高可靠固態(tài)存儲模塊的實現(xiàn)與應用

何祖福 靳莉莉

摘要：隨著計算機技術的不斷發(fā)展，相關軟件和硬件設施也在逐步的提高。尤其在信息存儲方面，以NAND FLASH為主的固態(tài)存儲得到了廣泛的應用。使存儲介質的讀寫速率、成本等都得到了很大的優(yōu)化。本文針對該存儲介質研究了高可靠固態(tài)存儲模塊的實現(xiàn)，并進一步分析了其實際應用情況。

關鍵詞：高可靠；固態(tài)存儲模塊；實現(xiàn)；應用

前言：

隨著人們對計算機網(wǎng)絡技術的依賴性越來越高，人們一直在研究并致力于提高計算機硬盤的存儲容量，使其更有利于人們的工作和生活。很多研究成果雖然使存儲空間提升，但讀寫速度卻難以有所突破。而且存儲硬盤的適應能力也難以得到有效的提高，受到很多方面的限制。NAND FLASH的出現(xiàn)解決了很多的實際問題。NAND FLASH的生產(chǎn)過程簡單，可以在給定的模具尺寸內(nèi)提供更高的容量，生產(chǎn)成本方面得到有效的降低。而且其實用性能與其他固態(tài)存儲硬盤相比有著很大的優(yōu)勢。本文根據(jù)其特點，提出高可靠固態(tài)存儲模塊的實現(xiàn)方式、相關技術和應用方式。

1固態(tài)存儲模塊的總體實現(xiàn)

固態(tài)存儲模塊一般由接口電路、數(shù)據(jù)緩存、嵌入式處理器、FPGA等組合而成。接口電路是數(shù)據(jù)接口，同時也是命令接口，數(shù)據(jù)緩存對模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)流的速率進行匹配，使數(shù)據(jù)實現(xiàn)高速傳輸[1]。固態(tài)存儲模塊的技術核心是嵌入式處理器，通過該設備來實現(xiàn)對工作流程、數(shù)據(jù)讀寫、命令通信等方面的各種控制。FPGA是大規(guī)?？删幊涕T陣列的縮寫，負責控制數(shù)據(jù)流，主要包括內(nèi)部通信和外部數(shù)據(jù)接口邏輯、DDR3數(shù)據(jù)控制邏輯等[2]。此外固態(tài)存儲模塊還包括大容量數(shù)據(jù)緩存芯片。使其讀寫速率得到大幅的提升。在計算機進行數(shù)據(jù)存儲時，先通過處理器接收指令，然后固態(tài)存儲模塊進入數(shù)據(jù)存儲工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)從相應的接口輸入，經(jīng)接收器接收后進入數(shù)據(jù)緩存，并以DMA的方式進入FLASH控制器，最后將數(shù)據(jù)寫入存儲介質組。為提高數(shù)據(jù)讀寫速率，存儲介質組通過多芯片同時工作的方式來實現(xiàn)。

2高可靠存儲模塊技術及應用

2.1NAND FLASH相關技術及應用

為了提高固態(tài)存儲模塊的數(shù)據(jù)讀寫與存儲的可靠性，NAND FLASH將各種技術有效的進行融合，如數(shù)據(jù)糾錯、過量配置、損耗均衡、壞塊管理等，使數(shù)據(jù)存儲和讀寫的可靠性得以提升[3]。將原來位翻轉、壞塊、使用壽命短等缺陷進行有效的補充。

（1）數(shù)據(jù)糾錯技術。NAND FLASH在數(shù)據(jù)讀寫過程中，可能會發(fā)生數(shù)據(jù)位翻轉導致數(shù)據(jù)缺乏準確性等情況，因此需要應用數(shù)據(jù)糾錯技術來增加糾錯算法，糾正讀寫過程中的位錯誤，提高數(shù)據(jù)讀寫的準確性。隨著科技的發(fā)展，數(shù)據(jù)糾錯技術也在不斷得到提升和改進，目前一般采用BCH碼為數(shù)據(jù)糾錯的主要應用的算法。這是一種并行編碼技術，能夠有效提高編碼的速率和帶寬。NAND FLASH在執(zhí)行數(shù)據(jù)讀取操作時，應用BCH譯碼電路對讀取的數(shù)據(jù)進行實時檢測，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在錯誤，就會自動進行糾正，并將糾錯后的數(shù)據(jù)輸出給用戶，提高輸出數(shù)據(jù)的有效性和準確性。NAND FLASH在執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入操作時，BCH編碼電路對各種數(shù)據(jù)進行分類存儲，提高數(shù)據(jù)存儲的規(guī)范性和可靠性。而且可有效提高編碼模塊的帶寬和速率。

（2）過量配置技術

過量配置技術是一種為了提高存儲模塊耐用度的有效方法。過量配置需要根據(jù)存貯模塊不同的應用領域和場景來配置不同的空間。配置的空間越多，存儲模塊的可靠性就越高。這樣也需要支付相應的成本，占用的空間越多需要支付的成本也就越高。模塊通過損耗均衡來使擦寫周期變短。如果出現(xiàn)模塊失效的狀況，就需要將失效部分標記成不可用，在從備用區(qū)域調(diào)配一個新的存儲塊到邏輯地址，這就是過量配置技術的應用過程。

