基于iOS的高速存储电路设计与实现

　　摘要：为了解决iOS移动设备外部存储器件传输速度及存储容量的问题，设计了一套适用iOS的外设高速存储电路。通过采用兼容USB2.0的数据高速传输和处理技术USB3.1标准，以提高传输速度;使用FlashRaid技术进行读写管理，将NAND和eMMCFlash芯片的数据并行传输和管理技术进行集成，实现双Flash芯片同步读写的双通道数据高速传输与存储，并内置多种容错机制。实验结果表明，重新设计的高速存储电路可适应和扩展外设存储容量，还可提升读写速度，其在iOS端的读写速度达到25,16MB/s，实现了iOS移动设备外部存储高速传输与存储目的。

　　关键词：数据采集;高速电路;NANDFlash;eMMCFlash;双通道

　　0引言

　　随着电子信息技术和移动互联网的快速发展，移动端的数据传输与存储成为日常通信领域中不可缺少的一个环节，消费者对移动端的信息传输与存储容量的需求也越来越大。iOS系统是由苹果公司开发的移动操作系统，是目前移动端主流系统之一，开发适用与iOS外接的高速大容量存储器件成为一种必然趋势。NANDFlash作为目前市场大部分的存储系统存储介质，具有非易失性、存储密度较大、功耗较低、可靠性较高等优点，已经逐渐成为当前存储技术研究和应用的热点[1-3]。

　　但是单通道NANDFlash的数据存储容量小，很难满足现在移动端设备大容量存储的需求。针对以上问题，本文对iOS高速存储设备及其电路设计进行研究，设计能适应iOS系统的大容量、高速数据传输和存储方案。

　　通过采用USB3.1高速数据传输技术，集成NAND和eMMC(embeddedmulltimediacard)Flash的双通道阵列技术，对存储系统进行系统结构的优化与调整，优化控制器的控制算法，提升高速存储设备传输带宽，实现芯片级FlashRaid0和Raid1管理，在扩展存储容量的同时，成倍提升数据读写速度。

　　1NAND和eMMCFlash控制器及双通道控制技术

　　NANDFlash是一种需要在外部加主控和电路设计才能实现数据读写的存储介质，eMMC的存储核心是NANDFlash，是在封装中集成了主控IC，在提供标准接口的同时管理闪存，简化了电路设计。采用双通道并行控制机制可显著提高存储容量和数据传输带宽。

　　1.1NANDFlash芯片

　　作为存储系统的核心部件，NANDFlash存储芯片的性能将直接决定整个存储系统的性能。NANDFlash芯片的存储单元由块和页组成，以页为单位进行存储和读取，其状态、数据和命令传输都通过8bit总线分时复用完成，NAND接口时序较复杂，需要NAND控制器来实现对NAND的控制，控制器和NAND存储器之间的共享总线称为通道，所以NAND控制器又称为通道控制器[4]。

　　1.2eMMCFlash芯片

　　eMMC采取同一MMC接口标准，将NAND和MMCController在BGA(ballgridarroy)芯片中封装。针对Flash的特征，其模块已包含Flash管理技术：错误探测和纠正、Flash平均擦写、坏块管理、掉电保护等[5]。针对移动设备，将NANDFlash芯片和控制芯片设计成1颗MCP(multiplechippackage)芯片，该设计简化了内存储器使用，使其能以高吞吐率传输大型数据，同时可以兼顾小型随机数据的读写性能。eMMC结构由一个小型BGA封装嵌入式存储解决方案组成，其自带MMC接口、快闪存储器设备及主控制器，接口速度高达52MB/s，具有快速、可升级的性能[6]。

　　1.3双通道并行控制机制

　　由于目前NANDFlash的数据线与地址线复用，其中数据线为8bit，约能达到3MB/s的写入速度和25MB/s的读取速度，这样的低速数据传输效率明显无法满足现在的需求。目前，在采用多通道同时并行的控制操作时，将多片NANDFlash芯片的数据总线并行扩展，采用类似RAID的存储技术[7]，可使存储器的读写带宽得到极大提升，双通道NANDFlash存储芯片组成的存储阵列架构。

　　双通道并行控制机制中的存储目标由一片NANDFlash芯片，转变为两片并行复用的NANDFlash芯片，并通过FlashRaid0和Raid1管理，控制数据的写入、存储、容错等，最终形成双通道NANDFlash存储阵列结构，可使存储容量成倍扩增。同时，每个NANDFlash存储复用组采用的总线拓宽技术与NANDFlash阵列的并行流水控制技术，显著地提高了大容量存储系统的数据传输带宽。

