论文部分内容阅读
摘要：随着计算机技术的不断发展，相关软件和硬件设施也在逐步的提高。尤其在信息存储方面，以NAND FLASH为主的固态存储得到了广泛的应用。使存储介质的读写速率、成本等都得到了很大的优化。本文针对该存储介质研究了高可靠固态存储模块的实现，并进一步分析了其实际应用情况。
关键词：高可靠;固态存储模块;实现;应用
前言：随着人们对计算机网络技术的依赖性越来越高，人们一直在研究并致力于提高计算机硬盘的存储容量，使其更有利于人们的工作和生活。很多研究成果虽然使存储空间提升，但读写速度却难以有所突破。而且存储硬盘的适应能力也难以得到有效的提高，受到很多方面的限制。NAND FLASH的出现解决了很多的实际问题。NAND FLASH的生产过程简单，可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，生产成本方面得到有效的降低。而且其实用性能与其他固态存储硬盘相比有着很大的优势。本文根据其特点，提出高可靠固态存储模块的实现方式、相关技术和应用方式。
1固态存储模块的总体实现
固态存储模块一般由接口电路、数据缓存、嵌入式处理器、FPGA等组合而成。接口电路是数据接口，同时也是命令接口，数据缓存对模块内的数据流的速率进行匹配，使数据实现高速传输[1] 。固态存储模块的技术核心是嵌入式处理器，通过该设备来实现对工作流程、数据读写、命令通信等方面的各种控制。FPGA是大规模可编程门阵列的缩写，负责控制数据流，主要包括内部通信和外部数据接口逻辑、DDR3数据控制逻辑等[2] 。此外固态存储模块还包括大容量数据缓存芯片。使其读写速率得到大幅的提升。在计算机进行数据存储时，先通过处理器接收指令，然后固态存储模块进入数据存储工作状态，数据从相应的接口输入，经接收器接收后进入数据缓存，并以DMA的方式进入FLASH控制器，最后将数据写入存储介质组。为提高数据读写速率，存储介质组通过多芯片同时工作的方式来实现。
2高可靠存储模块技术及应用
2.1NAND FLASH相关技术及应用
为了提高固态存储模块的数据读写与存储的可靠性，NAND FLASH将各种技术有效的进行融合，如数据纠错、过量配置、损耗均衡、坏块管理等，使数据存储和读写的可靠性得以提升[3] 。将原来位翻转、坏块、使用寿命短等缺陷进行有效的补充。
（1）数据纠错技术。NAND FLASH在数据读写过程中，可能会发生数据位翻转导致数据缺乏准确性等情况，因此需要应用数据纠错技术来增加纠错算法，纠正读写过程中的位错误，提高数据读写的准确性。随着科技的发展，数据纠错技术也在不断得到提升和改进，目前一般采用BCH码为数据纠错的主要应用的算法。这是一种并行编码技术，能够有效提高编码的速率和带宽。NAND FLASH在执行数据读取操作时，应用BCH译码电路对读取的数据进行实时检测，如果发现数据中存在错误，就会自动进行纠正，并将纠错后的数据输出给用户，提高输出数据的有效性和准确性。NAND FLASH在执行数据写入操作时，BCH编码电路对各种数据进行分类存储，提高数据存储的规范性和可靠性。而且可有效提高编码模块的带宽和速率。
（2）过量配置技术
过量配置技术是一种为了提高存储模块耐用度的有效方法。过量配置需要根据存贮模块不同的应用领域和场景来配置不同的空间。配置的空间越多，存储模块的可靠性就越高。这样也需要支付相应的成本，占用的空间越多需要支付的成本也就越高。模块通过损耗均衡来使擦写周期变短。如果出现模块失效的状况，就需要将失效部分标记成不可用，在从备用区域调配一个新的存储块到逻辑地址，这就是过量配置技术的应用过程。
（3）损耗均衡技术
