基于FPGA的固态硬盘控制器的研究与设计

随着Flash存储芯片性价比越来越高,基于Flash存储芯片的固态硬盘已成为手持电子终端设备中的主流存储设备,并已开始大举进入笔记本计算机等领域.固态硬盘控制器是固态硬盘的核心部件,固态硬盘控制器性能的好坏直接决定固态硬盘的好坏,由于FPGA具备可编程、设计灵活性、设计周期短、可在线升级等优点,本文研究基于FPGA的16通道、双核固态硬盘控制器.     

SSD的现状及发展前景

半导体硬盘SSD(固态硬盘)由NAND闪存、NAND控制器以及用作缓冲存储器的DRAM所构成(见图1)。在SSD中,坏块管理、纠错编码(ECC)及单元调整等处理都由NAND控制器的闪存转换层(FTL)来执行。SSD的性能不仅取决于NAND闪存的性能,而且在很大程度上还会受到NAND控制器算法的影响。因此,在优化NAND控制器的设计时,需要考虑到NAND闪存的特性。本文将基于NAND闪存的器件技术及电路技术,以NAND控制器技术为中心,论述SSD技术的现状和今后的挑战等。     

企业级固态硬盘RealSSDP300

美光科（Micron Technology，Inc）推出RealSSDP300固态硬盘（SSD），为企业环境带来了更快的系统性能和更好的数据完整性。RealSSDP300硬盘采用了SATA6Gb／s接口，这在企业固态硬盘市场还是首例。新款P300固态硬盘每秒输入，输出操作（IOPS）稳定，读写次数分别高达44000次和16000次一写入性能为与之竞争的SATA固态硬盘的15倍多。     

固态硬盘SSD内部管理算法研究

固态硬盘(solid state drive,SSD)是一种以闪存芯片为存储介质的存储设备。作为SSD核心技术之一,控制器内部管理算法(flash translation layer,FTL)负责地址映射、坏块管理、垃圾回收、磨损均衡等关键功能,管理算法的优劣直接影响SSD的性能和寿命。近年来,随着闪存技术的不断发展,FTL的算法也在不断演进,根据映射表的特点,将其划分页(page)映射算法、块(block)映射算法和页块混合映射算法。根据逻辑区域划分,可分为分区映射和全区映射,同时冷热数据分类存储也成为FTL的一个重要功能。基于此,介绍了近年来具有代表性的研究成果,并对于各类算法的优缺点以及在适配3D闪存所遇到的问题进行分析,为进一步设计更加完善的FTL算法提供指南。     

硬盘仿真卡的设计与实现

叙述硬盘仿真卡的设计过程，给出硬件电路，详细介绍了支持软件的设计方法，最后讨论了硬盘仿真卡的应用前景。     

TMS320F206对基于FAT32文件系统IDE硬盘的文件操作

介绍了TI公司出品的DSP芯片TMS320F206对基于FAT32文件系统的文件读写和管理技术以及其对IDE硬盘的读写技术，着重介绍了文件的读写部分并且给出了该系统的软件流程图，简要介绍了硬件接口部分和对IDE硬盘的直接读写技术。     

硬盘存储在单片机上的应用

本文介绍了通用硬盘在8051系列单片机上的应用，介绍了硬盘的接口信号与协议，硬盘寄存器组，与8051单片机的硬件接口及对硬盘读写的软件。     

基于多核处理器的安全固态硬盘实现技术

固态硬盘（Solid State Disk,SSD）主要由硬盘控制芯片和存储芯片构成，利用传统的NAND Flash特性，以区块写入和擦除的方式进行读写。基于闪存颗粒的固态硬盘具有功耗低、体积小、性能快、稳定性好等特点，广泛用于各类型移动作业领域。出于对数据存储领域存在的各种安全问题现状的考虑，提出并实现了一种基于多核处理器盘控芯片的固态硬盘全盘加密存储、安全启动新技术，该技术使用国密SM2、SM3、SM4算法，与整机BIOS弱耦合，采用安全配置管理工具进行管控，具有安全性强、自主可控、可扩展性强等优点，具有很好的市场前景。     

新型智能存储SoC中NAND Flash控制器的软/硬件设计

介绍了新一代智能存储片上系统SSC,详细讨论了SSC中NAND Flash子系统的软/硬件设计;采用基于模板的划分方法,实现NAND读写控制器的软/硬件划分.SSC已生产并通过工业测试.结果表明,采用软/硬件划分的方法,NAND控制器的面积比纯硬件的实现方法减小58%,性能仅下降16%;比单纯ARM软件实现,速度平均提高20倍,同时具有软件的高灵活性.     

