陳 亮，蔡聲鎮(zhèn)

(1.福州理工學(xué)院計(jì)算與信息科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350506；2.福建師范大學(xué)數(shù)學(xué)與信息學(xué)院，福建 福州 350117)

閃存介質(zhì)(NAND Flash)因其低延時(shí)、高并行、低能耗、體積小等特點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注，基于閃存介質(zhì)構(gòu)建的閃存存儲(chǔ)系統(tǒng)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，構(gòu)建形式多樣[1]。存儲(chǔ)系統(tǒng)主要由主機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備構(gòu)成；閃存設(shè)備主要由閃存介質(zhì)、閃存控制器兩部分構(gòu)成。Open-Channel SSDs，Denali 等為新型的閃存控制器架構(gòu)[2]，根據(jù)應(yīng)用需求，將閃存轉(zhuǎn)換層(flash translation layer，F(xiàn)TL)、垃圾回收等功能從存儲(chǔ)設(shè)備移植到主控端實(shí)現(xiàn)，從而提升存儲(chǔ)系統(tǒng)整體性能。

SPI NAND Flash 為嵌入式領(lǐng)域的閃存設(shè)備，主要用于嵌入式系統(tǒng)的代碼存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，其主流的存儲(chǔ)容量為1 Gbit/2 Gbit/4 Gbit，典型的傳輸速率為30 Mbit/s，50 Mbit/s，80 Mbit/s 等[3]。圖1 所示為傳統(tǒng)的SPI NAND 存儲(chǔ)系統(tǒng)，閃存介質(zhì)相關(guān)的介質(zhì)管理，壞塊管理，地址映射等功能均放在主控端實(shí)現(xiàn)。該架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化SPI NAND Flash 內(nèi)部控制器，不足是存儲(chǔ)容量小、傳輸速率低、不同廠商協(xié)議命令復(fù)雜繁多不統(tǒng)一。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展和人工智能等復(fù)雜計(jì)算或邊緣計(jì)算的引入，嵌入式設(shè)備對(duì)性能和存儲(chǔ)容量的需求呈現(xiàn)大幅增長(zhǎng)。如何實(shí)現(xiàn)大容量、高速率和簡(jiǎn)化及統(tǒng)一協(xié)議命令，已成為SPI NAND Flash 需要急迫解決的問題。

圖1 傳統(tǒng)SPI NAND 存儲(chǔ)系統(tǒng)

本文借鑒Open-Channel SSDs 的設(shè)計(jì)思想，提出了一種新型SPI NAND 控制器的設(shè)計(jì)方法，針對(duì)SPI NAND 存儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)和控制器軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]，可實(shí)現(xiàn)較大幅度提升上述主流SPI NAND Flash 在存儲(chǔ)容量、傳輸速率和主控命令復(fù)雜度等方面的性能指標(biāo)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

主控端處理器性能和內(nèi)存資源都優(yōu)于SPI NAND 控制器，為了高效實(shí)現(xiàn)主控端的閃存介質(zhì)相關(guān)功能，在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)上，需要對(duì)SPI 接口和Flash 閃存接口進(jìn)行硬件加速設(shè)計(jì)。同時(shí)主控端不再考慮閃存介質(zhì)的特性，可以簡(jiǎn)化并統(tǒng)一SPI 接口傳輸指令。對(duì)控制器的功能和性能進(jìn)行合理分布，使用模塊化設(shè)計(jì)理念，整個(gè)架構(gòu)分為前端、FTL、后端三個(gè)模塊，模塊之間通過32 位AXI 總線連接，每個(gè)模塊處理各自任務(wù)，流水作業(yè)，形成高效緊湊的SOC 系統(tǒng)，見圖2。

圖2 SPI NAND 控制器頂層架構(gòu)

前端模塊主要負(fù)責(zé)與主機(jī)的接口指令協(xié)議處理和數(shù)據(jù)在Central Buffer 和主機(jī)之間高效傳輸。FTL 模塊主要由CPU 實(shí)現(xiàn)主控端的閃存介質(zhì)相關(guān)功能，比如地址映射、垃圾回收、損耗均衡等。后端模塊主要根據(jù)FTL 模塊的地址映射算法，實(shí)現(xiàn)Flash 顆粒管理和數(shù)據(jù)在Central Buffer 和Flash 顆粒之間高效傳輸。

