摘要：為了解決iOS移動設(shè)備外部存儲器件傳輸速度及存儲容量的問題，設(shè)計了一套適用iOS的外設(shè)高速存儲電路。通過采用兼容USB2.0的數(shù)據(jù)高速傳輸和處理技術(shù)USB3.1標準，以提高傳輸速度;使用FlashRaid技術(shù)進行讀寫管理，將NAND和eMMCFlash芯片的數(shù)據(jù)并行傳輸和管理技術(shù)進行集成，實現(xiàn)雙Flash芯片同步讀寫的雙通道數(shù)據(jù)高速傳輸與存儲，并內(nèi)置多種容錯機制。實驗結(jié)果表明，重新設(shè)計的高速存儲電路可適應(yīng)和擴展外設(shè)存儲容量，還可提升讀寫速度，其在iOS端的讀寫速度達到25,16MB/s，實現(xiàn)了iOS移動設(shè)備外部存儲高速傳輸與存儲目的。

　　關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集;高速電路;NANDFlash;eMMCFlash;雙通道

　　0引言

　　隨著電子信息技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，移動端的數(shù)據(jù)傳輸與存儲成為日常通信領(lǐng)域中不可缺少的一個環(huán)節(jié)，消費者對移動端的信息傳輸與存儲容量的需求也越來越大。iOS系統(tǒng)是由蘋果公司開發(fā)的移動操作系統(tǒng)，是目前移動端主流系統(tǒng)之一，開發(fā)適用與iOS外接的高速大容量存儲器件成為一種必然趨勢。NANDFlash作為目前市場大部分的存儲系統(tǒng)存儲介質(zhì)，具有非易失性、存儲密度較大、功耗較低、可靠性較高等優(yōu)點，已經(jīng)逐漸成為當前存儲技術(shù)研究和應(yīng)用的熱點[1-3]。

　　但是單通道NANDFlash的數(shù)據(jù)存儲容量小，很難滿足現(xiàn)在移動端設(shè)備大容量存儲的需求。針對以上問題，本文對iOS高速存儲設(shè)備及其電路設(shè)計進行研究，設(shè)計能適應(yīng)iOS系統(tǒng)的大容量、高速數(shù)據(jù)傳輸和存儲方案。

　　通過采用USB3.1高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，集成NAND和eMMC(embeddedmulltimediacard)Flash的雙通道陣列技術(shù)，對存儲系統(tǒng)進行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與調(diào)整，優(yōu)化控制器的控制算法，提升高速存儲設(shè)備傳輸帶寬，實現(xiàn)芯片級FlashRaid0和Raid1管理，在擴展存儲容量的同時，成倍提升數(shù)據(jù)讀寫速度。

　　1NAND和eMMCFlash控制器及雙通道控制技術(shù)

　　NANDFlash是一種需要在外部加主控和電路設(shè)計才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫的存儲介質(zhì)，eMMC的存儲核心是NANDFlash，是在封裝中集成了主控IC，在提供標準接口的同時管理閃存，簡化了電路設(shè)計。采用雙通道并行控制機制可顯著提高存儲容量和數(shù)據(jù)傳輸帶寬。

　　1.1NANDFlash芯片

　　作為存儲系統(tǒng)的核心部件，NANDFlash存儲芯片的性能將直接決定整個存儲系統(tǒng)的性能。NANDFlash芯片的存儲單元由塊和頁組成，以頁為單位進行存儲和讀取，其狀態(tài)、數(shù)據(jù)和命令傳輸都通過8bit總線分時復(fù)用完成，NAND接口時序較復(fù)雜，需要NAND控制器來實現(xiàn)對NAND的控制，控制器和NAND存儲器之間的共享總線稱為通道，所以NAND控制器又稱為通道控制器[4]。

　　1.2eMMCFlash芯片

　　eMMC采取同一MMC接口標準，將NAND和MMCController在BGA(ballgridarroy)芯片中封裝。針對Flash的特征，其模塊已包含F(xiàn)lash管理技術(shù)：錯誤探測和糾正、Flash平均擦寫、壞塊管理、掉電保護等[5]。針對移動設(shè)備，將NANDFlash芯片和控制芯片設(shè)計成1顆MCP(multiplechippackage)芯片，該設(shè)計簡化了內(nèi)存儲器使用，使其能以高吞吐率傳輸大型數(shù)據(jù)，同時可以兼顧小型隨機數(shù)據(jù)的讀寫性能。eMMC結(jié)構(gòu)由一個小型BGA封裝嵌入式存儲解決方案組成，其自帶MMC接口、快閃存儲器設(shè)備及主控制器，接口速度高達52MB/s，具有快速、可升級的性能[6]。

　　1.3雙通道并行控制機制

　　由于目前NANDFlash的數(shù)據(jù)線與地址線復(fù)用，其中數(shù)據(jù)線為8bit，約能達到3MB/s的寫入速度和25MB/s的讀取速度，這樣的低速數(shù)據(jù)傳輸效率明顯無法滿足現(xiàn)在的需求。目前，在采用多通道同時并行的控制操作時，將多片NANDFlash芯片的數(shù)據(jù)總線并行擴展，采用類似RAID的存儲技術(shù)[7]，可使存儲器的讀寫帶寬得到極大提升，雙通道NANDFlash存儲芯片組成的存儲陣列架構(gòu)。

