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[摘 要]本论文主要介绍大容量固态电子盘的设计方法，以及在抗恶劣环境计算机中的应用。通过试验使抗恶劣环境计算机整体可靠性指标达较高水平。
[关键词]固态电子盘 抗恶劣环境计算机 指标
中图分类号：P256 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）40-0007-02
1、概述
近年来随着计算机技术的飞速发展，对抗恶劣环境计算机的各项性能指标提出更高要求，应用领域不断扩大。在研制、开发抗恶劣环境计算机的过程中发现，制约其可靠性的关键部件之一就是外部存储器。
以往抗恶劣环境计算机外部存储器采用的机械式硬盘。由于机械式硬盘是机电一体化产品，其工作温度、机械震动等环境适应性远不能满足抗恶劣环境计算机的要求。随着半导体存储技术日渐成熟、完善，固态电子盘逐步取代机械式硬盘成为抗恶劣环境计算机的外部存储器。但由于储存容量较小难以满足大数据量存储，为寻求一种大容量高可靠性的外部存储设备，我们着手对大容量固态电子盘的研制开发工作。
2、构成
固态电子盘由存储载体、控制器、接口以及电源管理等部分构成。
2.1 存储载体
固态电子盘利用超大规模集成电路flash存储芯片阵列作为储存载体，取代硬盘高速旋转磁盘载体。其特点是减少寻道延迟时间，由于没有精密机械设备提高了使用寿命，降低了功耗。为提高存储容量存储载体选用k9k4g080um存储芯片。
2.2 控制器
控制器是固态电子盘的关键元器件之一，完成存储数据在flash存储芯片阵列读写管理。
2.3 接口
固态电子盘接口设计与标准硬盘接口一致，接口采用2.0mm标准IDE接口。
3、设计方案
3.1 Flash盘控制器
经过查阅大量的资料及分析，Flash盘控制器采用了SST公司生产具有的IDE接口控制器SST55ld019。该控制器具有外围电路简单、速度快、可靠性高等特点。其中最大特点是控制容量大（最高可达24G），为今后固态电子盘持续升级带来很大方便。其功能框图如图1：
SST55ld019控制器内部包含了一个微控制器和嵌入式Flash文件管理系统。控制器和主机的接口允许数据写入Flash介质以及从Flash介质读出。MCU负责把IDE命令转换成Flash介质操作所需的数据和控制信号。SRAM缓冲极大地优化了主机和Flash介质之间的数据传输。内部DMA直接把缓冲数据传输到Flash介质，越过MCU，提高数据吞吐率。嵌入式Flash文件系统为基于文件的操作系统提供了方便。多任务接口可以对多个Flash介质器件进行读/写、编程和擦除操作。SCI接口用于重新进行芯片初始化过程和配置ID号，为硬件调试提供方便。
NAND Flash存储器
NAND Flash存储器是固态电子盘的关键元器件之一，其性能直接影响到设备性能优劣。
该存储器为采用页面管理方式，基本存储容量为128MΧ8，页容量为512字节。其原理框图见图2所示：
NAND型闪存的基本存储单元是页（Page）（可以看到，NAND型闪存的页就类似硬盘的扇区，硬盘的一个扇区也为512字节）。每一页的有效容量是512字节的倍数。所谓的有效容量是指用于数据存储的部分，实际上还要加上16字节的校验信息，因此我们可以在闪存厂商的技术资料当中看到“（512+16）Byte”的表示方式。目前2Gb以下容量的NAND型闪存绝大多数是（512+16）字节的页面容量，2Gb以上容量的NAND型闪存则将页容量扩大到（2048+64）字节。
NAND型闪存以块为单位进行擦除操作。闪存的写入操作必须在空白区域进行，如果目标区域已经有数据，必须先擦除后写入，因此擦除操作是闪存的基本操作。一般每个块包含32个512字节的页，容量16KB；而大容量闪存采用2KB页时，则每个块包含64个页，容量128KB。