2 功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 SPI 控制器設(shè)計(jì)

SPI 接口指令簡(jiǎn)化為數(shù)據(jù)傳輸和控制指令，在傳統(tǒng)SPI 控制器基礎(chǔ)上[5－6]，實(shí)現(xiàn)了協(xié)議控制邏輯，將命令解析軟件功能通過硬件來實(shí)現(xiàn)，加速SPI 接口指令處理能力。協(xié)議控制邏輯格式化硬件解析SPI 接口命令，區(qū)分指令類型，提取指令中地址和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等信息，并按照自定義格式傳遞給處理器。

圖3 所示SPI 控制器框圖，SPI 控制器通過32位AXI Master 總線與SOC 系統(tǒng)連接，采取DMA 方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的高效傳輸；通過32 位的AXI Slave 總線和SOC 系統(tǒng)連接，支持軟件配置SPI 控制器。靈活配置SPI 接口工作在標(biāo)準(zhǔn)模式(1 bit 傳輸)，雙線模式(2 bit 傳輸)，四線模式(4 bit 傳輸)；工作模式可在主設(shè)備/從設(shè)備模式切換。

圖3 SPI 控制器

2.2 Flash 控制器設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的SPI NAND 存儲(chǔ)系統(tǒng)，對(duì)Flash 顆粒的介質(zhì)管理通過主機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)。通過硬件方式實(shí)現(xiàn)Flash 管理，可降低對(duì)處理器性能要求，提高Flash 顆粒讀寫鏈路的吞吐量。尤其將BCH 糾錯(cuò)算法，采用硬件引擎實(shí)現(xiàn)，降低糾錯(cuò)運(yùn)算延遲，提升Flash 讀操作效率。

Flash 控制器的主要功能是管理Flash 顆粒，完成對(duì)顆粒的reset、erase、read、write 操作。圖4 為Flash 控制器框圖，主要由Page Buffer，BCH ECC 引擎，die 控制邏輯，die 仲裁邏輯，以及兩組32 位的AXI 總線接口構(gòu)成。BCH ECC 引擎為Flash 控制器的核心部分，設(shè)計(jì)為8 bit/512 byte 的糾錯(cuò)能力，支持SLC 和部分MLC 顆粒[7]，為了提升Flash 控制器的性能，采用兩個(gè)die 控制邏輯，將讀寫Flash 顆粒的命令進(jìn)行并行化設(shè)計(jì)，每一個(gè)die 控制邏輯對(duì)應(yīng)映射到顆粒中的一個(gè)die，并通過die 仲裁邏輯進(jìn)行調(diào)度操作[8]。

圖4 Flash 控制器

2.3 Central Buffer 的設(shè)計(jì)

Central Buffer 模塊作為數(shù)據(jù)緩存，用于SPI 控制器和Flash 控制器之間大批量數(shù)據(jù)交互，并為控制器軟件實(shí)現(xiàn)地址映射，均衡算法，垃圾回收等功能提供硬件基礎(chǔ)。靈活的Central Buffer 設(shè)計(jì)，對(duì)控制器整體性能起到關(guān)鍵作用。其采用雙口RAM 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別擁有A 和B 兩組獨(dú)立讀寫接口，A 端口與SPI 控制器同頻，由SPI 控制器、CPU、系統(tǒng)DMA共享；B 端口與Flash 控制器同頻，由Flash 控制器使用(見圖2)。

考慮SLC 和MLC 顆粒的特性，其Page 一般為512/1 024/2 048 字節(jié)。嵌入式設(shè)備的文件系統(tǒng)一般以sector(512 字節(jié))為最小的單元。根據(jù)顆粒和文件系統(tǒng)的需求，Central Buffer 的容量設(shè)計(jì)為8 kB，將Central Buffer 按照512/1 024/2 048 字節(jié)的頁進(jìn)行靈活劃分，采用鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)度管理[9]，如圖5 所示。

圖5 Central Buffer 映射

2.4 系統(tǒng)帶寬設(shè)計(jì)

