精密仪器中高可靠存储模块的设计与实现

论文摘要

高可靠存储模块是长距离油气管道检测设备、高质量图像采集设备、军用加固计算机等精密仪器设备进行信息获取、信息存储、信息融会和信息处理的关键部件之一。早期的存储记录设备多采用磁盘式或磁带式,存在可靠性和存储速度等方面的发展瓶颈,不适合在电磁辐射、冲击、震动等恶劣环境中使用,因此高可靠性的存储模块一直是现代精密仪器设备所迫切需要的。基于闪存的大容量固态存储模块具有存储容量大、可靠性高、体积小、功耗低、数据安全性好、抗震动和冲击能力强、温度适应范围宽等特点,可以解决恶劣条件下仪器设备的存储可靠性问题。本文在深入了解国内外固态存储模块研究现状与所用先进技术的基础上,根据具体的技术目标,设计了高可靠存储模块的系统方案,主要工作包括:1、根据各组成部分的具体功能设计了相应的实现方案和硬件电路,包括接口方案的选择、高速缓冲存储器方案的设计、存储芯片的选型、FPGA模块的逻辑功能划分、FPGA芯片的配置电路设计以及电源管理模块的设计;2、重点设计了闪存芯片阵列的排布结构,通过引入并行扩展技术与流水线技术代替对单片闪存的直接编程,使闪存阵列接口的最大读写速度达到100MB/s;3、设计了基于FPGA的闪存阵列接口控制器,实现了闪存芯片的各项基本操作和流水线操作的功能仿真和时序仿真。由于存在多芯片的协同管理和流水线操作的问题,该部分的逻辑输出需要非常准确,是FPGA控制逻辑的核心模块之一;4、将闪存阵列接口控制器与系统整合,进行了系统的综合特性分析,通过实验测试了存储模块的各项外部性能。结果显示其最大读取速度达到70.3MB/s,最大写入速度达到42.9MB/s,实现了预定的设计目标。本课题所设计的高可靠存储模块具有集成度高、兼容性好、灵活性强等优点,可以方便地移植到恶劣环境下高速长距离探测或采集仪器中去。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究情况
• 1.2.2 国内研究情况
• 1.2.3 国外产品使用的先进技术
• 1.3 高可靠存储模块的需求分析
• 1.4 主要工作及技术目标
• 1.5 内容安排
• 第二章 系统的总体方案设计
• 2.1 系统的体系结构设计
• 2.2 各组成部分的方案设计
• 2.2.1 接口方案的选择
• 2.2.2 高速缓冲存储器方案的设计
• 2.2.3 存储芯片的选型
• 2.2.4 FPGA 模块的逻辑功能划分
• 2.2.5 FPGA 的配置方案设计
• 2.2.6 电源管理模块设计
• 2.3 本章小结
• 第三章 闪存阵列的排布结构设计
• 3.1 闪存阵列的设计目标
• 3.2 闪存芯片的性能分析
• 3.2.1 基本操作的速度分析与计算
• 3.2.2 单片最大写入速度的实现
• 3.3 提高闪存阵列读写性能的技术措施
• 3.3.1 并行扩展
• 3.3.2 流水线操作
• 3.4 并行闪存阵列排布结构方案设计
• 3.5 流水线操作下并行结构的性能分析
• 3.6 闪存阵列的电路设计
• 3.6.1 存储芯片的连接电路
• 3.6.2 存储芯片与FPGA 的连接
• 3.7 本章小结
• 第四章 闪存阵列接口控制器设计
• 4.1 接口控制器在系统中的位置
• 4.2 接口控制器的外部连接
• 4.2.1 与Avalon 总线模块的连接
• 4.2.2 与闪存阵列的连接
• 4.3 接口控制器的结构分析
• 4.3.1 基本模块划分
• 4.3.2 主要寄存器的定义
• 4.3.3 基于分级操作的结构原理框图
• 4.4 基本功能模块的设计与实现
• 4.4.1 主控状态机
• Reset 子模块'>4.4.2 Flash_Reset 子模块
• 4.4.3 读Flash ID 子模块
• 4.4.4 Erase 擦除子模块
• 4.4.5 Program 编程子模块
• 4.4.6 Read 读取子模块
• 4.4.7 CBP 复制回写子模块
• 4.4.8 Status Read 状态查询子模块
• 4.5 Nios 控制闪存阵列接口控制器的流程
• 4.6 本章小结
• 第五章 仿真与实验
• 5.1 流水线操作仿真
• 5.1.1 流水线编程操作
• 5.1.2 流水线擦除操作
• 5.1.3 流水线交替双片编程操作
• 5.2 时序综合特性报告
• 5.2.1 闪存接口控制器的综合特性
• 5.2.2 高可靠存储模块系统的综合特性
• 5.3 系统外特性测试与分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要研究成果
• 6.2 下一步工作的展望
• 参考文献
• 附录
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