基于半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片的大容量存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)介紹

隨著航空航天航海等技術(shù)的發(fā)展，無論是星載還是艦載方面的技術(shù)要求，都迫切希望有一種能夠在惡劣環(huán)境(高溫、低溫、振動(dòng))下正常工作，并且易于保存的大容量視頻記錄設(shè)備，以滿足數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)方面的要求。早期的海量數(shù)據(jù)記錄主要是使用磁帶機(jī)，但存放在磁帶機(jī)中的數(shù)據(jù)保存條件較高，它容易受到天氣和濕度等環(huán)境的影響。而使用半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片作為存儲(chǔ)介質(zhì)則具有存儲(chǔ)密度高、無轉(zhuǎn)動(dòng)部件、可靠性高、體積小、重量輕等特點(diǎn)，因此，半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片逐漸成為高可靠性數(shù)據(jù)記錄器的主流方案。本文針對(duì)視頻壓縮系統(tǒng)中要求存儲(chǔ)器容量大、可靠性高、使用環(huán)境苛刻等特點(diǎn)，給出了基于半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片K9WBG08U1M的大容量存儲(chǔ)器的應(yīng)用設(shè)計(jì)方法，可以很好的滿足工業(yè)控制或軍事領(lǐng)域等惡劣環(huán)境下的使用要求。

1.系統(tǒng)組成

整個(gè)視頻壓縮與大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)一般由多路視頻服務(wù)終端、中心控制分系統(tǒng)、大容量電子存儲(chǔ)陣列等組成。其中，多路視頻服務(wù)終端用于視頻信號(hào)的采集和壓縮，壓縮后的視頻數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)送入存儲(chǔ)陣列保存，也可以通過以太網(wǎng)送到指定的用戶進(jìn)行瀏覽;中心控制分系統(tǒng)以高性能嵌入式處理器BF537為核心，可完成視頻服務(wù)終端的控制，存儲(chǔ)陣列數(shù)據(jù)的讀出。它通過百兆以太網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換;存儲(chǔ)陣列可提供高達(dá)4T的存儲(chǔ)深度，它由10塊400MByte容量的獨(dú)立存儲(chǔ)板組成，可為多路視頻服務(wù)終端提供同時(shí)存儲(chǔ)服務(wù)，存儲(chǔ)介質(zhì)采用大容量非易失NAND-Flash芯片K9WBG08U1M，單片存儲(chǔ)容量為32Gbit，每塊存儲(chǔ)板都可由視頻服務(wù)終端寫入，并由中心控制分系統(tǒng)讀出。其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)的組成框圖

2.系統(tǒng)工作原理

攝像機(jī)輸出的視頻信號(hào)進(jìn)入視頻采集壓縮卡后，首先通過A/D變換器進(jìn)行視頻信號(hào)采集，采樣后輸出的數(shù)字視頻信號(hào)經(jīng)FPGA整理后進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理器DSP，然后對(duì)視頻數(shù)據(jù)在DSP中按照MPEG4協(xié)議進(jìn)行視頻壓縮，形成MPEG4格式的視頻數(shù)據(jù)流;每塊采集壓縮板的視頻數(shù)據(jù)流可實(shí)時(shí)保存到存儲(chǔ)陣列中。如果有用戶需要訪問，則將該數(shù)據(jù)流打包后發(fā)送給指定的用戶。

壓縮和存儲(chǔ)過程受主控計(jì)算機(jī)的控制。如果有用戶需要瀏覽保存的視頻數(shù)據(jù)，則需要向主控計(jì)算機(jī)發(fā)出瀏覽請(qǐng)求，主控計(jì)算機(jī)接受后，即可通過讀數(shù)據(jù)邏輯選擇存儲(chǔ)陣列中的數(shù)據(jù)塊，然后讀出后打包并發(fā)送給指定的用戶。主控計(jì)算機(jī)可以同時(shí)響應(yīng)多個(gè)用戶的請(qǐng)求。

3.大容量電子存儲(chǔ)陣列設(shè)計(jì)

3.1數(shù)據(jù)收發(fā)接口

存儲(chǔ)板的數(shù)據(jù)收發(fā)可通過DSP實(shí)現(xiàn)。考慮到與前端芯片選擇的一致性，本方案選擇ADI公司的ADSP-BF533為數(shù)據(jù)收發(fā)處理器。執(zhí)行存儲(chǔ)操作時(shí)，BF533將從輸入/輸出總線并行外設(shè)接口(PPI)接收中心控制板發(fā)送的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并將其緩存到SDRAM，同時(shí)按照K9WBG08U1M的編程時(shí)序要求形成存儲(chǔ)器的編程指令，再通過FPGA發(fā)送到K9WBG08U1M存儲(chǔ)芯片;而在執(zhí)行讀操作時(shí)，BF533則通過FPGA向K9WBG08U1M發(fā)送讀操作指令，以讀取指定區(qū)域的數(shù)據(jù)并緩存到SDRAM存儲(chǔ)器中，然后通過輸入/輸出總線(PPI)發(fā)送到中心控制分系統(tǒng)并將其回送給上位機(jī)進(jìn)行瀏覽。