寻址时，NAND型闪存通过8条I/O接口数据线传输地址信息包，每包传送8位地址信息。由于闪存芯片容量比较大，一组8位地址只够寻址256个页，显然是不够的，因此通常一次地址传送需要分若干组，占用若干个时钟周期。NAND的地址信息包括列地址（页面中的起始操作地址）、块地址和相应的页面地址，传送时分别分组，至少需要三次，占用三个周期。随着容量的增大，地址信息会更多，需要占用更多的时钟周期传输，因此，NAND型闪存的一个重要特点就是容量越大，寻址时间越长。而且，由于传送地址周期比其他存储介质长，因此NAND型闪存与其他存储介质相比不太适合大量的小容量数据的读写请求。
决定NAND型Flash存储介质的主要因素有：页数量、页容量、块容量、I/O位宽、频率等等。
目前我们所选用的K9K4G080u Flash存储介质为页数量为512MΧ8，页容量为2KB，则它的寻址时间（即传送地址时间）为4个周期。
NAND型闪存的读取步骤分为：发送命令和寻址信息→将数据传向页面寄存器（随机读稳定时间）→数据传出（每周期8bit，需要传送512+16或2K+64次）。NAND型闪存的写步骤分为：发送寻址信息→将数据传向页面寄存器→发送命令信息→数据从寄存器写入页面。K9K4G080 Flash存储介质读一个页需要：6个命令、寻址周期×50ns+12μs+（2K+64）×50ns=131.1μs；K9K4G08U0M实际读传输率：2KB字节÷131.1μs=15.6MB/s；写一个页需要：6个命令、寻址周期×50ns+（2K+64）×50ns+300μs=405.9μs。K9K1G080实际写传输率：2112字节÷405.9μs=5MB/s。
块是擦除操作的基本单位，由于每个块的擦除时间几乎相同（擦除操作一般需要2ms，而之前若干周期的命令和地址信息占用的时间可以忽略不计），块的容量将直接决定擦除性能。大容量NAND型闪存的页容量提高，而每个块的页数量也有所提高，一般4Gb芯片的为2KB字节×64个页=128KB。 接口设计
为提高固态电子盘的通用性，接口设计为目前硬盘广泛使用的标准IDE接口。该接口在物理上实现了IDE-40芯插座和IDE-44芯插座兼容的方式，可直接连接到PC机硬盘连线，也可直接用于连接移动式（笔记本连接方式）接口，电信号与通用标准IDE接口完全兼容。其排列如图3所示。
外围电路设计
由于NAND Flash存储器的工作电压是+3.3V，Flash盘控制器同时使用+5V和3.3V。因此在固态电子盘上单独设计了一个电源转换和稳压电路，通过这部分电路为固态电子盘提供所需要的5V和3.3V工作电压和断电保护。
固态电子盘外部时钟设计为可调节模式，通过RC振荡来激发外部时钟，通过选择不同的电阻和电容来调节到我们需要的外部时钟，这里，我们的外部时钟在10～100MHz可选，不同的外部时钟可影响到固态电子盘的读写性能。外部时钟越高，读写速度越快。
3.5 固态电子盘设计
通过上述分析固态电子盘用SST55ld019控制器来驱动24片K9K4G080 Flash存储芯片。并将全部元器件放置在一块PCB板上。高速PCB设计为多层印制版，大小为 99×65mm？。外部时钟频率设计为23MHz，总容量为12G，最大读速度：15.6MB/S；最大写速度：5MB/S。接口设计为笔记本式标准的2.0mm间距IDE接口，支持主/副盘选择。其原理框图如下图所示：
由固态电子盘的原理框图可以得到，电子盘的设计逻辑实现了IDE接口，并将有关信号嵌入系统总线中，又在物理上实现了IDE-40芯插座和IDE-44芯插座兼容的方式，可直接连接到PC机硬盘连线，也可直接用于连接移动式（笔记本连接方式）接口。
电子盘的设计是通过将IDE信号逻辑嵌入到Flash盘控制器中，通过驱动器和总线驱动器的转换，将命令和数据地址总线转换成多个并行的数据地址总线和命令，操作时通由FALE和FCLE来锁存信号区分，并用译码器来将片选信号转换成多个片选信号，以此实现一个控制器与多个NAND Flash存储介质的连接，从而实现增大电子盘容量。
同时，我们用全固件和工业级的芯片和器件设计整个固态电子盘，满足了高低温和震动冲击的要求，适应了恶劣环境下对硬盘要求的需要。
4、固态电子盘的提升
通过设计12G固态电子盘，我们掌握了一些设计固态电子盘的关键技术和资料。目前，我们所设计成型的固态电子盘容量还不是很大，不能满足大容量的数据存储和交换。但是，通过改进性设计和选用高性能的Flash盘控制器以及大容量的Flash存储芯片，我们可以提高固态电子盘的存储容量和读写速度以及性能。