一种简易家用地震报警仪的设计

本文以MSP430系列单片机为控制器，辅以必要的模拟电路，设计了一种简易的家用地震报警仪。本设计采用均衡滤波对原始地震反射地层吸收衰减进行有效补偿，使地震反射波的特征参数得到明显改善，采用高阶低通滤波器将高频段噪声滤除，采用12位A/D转换提高系统对信号的分辨率。本设计硬件均采用模块化的设计思路，使得设计具有移植性和可扩展性。     

惠普全固态硬盘系统 助力突破存储瓶颈

目前,企业在迁移至融合存储系统过程中面临着两大难题。一方面,固态硬盘旨在提高应用于数据库索引、海量数据读取以及虚拟桌面启动风暴的性能与效率,然而,在传统双控制器存储系统中使用固态硬盘,其性能和潜力受限于I/O吞吐量。另一方面,企业正苦思如何管理包括音频、视频和富媒体内容等迅速增长的"自然语言",以避免引发存储散乱。     

更新换代，西部数据Silicon Drive N1x出货

西部数据近日推出了全新的2,5英寸高性能固态硬盘系列产品WD Silicon Drive N1x,该系列固态硬盘提供高速读写性能及高容量,可满足OEM嵌入式系统应用对高性能、高可靠性和较长产品生命周期的需求,将成为理想的各类存储解决方案。     

基于TMS320VC5407控制的脱机硬盘存储器

基于TMS320VC5407控制的综合驱动器电子组件(IDE)硬盘的存储器可以用于各种需要大容量数据存储的脱机系统中。文中介绍了TMS320VC5407(以下简称C5407)和PDIUSBD12(以下简称D12)的特点及IDE硬盘接口的IDE接口协议，它包括IDE接口、IDE寄存器和对硬盘的寻址方式。在此基础上，介绍了C5407与IDE硬盘接口及D12的连接，并且给出了它们之间的连接图。然后介绍了系统的软件的设计，其中包括C5407对D12的控制、PC机上的应用软件的设计和C5407对硬盘的一个扇区进行读写的软件实现，最后给出了对一个扇区进行读写的程序流程。该系统已经实现，性能稳定。     

m-序列数据扰码技术及其在SATA中的应用

SATA作为新一代硬盘接口规范,近年来被广泛应用于固态硬盘的开发,而通信数据的加扰与解扰正是SATA接口设计的重要内容。在分析数据加扰/解扰原理的基础上,研究基于m-序列的数据扰码算法和技术。针对固态硬盘SATA接口的实现,将满足SATA规范的具有特定本原多项式的线性反馈移位寄存器(LFSR)应用于m-序列数据加扰器和扰码器的设计。仿真与综合结果表明,扰码器设计满足固态硬盘SATA数据通信接口规范要求,能够有效地实现数据的加扰和解扰,具有低的硬件开销和良好的通用性。     

自动配速的SATA硬盘加密桥的设计与实现

硬盘加密是大容量安全存储的核心问题.基于SATA接口,提出一种桥接方式实现的硬盘加密桥设计.该设计实现了加密算法可配置,可实现对称加密的SM4和AES等算法,并能够自动检测并匹配SATA1.0与SATA2.0两种速度.重点介绍了SM4算法的实现.FPGA验证表明,计算机可以通过硬盘加密桥识别及读写硬盘.用WIN7系统的CrystalDiskMark硬盘测速软件对硬盘读写进行测速,结果表明加入硬盘桥后读速率在242MB/s以上,写速率约为160MB/s.     