损耗均衡技术是根据存储模块的擦写次数来对数据进行均衡的分配，优先选择擦写次数较少的存储块来存放数据。损耗均衡技术分为针对动态数据进行调配和静态数据进行调配两种类型。动态损耗平衡无法用于静态数据存储块的调配，而静态损耗均衡技术可以对所有的数据存储块执行相关的操作。与动态损耗平衡相比，应用静态损耗均衡技术在使用寿命方面具有很大的优势，能够减少数据存储块之间的不均衡损耗。NAND FLASH每个存储单元的使用寿命都是有一定的时限性的。采用高效合理的损耗均衡技术可以对NAND FLASH存储空间进行合理的擦写管控，提高存储空间和存储模块的整体使用寿命。
（4）坏块管理技术
坏块是固态存储模块出厂时如果有一个或多个位是坏的，就称其为坏块。坏块在固态存储器中是一种常见的现象。存在坏块的存储器难以保证写入的数据的准确性，也难以保证写入的数据可以被准确的读取。只有正常的模块才能执行常规的数据读写操作。产生坏块的原因有很多，一种可能是出厂质量的问题，就是在还没有使用的情况下就已经存在坏块。这种坏块在出厂前就应做好相应的标记。还有可能在使用过程中人为造成的损坏。一般使用时间过长后，反复擦除模块中的数据就可能会导致坏块出现，从而影响模块的整体使用性能。这种情况也需要对坏块进行标记。而所有正常的模块都标记为0xFF，如果标记与其不同，就可以判断为坏块[4] 。针对坏块的管理技术，可预先在NAND FLASH出厂前读取模块的芯片数据，还可以在模块使用过程中进行动态监测，针对所有新旧模块进行管理，如果出现坏块，会禁止将数据存储于坏块中，将坏块彻底封存，提高数据读写的准确性。
（5）磁盘阵列技术
磁盘阵列技术又称RAID技术，是有多个磁盘组合而成的磁盘组，进而使磁盘整体的系统功能和容量得以提升。该技术可以将数据进行切割并分别存储于硬盘中。当其中某一个磁盘发生故障时，其他磁盘仍然可以正常工作，使数据能够有效地被读取和写入硬盘中。磁盘阵列分为外接式、内接式以及软件仿真等形式[5] 。一般大型服务器应用外接式磁盘阵列柜，安装的成本也较高。而内接式阵列卡相比之下成本较低，但在安装时需要对技术人员的专业水平有较高的要求。可以为存储模块提供各种问题的解决方案。软件仿真技术通过系统自身的磁盘管理功能来对硬盘进行优化管理，组成科学合理的阵列。但容易拖慢系统的速度，不适用于数据流量较大的服务器。该技术的优点在于传输速率较快，而且具有容错功能。适用于在医疗、金融、军事等系统中应用。但磁盘没有冗余功能，磁盘整体的利用率也较低，所以需要持续对其进行研究和改进。目前RAID5在模塊中芯片出现异常时可以通过存储数据来对丢失的数据进行恢复，提高了数据存储的可靠性。
2.2高可靠性场合的应用
首先，数据加密技术。该技术是对写入数据的一种有效的保护措施，也是提高数据读写安全的一种手段。固态存储模块的最佳加密方案是将AES与RSA两种加密技术进行有效的融合。这样要想准确的读取数据，就需要进行解密操作，这样可以有效的防止数据丢失的情况发生。其次，数据销毁技术。在数据的加密信息被不具访问权限的人员获取时，应用该技术可以快速销毁密钥、目录、芯片、电路板等，使其中的数据无法被有效的读取。同时将数据信息进行自动擦除和覆盖，使信息难以被有效获取，确保信息的安全。这几种销毁的途经需要在实际应用中根据实际情况进行合理的选取。
结语：综上所述，高可靠固态存储模块具有优良的使用性能，能够有效的提升存储模块的读写速率和使用寿命。提升数据读写和存储的可靠性和准确性，提高数据模块的耐用性。目前高可靠固态存储模块实现了多种技术的提升，并能够满足计算机固态存储的各种应用需求。
参考文献：
[1] 吴洪成，潘琪.高可靠固态存储模块的实现与应用[J].计算机时代，2015（09）：14.
[2] 李佳琦.精密仪器中高可靠存储模块的设计与实现[D].天津大学，2009.
[3] 朱知博.基于NAND-FLASH的高速大容量存储系统设计[J].现代电子技术，2011.34（8）：170
[4] 张峰.基于Nandflash阵列的高速存储技术[J].电讯技术，2013.53（1）：68-71
[5] 胡洋，冯丹.高性能固态盘的多级并行性及算法研究[D].华中科技大学博士学位论文，2012.5.
