  但是單通道NANDFlash的數據存儲容量小,很難滿足現在移動端設備大容量存儲的需求。針對以上問題,本文對iOS高速存儲設備及其電路設計進行研究,設計能適應iOS系統的大容量、高速數據傳輸和存儲方案。

  通過采用USB3.1高速數據傳輸技術,集成NAND和eMMC(embeddedmulltimediacard)Flash的雙通道陣列技術,對存儲系統進行系統結構的優化與調整,優化控制器的控制算法,提升高速存儲設備傳輸帶寬,實現芯片級FlashRaid0和Raid1管理,在擴展存儲容量的同時,成倍提升數據讀寫速度。

  1NAND和eMMCFlash控制器及雙通道控制技術

  NANDFlash是一種需要在外部加主控和電路設計才能實現數據讀寫的存儲介質,eMMC的存儲核心是NANDFlash,是在封裝中集成了主控IC,在提供標準接口的同時管理閃存,簡化了電路設計。采用雙通道并行控制機制可顯著提高存儲容量和數據傳輸帶寬。

  1.1NANDFlash芯片

  作為存儲系統的核心部件,NANDFlash存儲芯片的性能將直接決定整個存儲系統的性能。NANDFlash芯片的存儲單元由塊和頁組成,以頁為單位進行存儲和讀取,其狀態、數據和命令傳輸都通過8bit總線分時復用完成,NAND接口時序較復雜,需要NAND控制器來實現對NAND的控制,控制器和NAND存儲器之間的共享總線稱為通道,所以NAND控制器又稱為通道控制器[4]。

  1.2eMMCFlash芯片

  eMMC采取同一MMC接口標準,將NAND和MMCController在BGA(ballgridarroy)芯片中封裝。針對Flash的特征,其模塊已包含Flash管理技術:錯誤探測和糾正、Flash平均擦寫、壞塊管理、掉電保護等[5]。針對移動設備,將NANDFlash芯片和控制芯片設計成1顆MCP(multiplechippackage)芯片,該設計簡化了內存儲器使用,使其能以高吞吐率傳輸大型數據,同時可以兼顧小型隨機數據的讀寫性能。eMMC結構由一個小型BGA封裝嵌入式存儲解決方案組成,其自帶MMC接口、快閃存儲器設備及主控制器,接口速度高達52MB/s,具有快速、可升級的性能[6]。

  1.3雙通道并行控制機制

  由于目前NANDFlash的數據線與地址線復用,其中數據線為8bit,約能達到3MB/s的寫入速度和25MB/s的讀取速度,這樣的低速數據傳輸效率明顯無法滿足現在的需求。目前,在采用多通道同時并行的控制操作時,將多片NANDFlash芯片的數據總線并行擴展,采用類似RAID的存儲技術[7],可使存儲器的讀寫帶寬得到極大提升,雙通道NANDFlash存儲芯片組成的存儲陣列架構。

  雙通道并行控制機制中的存儲目標由一片NANDFlash芯片,轉變為兩片并行復用的NANDFlash芯片,并通過FlashRaid0和Raid1管理,控制數據的寫入、存儲、容錯等,最終形成雙通道NANDFlash存儲陣列結構,可使存儲容量成倍擴增。同時,每個NANDFlash存儲復用組采用的總線拓寬技術與NANDFlash陣列的并行流水控制技術,顯著地提高了大容量存儲系統的數據傳輸帶寬。

  2基于iOS的雙通道高速存儲電路設計

  2.1芯片系統總體方案設計

  本設計所采用的芯片采取模塊化處理進行系統功能設置,使芯片具有高速傳輸、大容量存儲、較強的可移植性、擴展性等功能。芯片的數據存儲和管理使用eMMC5.1標準,且設計了多種容錯機制,做到同時兼容Flash存儲與外置TF(trans-flash)卡。此外,芯片內部封裝電源管理模塊、SRAM和NorFlash,以節約布板空間,節省BOM成本,降低布板與生產難度。

  2.2NAND和eMMCFlash雙通道高速存儲電路設計

  本設計采用流水線方式,在雙通道架構的通道內部使2個Flash芯片共用總線,在其中一片Flash芯片工作時,對另一片Flash芯片進行讀、寫等操作,在時間上實現數據總線的復用,縮短Flash陣列的等效操作時間,最大限度地減少單個Flash占用總線時間,使得Flash陣列整體讀寫速度得到提升[8-10]。

