基于FPGA的高速大容量存储系统的设计与实现

论文摘要

随着社会的进步和科技的发展，现代人类活动所需的信息量越来越大，人们对信息存储系统的速度、容量、功耗和可靠性要求越来越高。如何开发出高速度、高质量的视频存储系统，实时准确的存储高速大容量视频数据是本文研究的重点。本文首先介绍系统的研究背景，然后根据任务要求给出系统硬件设计，最后详细介绍了系统逻辑设计。系统针对所选用的MC1311高速CMOS相机，以NANDFlash Memory作为基本存储器件，构成容量为400GB的存储阵列作为数据的高速无损存储器。本文介绍了NAND Flash芯片的工作方式和高速CMOS相机输出数据的特点，重点研究了基于FPGA的NAND Flash芯片阵列的写入、读取、读写同时进行、擦除和坏块管理等控制模块，以及对高速相机输出高速数据的串行转并行处理模块，实现了对高速相机输出的500MB/s的高速数据的实时存储。在存储的过程中或者存储已完成，将所存储的数据通过集成在FPGA中的高速读取模块和千兆以太网接口上传到上位机，在数据上传模块中实现了乒乓工作方式。论文的研究成果已应用在某装备系统中，测试结果证明了系统设计的合理性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 系统总体设计
• 2.1 高速相机 MC1311 与 Camera Link 接口
• 2.1.1 高速相机 MC1311
• 2.1.2 Camera Link 接口
• 2.2 存储系统设计
• 2.2.1 系统技术指标
• 2.2.2 存储容量要求和存储速度要求
• 2.2.3 系统硬件技术要求
• 2.2.4 硬件系统构成
• 第三章 控制模块设计与实现
• 3.1 控制板主要芯片简介
• 3.1.1 MPC8313
• 3.1.2 FPGA 型号的选择
• 3.2 控制板结构及与其它模块的通信
• 3.2.1 控制板结构及简介
• 3.2.2 控制板与上位机通信
• 3.2.3 控制板与相机通信
• 3.2.4 控制板与存储阵列通信
• 3.3 控制板逻辑设计与实现
• 3.3.1 MPC8313 与上位机通信程序设计
• 3.3.2 FPGA 与 MPC8313 通信模块设计
• 3.3.3 FPGA 与存储板控制模块的通信设计
• 3.3.4 FPGA 内部相机控制模块设计
• 第四章 存储模块设计与实现
• 4.1 存储板总体设计
• 4.1.1 NAND Flash 的结构与容量分析
• 4.1.2 存储板总体结构
• 4.2 存储板逻辑设计与实现
• 4.2.1 写入模块逻辑设计
• 4.2.2 读取模块逻辑设计
• 4.2.3 读写同时进行逻辑设计
• 4.2.4 擦除模块逻辑设计
• 4.2.5 地址传输模块逻辑设计
• 4.2.6 续存和续读模块逻辑设计
• 第五章 系统调试及系统优化
• 5.1 系统与上位机通信时间的测试
• 5.1.1 上位机从存储板读取数据的测试
• 5.1.2 乒乓工作方式的提出与实现
• 5.2 NAND Flash 坏块与解决方案
• 5.2.1 NAND Flash 的坏块问题
• 5.2.2 针对坏块的解决方案
• 5.2.3 加坏块处理问题后续存和续读
• 5.3 存储板控制逻辑调试
• 5.3.1 针对相机信号的改进
• 5.3.2 存储板中组合逻辑的改进
• 5.3.3 存储板中写 RAM 的地址使能信号的改进
• 5.3.4 设计优化
• 5.4 系统的差错率
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 研究生期间研究成果