利用NiosII搭建的固態(tài)盤設(shè)備系統(tǒng)

?使用NAND型閃存（Flash）作為存儲(chǔ)介質(zhì)，而使用與硬盤完全一致的ATA接口作為設(shè)備接口的固態(tài)盤（SolidState Disk, SSD）是一種全新的存儲(chǔ)設(shè)備。本文介紹一種基于NiosII的SOPC系統(tǒng)的固態(tài)盤設(shè)備系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，給出一種可行的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括硬件系統(tǒng)以及軟件中內(nèi)部數(shù)據(jù)緩存策略、閃存擦寫/存儲(chǔ)策略的模塊化實(shí)現(xiàn)方式，并給出具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

關(guān)鍵詞? 固態(tài)盤? SSD? 閃存? ATA? NiosII

引言

　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，人們不斷地追求更好的新型存儲(chǔ)設(shè)備。目前海量存儲(chǔ)領(lǐng)域中的主流產(chǎn)品非硬盤莫屬，而固態(tài)盤則被認(rèn)為是一種最有可能取代硬盤的全新解決方案。與硬盤相比，其主要的優(yōu)勢在于能夠達(dá)到更高速度、更小體積、更低功耗、更小噪聲、更高可靠性，同時(shí)與硬盤一樣使用方便。

　　廣義上講，固態(tài)盤設(shè)備包括所有使用半導(dǎo)體芯片作為存儲(chǔ)介質(zhì)的存儲(chǔ)設(shè)備，例如使用動(dòng)態(tài)RAM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的某些特定設(shè)備，或是CF/SD/MMC卡等同樣使用閃存存儲(chǔ)數(shù)據(jù)但使用了其他接口的存儲(chǔ)設(shè)備；但狹義上講，固態(tài)盤僅指使用NAND型閃存存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，使用ATA/SATA/SCSI等接口，在行為上與硬盤完全一致的存儲(chǔ)器。在下文中，固態(tài)盤一詞僅指狹義上的固態(tài)盤。本文介紹的是一種使用ATA接口的固態(tài)盤的實(shí)現(xiàn)方法。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)對(duì)外的主要功能是通過ATA接口完成數(shù)據(jù)的讀/寫，與NAND型閃存芯片間的數(shù)據(jù)交換是通過緩存來完成的，對(duì)閃存芯片的讀/寫操作由系統(tǒng)內(nèi)部完成。

　　ATA協(xié)議中含有專門針對(duì)閃存而設(shè)計(jì)的CFA指令部分，包含了閃存擦寫等指令內(nèi)容，CF（Compact Flash）卡即使用了該命令集；而普通硬盤使用的ATA接口一般不使用該命令集，操作中只涉及數(shù)據(jù)的讀/寫操作和一些輔助特性的設(shè)置。因此在固態(tài)盤設(shè)計(jì)中不能利用CFA指令將ATA接口直接轉(zhuǎn)接至閃存接口，必須在系統(tǒng)內(nèi)部自動(dòng)處理與閃存相關(guān)的操作，即通過系統(tǒng)的內(nèi)部處理向上隱藏這一操作細(xì)節(jié)。

　　可以在系統(tǒng)中通過數(shù)據(jù)緩存來把ATA端操作和閃存端操作分離開來，這樣就可以方便地解決傳輸協(xié)議的轉(zhuǎn)換和管理問題?；谶@種設(shè)計(jì)思路，綜合考慮閃存的管理、與ATA協(xié)議的銜接等問題，可以將實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)的主要問題歸結(jié)為如下兩個(gè)方面：

　?、??數(shù)據(jù)緩存管理，主要面對(duì)與主機(jī)端數(shù)據(jù)交換如何發(fā)生的問題，包括緩存數(shù)據(jù)的建立、查詢、維護(hù)、失效、銷毀等問題。
　?、? 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理，主要面對(duì)數(shù)據(jù)在閃存中的物理存儲(chǔ)問題，包括均衡磨損、壞塊映射等問題。

　　由此得到的系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1? 固態(tài)盤設(shè)備系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)框圖

　　在具體的實(shí)現(xiàn)中，系統(tǒng)使用獨(dú)立的硬件接口完成ATA接口控制和NAND型閃存控制；使用大容量SDRAM芯片作為數(shù)據(jù)緩存，由Nios處理器負(fù)責(zé)調(diào)度數(shù)據(jù)流；使用Avalon總線連接所有模塊，提供快速響應(yīng)的控制連接和高帶寬的數(shù)據(jù)連接。