基于PCRAM数据页聚簇的缓冲算法

针对Flash写前需擦除,读写I／0开销不均衡等固有缺陷,研究面向闪存缓冲区管理,对提高基于Flash的固态硬盘（Solid State Disk,SSD）访问性能以及降低系统功耗具有重要理论意义和应用价值。文章提出了一种新型存储架构,并实现了一种适用于SSD的基于相变存储器（Phase Change Memory,PCRAM）数据页聚簇的缓冲算法。文章中详细介绍了基于PCRAM聚簇的缓冲算法关键技术及原理,充分阐述算法相关元数据、存储数据、FTL管理与控制以及详尽分析了缓冲算法的读、写操作控制原理,最后通过F1ashSim仿真平台实现SSD写缓冲。基于仿真结果与传统缓冲算法性能比对,分析得出该缓冲算法可降低SSD随机写次数和SSD数据存储分散性,并提升SSD响应速度,降低系统功耗。     

基于PCRAM数据页聚簇的缓冲算法

针对Flash写前需擦除,读写I/O开销不均衡等固有缺陷,研究面向闪存缓冲区管理,对提高基于Flash的固态硬盘(Solid State Disk,SSD)访问性能以及降低系统功耗具有重要理论意义和应用价值。文章提出了一种新型存储架构,并实现了一种适用于SSD的基于相变存储器(Phase Change Memory,PCRAM)数据页聚簇的缓冲算法。文章中详细介绍了基于PCRAM聚簇的缓冲算法关键技术及原理,充分阐述算法相关元数据、存储数据、FTL管理与控制以及详尽分析了缓冲算法的读、写操作控制原理,最后通过FlashSim仿真平台实现SSD写缓冲。基于仿真结果与传统缓冲算法性能比对,分析得出该缓冲算法可降低SSD随机写次数和SSD数据存储分散性,并提升SSD响应速度,降低系统功耗。     

嵌入式VGA控制器实时移动算法设计和实现

在安检设备对行李物件的检查过程中,VGA(视频图形阵列)显示系统需要达到图像实时移动的效果。嵌入式安检控制系统通过嵌入式VGA控制器取得这种专用性能,这给嵌入式VGA控制器的设计和实现带来了不小的挑战,特别是VGA扫描算法,其优劣性将直接影响系统整体性能。文中根据嵌入式系统实时性要求,在介绍VGA控制器的硬件设计的基础上,提出图像左右移动的VGA扫描算法及其FPGA(现场可编程门阵列)实现。该算法不仅实现灵活,更能在保证系统性能的同时,降低系统资源占用,大大减小处于前级的ARM(高级精简指令集计算机)处理器对硬件系统的开销。     

一种改进的一致性哈希算法

一致性哈希算法常用于分布式系统的负载均衡,常见的算法存在一些弊端,如传统的带虚拟节点的一致性哈希算法在工程应用中节点负载不完全均衡,谷歌跳跃一致性哈希和腾讯PaxosStore存储系统的一致性哈希算法只能从后往前删除节点,同时难以应用于异构系统。针对上述问题,文章提出了一种改进的一致性哈希算法,优化了虚拟节点的分配,在同构系统中通过初始化时均匀分配虚拟节点、添加删除节点时从盈余向不足迁移虚拟节点的方法,保证了算法的一致性,并且当虚拟节点数远大于实节点数时系统可实现接近完全的均衡,增删节点也不受位置的限制。在异构系统中,算法通过按节点性能比例分配和迁移虚拟节点的方法,实现了对负载和流量的精准分配。对初始的虚拟节点数(N值)也进行了讨论,可以根据系统均衡性要求配置N值,并给出了重新均衡系统时分裂虚拟节点和扩大N值的算法。     

采用冗余数据删除技术进行备份系统优化的应用研究

采用哈希算法对数据块特征进行描述、相似性对比和压缩的冗余数据删除技术可应用于企业级数据备份领域。采用该技术对现有备份系统进行优化可有效降低业务系统资源使用压力,提高备份系统的工作效率,实现备份数据的高可用性。文章通过介绍高性能中央处理器、大容量高带宽内存和高稳定性高速率的企业级固态硬盘组成的虚拟磁带库数据压缩硬件平台以及应用场景和实现效果,对项目的有效性和适用性进行了分析和探讨。