SPI 協(xié)議的端口時(shí)鐘SCK 范圍為10 MHz～104 MHz，支持標(biāo)準(zhǔn)模式和雙線、四線、八線模式，端口傳輸速率從10 Mbit/s 到最高832 Mbit/s[10]。MLC 和SLC 顆粒采用ASYNC 和ONFI1.2 協(xié)議，支持異步模式和同步模式，同時(shí)支持NV-DDR 技術(shù)，即允許顆粒采用雙沿觸發(fā)采樣數(shù)據(jù)的技術(shù)，端口傳輸速率從10 Mbit/s 最高可達(dá)100 Mbit/s[8]。

考慮對(duì)未來高性能的需求，將SPI 端口的最高傳輸速率定義為8 線模式，驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘為104 MHz，則其傳輸速率為104 Mbit/s。Flash 端口的最高傳輸速率定義為NV-DDR 的模式2[8]，其傳輸速率為100 Mbit/s。SPI 端口和Flash 端口的速率是匹配的。對(duì)于控制器內(nèi)部系統(tǒng)互聯(lián)的AXI 總線，采用32 bit 位寬和50 MHz 時(shí)鐘，則AXI 總線的傳輸速率為200 Mbit/s，可滿足線速的設(shè)計(jì)要求。

2.5 軟件設(shè)計(jì)

通過SPI 控制器和Flash 控制器的硬件加速功能，架構(gòu)上的CPU(32 位RISC 處理器)，在不降低性能條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash 顆粒相關(guān)的復(fù)雜管理移植，把SPI NAND 抽象為類似RAM 的訪問模式，屏蔽顆粒底層的復(fù)雜信息；同時(shí)給嵌入式設(shè)備主控提供統(tǒng)一的指令協(xié)議，從而達(dá)到簡(jiǎn)化嵌入式主控的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。SPI NAND 控制器的軟件架構(gòu)如圖6所示。

圖6 軟件功能

控制器內(nèi)的CPU，實(shí)現(xiàn)SPI NAND 存儲(chǔ)系統(tǒng)的核心功能，包括對(duì)SPI 接口的控制，自定義協(xié)議的解析處理，Cache/Buffer 的管理，算法的映射，NAND Flash 的管理等功能。尤其是FTL 的算法映射功能[11]，包含地址映射[12]，垃圾回收[13]，損耗均衡[14]和壞塊管理。

以損耗均衡為例，在SPI NAND 使用過程中，存在用戶數(shù)據(jù)及其訪問行為冷熱不均，導(dǎo)致顆粒一些物理塊長(zhǎng)期不被使用，而另一些物理塊被頻繁使用的情況，長(zhǎng)此以往將導(dǎo)致某些塊提前壞掉，嚴(yán)重影響SPI NAND 的壽命。損耗均衡通過軟件監(jiān)控顆粒上每個(gè)塊的擦除次數(shù)以及塊上數(shù)據(jù)的存入時(shí)間，然后控制所有的擦除次數(shù)在平均擦除次數(shù)附近偏移，一旦超過設(shè)定的最大偏移值，則該塊閑置不用。損耗均衡按照算法執(zhí)行的系統(tǒng)空間分布情況，可以分為動(dòng)態(tài)損耗均衡[15]和靜態(tài)損耗均衡[16]，通過兩種均衡算法的結(jié)合，SPI NAND 中的物理塊均衡使用，提高使用壽命。算法流程如圖7 所示。