高性能的Flash盘控制器可以控制更多的Flash存储芯片，并提高时钟频率，同时也增加对Flash存储介质的读频率。选用大容量的Flash存储介质，不仅增大了Flash存储介质本身的页容量、页数量和块容量，同时也增加了I/O位宽，将数据线增大到16条，带宽增加一倍，再通过时钟频率的增大，则其读写性能将大大增加，以一个K9K4G160u为列，每页为2KB，但结构为（1K+32）×16bit。K9K4G16U0u读一个页需要：6个命令、寻址周期×50ns+25μs+（1K+32）×50ns=78.1μs。K9K4G160u实际读传输率：2KB字节÷78.1μs=26.2MB/s。K9K4G16写一个页需要：6个命令、寻址周期×50ns+（1K+32）×50ns+300μs=353.1μs。K9K4G160u实际写传输率：2KB字节÷353.1μs=5.8MB/s。从以上可以看出，它的读写性能比起K9K4G080u大大增加。
通过改进使固态电子盘总容量可增大到24G以上，更加适用于大容量的数据存储和交换，更能满足恶劣环境下对数据存储和交换的需要。并能根据实际需要，通过原理设计和重新选用芯片，设计出512M～24G或更大容量的电子盘，满足用户需求。
5、结束语
目前，已设计的12G容量固态电子盘已投入使用，并能在全加固和恶劣环境下运行正常，各项技术指标均达到了设计要求。
参考文献
[1]李文博，Flash阵列存储技术研究[D].哈尔滨工业大学，2010年
[2] SST：SST55LD019 Data Sheet.
[3] ATA Flash Disk Controller External Clock Option Application Note.
[4] ds_k9xxg08uxm_rev09 Data Sheet.
[5]鲁昌龙，固态硬盘存储系统模型及存储管理层算法的研究[D].景德镇陶瓷学院，2011年.
作者简介
陈会云（1978— ），女，云南省祥云县人，云南工商学院信息工程学院讲师，研究生学历，主要从事计算机文化基础课程及计算机数学教学。
[关键词]固态电子盘 抗恶劣环境计算机 指标
中图分类号：P256 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）40-0007-02
1、概述
近年来随着计算机技术的飞速发展，对抗恶劣环境计算机的各项性能指标提出更高要求，应用领域不断扩大。在研制、开发抗恶劣环境计算机的过程中发现，制约其可靠性的关键部件之一就是外部存储器。
以往抗恶劣环境计算机外部存储器采用的机械式硬盘。由于机械式硬盘是机电一体化产品，其工作温度、机械震动等环境适应性远不能满足抗恶劣环境计算机的要求。随着半导体存储技术日渐成熟、完善，固态电子盘逐步取代机械式硬盘成为抗恶劣环境计算机的外部存储器。但由于储存容量较小难以满足大数据量存储，为寻求一种大容量高可靠性的外部存储设备，我们着手对大容量固态电子盘的研制开发工作。
2、构成
固态电子盘由存储载体、控制器、接口以及电源管理等部分构成。
2.1 存储载体
固态电子盘利用超大规模集成电路flash存储芯片阵列作为储存载体，取代硬盘高速旋转磁盘载体。其特点是减少寻道延迟时间，由于没有精密机械设备提高了使用寿命，降低了功耗。为提高存储容量存储载体选用k9k4g080um存储芯片。
2.2 控制器
控制器是固态电子盘的关键元器件之一，完成存储数据在flash存储芯片阵列读写管理。
2.3 接口
固态电子盘接口设计与标准硬盘接口一致，接口采用2.0mm标准IDE接口。
3、设计方案
3.1 Flash盘控制器
经过查阅大量的资料及分析，Flash盘控制器采用了SST公司生产具有的IDE接口控制器SST55ld019。该控制器具有外围电路简单、速度快、可靠性高等特点。其中最大特点是控制容量大（最高可达24G），为今后固态电子盘持续升级带来很大方便。其功能框图如图1：