　　在Nios上運(yùn)行的軟件負(fù)責(zé)所有組件的控制。由于需要確保響應(yīng)時(shí)間，軟件中不使用包括實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在內(nèi)的任何嵌入式操作系統(tǒng)，所有軟件直接貼近硬件事件設(shè)計(jì)，重要事件采用中斷響應(yīng)，普通事件采用輪詢響應(yīng)。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用SOPC的設(shè)計(jì)方式，使得硬件系統(tǒng)獲得相當(dāng)高的靈活度；而將所有控制邏輯集成在一個(gè)FPGA內(nèi)部的設(shè)計(jì)方法，在增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性的同時(shí)，也降低了對(duì)外部板級(jí)電路的設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)除FPGA芯片以外，還使用了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)用NAND型閃存芯片、緩存用SDRAM、ATA接口連線以及Nios程序的代碼存儲(chǔ)/運(yùn)行的相關(guān)芯片。

2.1? Nios系統(tǒng)簡介

　　一個(gè)基于Nios的SOPC系統(tǒng)主要包括Nios處理器、Avalon總線結(jié)構(gòu)和其他通過總線互連的組件模塊。

　　Nios處理器主要分為兩代，即Nios處理器和NiosII處理器。現(xiàn)在廣泛使用的是NiosII處理器，下文均是針對(duì)NiosII處理器。最新的Avalon總線標(biāo)準(zhǔn)是一套擁有AvalonMM和AvalonST兩套分支標(biāo)準(zhǔn)的SOPC總線規(guī)范。下文中Avalon總線一詞泛指這兩套規(guī)范。在Altera提出的SOPC設(shè)計(jì)概念當(dāng)中，兩者將分別用于不同的數(shù)據(jù)應(yīng)用，因此兩者的基本結(jié)構(gòu)差異很大：AvalonMM接口是一套互聯(lián)式總線接口，主要用于多節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)；而AvalonST接口是一種單向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的接口，主要用于單向高速數(shù)據(jù)流的傳輸。在SOPC設(shè)計(jì)中，可以針對(duì)不同需求將二者結(jié)合起來使用，以提高設(shè)計(jì)的工作性能。由于AvalonST接口是最近剛剛提出的，目前廣泛使用的是AvalonMM接口，在一般設(shè)計(jì)中，完全能夠提供足夠的傳輸帶寬。

2.2? 硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)

　　硬件系統(tǒng)即FPGA內(nèi)部基于NiosII處理器的SOPC系統(tǒng)，包括ATA控制器、NAND型閃存控制器、DMA控制器、2個(gè)SDRAM控制器、CFI接口閃存控制器以及其他輔助組件等，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2? 固態(tài)盤設(shè)備硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　在該結(jié)構(gòu)中，使用一塊SDRAM作為NiosII處理器的程序運(yùn)行空間，使用一塊CFI接口的閃存作為NiosII處理器的軟件代碼的存儲(chǔ)空間，其他I/O和其他組件包括了定時(shí)器、調(diào)試端口以及用于顯示系統(tǒng)狀態(tài)的PIO端口等?？偩€DMA控制器用于完成NAND型閃存與緩存空間之間的數(shù)據(jù)交換。ATA控制器則負(fù)責(zé)ATA接口的實(shí)現(xiàn)，并根據(jù)配置參數(shù)利用自帶的DMA控制器直接完成與緩存之間的數(shù)據(jù)交換。NiosII處理器通過控制總線DMA控制器和ATA控制器來管理整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)靈活的管理策略。

　　所用的這些控制器中，除了NAND型閃存控制器和ATA控制器需要自定義開發(fā)外，都可以使用標(biāo)準(zhǔn)的IP模塊。NAND型閃存控制器和ATA控制器在自定義開發(fā)完成后也被集成到開發(fā)系統(tǒng)之中，可以方便地調(diào)用。

　　ATA控制器負(fù)責(zé)ATA接口的實(shí)現(xiàn)。它是系統(tǒng)中最復(fù)雜的組件，所有與主機(jī)間的交互均通過ATA接口完成。為了滿足各種需求，ATA控制器除了實(shí)現(xiàn)基本的ATA傳輸協(xié)議之外，開發(fā)中還增加了如下功能：

　?、? 自帶DMA控制器。ATA控制器中自帶一個(gè)DMA控制器，只需給定源地址或目的地址，ATA控制器自帶的DMA控制器就可以自動(dòng)完成與緩存之間的數(shù)據(jù)交換。
　?、? 帶有中斷信號(hào)源。ATA控制器帶有一個(gè)中斷源，當(dāng)接收到主機(jī)端讀/寫傳輸請(qǐng)求時(shí)，即可發(fā)起一個(gè)中斷提示處理器優(yōu)先處理該事件。
　?、? 采用與系統(tǒng)異步的時(shí)鐘。為了達(dá)到最優(yōu)性能，ATA控制器可以使用與系統(tǒng)異步的時(shí)鐘信號(hào)，而使用異步時(shí)鐘橋與系統(tǒng)總線連接。例如在該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，主系統(tǒng)運(yùn)行在65 MHz，而ATA控制器運(yùn)行在100 MHz。