　　雙通道并行控制機制中的存儲目標由一片NANDFlash芯片，轉(zhuǎn)變?yōu)閮善�并行�?fù)用的NANDFlash芯片，并通過FlashRaid0和Raid1管理，控制數(shù)據(jù)的寫入、存儲、容錯等，最終形成雙通道NANDFlash存儲陣列結(jié)構(gòu)，可使存儲容量成倍擴增。同時，每個NANDFlash存儲復(fù)用組采用的總線拓寬技術(shù)與NANDFlash陣列的并行流水控制技術(shù)，顯著地提高了大容量存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸帶寬。

　　2基于iOS的雙通道高速存儲電路設(shè)計

　　2.1芯片系統(tǒng)總體方案設(shè)計

　　本設(shè)計所采用的芯片采取模塊化處理進行系統(tǒng)功能設(shè)置，使芯片具有高速傳輸、大容量存儲、較強的可移植性、擴展性等功能。芯片的數(shù)據(jù)存儲和管理使用eMMC5.1標準，且設(shè)計了多種容錯機制，做到同時兼容Flash存儲與外置TF(trans-flash)卡。此外，芯片內(nèi)部封裝電源管理模塊、SRAM和NorFlash，以節(jié)約布板空間，節(jié)省BOM成本，降低布板與生產(chǎn)難度。

　　2.2NAND和eMMCFlash雙通道高速存儲電路設(shè)計

　　本設(shè)計采用流水線方式，在雙通道架構(gòu)的通道內(nèi)部使2個Flash芯片共用總線，在其中一片F(xiàn)lash芯片工作時，對另一片F(xiàn)lash芯片進行讀、寫等操作，在時間上實現(xiàn)數(shù)據(jù)總線的復(fù)用，縮短Flash陣列的等效操作時間，最大限度地減少單個Flash占用總線時間，使得Flash陣列整體讀寫速度得到提升[8-10]。

　　2.2.1電路特性

　　雙通道存儲電路中各電源的絕對最大額定參數(shù)。

　　2.2.2啟動和復(fù)位計時設(shè)計

　　本研究中電路的設(shè)計，外部電路設(shè)計規(guī)則、啟動和重置計時規(guī)則。其中：T1為從0~5V的5V電源軌道重置計時;T2為從0~2.7V的3.3V電源軌道重置計時;T3為延遲從5V電源到3.3V電源電壓達到2.7V的時間;T4為從0~1.2V的1.2V電源軌道重置計時。

　　2.2.3雙通道電路設(shè)計

　　為適用于移動iOS設(shè)備，保證用戶體驗，本研究中的雙通道電路在設(shè)計時不使用外置電源，而是通過使用iOS設(shè)備所提供電源，降低電路功耗。VBUS為系統(tǒng)供電腳，電壓通過Lightning接口獲取iOS設(shè)備電池電壓，芯片內(nèi)置LDO(lowdropoutregulator)對外提供3.3V和1.8V穩(wěn)壓電源。Pin1和Pin兩個終斷模式GPIO(generalpurposeinputoutput)分別為iOS設(shè)備和PC連接檢測腳，分別用于探測當前所連接設(shè)備，從而進入不同工作模式。

　　I2C(interintegratedcircuit)接口用于連接身份認證芯片，提供iOS系統(tǒng)連接時所要求的身份確認與授權(quán)。EMMC_D0~EMMC_D7提供兩路MMC接口，可以同時連接兩路MMC設(shè)備，具體功能由固件來實現(xiàn)。

　　3仿真及測試

　　通過仿真器對雙通道控制芯片設(shè)計方案進行FPGA仿真，再進行芯片封裝。芯片封裝了定制的精簡指令集核心，以達到在高速處理數(shù)據(jù)的同時降低功耗的目的，且在系統(tǒng)內(nèi)部封裝高精度振蕩器，以減少外圍器件，降低總體BOM成本，減小產(chǎn)品PCB尺寸。

　　3.1仿真

　　為了驗證電路設(shè)計的可靠性，采用ModelsimSE和Navos公司的Debussy軟件作為軟件仿真平臺，驗證本系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵的USB物理收發(fā)器(portphysicallayer，PHY)模塊、AES(advancedencryptionstandard)加解密模塊、SIE(serialinterfaceengine)模塊、eMMC接口模塊、高速51控制內(nèi)核等關(guān)鍵模塊的功能與信號質(zhì)量。最終采用基于XILINX公司的FPGA芯片XC7VX485T開發(fā)板作為本系統(tǒng)核心芯片的硬件仿真平臺，進行芯片級仿真驗證。仿真數(shù)據(jù)顯示，芯片的信號輸出質(zhì)量高于目標設(shè)計。

　　4結(jié)語

　　集成NAND和eMMCFlash的雙通道高速存儲系統(tǒng)設(shè)計方法，采用具有高度并行性的多通道存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用通道間流水和通道內(nèi)交織的兩級并行訪問方法，有效地減小了讀取閃存延遲和編程時間對系統(tǒng)吞吐量的影響，改善了閃存系統(tǒng)存取性能，在經(jīng)濟效益、社會效益上都有很大提升，提高了集成電路行業(yè)的發(fā)展和產(chǎn)品的國際競爭力。

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　　相關(guān)刊物推薦：中國集成電路(月刊)創(chuàng)刊于1992年，是由中國信息產(chǎn)業(yè)部主管，中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會/集成電路設(shè)計分會主辦的全國性專業(yè)電子刊物。自創(chuàng)刊以來，一直致力于IC市場應(yīng)用分析，介紹先進的IC設(shè)計、制造、封裝工藝和技術(shù)以及先進的組織形式和管理經(jīng)驗。在業(yè)界形成了一定影響和良好口碑，并隨中國集成電路產(chǎn)業(yè)一同成長。