1 引言
高速數據采集系統目前已在雷達、聲納、圖像處理、語音識別、通信、瞬態信號測試等領域得到廣泛應用。它的關鍵技術是高速ADC技術、數據存儲與傳輸技術和抗干擾技術。當大量的高速實時數據經過模數轉換后，必須高速存儲，多通道高采樣率的數據采集系統會產生巨大的數據流。這樣就需要高速大容量的存儲板將數據存儲起來，然后再讀回計算機進行處理。基于以上原因，本文設計了可以同時存儲兩通道采樣數據的大容量存儲板，板中采用了64片Samsung公司的高速大容量存儲器K9F2G08UOM，使整塊板卡的存儲容量達到128Gbit。采用FPGA作為控制器，通過標準的CPCI工控機箱操作存儲板，并通過CPCI總線將存儲板上的數據高速讀回計算機，提高了讀取數據的速度。
2 K9F2G08UOM簡介
NOR Flash和NAND Flash是目前市場上的兩種主要的非易失性閃存技術，本設計的目的是為了高速存儲大容量的數據，因此，選擇NAND型K9F2G08U0M存儲器。它的存儲容量是2 Gbit，8位位寬，頁大小為2 048×8 bit，每塊由64頁組成，共有2 048塊。每頁帶有64×8 bit的空閑存儲區，共有8 192 K×8 bit的空閑存儲區。頁編程的典型時間為300μs，最大頁編程時間為700μ8。頁內連續最小訪問時間為30 ns／Byte，即數據寫入Flash數據寄存器的速度可達33 MB／s。但是單頁數據的典型編程速度為2 048／300μs=6.8 MB／s，最慢的編程速度為2 048／700μs=2.9 MB／s。塊擦除的典型時間為2 ms。K9F2G08U0M具有硬件數據保護功能，即在電源上電、掉電期間關閉編程／擦除操作。K9F2G08U0M內部寫控制器使得所有的編程和擦除操作自動進行，片內包含一個頁(2 048+64字節)的數據寄存器，讀寫過程中始終是將存儲單元數據或外部數據先緩存到數據寄存器，然后再讀出數據或寫入存儲單元。因此，它是基于頁讀寫，基于塊擦除的。當然，它也支持隨機讀寫。但本設計目的是高速存儲數據，因此對它的讀寫操作完全是基于頁的。K9F2G08U0M的主要引腳有CLE(命令鎖存允許)、ALE(地址鎖存允許)、CE(片選)、WE(寫允許)、RE(讀允許)、WP(寫保護)、R／B(準備好／忙)、PRE(上電讀使能)、I／O0～I／O7(輸入，輸出)。其中I／O0～I／O7既可作為數據輸入輸出引腳，又可作為命令地址的輸入引腳，命令、地址、數據分時復用，根據不同的命令區分地址和數據。一般的操作流程為：
1) 寫入命令，通知器件所要完成的操作(讀、寫、擦除等)；
2) 寫入地址，即寫入要讀寫數據的起始地址，包括列地址和頁地址；
3) 如果是讀或者擦除，寫入一個確認命令。如果是寫操作，輸人待編程的數據，完成后輸入編程確認命令。
因為K9F2G08U0M共有128 K頁，每頁的大小為(2 048+64)×8 bit，所以在寫入地址時列地址需要12根地址線，頁地址需要17根地址線。這樣就需要5個時鐘周期來寫入地址。前兩個時鐘寫入列地址，后三個時鐘寫人頁地址。
3 系統設計
3.1 總體硬件設計
外部數據采集系統是2個40 MHz采樣的16位A／D通道，所以設計時分成兩個通道獨立設計。雖然K9F2G08U0M的數據寄存器寫入速度可達33MB／s，但在FPGA設計時，為了在時序上更加可靠，選擇使用25 MHz的時鐘設計，則K9F2G08U0M的寫入速度為50 MB／s(把兩個K9F2G08U0M并成16bit，寫入速度即為25 M×l6 b／s)。這樣，在FPGA內部開辟3個頁大小的雙口RAM作為緩存區就能滿足40 M×16 b／s的寫入速度，即在寫第2、3個RAM的時間(25 ns×2 048×2=102.4μs)內，啟動第1個RAM把數據寫 入Flash的數據寄存器，所需時間為40 ns×2 048=81.92μs，小于102.4μs。
在讀回數據時，如以20 MHz讀取Flash，以40MHz讀出緩沖區中的數據，3個雙口RAM就能剛好滿足要求，如圖1。讀取K9F2G08U0M一頁數據能達到33 MHz的速度，為了讓讀寫Flash使用同一時鐘，讀Flash也采用25 MHz的速度。同時為了增加系統設計的冗余，采用4頁的雙口RAM作為緩沖區。所以每片FPGA內部至少需要4×2 048×16 bit="131" 072 bit的存儲空間。
由于數據在寫入Flash后還有較長的編程時間，一頁的編程時間典型值為300μs，最大值為700μs。數據在存儲上不能有任何的停頓，否則就會丟失數據，所以不能使用R／B信號進行設計。為了系統更加可靠，選擇最大編程時間700μs。兩次對同一組Flash進行寫操作的時間間隔為700μs+81.92μs=781.92μs，一頁的數據寫到雙口RAM要用25ns×2 048=51.2μs。總時間除以寫一頁數據的時間：781.92／51.2=15.3μs，說明一個循環內至少需要16組Flash才能滿足要求。所以在設計中，對于每路A／D采樣通道都用一片FPGA作為緩沖和控制系統，在每片FPGA內部都采用4個緩沖區，每個緩沖區對應一條外部總線，每條總線上掛有4組K9F2G08U0M×2(將兩片Flash并成16位操作，即把I／O并成16位，共用控制信號線)。系統整體框圖如圖2所示。
