基于IDE接口的電子硬盤設計文獻綜述

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1、基于IDE接口的電子硬盤設計一、閃存（Flash Memory）技術發展現狀閃速存儲器（Flash Memory）是一類非易失性存儲器NVM（Non-Volatile Memory）即使在供電電源關閉后仍能保持片內信息；而諸如DRAM、SRAM這類易失性存儲器，當供電電源關閉時片內信息隨即丟失1。Flash Memory集中了其它類非易失性存儲器的特點：與EPROM相比較，閃速存儲器具有明顯的優勢在系統中具有電可擦除和可重復編程的特性，而不需要特殊的高電壓（某些第一代閃速存儲器也要求高電壓來完成擦除和/或編程操作）；與EEPROM相比較，閃速存儲器具有成本低、密度大的特點。其獨特的性能使其廣泛

2、地運用于各種嵌入式系統，如PC及外設、電信交換機、蜂窩電話、網絡互聯設備、儀器儀表和汽車器件，同時還包括新興的語音、圖像、數據存儲類產品，如數字相機、數字錄音機和個人數字助理（PDA）2。目前全球各大Flash Memory生產商采用的主流技術為NAND和AND兩種。1、NAND技術Samsung、TOSHIBA和Fujistu支持NAND技術Flash Memory。這種結構的閃速存儲器適合于純數據存儲和文件存儲，主要作為SmartMedia卡、CompactFlash卡、PCMCIA ATA卡、固態盤的存儲介質，并正成為閃速磁盤技術的核心。NAND技術Flash Memory具有以下特點：

3、（1）以頁為單位進行讀和編程操作，1頁為256或512B（字節）；以塊為單位進行擦除操作，1塊為4K、8K或16KB。具有快編程和快擦除的功能，其塊擦除時間是2ms；而NOR技術的塊擦除時間達到幾百ms。（2）數據、地址采用同一總線，實現串行讀取。隨機讀取速度慢且不能按字節隨機編程。（3）芯片尺寸小，引腳少，是位成本(bit cost)最低的固態存儲器，將很快突破每兆字節1美元的價格限制。（4）芯片包含有失效塊，其數目最大可達到335塊（取決于存儲器密度）。失效塊不會影響有效塊的性能，但設計者需要將失效塊在地址映射表中屏蔽起來3。2、AND技術AND技術是Hitachi公司的專利技術。Hita

4、chi和Mitsubishi共同支持AND技術的Flash Memory。AND技術與NAND一樣采用“大多數完好的存儲器”概念，目前，在數據和文檔存儲領域中是另一種占重要地位的閃速存儲技術。Hitachi和Mitsubishi公司采用0.18m的制造工藝，并結合MLC技術，生產出芯片尺寸更小、存儲容量更大、功耗更低的512Mb-AND Flash Memory，再利用雙密度封裝技術DDP（Double Density Package Technology），將2片512Mb芯片疊加在1片TSOP48的封裝內，形成一片1Gb芯片。HN29V51211T具有突出的低功耗特性，讀電流為2mA，待機

5、電流僅為1A，同時由于其內部存在與塊大小一致的內部RAM 緩沖區，使得AND技術不像其他采用MLC的閃速存儲器技術那樣寫入性能嚴重下降4。存儲器的發展都具有更大、更小、更低的趨勢，這在閃速存儲器行業表現得尤為淋漓盡致。隨著半導體制造工藝的發展，主流閃速存儲器廠家采用0.18m，甚至0.15m的制造工藝。借助于先進工藝的優勢，Flash Memory的容量可以更大：NOR技術將出現256Mb的器件，NAND和AND技術已經有1Gb的器件；同時芯片的封裝尺寸更?。簭淖畛鮀IP封裝，到PSOP、SSOP、TSOP封裝，再到BGA封裝，Flash Memory已經變得非常纖細小巧；先進的工藝技術也決定

6、了存儲器的低電壓的特性，從最初12V的編程電壓，逐漸下降到5V、3.3V、2.7V、1.8V單電壓供電。這符合國際上低功耗的潮流，更促進了便攜式產品的發展5。另一方面，新技術、新工藝也推動Flash Memory的位成本大幅度下降：采用NOR技術的Intel公司的28F128J3價格為25美元，NAND技術和AND技術的Flash Memory將突破1MB 1美元的價位，使其具有了取代傳統磁盤存儲器的潛質。世界閃速存儲器市場發展十分迅速，其規模接近DRAM市場的1/4，與DRAM和SRAM一起成為存儲器市場的三大產品。Flash Memory的迅猛發展歸因于資金和技術的投入，高性能低成本的新產