　　2基于iOS的双通道高速存储电路设计

　　2.1芯片系统总体方案设计

　　本设计所采用的芯片采取模块化处理进行系统功能设置，使芯片具有高速传输、大容量存储、较强的可移植性、扩展性等功能。芯片的数据存储和管理使用eMMC5.1标准，且设计了多种容错机制，做到同时兼容Flash存储与外置TF(trans-flash)卡。此外，芯片内部封装电源管理模块、SRAM和NorFlash，以节约布板空间，节省BOM成本，降低布板与生产难度。

　　2.2NAND和eMMCFlash双通道高速存储电路设计

　　本设计采用流水线方式，在双通道架构的通道内部使2个Flash芯片共用总线，在其中一片Flash芯片工作时，对另一片Flash芯片进行读、写等操作，在时间上实现数据总线的复用，缩短Flash阵列的等效操作时间，最大限度地减少单个Flash占用总线时间，使得Flash阵列整体读写速度得到提升[8-10]。

　　2.2.1电路特性

　　双通道存储电路中各电源的绝对最大额定参数。

　　2.2.2启动和复位计时设计

　　本研究中电路的设计，外部电路设计规则、启动和重置计时规则。其中：T1为从0~5V的5V电源轨道重置计时;T2为从0~2.7V的3.3V电源轨道重置计时;T3为延迟从5V电源到3.3V电源电压达到2.7V的时间;T4为从0~1.2V的1.2V电源轨道重置计时。

　　2.2.3双通道电路设计

　　为适用于移动iOS设备，保证用户体验，本研究中的双通道电路在设计时不使用外置电源，而是通过使用iOS设备所提供电源，降低电路功耗。VBUS为系统供电脚，电压通过Lightning接口获取iOS设备电池电压，芯片内置LDO(lowdropoutregulator)对外提供3.3V和1.8V稳压电源。Pin1和Pin两个终断模式GPIO(generalpurposeinputoutput)分别为iOS设备和PC连接检测脚，分别用于探测当前所连接设备，从而进入不同工作模式。

　　I2C(interintegratedcircuit)接口用于连接身份认证芯片，提供iOS系统连接时所要求的身份确认与授权。EMMC_D0~EMMC_D7提供两路MMC接口，可以同时连接两路MMC设备，具体功能由固件来实现。

　　3仿真及测试

　　通过仿真器对双通道控制芯片设计方案进行FPGA仿真，再进行芯片封装。芯片封装了定制的精简指令集核心，以达到在高速处理数据的同时降低功耗的目的，且在系统内部封装高精度振荡器，以减少外围器件，降低总体BOM成本，减小产品PCB尺寸。

　　3.1仿真

　　为了验证电路设计的可靠性，采用ModelsimSE和Navos公司的Debussy软件作为软件仿真平台，验证本系统内关键的USB物理收发器(portphysicallayer，PHY)模块、AES(advancedencryptionstandard)加解密模块、SIE(serialinterfaceengine)模块、eMMC接口模块、高速51控制内核等关键模块的功能与信号质量。最终采用基于XILINX公司的FPGA芯片XC7VX485T开发板作为本系统核心芯片的硬件仿真平台，进行芯片级仿真验证。仿真数据显示，芯片的信号输出质量高于目标设计。

　　4结语

　　集成NAND和eMMCFlash的双通道高速存储系统设计方法，采用具有高度并行性的多通道存储系统结构，利用通道间流水和通道内交织的两级并行访问方法，有效地减小了读取闪存延迟和编程时间对系统吞吐量的影响，改善了闪存系统存取性能，在经济效益、社会效益上都有很大提升，提高了集成电路行业的发展和产品的国际竞争力。

　　参考文献：

　　[1]LIT，LEIZ.ANovelMultipleDiesParallelNANDFlashMemoryControllerforHigh-SpeedDataStorage[C]//201713thIEEEInternationalConferenceonElectronicMeasurement&Instruments(ICEMI).Yangzhou：IEEE，2017：6-11.

　　[2]CAIY，GHOSES，LUOYX，etal.VulnerabilitiesinMLCNANDFlashMemoryProgramming：ExperimentalAnalysis，Exploits，andMitigationTechniques[C]//2017IEEEInternationalSymposiumonHighPerformanceComputerArchitecture(HPCA).Austin：IEEE，2017：49-60.

　　[3]李晴.高速大容量NANDFLASH存储系统的设计与实现[D].北京：北京理工大学，2015.LIQing.TheDesignandRealizationofaHighSpeedandLargeCapacityNANDFLASHStorageSystem[D].Beijing：BeijingInstituteofTechnology，2015.

　　[4]周之丽.基于NandFlash的大容量存储装置的设计与研究[D].太原：中北大学,2015.ZHOUZhili.TheDesignandResearchofLarge-CapacityDeviceBasedonNandFlash[D].Taiyuan：NorthUniversityofChina，2015.

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