0 引言

    固態硬盤相對于傳統機械硬盤，憑借其高讀寫性能、低功耗、低噪音、體積小、抗震性強等諸多優點，近年來在消費類電子、軍工、航空航天等領域得到迅猛發展，并不斷搶占機械硬盤的原有市場份額。

    固態硬盤主要由主控芯片、閃存芯片和DRAM緩存芯片組成。主控芯片作為固態硬盤的核心器件，其好壞優劣直接決定固態硬盤產品的性能和可靠性；閃存芯片目前主流應用的是15/16 nm的MLC顆粒，雖然存儲容量單顆可達128 Gb，接口性能可達400 MB/s，但數據保存性能較差，需要主控芯片具有極強的數據糾錯能力，同時配合主控芯片中的FTL(Flash Translation Layer)固件進行磨損均衡調度，以保證固態硬盤的整體壽命。

    固態硬盤主控芯片早期主要以PATA為接口，經過多年的市場發展已經逐步升級為USB3.0（5 Gb/s）/SATAIII(6 Gb/s)接口，甚至在企業級已經升級為PCIE3.0(8 Gb/s)接口，單盤容量最大可支持8 TB。而閃存單顆粒無論是接口速度還是容量，都無法滿足固態硬盤的整體需求，一般都是通過一顆主控加上多顆閃存陣列的方案實現。閃存控制器作為固態硬盤主控的關鍵模塊，其兼容性、糾錯能力、吞吐量、閃存陣列組合方式等特性，往往決定了最終固態硬盤產品的成本、性能及穩定性。本文所設計的閃存控制器可支持4路閃存通路，共支持4×8片閃存片選，最大容量可支持512 GB，支持更大容量可集成多個閃存控制器；在110 nm工藝下，閃存控制器接口速率可達4×200 MB/s，在55/40 nm工藝下，速率可達4×400 MB/s；在兼容性方面，本文閃存控制器提出了一種可編程的命令編碼方式，可有效保證對閃存各個廠商命令層的支持。

1 閃存控制器總體架構

1.1 總體架構

    本文閃存控制器對外接口主要包括一個AHB^[1]配置從端口、一個AHB數據從端口和4路閃存主機端口，每路閃存端口可外掛8片Flash片選^[2]。如圖1所示。

    閃存控制器只包含一個寄存器配置模塊，用于控制4路通路的數據傳輸并反映當前狀態。4路通路模塊共用一個AHB數據從端口，AHB數據從端口通過地址譯碼產生選擇信號，分別對4路通路進行數據讀寫，通過共用AHB數據端口，可降低芯片頂層集成的繁瑣程度，降低出錯概率，便于驗證，且不影響數據傳輸帶寬。4路通路模塊共用一個ECC解碼模塊，ECC解碼模塊數據輸入輸出位寬為32位，保證與4路閃存8位端口總位寬相一致，出于面積方面考慮，與4個8位寬的ECC解碼模塊相比，采用32 bit位寬可通過優化算法和DC綜合等方法有效降低閃存控制器整體面積。

1.2 單通路模塊架構

    單通路模塊是整個閃存控制器的核心模塊，包含3個時鐘：AHB_CLK，NFC_CLK,NAND_CLK。所以按時鐘域可分為總線時鐘域、模塊時鐘域和閃存時鐘域。按照邏輯劃分可分為控制通路和數據通路，控制通路包括流程控制模塊、初始化模塊、地址生成模塊和指令控制模塊；數據通路包括數據控制模塊、加解擾模塊、取反模塊和閃存接口模塊，閃存控制器單通路模塊架構如圖2所示。

2 設計實現

2.1 指令編碼

    由于閃存業界分為兩大陣營，各自支持ONFI^[3]和Toggle兩種不同協議，如果通過硬件實現命令層的傳輸控制，一旦閃存廠商協議升級或者變更，則會存在命令層不兼容的風險，只有通過重新設計流片才能解決，這樣無疑會增加固態硬盤主控廠商的成本。

    本文采用軟硬件結合的方式，提出了一種可編程的命令層實現方法，即CPU根據指令集格式進行命令碼編程，寫入閃存控制器內部指令SRAM中，閃存控制器根據指令SRAM中的指令進行閃存顆粒的讀寫、擦除等操作，如果需要重復操作，CPU無需再次寫入，直接配置閃存控制器執行上次操作即可。

2.1.1 指令集格式

    指令集共包含4條指令：控制指令、地址指令、命令指令和數據指令，如表1所示。

    控制指令一般作為一個命令層操作的起始指令，指令標志為0xf，ce_num代表當前操作的閃存片選，i代表操作完成后是否報告中斷，byte2和byte1保留，byte0代表當前命令層操作總的word個數。

    地址指令指令標志為0x1，vn代表當前指令有效地址個數，byte0-2分別代表當前操作的地址，比如閃存列地址為2個byte，則vn為2，byte0和byte1有效。

    命令指令包含閃存spec定義的標準命令和自定義用戶命令，指令標志為0x2，su代表當前是spec命令還是用戶命令，command_code當su為1時由CPU寫入閃存標準命令，當su為0時，由CPU寫入用戶命令。用戶命令主要用于滿足閃存命令間的一些時序參數及狀態操作，定義如表2。