7、品不斷涌現，刺激了Flash Memory更廣泛的應用，推動了行業的向前發展。 由于Flash Memory可用作固態大容量存儲器，且它與普通硬盤相比，可靠性及耐用性好，抗沖擊、抗振動能力強，功耗低。因此，隨著Flash Memory集成度不斷提高，價格不斷降低，使其在便攜機上取代小容量硬盤已成為可能6。目前研制的Flash Memory都符合PCMCIA標準，可以十分方便地用于各種便攜式計算機中以取代磁盤。以車載系統為例：作為車載系統信息集成的硬件平臺GPS車載導航儀需要快速讀取硬盤中的地理信息數據、查詢路網數據庫和執行路徑選優算法等。大容量存儲器因為要與CPU進行頻繁的通信、進行高速協調工

8、作，它的可靠程度直接決定了導航儀的可靠性。采用磁原理的普通PC機硬盤，抗振動能力差、易于損壞，不適于車載。因此，大容量的采用Flash Memory的電子硬盤是一個比較理想的選擇7。二、設計方案可行性分析本次設計的Flash硬盤是一種固態盤SSD(Solid State Disk)。它主要包括具有標準IDE接口的DSP控制器MX9691、程序存儲器和16片128Mbit的Flash存儲器芯片。因為全部采用電子元件，它的抗振動性和平均無故障間隔時間(MTTF)均比普通硬盤高一個數量級(采用Bellcore或Mil-spec方法)。硬盤控制器采用的是旺宏公司生產的電子硬盤專用控制器MX9691L，

9、為128腳LQFP封裝，具有寬工作電壓范圍3.35V，可提供標準的PCMCIA和IDE接口。它的內部包括MX93011的DSP內核 21MIPS、1KB的緩沖數據區、PCMCIA/ATA接口、Flash存儲器接口和時鐘、復位電路等。采用MX9691作為Flash硬盤的驅動控制器有很多優點。MX9691為旺宏公司生產的專用硬盤驅動控制芯片，優化功能強大，沒有冗余模塊且封裝緊湊，便于進一步小型化和降低功耗。MX9691與三星公司的Flash存儲芯片兼容性好，不需再增加其它電路，因此可靠性高。旺宏公司對MX9691有強大的軟件支持，很多固件可以直接購買。因為MX9691支持在線編程，升級和維護非常簡

10、單。另外，MX9691為低功耗設計，它有3種節電模式：Idle、Standby和Sleep。MX9691可以通過查詢自己的工作狀態，自動進入相應的節電模式，因此功耗很低。圖1為其功能框圖。Flash 芯片采用的是三星公司生產的KM29U128T。它是48腳表面封裝器件，內部具有(16M+512K)8bit的存儲空間，共32768行，528列，其中后備的16列位于512列到527列。它內部有一個528字節的數據寄存器，可以用于頁讀、頁編程操作時數據的存儲轉換。它可以進行528字節為一頁的頁讀和寫操作，并可以進行以16K為一塊的塊擦除操作。KM29U128T的突出優點在于：命令、地址和數據信息均通

11、過8條I/O線傳輸，尋址單元的地址線不作為芯片的引出腳，24位地址分三次寫入地址鎖存器，譯碼后找到相應的單元。Flash硬盤工作原理框圖如圖2所示，硬盤控制器MX9691是CPU與Flash存儲器進行數據交換的控制通道。數據交換不僅可以采用程序控制方式和中斷控制方式，還可以采用直接存儲器存取方式(DMA)。在DMA方式下，MX9691內部的DMA控制器利用數據緩沖區可以與IDE適配器直接進行數據高速交換。因為采用周期竊取技術(cycle stealing) 使得數據傳送工作對系統總線具有較高的使用權。因為采用高速的MX93011 DSP內核(21Mips)，進行主機到緩沖區的突發數據傳送時速率

12、可以達到20MB/s。同時，MX9691還支持PIO模式4(16.6MB/s)和DMA模式2(16.6MB/s)IDE接口控制器 IOW IOR REG HA0 HA1標準IDE接口復位電路IOW# A0A7IOR#REG#HA0#HA1# A8A15MX9691L FCE# RDFLASH# WRFLASH#ROMWR# FALE#RD# FCLE#ROMCS 復位電路CS 程序存儲器RD MX28F2100TWR數據總線驅動器74F245數據總線驅動器74F245控制總線驅動器74F244D0D7D8D15K9F5608U0BCERDWRALECLE圖2 Flash硬盤工作原理框圖硬盤控制

13、器在與Flash存儲器進行數據通信操作時，數據已被放入內存中，MX9691首先把內存中的數據讀入內部高速緩存中，然后通過識別接收的指令類型和查詢FAT得到要尋址的Flash存儲器的編號。在對Flash存儲器進行寫操作前，先把要寫入的信息依次放到數據總線上，經過TW a-ce 的時間，待數據(包括指令、地址和數據)穩定后，通過對要尋址的Flash存儲器編號的解碼，從端口601FH輸出FCE片選信號選中相應的Flash芯片。在WR和WRFLASH同時有效時，數據被寫入相應的Flash存儲單元中。讀操作與此類似。Flash存儲器讀寫時序如圖3和圖4所示。圖3 Flash存儲器讀時序圖圖4 Flash