（作者单位：南京长江电子信息产业集团有限公司）
关键词：高可靠;固态存储模块;实现;应用
前言：随着人们对计算机网络技术的依赖性越来越高，人们一直在研究并致力于提高计算机硬盘的存储容量，使其更有利于人们的工作和生活。很多研究成果虽然使存储空间提升，但读写速度却难以有所突破。而且存储硬盘的适应能力也难以得到有效的提高，受到很多方面的限制。NAND FLASH的出现解决了很多的实际问题。NAND FLASH的生产过程简单，可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，生产成本方面得到有效的降低。而且其实用性能与其他固态存储硬盘相比有着很大的优势。本文根据其特点，提出高可靠固态存储模块的实现方式、相关技术和应用方式。
1固态存储模块的总体实现
固态存储模块一般由接口电路、数据缓存、嵌入式处理器、FPGA等组合而成。接口电路是数据接口，同时也是命令接口，数据缓存对模块内的数据流的速率进行匹配，使数据实现高速传输[1] 。固态存储模块的技术核心是嵌入式处理器，通过该设备来实现对工作流程、数据读写、命令通信等方面的各种控制。FPGA是大规模可编程门阵列的缩写，负责控制数据流，主要包括内部通信和外部数据接口逻辑、DDR3数据控制逻辑等[2] 。此外固态存储模块还包括大容量数据缓存芯片。使其读写速率得到大幅的提升。在计算机进行数据存储时，先通过处理器接收指令，然后固态存储模块进入数据存储工作状态，数据从相应的接口输入，经接收器接收后进入数据缓存，并以DMA的方式进入FLASH控制器，最后将数据写入存储介质组。为提高数据读写速率，存储介质组通过多芯片同时工作的方式来实现。
2高可靠存储模块技术及应用
2.1NAND FLASH相关技术及应用
为了提高固态存储模块的数据读写与存储的可靠性，NAND FLASH将各种技术有效的进行融合，如数据纠错、过量配置、损耗均衡、坏块管理等，使数据存储和读写的可靠性得以提升[3] 。将原来位翻转、坏块、使用寿命短等缺陷进行有效的补充。
（1）数据纠错技术。NAND FLASH在数据读写过程中，可能会发生数据位翻转导致数据缺乏准确性等情况，因此需要应用数据纠错技术来增加纠错算法，纠正读写过程中的位错误，提高数据读写的准确性。随着科技的发展，数据纠错技术也在不断得到提升和改进，目前一般采用BCH码为数据纠错的主要应用的算法。这是一种并行编码技术，能够有效提高编码的速率和带宽。NAND FLASH在执行数据读取操作时，应用BCH译码电路对读取的数据进行实时检测，如果发现数据中存在错误，就会自动进行纠正，并将纠错后的数据输出给用户，提高输出数据的有效性和准确性。NAND FLASH在执行数据写入操作时，BCH编码电路对各种数据进行分类存储，提高数据存储的规范性和可靠性。而且可有效提高编码模块的带宽和速率。
（2）过量配置技术
过量配置技术是一种为了提高存储模块耐用度的有效方法。过量配置需要根据存贮模块不同的应用领域和场景来配置不同的空间。配置的空间越多，存储模块的可靠性就越高。这样也需要支付相应的成本，占用的空间越多需要支付的成本也就越高。模块通过损耗均衡来使擦写周期变短。如果出现模块失效的状况，就需要将失效部分标记成不可用，在从备用区域调配一个新的存储块到逻辑地址，这就是过量配置技术的应用过程。
（3）损耗均衡技术
损耗均衡技术是根据存储模块的擦写次数来对数据进行均衡的分配，优先选择擦写次数较少的存储块来存放数据。损耗均衡技术分为针对动态数据进行调配和静态数据进行调配两种类型。动态损耗平衡无法用于静态数据存储块的调配，而静态损耗均衡技术可以对所有的数据存储块执行相关的操作。与动态损耗平衡相比，应用静态损耗均衡技术在使用寿命方面具有很大的优势，能够减少数据存储块之间的不均衡损耗。NAND FLASH每个存储单元的使用寿命都是有一定的时限性的。采用高效合理的损耗均衡技术可以对NAND FLASH存储空间进行合理的擦写管控，提高存储空间和存储模块的整体使用寿命。