圖7 損耗均衡流程

3 性能測(cè)試與分析

3.1 測(cè)試環(huán)境搭建

為了驗(yàn)證本文SPI NAND 控制器的性能，采用工業(yè)界最主流和具有代表性的旺宏公司的SPI NAND 顆粒MX35LF[10]，在FPGA 開發(fā)板搭建了性能測(cè)試平臺(tái)，如圖8 所示，由主控端、設(shè)備端構(gòu)成。主控端由一塊Xilinx 公司的Artix－7 開發(fā)板實(shí)現(xiàn)，為了盡量消除主控端軟硬件對(duì)測(cè)試的影響，采用兩組完全一樣的SPI 接口，接口SCK 時(shí)鐘均工作在50 MHz，Microblaze 處理器工作在200 MHz。設(shè)備端由另外一塊Artix－7 開發(fā)板和MX35LF 顆粒子板構(gòu)成，SPI NAND 控制器通過Verilog 代碼設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，燒寫到另外一塊Artix－7 開發(fā)板。SPI0 支持主/從設(shè)備兼容模式，通過軟件實(shí)現(xiàn)自定義協(xié)議，通過改進(jìn)型SPI 接口和實(shí)現(xiàn)了SPI NAND 控制器的FPGA 開發(fā)板相連接。SPI1 支持主設(shè)備模式，通過傳統(tǒng)SPI接口和MX35LF 顆粒子板相連。根據(jù)MX35LF 的數(shù)據(jù)手冊(cè)，在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，MX35LF 顆粒Trd 為25 μs，在寫入數(shù)據(jù)時(shí)，MX35LF 顆粒Tprog 設(shè)置為320 μs。整個(gè)測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試代碼均運(yùn)行在Microblaze 處理器上。

圖8 測(cè)試平臺(tái)

3.2 控制指令

在SPI NAND 控制器和MX35LF 進(jìn)行讀寫的對(duì)比測(cè)試過程中，同樣的讀操作，MX35LF 需要4 條指令完成，不同的讀方式，還需要額外6 條指令；同樣的寫操作，MX35LF 需要4 條指令完成，不同的寫方式，還需要額外2 條指令，而SPI NAND 控制器的讀寫操作是一致的，只需要支持2～3 條指令，明顯簡(jiǎn)化并統(tǒng)一了主控端的驅(qū)動(dòng)。相關(guān)的指令比較如表1所列。

表1 指令系統(tǒng)比較

3.3 存儲(chǔ)容量

Flash 控制器的尋址范圍是決定Flash 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量的關(guān)鍵指標(biāo)。MX35LF 的尋址位寬為24 bit，同時(shí)最小粒度為1 字節(jié)；本文的SPI NAND 控制器尋址位寬為28 bit，最小粒度為512 字節(jié)，支持的存儲(chǔ)容量是MX35LF 的213倍，通過Flash 控制器并行連接多個(gè)die 的方式，可以支持高達(dá)128 GB 的存儲(chǔ)容量。

3.4 傳輸速率

設(shè)置SPI0 和SPI1 的SCK 為50 MHz，對(duì)SPI NAND 控制器和MX35LF 分別進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)測(cè)試，數(shù)據(jù)的粒度分為512 byte、1K、2K 三個(gè)檔次，SPI 分別配置為標(biāo)準(zhǔn)(50 Mbit/s)、雙線(100 Mbit/s)和四線(200 Mbit/s)模式，圖9 所示為讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)的性能比較，顯然存在如下規(guī)律:

圖9 性能比較

(1)由于讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，每次傳輸?shù)拿铋L(zhǎng)度是固定的，隨著傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度變長(zhǎng)、傳輸線數(shù)變多，命令所占傳輸時(shí)間比例降低，因此有效數(shù)據(jù)傳輸速率隨數(shù)據(jù)長(zhǎng)度提升。

(2)MX35LF 部分命令不能通過改變線數(shù)實(shí)現(xiàn)并行傳輸，隨著傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度變長(zhǎng)，自定義存儲(chǔ)設(shè)備傳輸速率的優(yōu)勢(shì)越明顯。

(3)對(duì)于寫操作，由于NAND Flash 顆粒特性決定了Tprog 時(shí)間比較長(zhǎng)，而且無法進(jìn)行并行寫操作。SPI NAND 控制器采用了Central Buffer 的設(shè)計(jì)方法，以及Flash 控制器支持雙die 引擎，支持對(duì)NAND Flash 顆粒的并行操作，整體性能比MX35LF 提升一倍左右。

4 結(jié)論

本文介紹了一種新型的SPI NAND 控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)描述了SPI NAND 控制器的架構(gòu)設(shè)計(jì)以及SPI 控制器、Flash 控制器、Central Buffer 的設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。通過測(cè)試驗(yàn)證，與當(dāng)前主流Flash存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行性能比對(duì)，在讀寫數(shù)據(jù)方面效率獲得顯著提升。證明了架構(gòu)的合理性和高效性。