　　NAND型閃存控制器則做成通用的接口控制器，提供基本的NAND型閃存讀/寫/擦除等操作即可。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　基于NiosII的SOPC平臺(tái)搭建完成之后，需要在NiosII上設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)能浖哉{(diào)度整個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩存策略和存儲(chǔ)策略。在軟件設(shè)計(jì)中，采用了一種流程控制與策略控制弱耦合的結(jié)構(gòu)，使得緩存策略和存儲(chǔ)策略可以獨(dú)立開發(fā)。

3.1? 系統(tǒng)流程

　　考慮到所有事務(wù)中最頻繁和最重要的事務(wù)都是與ATA控制器相關(guān)的，因此在系統(tǒng)算法中做如下設(shè)計(jì)：在ATA控制器和NiosII之間連接中斷信號(hào)，使用中斷服務(wù)來處理相關(guān)事務(wù)，而其他事務(wù)則采用軟件輪詢的方式處理。一個(gè)典型的處理流程如圖3所示。

圖3? 軟件基本流程設(shè)計(jì)

　　圖3并非完整的軟件流程（未涉及調(diào)試、錯(cuò)誤處理以及其他輔助流程），僅僅標(biāo)示出了系統(tǒng)最為重要的幾個(gè)處理環(huán)節(jié)：緩存檢查與維護(hù)、ATA讀/寫請(qǐng)求的處理。從該系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)中可以看到，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中將在一個(gè)軟件主循環(huán)中不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查與維護(hù)，而當(dāng)ATA中斷來到時(shí)則轉(zhuǎn)入ATA中斷處理。數(shù)據(jù)維護(hù)模塊和ATA處理模塊是系統(tǒng)流程控制的主要部分。

　　數(shù)據(jù)維護(hù)模塊主要負(fù)責(zé)檢查緩存塊是否老化/失效，緩存空間的碎片狀態(tài)，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)緩存數(shù)據(jù)進(jìn)行清理。而其中緩存片和緩存段所有的檢查、判斷、處理操作，都是直接調(diào)用緩存管理模塊的相關(guān)函數(shù)，即直接依賴于緩存策略。該模塊流程如圖4所示。

圖4? 數(shù)據(jù)維護(hù)模塊流程

　　ATA中斷處理模塊是在ATA控制器發(fā)起中斷時(shí)進(jìn)入處理模塊的。ATA中斷模塊的主要任務(wù)包括查詢ATA控制器的事務(wù)狀態(tài)及參數(shù)，獲取所需數(shù)據(jù)區(qū)域在NAND型閃存中的信息，申請(qǐng)緩存片，完成數(shù)據(jù)交換并清ATA中斷。其中數(shù)據(jù)區(qū)信息由存儲(chǔ)管理模塊提供，而緩存的申請(qǐng)則是調(diào)用緩存管理模塊的接口函數(shù)完成。該模塊流程如圖5所示。

　　軟件控制流程中還包含一些輔助性的模塊，以保證系統(tǒng)的魯棒性。這些輔助性的模塊包括獨(dú)立的系統(tǒng)初始化模塊、系統(tǒng)軟復(fù)位模塊和調(diào)試模式模塊等，以便在系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)及時(shí)復(fù)位整套系統(tǒng)，維持系統(tǒng)正常的工作，或者供開發(fā)人員了解系統(tǒng)的錯(cuò)誤所在。

3.2? 存儲(chǔ)管理模塊

　　存儲(chǔ)管理模塊主要實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)在NAND型閃存中的存儲(chǔ)策略。存儲(chǔ)管理模塊主要管理的信息包括：邏輯地址到物理塊地址的映射信息、物理塊磨損程度信息以及壞塊映射信息。其主要作用是確保系統(tǒng)工作的魯棒性以及盡量平均閃存塊的磨損程度。當(dāng)系統(tǒng)接收到主機(jī)的數(shù)據(jù)讀/寫請(qǐng)求時(shí)，首先須通過存儲(chǔ)管理模塊定位其物理位置信息，然后才能根據(jù)該信息創(chuàng)建緩存片，完成數(shù)據(jù)交換。

　　當(dāng)系統(tǒng)需要將某格緩存片排空刪除時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)的回寫是需要根據(jù)緩存片內(nèi)保留的相關(guān)信息來完成具體操作的。