SST55ld019控制器内部包含了一个微控制器和嵌入式Flash文件管理系统。控制器和主机的接口允许数据写入Flash介质以及从Flash介质读出。MCU负责把IDE命令转换成Flash介质操作所需的数据和控制信号。SRAM缓冲极大地优化了主机和Flash介质之间的数据传输。内部DMA直接把缓冲数据传输到Flash介质，越过MCU，提高数据吞吐率。嵌入式Flash文件系统为基于文件的操作系统提供了方便。多任务接口可以对多个Flash介质器件进行读/写、编程和擦除操作。SCI接口用于重新进行芯片初始化过程和配置ID号，为硬件调试提供方便。
NAND Flash存储器
NAND Flash存储器是固态电子盘的关键元器件之一，其性能直接影响到设备性能优劣。
该存储器为采用页面管理方式，基本存储容量为128MΧ8，页容量为512字节。其原理框图见图2所示：
NAND型闪存的基本存储单元是页（Page）（可以看到，NAND型闪存的页就类似硬盘的扇区，硬盘的一个扇区也为512字节）。每一页的有效容量是512字节的倍数。所谓的有效容量是指用于数据存储的部分，实际上还要加上16字节的校验信息，因此我们可以在闪存厂商的技术资料当中看到“（512+16）Byte”的表示方式。目前2Gb以下容量的NAND型闪存绝大多数是（512+16）字节的页面容量，2Gb以上容量的NAND型闪存则将页容量扩大到（2048+64）字节。
NAND型闪存以块为单位进行擦除操作。闪存的写入操作必须在空白区域进行，如果目标区域已经有数据，必须先擦除后写入，因此擦除操作是闪存的基本操作。一般每个块包含32个512字节的页，容量16KB；而大容量闪存采用2KB页时，则每个块包含64个页，容量128KB。
寻址时，NAND型闪存通过8条I/O接口数据线传输地址信息包，每包传送8位地址信息。由于闪存芯片容量比较大，一组8位地址只够寻址256个页，显然是不够的，因此通常一次地址传送需要分若干组，占用若干个时钟周期。NAND的地址信息包括列地址（页面中的起始操作地址）、块地址和相应的页面地址，传送时分别分组，至少需要三次，占用三个周期。随着容量的增大，地址信息会更多，需要占用更多的时钟周期传输，因此，NAND型闪存的一个重要特点就是容量越大，寻址时间越长。而且，由于传送地址周期比其他存储介质长，因此NAND型闪存与其他存储介质相比不太适合大量的小容量数据的读写请求。
决定NAND型Flash存储介质的主要因素有：页数量、页容量、块容量、I/O位宽、频率等等。
目前我们所选用的K9K4G080u Flash存储介质为页数量为512MΧ8，页容量为2KB，则它的寻址时间（即传送地址时间）为4个周期。
NAND型闪存的读取步骤分为：发送命令和寻址信息→将数据传向页面寄存器（随机读稳定时间）→数据传出（每周期8bit，需要传送512+16或2K+64次）。NAND型闪存的写步骤分为：发送寻址信息→将数据传向页面寄存器→发送命令信息→数据从寄存器写入页面。K9K4G080 Flash存储介质读一个页需要：6个命令、寻址周期×50ns+12μs+（2K+64）×50ns=131.1μs；K9K4G08U0M实际读传输率：2KB字节÷131.1μs=15.6MB/s；写一个页需要：6个命令、寻址周期×50ns+（2K+64）×50ns+300μs=405.9μs。K9K1G080实际写传输率：2112字节÷405.9μs=5MB/s。
块是擦除操作的基本单位，由于每个块的擦除时间几乎相同（擦除操作一般需要2ms，而之前若干周期的命令和地址信息占用的时间可以忽略不计），块的容量将直接决定擦除性能。大容量NAND型闪存的页容量提高，而每个块的页数量也有所提高，一般4Gb芯片的为2KB字节×64个页=128KB。 接口设计
为提高固态电子盘的通用性，接口设计为目前硬盘广泛使用的标准IDE接口。该接口在物理上实现了IDE-40芯插座和IDE-44芯插座兼容的方式，可直接连接到PC机硬盘连线，也可直接用于连接移动式（笔记本连接方式）接口，电信号与通用标准IDE接口完全兼容。其排列如图3所示。
外围电路设计