（3）損耗均衡技術

損耗均衡技術是根據(jù)存儲模塊的擦寫次數(shù)來對數(shù)據(jù)進行均衡的分配，優(yōu)先選擇擦寫次數(shù)較少的存儲塊來存放數(shù)據(jù)。損耗均衡技術分為針對動態(tài)數(shù)據(jù)進行調(diào)配和靜態(tài)數(shù)據(jù)進行調(diào)配兩種類型。動態(tài)損耗平衡無法用于靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲塊的調(diào)配，而靜態(tài)損耗均衡技術可以對所有的數(shù)據(jù)存儲塊執(zhí)行相關的操作。與動態(tài)損耗平衡相比，應用靜態(tài)損耗均衡技術在使用壽命方面具有很大的優(yōu)勢，能夠減少數(shù)據(jù)存儲塊之間的不均衡損耗。NAND FLASH每個存儲單元的使用壽命都是有一定的時限性的。采用高效合理的損耗均衡技術可以對NAND FLASH存儲空間進行合理的擦寫管控，提高存儲空間和存儲模塊的整體使用壽命。

（4）壞塊管理技術

壞塊是固態(tài)存儲模塊出廠時如果有一個或多個位是壞的，就稱其為壞塊。壞塊在固態(tài)存儲器中是一種常見的現(xiàn)象。存在壞塊的存儲器難以保證寫入的數(shù)據(jù)的準確性，也難以保證寫入的數(shù)據(jù)可以被準確的讀取。只有正常的模塊才能執(zhí)行常規(guī)的數(shù)據(jù)讀寫操作。產(chǎn)生壞塊的原因有很多，一種可能是出廠質量的問題，就是在還沒有使用的情況下就已經(jīng)存在壞塊。這種壞塊在出廠前就應做好相應的標記。還有可能在使用過程中人為造成的損壞。一般使用時間過長后，反復擦除模塊中的數(shù)據(jù)就可能會導致壞塊出現(xiàn)，從而影響模塊的整體使用性能。這種情況也需要對壞塊進行標記。而所有正常的模塊都標記為0xFF，如果標記與其不同，就可以判斷為壞塊[4]。針對壞塊的管理技術，可預先在NAND FLASH出廠前讀取模塊的芯片數(shù)據(jù)，還可以在模塊使用過程中進行動態(tài)監(jiān)測，針對所有新舊模塊進行管理，如果出現(xiàn)壞塊，會禁止將數(shù)據(jù)存儲于壞塊中，將壞塊徹底封存，提高數(shù)據(jù)讀寫的準確性。

（5）磁盤陣列技術

磁盤陣列技術又稱RAID技術，是有多個磁盤組合而成的磁盤組，進而使磁盤整體的系統(tǒng)功能和容量得以提升。該技術可以將數(shù)據(jù)進行切割并分別存儲于硬盤中。當其中某一個磁盤發(fā)生故障時，其他磁盤仍然可以正常工作，使數(shù)據(jù)能夠有效地被讀取和寫入硬盤中。磁盤陣列分為外接式、內(nèi)接式以及軟件仿真等形式[5]。一般大型服務器應用外接式磁盤陣列柜，安裝的成本也較高。而內(nèi)接式陣列卡相比之下成本較低，但在安裝時需要對技術人員的專業(yè)水平有較高的要求?？梢詾榇鎯δK提供各種問題的解決方案。軟件仿真技術通過系統(tǒng)自身的磁盤管理功能來對硬盤進行優(yōu)化管理，組成科學合理的陣列。但容易拖慢系統(tǒng)的速度，不適用于數(shù)據(jù)流量較大的服務器。該技術的優(yōu)點在于傳輸速率較快，而且具有容錯功能。適用于在醫(yī)療、金融、軍事等系統(tǒng)中應用。但磁盤沒有冗余功能，磁盤整體的利用率也較低，所以需要持續(xù)對其進行研究和改進。目前RAID5在模塊中芯片出現(xiàn)異常時可以通過存儲數(shù)據(jù)來對丟失的數(shù)據(jù)進行恢復，提高了數(shù)據(jù)存儲的可靠性。

2.2高可靠性場合的應用

首先，數(shù)據(jù)加密技術。該技術是對寫入數(shù)據(jù)的一種有效的保護措施，也是提高數(shù)據(jù)讀寫安全的一種手段。固態(tài)存儲模塊的最佳加密方案是將AES與RSA兩種加密技術進行有效的融合。這樣要想準確的讀取數(shù)據(jù)，就需要進行解密操作，這樣可以有效的防止數(shù)據(jù)丟失的情況發(fā)生。其次，數(shù)據(jù)銷毀技術。在數(shù)據(jù)的加密信息被不具訪問權限的人員獲取時，應用該技術可以快速銷毀密鑰、目錄、芯片、電路板等，使其中的數(shù)據(jù)無法被有效的讀取。同時將數(shù)據(jù)信息進行自動擦除和覆蓋，使信息難以被有效獲取，確保信息的安全。這幾種銷毀的途經(jīng)需要在實際應用中根據(jù)實際情況進行合理的選取。

結語：

綜上所述，高可靠固態(tài)存儲模塊具有優(yōu)良的使用性能，能夠有效的提升存儲模塊的讀寫速率和使用壽命。提升數(shù)據(jù)讀寫和存儲的可靠性和準確性，提高數(shù)據(jù)模塊的耐用性。目前高可靠固態(tài)存儲模塊實現(xiàn)了多種技術的提升，并能夠滿足計算機固態(tài)存儲的各種應用需求。

參考文獻

[1]吳洪成，潘琪.高可靠固態(tài)存儲模塊的實現(xiàn)與應用[J].計算機時代，2015（09）：14.

[2]李佳琦.精密儀器中高可靠存儲模塊的設計與實現(xiàn)[D].天津大學，2009.

[3]朱知博.基于NAND-FLASH的高速大容量存儲系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2011.34（8）：170

[4]張峰.基于Nandflash陣列的高速存儲技術[J].電訊技術，2013.53（1）：68-71

[5]胡洋，馮丹.高性能固態(tài)盤的多級并行性及算法研究[D].華中科技大學博士學位論文，2012.5.

（作者單位：南京長江電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司）