　　存儲(chǔ)管理模塊的對(duì)外接口設(shè)計(jì)只有一個(gè)函數(shù)，即地址轉(zhuǎn)換，輸入操作的各種參數(shù)，返回一個(gè)確定的物理塊描述結(jié)構(gòu)，如表1所列。

表1? 存儲(chǔ)管理模塊對(duì)外接口函數(shù)

　　在該函數(shù)內(nèi)，將進(jìn)行邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換以及壞塊再映射等操作，確保最終給出的數(shù)據(jù)信息是真正正確的物理信息。在返回提供的數(shù)據(jù)信息中，包括了應(yīng)讀取區(qū)域和應(yīng)寫入?yún)^(qū)域兩個(gè)部分，這兩個(gè)部分可以不相同，這樣可以方便均衡磨損算法的設(shè)計(jì)。例如，如果一個(gè)塊的寫入次數(shù)已經(jīng)達(dá)到一定程度，那么當(dāng)出現(xiàn)對(duì)該塊的寫請(qǐng)求時(shí)，可以將應(yīng)讀取區(qū)域指定為該區(qū)域，而應(yīng)寫入?yún)^(qū)域指向另一個(gè)物理塊，同時(shí)修改邏輯地址到物理地址的映射信息，那么當(dāng)相應(yīng)緩存片被銷毀時(shí)，數(shù)據(jù)被寫入新塊，即在保證映射關(guān)系的同時(shí)避免了對(duì)該塊的過度擦寫。

圖5? 數(shù)據(jù)維護(hù)模塊流程

3.3? 緩存管理模塊

　　緩存管理模塊主要負(fù)責(zé)緩存的管理，所有與緩存相關(guān)的操作均須通過緩存管理模塊提供的接口函數(shù)來完成。緩存管理模塊管理的基本單元是緩存片（buffer clip），對(duì)每次傳輸請(qǐng)求，緩存管理將根據(jù)給定信息在緩存空間中開辟一個(gè)緩存片，用于該傳輸?shù)臄?shù)據(jù)交換。根據(jù)緩存片可能的繁忙程度，可以給予其不同的駐留時(shí)間，一種可行的方法是將物理緩存空間分成若干段，每段對(duì)應(yīng)不同的駐留時(shí)間，開辟緩存片之前可以首先定位到某個(gè)段再進(jìn)行操作。這樣可以有效地提高緩存片碎片整理和維護(hù)的工作效率。

　　緩存管理模塊對(duì)外接口非常簡單，這樣可以有效地隱藏緩存策略，使用段/片兩級(jí)管理策略的緩存管理模塊對(duì)外接口如表2所列。

表2? 緩存管理模塊對(duì)外接口函數(shù)

　　其中申請(qǐng)緩存片的操作是唯一一個(gè)必須對(duì)外開放的接口，其他3個(gè)對(duì)緩存段的操作接口屬于可選式開放，即如果外部不需要的話，可以由緩存管理模塊自行進(jìn)行緩存段的整理工作。

　　申請(qǐng)緩存片是緩存操作中最常用的操作。在具體過程中，需要判斷數(shù)據(jù)段是否已經(jīng)被緩存，以及當(dāng)前緩存空間是否有足夠的空間開辟新的緩存片，并在必要時(shí)對(duì)緩存空間進(jìn)行一些整理以獲取相關(guān)資源等。一種可行的操作流程如圖6所示。

圖6? 緩存片申請(qǐng)操作流程

　　在上述操作中，需要用到很多與緩存相關(guān)的操作，例如，查詢狀態(tài)、創(chuàng)建片、調(diào)整片、刪除片等。這些操作都封裝成通用的處理函數(shù)集成在緩存管理模塊內(nèi)部，供上層策略調(diào)用，但對(duì)外并不開放。

結(jié)語

　　基于NiosII搭建的固態(tài)盤設(shè)備系統(tǒng)完整地實(shí)現(xiàn)了固態(tài)盤應(yīng)有的功能。通過使用靈活的SOPC系統(tǒng)，配合弱耦合的軟件結(jié)構(gòu)，使得核心算法的開發(fā)與系統(tǒng)的相關(guān)程度降到了最低，極大地方便了核心算法的獨(dú)立開發(fā)。這就使系統(tǒng)能夠在保證基本功能的同時(shí)，擁有了足夠的靈活性來面對(duì)各種可能的需求。

　　固態(tài)盤是近幾年最有希望替代硬盤成為主流存儲(chǔ)設(shè)備的新型存儲(chǔ)設(shè)備，各種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和相關(guān)算法等技術(shù)都在不斷的更新。面對(duì)各種實(shí)際問題，研究固態(tài)盤的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各種關(guān)鍵算法不僅具有重要的學(xué)術(shù)意義，同時(shí)還有廣闊的應(yīng)用前景。