由于NAND Flash存储器的工作电压是+3.3V，Flash盘控制器同时使用+5V和3.3V。因此在固态电子盘上单独设计了一个电源转换和稳压电路，通过这部分电路为固态电子盘提供所需要的5V和3.3V工作电压和断电保护。
固态电子盘外部时钟设计为可调节模式，通过RC振荡来激发外部时钟，通过选择不同的电阻和电容来调节到我们需要的外部时钟，这里，我们的外部时钟在10～100MHz可选，不同的外部时钟可影响到固态电子盘的读写性能。外部时钟越高，读写速度越快。
3.5 固态电子盘设计
通过上述分析固态电子盘用SST55ld019控制器来驱动24片K9K4G080 Flash存储芯片。并将全部元器件放置在一块PCB板上。高速PCB设计为多层印制版，大小为 99×65mm？。外部时钟频率设计为23MHz，总容量为12G，最大读速度：15.6MB/S；最大写速度：5MB/S。接口设计为笔记本式标准的2.0mm间距IDE接口，支持主/副盘选择。其原理框图如下图所示：
由固态电子盘的原理框图可以得到，电子盘的设计逻辑实现了IDE接口，并将有关信号嵌入系统总线中，又在物理上实现了IDE-40芯插座和IDE-44芯插座兼容的方式，可直接连接到PC机硬盘连线，也可直接用于连接移动式（笔记本连接方式）接口。
电子盘的设计是通过将IDE信号逻辑嵌入到Flash盘控制器中，通过驱动器和总线驱动器的转换，将命令和数据地址总线转换成多个并行的数据地址总线和命令，操作时通由FALE和FCLE来锁存信号区分，并用译码器来将片选信号转换成多个片选信号，以此实现一个控制器与多个NAND Flash存储介质的连接，从而实现增大电子盘容量。
同时，我们用全固件和工业级的芯片和器件设计整个固态电子盘，满足了高低温和震动冲击的要求，适应了恶劣环境下对硬盘要求的需要。
4、固态电子盘的提升
通过设计12G固态电子盘，我们掌握了一些设计固态电子盘的关键技术和资料。目前，我们所设计成型的固态电子盘容量还不是很大，不能满足大容量的数据存储和交换。但是，通过改进性设计和选用高性能的Flash盘控制器以及大容量的Flash存储芯片，我们可以提高固态电子盘的存储容量和读写速度以及性能。
高性能的Flash盘控制器可以控制更多的Flash存储芯片，并提高时钟频率，同时也增加对Flash存储介质的读频率。选用大容量的Flash存储介质，不仅增大了Flash存储介质本身的页容量、页数量和块容量，同时也增加了I/O位宽，将数据线增大到16条，带宽增加一倍，再通过时钟频率的增大，则其读写性能将大大增加，以一个K9K4G160u为列，每页为2KB，但结构为（1K+32）×16bit。K9K4G16U0u读一个页需要：6个命令、寻址周期×50ns+25μs+（1K+32）×50ns=78.1μs。K9K4G160u实际读传输率：2KB字节÷78.1μs=26.2MB/s。K9K4G16写一个页需要：6个命令、寻址周期×50ns+（1K+32）×50ns+300μs=353.1μs。K9K4G160u实际写传输率：2KB字节÷353.1μs=5.8MB/s。从以上可以看出，它的读写性能比起K9K4G080u大大增加。
通过改进使固态电子盘总容量可增大到24G以上，更加适用于大容量的数据存储和交换，更能满足恶劣环境下对数据存储和交换的需要。并能根据实际需要，通过原理设计和重新选用芯片，设计出512M～24G或更大容量的电子盘，满足用户需求。
5、结束语
目前，已设计的12G容量固态电子盘已投入使用，并能在全加固和恶劣环境下运行正常，各项技术指标均达到了设计要求。
参考文献
[1]李文博，Flash阵列存储技术研究[D].哈尔滨工业大学，2010年
[2] SST：SST55LD019 Data Sheet.
[3] ATA Flash Disk Controller External Clock Option Application Note.
[4] ds_k9xxg08uxm_rev09 Data Sheet.
[5]鲁昌龙，固态硬盘存储系统模型及存储管理层算法的研究[D].景德镇陶瓷学院，2011年.
作者简介
陈会云（1978— ），女，云南省祥云县人，云南工商学院信息工程学院讲师，研究生学历，主要从事计算机文化基础课程及计算机数学教学。