（4）坏块管理技术
坏块是固态存储模块出厂时如果有一个或多个位是坏的，就称其为坏块。坏块在固态存储器中是一种常见的现象。存在坏块的存储器难以保证写入的数据的准确性，也难以保证写入的数据可以被准确的读取。只有正常的模块才能执行常规的数据读写操作。产生坏块的原因有很多，一种可能是出厂质量的问题，就是在还没有使用的情况下就已经存在坏块。这种坏块在出厂前就应做好相应的标记。还有可能在使用过程中人为造成的损坏。一般使用时间过长后，反复擦除模块中的数据就可能会导致坏块出现，从而影响模块的整体使用性能。这种情况也需要对坏块进行标记。而所有正常的模块都标记为0xFF，如果标记与其不同，就可以判断为坏块[4] 。针对坏块的管理技术，可预先在NAND FLASH出厂前读取模块的芯片数据，还可以在模块使用过程中进行动态监测，针对所有新旧模块进行管理，如果出现坏块，会禁止将数据存储于坏块中，将坏块彻底封存，提高数据读写的准确性。
（5）磁盘阵列技术
磁盘阵列技术又称RAID技术，是有多个磁盘组合而成的磁盘组，进而使磁盘整体的系统功能和容量得以提升。该技术可以将数据进行切割并分别存储于硬盘中。当其中某一个磁盘发生故障时，其他磁盘仍然可以正常工作，使数据能够有效地被读取和写入硬盘中。磁盘阵列分为外接式、内接式以及软件仿真等形式[5] 。一般大型服务器应用外接式磁盘阵列柜，安装的成本也较高。而内接式阵列卡相比之下成本较低，但在安装时需要对技术人员的专业水平有较高的要求。可以为存储模块提供各种问题的解决方案。软件仿真技术通过系统自身的磁盘管理功能来对硬盘进行优化管理，组成科学合理的阵列。但容易拖慢系统的速度，不适用于数据流量较大的服务器。该技术的优点在于传输速率较快，而且具有容错功能。适用于在医疗、金融、军事等系统中应用。但磁盘没有冗余功能，磁盘整体的利用率也较低，所以需要持续对其进行研究和改进。目前RAID5在模塊中芯片出现异常时可以通过存储数据来对丢失的数据进行恢复，提高了数据存储的可靠性。
2.2高可靠性场合的应用
首先，数据加密技术。该技术是对写入数据的一种有效的保护措施，也是提高数据读写安全的一种手段。固态存储模块的最佳加密方案是将AES与RSA两种加密技术进行有效的融合。这样要想准确的读取数据，就需要进行解密操作，这样可以有效的防止数据丢失的情况发生。其次，数据销毁技术。在数据的加密信息被不具访问权限的人员获取时，应用该技术可以快速销毁密钥、目录、芯片、电路板等，使其中的数据无法被有效的读取。同时将数据信息进行自动擦除和覆盖，使信息难以被有效获取，确保信息的安全。这几种销毁的途经需要在实际应用中根据实际情况进行合理的选取。
结语：综上所述，高可靠固态存储模块具有优良的使用性能，能够有效的提升存储模块的读写速率和使用寿命。提升数据读写和存储的可靠性和准确性，提高数据模块的耐用性。目前高可靠固态存储模块实现了多种技术的提升，并能够满足计算机固态存储的各种应用需求。
参考文献：
[1] 吴洪成，潘琪.高可靠固态存储模块的实现与应用[J].计算机时代，2015（09）：14.
[2] 李佳琦.精密仪器中高可靠存储模块的设计与实现[D].天津大学，2009.
[3] 朱知博.基于NAND-FLASH的高速大容量存储系统设计[J].现代电子技术，2011.34（8）：170
[4] 张峰.基于Nandflash阵列的高速存储技术[J].电讯技术，2013.53（1）：68-71
[5] 胡洋，冯丹.高性能固态盘的多级并行性及算法研究[D].华中科技大学博士学位论文，2012.5.
（作者单位：南京长江电子信息产业集团有限公司）