[发明专利]基于NAND Flash的数据记录方法与记录控制器

说明书

技术领域

本发明涉及NAND Flash数据记录控制器的实现，特别是高速高可靠NAND Flash数据记录控制器的实现。采用大规模现场可编程门阵列(Field Programable Gate Array，FPGA)作为实现平台，实现数据在单片NAND Flash或NAND Flash阵列中的高速记录存储、读出和擦除，同时在不影响记录性能的情况下实现有效的坏块管理。

背景技术

数据记录技术，一直是国内、外在航空、航天、航海等领域研究的关键技术之一。实际应用中，需要将采集到的高速实时数据(比如高分辨率图像数据)实时地记录下来以便事后处理。随着采集数据精度的提高以及记录参数的增多，需要记录的数据量急剧增加、数据传输速率也越来越高。这使记录设备在实时、超大容量、可靠性等方面的研究成为了热点。

目前大多数的数据记录系统都是基于磁记录技术，但磁记录设备的核心部件磁带机或硬盘有以下缺点：

1.读写速度慢。硬盘采用盘片高速旋转、磁头作径向移动的数据读取方式，因此在硬盘中执行一次数据读写操作的时间周期分为三部分：寻道时间、旋转等待延时和数据传输时间。无论读写数据的大小，前两个步骤是必须执行的，而这两个步骤一般都耗时5ms以上。

2.不稳定。硬盘的机械结构导致硬盘故障率较高。磁头磨损，悬臂变形，硬盘在受到震动后外壳、盘面或马达的微小的变形都将导致硬盘工作性能的不稳定。目前普通硬盘在非工作状态下仅可承受百g左右的冲击力，因此在移动设施或震动较大场合等复杂状态下，传统硬盘都不太适用。是在实际应用中，设备产生的晃动都会严重影响机械硬盘盘片旋转的稳定性，从而导致数据采集的可靠性大大降低。

3.功耗大发热大。硬盘中盘片的机械旋转和磁头的径向运动均会在很大程度上导致硬盘功耗增大。此外，随着对硬盘存取速度要求的不断提高，硬盘的转速也在不断地提高，这会导致两方面的后果：一是功耗的上升，大功耗对于加重了在特殊环境中如机载空载设备的功耗负担；二是热量的不断提高，这要求有更好的散热措施，否则硬盘工作的可靠性将急剧下降。增加散热设备会增加记录设备的重量和复杂度，从另一方面降低了记录设备的可靠性。

相比于机械硬盘，基于半导体存储技术的存储芯片具有以下优点：

1.读写速度快。存储芯片执行一次数据读写的周期比传统硬盘短，在已存储芯片执行一次数据访问的周期大致为15us-30us，比起传统硬盘的要5ms快得多。

2.抗震性好。存储芯片内部不存在任何机械活动部件，不会发生机械故障，也不怕碰撞、冲击、震动，因此即使在剧烈震动的情况下也能正常工作。

3.工作温度范围大。机械硬盘只能在5-55摄氏度范围内工作，而一些存储芯片可以达到工业级工作温度甚至宇航级，范围甚至达到了-40-85摄氏度甚至更宽。

4.发热低、噪音小。由于没有传统机械硬盘中的马达，存储芯片工作时的噪音几乎为分贝，并且存储芯片发热量小，基于此设计的记录设备工作时的发热量也大大地减小。

5.体积小。相比传统的机械硬盘，存储芯片体积更小，重量更轻。这对载重严格要求的机载或星载应有极大的意义。

因此自九十年代初，各航天大国开始就研制的固态记录器(Solid State Reorder，简称SSR)，使用半导体存储芯片作为存储介质，其存储密度高、无转动部件、可靠性高、体积小、重量轻，较磁记录设备更适于应用在航天航空领域，因而逐渐成为空间飞行器的数据记录器的主流方案。

半导体存储器件，常见的有DRAM、SRAM、FLASH MEMORY、EPROM、EEPROM、ROM等等。

1.ROM具有高密度、高可靠性、数据非丢失性等特性，但是其出厂后内容就不能更改，所以根本不能用作记录器的存储介质。

2.EPROM具有数据非丢失性、高密度、可重写等特性，但是不能在系统在线时重写，必须将其从系统中移出、用紫外线擦除后方能重写，所以也不能用记录器的存储介质。

3.EERPOM是数据非丢失性的，并且支持系统在线重写，但由于擦除和写入时需要高压电脉冲，而且擦写的时间较长，所以在系统的正常工作状态下，EERPOM仍然只能工作在读出状态。EERPOM可作ROM使用，不可用作记录器的存储介质。

4.DRAM最基本的存储单元是CMOS晶体管，由电容驱动，通过充放电来存储数据，它的优点在于其具有高密度和存取速度快的特性，但是其数据的丢失性使其要求有持续的供电电源(掉电丢失数据)，且需要辅以必要的刷新控制电路，所以比较耗电。