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基于FPGA的固态硬盘控制器设计

作　者: 欧阳科文
导　师: 黎福海
学　校: 湖南大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: FPGA SOPC 固态硬盘控制器 SATA协议 NAND FLASH管理
分类号: TP333.35
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

近年来,大容量数据存储设备主要是机械硬盘,机械硬盘采用机械马达和磁片作为载体,存在抗震性能低、高功耗和速度提升难度大等缺点。固态硬盘是以半导体作为存储介质及控制载体,无机械装置,具有抗震、宽温、无噪、可靠和节能等特点,是目前存储领域所存在问题的解决方案之一。本文针对这一问题,设计基于FPGA的固态硬盘控制器,实现数据的固态存储。文章首先介绍硬盘技术的发展,分析固态硬盘的技术现状和发展趋势,阐述课题研究意义,并概述了本文研究的主要内容及所做的工作。然后从分析固态硬盘控制器的关键技术入手,研究了SATA接口协议和NAND FLASH芯片特性。整体设计采用SOPC架构,所有功能由单片FPGA完成。移植MicroBlaze嵌入式处理器软核作为主控制器,利用Verilog HDL语言描述IP核形式设计SATA控制器核和NAND FLASH控制器核。SATA控制器核作为高速串行传输接口,实现SATA1.0协议,根据协议划分四层模型,通过状态机和逻辑电路实现协议功能。NAND FLASH控制器核管理NAND FLASH芯片阵列,将NAND FLASH接口转换成通用的SRAM接口,提高访问效率。控制器完成NAND FLASH存储管理和纠错算法,实现数据的存储和读取。最后完成固态硬盘控制器的模块测试和整体测试,介绍了测试方法、测试工具和测试流程,给出测试数据和结果分析,得出了验证结论。本文设计的固态硬盘控制器,具有结构简单和稳定性高的特点,易于升级和二次开发,是实现固态硬盘和固态存储系统的关键技术。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-16
  1.1 硬盘技术简介  11-13
  1.2 国内外发展现状  13-14
  1.3 研究背景及本文主要工作  14-16
    1.3.1 研究背景  14-15
    1.3.2 本文主要工作  15-16
第2章固态硬盘控制器技术分析  16-31
  2.1 固态硬盘接口SATA 协议简介  16-25
    2.1.1 物理层  17-21
    2.1.2 链路层  21-23
    2.1.3 传输层  23-24
    2.1.4 应用层  24-25
  2.2 固态硬盘存储介质NAND FLASH  25-31
    2.2.1 内部结构  26-27
    2.2.2 分类  27
    2.2.3 指令系统  27-28
    2.2.4 坏块  28
    2.2.5 ECC 校验  28-31
第3章固态硬盘控制器总体设计  31-38
  3.1 功能模块划分  31-33
  3.2 MicroBlaze 处理器  33-34
  3.3 模块地址分配  34-35
  3.4 Xilinx 系统标准IP 核  35-38
    3.4.1 OPB_GPIO 通用输入输出  35-36
    3.4.2 OPB_INTC 中断控制器  36
    3.4.3 OPB_UARTLITE 通用异步串行接口  36-37
    3.4.4 OPB_EMC SRAM 接口控制  37-38
第4章 SATA 控制器核设计  38-58
  4.1 物理层  38-43
    4.1.1 RocketIO MGT 高速串行传输  39-42
    4.1.2 OOB 控制模块设计  42-43
  4.2 链路层  43-51
    4.2.1 8B/10B 编解码  44-46
    4.2.2 CRC 计算与校验  46
    4.2.3 加扰和解扰  46-47
    4.2.4 原语生成和检测  47-48
    4.2.5 链路层控制状态机  48-51
  4.3 传输层  51-53
  4.4 应用层  53-58
第5章 NAND FLASH 控制器核设计  58-72
  5.1 控制器功能要求  58
  5.2 控制器结构  58-61
    5.2.1 控制器接口定义  59-60
    5.2.2 寄存器配置  60-61
  5.3 指令处理状态机  61-64
    5.3.1 页读取指令处理状态机  61-62
    5.3.2 页编程指令处理状态机  62
    5.3.3 块擦除指令处理状态机  62-63
    5.3.4 复位指令处理状态机  63
    5.3.5 读ID 指令处理状态机  63
    5.3.6 状态读取指令处理状态机  63-64
  5.4 ECC 模块  64-68
    5.4.1 ECC 模块的工作原理  64-65
    5.4.2 ECC 模块实现  65-68
  5.5 NAND FLASH 应用管理方法  68-72
    5.5.1 文件系统  68-69
    5.5.2 坏块管理  69-70
    5.5.3 均衡损耗  70-72
第6章固态硬盘控制器测试与结果分析  72-80
  6.1 固态硬盘控制器测试平台  72
  6.2 固态硬盘控制器模块测试  72-77
    6.2.1 SATA 物理层高速串行传输测试  72-73
    6.2.2 SATA 控制器核测试  73-76
    6.2.3 NAND FLASH 控制器核测试  76-77
  6.3 固态硬盘控制器整体测试  77-80
    6.3.1 功能测试  77-78
    6.3.2 性能测试  78-80
结论与展望  80-82
参考文献  82-85
致谢  85-86
附录A 攻读硕士学位期间发表的论文  86-87
附录B 系统PCB 版图  87-88
附录C 系统实物图  88-89
附录D 部分源程序  89-92

基于FPGA的固态硬盘控制器设计

内容摘要

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