3.2存儲(chǔ)器訪問控制接口

每塊存儲(chǔ)板的訪問控制接口均可由兩片F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)。由于板上有100片存儲(chǔ)芯片K9WBG08U1M，而輸入/輸出總線只有一套，所以，對(duì)芯片的訪問需要通過總線驅(qū)動(dòng)和譯碼邏輯來實(shí)現(xiàn)。該邏輯可由ALTERA公司的Cyclong系列FPGA實(shí)現(xiàn)，具體型號(hào)為EP2C35F67218，它同時(shí)可通過EBIU總線與DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。存儲(chǔ)芯片寫入或讀出的數(shù)據(jù)需通過EP2C35。由于板上有100片存儲(chǔ)芯片都連接到EP2C35的一套I/O引腳上，故會(huì)導(dǎo)致負(fù)載過大而無法工作，所以，可將存儲(chǔ)芯片4個(gè)一組，共用一套EP2C35的I/O引腳驅(qū)動(dòng)，以保證足夠的驅(qū)動(dòng)能力。來自總線的地址信號(hào)輸入到地址譯碼器，用于選擇存儲(chǔ)芯片。輸入為7位地址線，輸出存儲(chǔ)芯片選擇信號(hào)csl～csl00其具體接口連接如圖2所示。

圖2存儲(chǔ)器訪問控制接口圖

4.文件管理

由于存儲(chǔ)陣列的存儲(chǔ)深度達(dá)4TB，而拍攝的文件時(shí)長和壓縮后的文件大小是不固定的，因此，根據(jù)Flash器件的固有特性，可構(gòu)建一個(gè)適合管理NANDFlash存儲(chǔ)器的FAT文件系統(tǒng)，并通過改進(jìn)FAT表的存儲(chǔ)方式來延長存儲(chǔ)器的使用壽命，提高系統(tǒng)存儲(chǔ)的穩(wěn)定性。但這因此需要對(duì)每次任務(wù)拍攝的視頻文件進(jìn)行管理，為此，可在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的文件記錄系統(tǒng)，包括文件名、存儲(chǔ)地址、文件大小、對(duì)應(yīng)攝像機(jī)號(hào)、拍攝時(shí)間和時(shí)長，記錄下來的信息可保存在FLASH中的FAT表項(xiàng)區(qū)域中，用于滿足基本的文件管理操作，如刪除、拷貝、剪切、下載、陣列格式化等。

4.1文件寫入

當(dāng)中心控制分系統(tǒng)接收到開始拍攝命令后，可通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送開始命令給前端視頻采集系統(tǒng)，同時(shí)依照攝像機(jī)號(hào)和存儲(chǔ)陣列的對(duì)應(yīng)關(guān)系發(fā)送開始命令給存儲(chǔ)陣列，存儲(chǔ)陣列創(chuàng)建文件索引表項(xiàng)后，即開始等待接收視頻數(shù)據(jù)，直到中心控制分系統(tǒng)接收到上位機(jī)發(fā)送的結(jié)束命令，再寫入文件名、文件長度等有關(guān)信息，從而完成一次文件寫入過程。

4.2文件下載

當(dāng)有用戶需要瀏覽存儲(chǔ)在存儲(chǔ)陣列當(dāng)中的文件信息時(shí)，上位機(jī)可發(fā)送瀏覽命令給中心控制分系統(tǒng)。由中心控制分系統(tǒng)按照與存儲(chǔ)陣列之間的協(xié)議發(fā)送瀏覽命令，存儲(chǔ)陣列從存儲(chǔ)器當(dāng)中取得保存的視頻文件記錄信息并生成文件列表，然后打包回送給中心控制分系統(tǒng)后，按照FIP下載格式回送給上位機(jī)顯示，用戶可以依據(jù)回送的信息列表選擇文件進(jìn)行下載操作。為了使下載速度和網(wǎng)絡(luò)傳輸速度匹配，本文設(shè)計(jì)了帶流量控制的下載模式，以使下載速度可以完全由中心控制分系統(tǒng)控制。

4.3文件管理

事實(shí)上，NANDFlash存儲(chǔ)器有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，同時(shí)在使用中也可能會(huì)有壞損單元。因此，數(shù)據(jù)寫入必須在空白的區(qū)塊或者擦除后的區(qū)塊中進(jìn)行，其底層技術(shù)要求以塊為單位進(jìn)行擦除，再按頁寫入。如果在存儲(chǔ)陣列當(dāng)中有無用的視頻數(shù)據(jù)，用戶可以按照需要選中相應(yīng)的文件，提取出文件存放的地址參數(shù)后再進(jìn)行文件刪除操作。考慮到存儲(chǔ)陣列的壽命問題，要使每個(gè)芯片的使用概率大概相等，本設(shè)計(jì)采用順序存儲(chǔ)的格式來存放文件。但是，當(dāng)刪除文件之后，就會(huì)在存儲(chǔ)陣列中留下大量的未用空白區(qū)域，使得存儲(chǔ)陣列的使用率大為降低，為此可在存儲(chǔ)陣列當(dāng)中設(shè)計(jì)存儲(chǔ)陣列文件整理功能和格式化功能，當(dāng)空白區(qū)域所占用的比例較高時(shí)，由上位機(jī)發(fā)送文件整理命令給中心控制分系統(tǒng)，以便中心控制分系統(tǒng)控制存儲(chǔ)陣列進(jìn)行文件整理操作，整理完成后回送狀態(tài)給上位機(jī)。對(duì)于存放的比較重要的文件?？捎梦募截惷钤趲讉€(gè)存儲(chǔ)陣列之間進(jìn)行文件備份，以提高系統(tǒng)的可靠性。而在存儲(chǔ)陣列當(dāng)中，當(dāng)有用文件占有率很少但是文件又很多的情況下，可以拷貝出有效文件，然后對(duì)存儲(chǔ)陣列進(jìn)行格式化。

結(jié)束語

本文總結(jié)了基于半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片的大容量存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)方便靈活，可以借鑒，以用來設(shè)計(jì)高速、大容量、高可靠性的電子存儲(chǔ)設(shè)備。事實(shí)上，針對(duì)本系統(tǒng)中要求容量大、可靠性高、使用環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠很好地滿足初始的預(yù)期效果，現(xiàn)在已經(jīng)在某型系統(tǒng)上得到了應(yīng)用。

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