    數據指令主要包含系統數據和空閑區數據的讀寫操作，指令標志為0x4，ms表示當前是系統數據（main data）還是空閑區數據（spare data），rw代表讀寫操作，sector_count表示當前操作數據塊的個數。

2.1.2 命令層編碼

    軟件通過CPU將閃存控制器指令進行編程后，形成一套閃存命令層編碼，可實現對閃存的讀寫擦除等各種操作。以閃存的擦除操作為例，如表3。

2.2 流程控制

    流程控制模塊主要負責命令層編碼的取址、解析、執行以及數據通路模塊的控制等操作。

    流程控制模塊的狀態機如圖3所示。

    其中初始化狀態主要負責檢測當前閃存控制器外掛閃存的數量，通過輪詢單個閃存片選，發送復位指令后檢查閃存RB_n引腳狀態，如果發送指令后檢測到RB_n信號線下降沿，則表示閃存外掛有效。CMDREC狀態主要記錄當前CPU配置的命令層編碼起始地址及命令層有效個數，如果執行完一個命令層編碼后，需要在此狀態檢查命令層編碼的有效個數，如果有效個數為0才能跳轉至IDLE狀態。

2.3 加解擾

    由于MLC工藝越來越先進，閃存內部單元間的干擾效應（cell-cell-interference）越加明顯，如果一段數據全為0或者全為1，則會加劇該效應，以致超出ECC解碼模塊的糾錯能力，所以需要將明文數據離散化后存入到閃存介質中，最大化降低單元干擾效應。

    本文采用線性反饋的方式實現數據的離散化，如圖4。

3 驗證方法

    前仿真主要分為模塊級前仿真芯片級前仿真及系統級前仿真，系統級前仿真涉及技術層面太多，仿真效果精準但仿真速度慢，往往花費大量時間和人力，目前階段可實用性不強，本文主要進行了模塊級前仿真及芯片級前仿真。

3.1 模塊級前仿真

    模塊級前仿真通過Verilog或者SystemVerilog^[4]等硬件描述語言完成仿真平臺及閃存模型的實現，主要針對閃存控制器的功能性及代碼覆蓋率進行仿真，仿真速度快，覆蓋率高。如圖5所示。

    ONFI接口讀取多個sector波形圖如圖6，Toggle接口讀取多個sector波形圖如圖7。

3.2 芯片級前仿真

    芯片級前仿真主要基于SoC最小化平臺^[5]，通過C語言編寫ARM CPU的驅動程序，對閃存控制器進行典型應用的激勵仿真，主要驗證閃存控制器集成適用性及軟硬件結合的效率。芯片級驗證平臺如圖8。閃存控制器讀取閃存數據波形如圖9，閃存控制器寫入閃存數據波形如圖10。

4 綜合結果

    由于不同主控對閃存控制器的需求不同，集成參數不相同，最終的綜合結果也各不相同。本文中針對一般SATA類SSD主控的需求，后端綜合采用110 nm工藝庫，閃存控制器典型配置參數如下：

    閃存通路數：4

    AHB接口位寬：32

    閃存接口位寬：8

    AHB_CLK/NFC_CLK：200 MHz

    NAND_CLK：400 MHz

    ECC糾錯格式：1/8/16/24/40/60/72

    線負載模型：enG1000K

    綜合結果總門數約為1 030 K邏輯門，其中ECC解碼模塊占用490 K邏輯門，單路控制器門數約為135 K邏輯門。功耗情況如下：

    單元內部功耗：39.885 2 mW（89%）

    線開關電源：4.929 6 mW（11%）

    整體動態功耗：44.814 9 mW（100%）

    單元漏電功耗：3.574 6 mW

5 結論

    本文根據固態硬盤主控芯片對閃存控制的操作需求，通過軟硬件結合可編程的方式，設計了一種高效且兼容性極強的專用固態硬盤閃存控制器。該控制器可覆蓋支持各類閃存廠商的操作命令，糾錯能力能夠滿足不同工藝下閃存顆粒的需求，在支持容量、接口傳輸速率、電路面積、動態功耗等方面也均可滿足固態硬盤主控芯片的要求，具有廣泛的應用價值，并已成功應用在固態硬盤設計中。

參考文獻

[1] ARM.AMBA@3 AHB-Lite Protocol V1.0 Specification.www.arm.com，2006.

[2] 陳宏銘，程玉華.針對固態硬盤應用的多通路閃存控制器實現[J].中國集成電路，2012(1)：37.

[3] Intel，Micron，Phison，et al.Open NAND Flash Interface Specification Revision 3.2.www.onfi.org，2013.

[4] Accellera，SystemVerilog 3.1a Language Reference Manual.www.accellera.org，2004.

[5] 張磊，李清江，聶洪山，等.基于SATA接口的固態硬盤設計[J].微處理機，2011(4)：77-78.

作者信息：

張洪柳，張  春

（清華大學 微電子學研究所，北京1000861）