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一种固态硬盘闪存控制逻辑简介目 录1 绪论 …………………………………………………………12 闪存芯片特征分析 ……………………………………………32.1 K9LBG08U0M芯片内部的逻辑结构 ……………………………42.2 K9LBG08U0M 芯片管脚介绍 …………………………………42.3 K9LBG08U0M 芯片存储单元结构………………………………52.4 K9LBG08U0M 芯片基本操作……………………………………73 闪存控制器的设计 ……………………………………………83.1 闪存控制器结构 ………………………………………………83.2 闪存阵列设计 …………………………………………………93.3 同步逻辑设计…………………………………………………113.4 命令控制逻辑设计……………………………………………134 总结……………………………………………………………141绪论 目前，固态硬盘正在以强劲的势头向航天、军事、精密工业及终端移动PC机等领域渗透。全球几大笔记本电脑的厂商如惠普、IBM、戴尔、三星等公司都在不断地推出配备固态硬盘的笔记本电脑，而在航天、军事等领域也在不断投入固态硬盘的研发与应用之中。总体来看，目前的固态硬盘产品主要由主机接口、存储单元和控制单元等三大部分构成。根据不同的应用场合和应用需求，主机接口可以有不同的选择，如PATA 接口、SATA接口、PCI-E接口或DDR接口等。在某些特殊的应用场合或针对某些特殊的应用需求，甚至可以设计个性化的接口协议。存储单元主要由闪存阵列构成，根据需求的不同，阵列的组织方式也有多种，如采用位扩展方式构建高速存储阵列、采用字扩展方式构建大容量存储阵列、采用位扩展与字扩展相结合方式构建高速大容量存储阵列。另外，如前所述，如果考虑到闪存芯片本身在IO性能方面的一些不足，还可以在阵列中加入其它类型的存储芯片，用于构建更加稳定的存储阵列，如在MLC阵列中加入若干片SLC ，这样构建一个访问速度近似于SLC ，但价格却近似于MLC的存储阵列。对于这样的混合存储阵列，在进行数据写入时需要考虑到两种闪存的物理特性。对于那些小文件或是需要频繁更新写入的数据，可以考虑先写入到SLC 中，然后在适当的时机再写入到MLC中，而那些比较大的文件，且不需要频繁写入的数据则可以考虑直接写入到MLC中。控制单元可细分为两个部分，一部分是需要嵌入式处理器参与的主控制逻辑，另一部分是用来直接控制闪存芯片的控制逻辑——闪存控制器。主控制逻辑负责从主机接口接收地址、数据和命令，然后结合损耗均衡、交叉存储及多通道等技术对接收到的地址、数据及命令作相应处理后发送给闪存控制器。而闪存控制器接收从主控制逻辑发送来的命令，结合闪存对应命令的时序要求控制该命令的执行。 闪存控制器在固态硬盘中占据着相当重要的地位，这也决定了研究它的重要性。闪存控制器的性能直接影响到固态硬盘的整体性能，如何设计出低功耗、大容量及高性能的、易于扩展的闪存控制器成为了不可回避的问题。2 闪存芯片特征分析 虽然大部分闪存生产厂家都遵从开放NAND 闪存接口（Open NAND Flash Interface，ONFI）进行闪存芯片的设计，但各个厂家所推出的闪存还是存在一定的差异，即便同一厂家的闪存，不同型号间也存在一定的差异。本节以三星公司的闪存芯片K9LBG08U0M为例对闪存芯片的特征进行分析。2.1 K9LBG08U0M芯片内部的逻辑结构图2.1 闪存内部逻辑结构K9LBG08U0M闪存芯片在存储阵列的外部加入了必要的外围电路，如地址译码电路、命令解析电路、信号驱动电路、内部控制电路以及相应的寄存器，如命令寄存器、地址寄存器、数据寄存器（页寄存器）等，具体结构如图2.1所示。 2.2 K9LBG08U0M 芯片管脚介绍 K9LBG08U0M芯片虽然采用的是TSOP-48 标准封装，但由于采用了总线复用方式，所以实际使用的管脚数目比较少，这样可以方便将来芯片集成度的提升。 表2.1 K9LBG08U0M 芯片管脚描述K9LBG08U0M芯片除了8 根数据、命令、地址复用总线（I/O[7:0]），还有5根命令管脚（CLE 、ALE 、CE# 、RE# 、WE#），这5 个管脚用来实现闪存内部操作的控制。另外还有一个用于写保护的管脚WP# 和一个反馈芯片内部状态的RB#管脚，具体描述如表2.1所示。 2.3 K9LBG08U0M 芯片存储单元结构 K9LBG08U0M芯片内部包含33,792Mbit的存储阵列，按1,048,576行和4,224×8列进行排列。其中128列的备用空间从第4,096列开始，一直到第4,223列。为了方便I/O缓冲与存储元间数据的传输，在芯片的内部设置有4,