  2.2.1電路特性

  雙通道存儲電路中各電源的絕對最大額定參數。

  2.2.2啟動和復位計時設計

  本研究中電路的設計,外部電路設計規則、啟動和重置計時規則。其中:T1為從0~5V的5V電源軌道重置計時;T2為從0~2.7V的3.3V電源軌道重置計時;T3為延遲從5V電源到3.3V電源電壓達到2.7V的時間;T4為從0~1.2V的1.2V電源軌道重置計時。

  2.2.3雙通道電路設計

  為適用于移動iOS設備,保證用戶體驗,本研究中的雙通道電路在設計時不使用外置電源,而是通過使用iOS設備所提供電源,降低電路功耗。VBUS為系統供電腳,電壓通過Lightning接口獲取iOS設備電池電壓,芯片內置LDO(lowdropoutregulator)對外提供3.3V和1.8V穩壓電源。Pin1和Pin兩個終斷模式GPIO(generalpurposeinputoutput)分別為iOS設備和PC連接檢測腳,分別用于探測當前所連接設備,從而進入不同工作模式。

  I2C(interintegratedcircuit)接口用于連接身份認證芯片,提供iOS系統連接時所要求的身份確認與授權。EMMC_D0~EMMC_D7提供兩路MMC接口,可以同時連接兩路MMC設備,具體功能由固件來實現。

  3仿真及測試

  通過仿真器對雙通道控制芯片設計方案進行FPGA仿真,再進行芯片封裝。芯片封裝了定制的精簡指令集核心,以達到在高速處理數據的同時降低功耗的目的,且在系統內部封裝高精度振蕩器,以減少外圍器件,降低總體BOM成本,減小產品PCB尺寸。

  3.1仿真

  為了驗證電路設計的可靠性,采用ModelsimSE和Navos公司的Debussy軟件作為軟件仿真平臺,驗證本系統內關鍵的USB物理收發器(portphysicallayer,PHY)模塊、AES(advancedencryptionstandard)加解密模塊、SIE(serialinterfaceengine)模塊、eMMC接口模塊、高速51控制內核等關鍵模塊的功能與信號質量。最終采用基于XILINX公司的FPGA芯片XC7VX485T開發板作為本系統核心芯片的硬件仿真平臺,進行芯片級仿真驗證。仿真數據顯示,芯片的信號輸出質量高于目標設計。

  4結語

  集成NAND和eMMCFlash的雙通道高速存儲系統設計方法,采用具有高度并行性的多通道存儲系統結構,利用通道間流水和通道內交織的兩級并行訪問方法,有效地減小了讀取閃存延遲和編程時間對系統吞吐量的影響,改善了閃存系統存取性能,在經濟效益、社會效益上都有很大提升,提高了集成電路行業的發展和產品的國際競爭力。

  參考文獻:

  [1]LIT,LEIZ.ANovelMultipleDiesParallelNANDFlashMemoryControllerforHigh-SpeedDataStorage[C]//201713thIEEEInternationalConferenceonElectronicMeasurement&Instruments(ICEMI).Yangzhou:IEEE,2017:6-11.

  [2]CAIY,GHOSES,LUOYX,etal.VulnerabilitiesinMLCNANDFlashMemoryProgramming:ExperimentalAnalysis,Exploits,andMitigationTechniques[C]//2017IEEEInternationalSymposiumonHighPerformanceComputerArchitecture(HPCA).Austin:IEEE,2017:49-60.

  [3]李晴.高速大容量NANDFLASH存儲系統的設計與實現[D].北京:北京理工大學,2015.LIQing.TheDesignandRealizationofaHighSpeedandLargeCapacityNANDFLASHStorageSystem[D].Beijing:BeijingInstituteofTechnology,2015.

  [4]周之麗.基于NandFlash的大容量存儲裝置的設計與研究[D].太原:中北大學,2015.ZHOUZhili.TheDesignandResearchofLarge-CapacityDeviceBasedonNandFlash[D].Taiyuan:NorthUniversityofChina,2015.

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