14、存儲器寫時序圖MX28F2100T為程序存貯器，它通過標準ATA接口經編譯的可執行文件可以對它直接在線編程。74F245和74F244為總線驅動器，在所選Flash存儲器較多時可以提高總線驅動能力。目前，Flash Memory已經成為制作電子硬盤的主流介質，如果是制作容量在2MB以下的電子硬盤可以選用27/28/29系列的芯片，單片容量在512KB，成本只有幾十元，若需要更大容量，就必需采用高密度Flash，也就是NAND型的Flash8。這種Flash起點價格較高，但起點容量更高，最小的4MB、8MB已經停產，一般是16MB（相當于128Mbit）起步，所以每MB的價格相對而言比較劃算。隨

15、著PC機技術的進步，老式的ISA插槽越來越少，即將淘汰，所以ISA插卡的產品繼續做成插卡式的話必須向PCI轉型。在這一形勢下，采用IDE接口的電子硬盤應運而生，可以說IDE接口的電子硬盤更接近普通硬盤，ISA卡式電子硬盤主要有Flash和邏輯電路組成，只是將Flash映射到PC機內存區，例如0xd800，開一個窗口實現讀寫，驅動程序是ROMBIOS的擴展。IDE接口的電子硬盤除了使用Flash外，還有專門提供IDE接口的CPU和為提高訪問速度而設置的Cache，所以有更好的性能表現，安裝IDE接口的電子硬盤和普通硬盤完全相同。IDE接口電子硬盤從安裝方式而言可以分兩種，一種是模塊結構，體積小巧

16、，另一種外觀與普通硬盤一樣的。模塊結構比較便宜，普通硬盤結構價格稍貴，一般工程客戶應該選用模塊結構的以降低成本。IDE接口的電子硬盤由于容量較大，與硬盤直接互換，也就是說與操作系統無關，故非常適合用于信息家電場合，裝載Windows核心程序、Linux系統及相應的應用程序諸如瀏覽器、電子郵件程序等等，此外還有工業控制、嵌入式系統等專門領域用到的多種操作系統，只要能用普通硬盤的地方，IDE接口的電子硬盤都能勝任，這些系統舉例如下：Linux, QNX, Informac, Lineo and Linux Based OS,PSOS, VxWorks, iRMX, Super Task ,Wind

17、ows NT, Embedded NT, Win95/98/2000, Win CE, DOS 5.0/6.22等等9。三、總結雖然，Flash Memory進入非易失性存儲器領域只有幾年的時間，但其憑借密度大、體積小、重量輕、抗震性好以及功耗低的優點和電可擦除和可重復編程的技術特性已經在嵌入式系統（如PC及外設、電信交換機、儀器儀表和車載系統）、軍用武器系統（雷達和導航系統）和各種新興的通信設備（如手機、傳真，網絡適配器）中得到廣泛應用。正如有人預言的那樣：Flash Memory現在正處于發展的起步階段，它必將在未來的幾十年里得到更加迅猛的發展10。參考文獻1G.Campardo, R.M

18、icheloni. Architecture of nonvolatile memory with multi-bit cells. Microelectronic Engineering, 59 (2001). 173-1812D.Ielmini, A.S.Spinelli and A. L. Lacaita. Recent developments on Flash memory reliability. Microelectronic Engineering, 80 (2005). 321-3283Jung-HoonLee, Gi-Ho Park, Shin-Dug Kim. A new

19、 NAND-type flash memory package with smart Buffer system for spatial and temporal localities. Journal of Systems Architecture, 51 (2005). 1111234C.GOLLA and S.GHEZZI. Flash Memory Architecture, 1998, Elsevier Science Ltd.5M.L.Chiang, R.C.Chang, Cleaning policies in mobile computers using flash memor

20、y. The Journal of System and Software, 48 (1999). 213-2316Roberto Bez, Agostino Pirovano. Non-volatile memory technologies: Emerging concepts and New Materials Science in Semiconductor Processing. Microelectronic Engineering, 7 (2004). 349-3557王廣運,郭秉義,李洪濤. 差分GPS定位技術與應用. 北京：電子工業出版社, 1996.38Taishi Kubota, Kohichi Ando, Satoru Muramatsu. FLASH memory data retention reliability and the floating gate/tunnel SiO, interface characteristics. Applied Surface Science, 117/l 18 (1997) 253-2589P. CAPPELLETTI. Flash memory reliability. 1998, Elsevier Science Ltd.10李力. 閃速存儲器技術現狀及發展趨勢. 湖南計算機股份有限公司