圖2中2個外部接口連接2個A／D通道，采用兩片FPGA作為控制和緩沖區，每片控制16組Flash。存儲板通過PCI9054與CPCI總線相連，通過CPCI總線可以將存儲板數據高速讀回計算機。
3.2 系統設計思想
為了解決高速的數據采集和低速的Flash訪問速度之間的矛盾，采取將數據流串并轉換，復制多個操作模塊并行處理的設計方法。通過利用FPGA內部的存儲區實現4個雙口RAM作為緩沖區。每條外部Flash總線用一個雙口RAM，采集到的數據分時加載到4個RAM中，然后再寫入Flash。寫入Flash的操作以流水方式進行，具體方式如圖3所示。首先，外部A／D采樣通道寫數據到RAM1。當RAM1寫滿時，加載數據到第一組Flash數據寄存器，加載完成后第一組Flash進入自動編程階段；當RAM2寫滿時，第2組Flash加載開始，數據加載完成后，進入自動編程階段。依次加載RAM3，當RAM4寫滿，第4組Flash開始加載后，FPGA內部控制重新寫RAM1，開始對第5組Flash操作，然后依此循環方式對第6～16組Flash進行操作；當第16組數據加載完成后，第1組Flash已經編程結束，接著從第1組Flash開始加載和編程。可看出向16組Flash寫入數據是并行的，通過并行寫操作，可存儲高速采集的數據。
FPGA內部設計大體可劃分為PCI9054操控部分和數據錄放部分。PCI9054操控部分一方面跟PCI9054接口，一方面要完成對Flash的操作。數據錄放部分主要完成外部數據寫入、讀出以及擦除、建立無產塊信息列表等功能。由于對4組Flash的操作都是一樣的，所以數據錄放部分可以分為數據流控制部分和Flash操控部分。數據流控制部分控制數據寫入或讀取哪組Flash；Flash操控部分用于對Flash的具體操作。圖4為數據錄放部分FPGA功能結構。為了節省內部存儲單元的數量，寫入和讀取數據要使用同樣的緩存區。
3.3 無效塊的建立和操作
當一個塊中有一位或更多位不能正確操作時，就定義此塊為無效塊。無效塊并不影響其他塊的正常工作，各個塊之間是相互獨立的。所選的K9F2G08U0M在出廠時可能存在無效塊，在使用中也可能產生新的無效塊，但是器件的第一個塊一定不是無效塊。NAND Flash在出廠時就標記本身的無效塊，每個塊的第一頁或第二頁的空閑區的第一個數據不是FFh，則表示此塊為無效塊。為了保證Flash的正確操作，必須在操作之前建立無效塊信息表。在每片FPGA中設計了4個2 048×1 bit的RAM用于存儲無效塊的信息。RAM的每一個存儲單元存儲相應總線上的4組Flash的無效塊信息。其中某一塊的無效塊信息是4組Flash的無效塊信息相“與”后的結果(1表示正常，0表示無效塊)。在對Flash進行讀、寫或擦除操作之前，應先從RAM中讀取無效塊信息，然后根據無效塊信息決定是否對當前塊操作。
3.4 讀寫Flash操作
對Flash的讀寫操作都是基于頁的，讀寫操作的時序分別如圖5和圖6所示。計算機通過CPCI總線發送出讀或寫命令后，FPGA內部根據接收到的命令執行相應操作。寫Flash時，外部采集的數據輸入RAM1，RAM1滿后，開始向RAM2寫入數據，同時選通第一條總線上第一組Flash的寫模塊，在寫模塊中通過計數器產生ALE、CLE、WE、RE等控制寫Flash的相應時序，將數據從RAM中編程到Flash內存，并令頁地址加1，依次循環(循環流程見圖3)。當總線上的第4組Flash的頁地址為64時，塊地址加1，并讀取無效塊信息，如果為無效塊，則屏蔽此塊，重新讀取下一塊信息，直至讀取到正常塊為止。如果是正常塊，則向此塊中寫入數據，同時將頁地址清零。讀操作與寫操作類似，只不過是將Flash中的數據讀出先送到RAM，然后依循環次序讀取RAM即可。
3.5 PCI9054操控部分的設計
通過編寫PCI9054專用的驅動和應用軟件，實現由計算機通過CPCI總線操控存儲板卡。在應用軟件中，對Flash讀寫或者擦除等命令自定義為對CPCI總線發送特定的數據。而在FPGA內部根據PCI9054發送的局部端數據線上的特定數據判斷是何種操作，并執行相應操作。FPGA和PCI9054通信的主要信號線有LHOLD、LHOLDA、READY、ADS、ADDR、DATA，利用這些信號線可以實現PCI9054局部端和FPGA握手。將數據寫到計算機中。在PCI9054專用的驅動和應用軟件中，利用DMA方式讀取Flash，讀取速度可提高至1.3 MHz×16 bit。
4 結束語
本設計采用流水、并行處理技術，利用FPGA內部嵌入的存儲塊設計一組高速數據緩沖區，使得多個慢速的存儲器件并行工作，令系統內外部數據的速率匹配，避免了外置高速緩存，簡化了硬件電路，且極大地提高了存儲數據的速率。大容量高密度閃存器件可使單片存儲板容量高達128 Gbit。在FP-GA內部設計中，建立Flash無效塊信息列表，并在此基礎上對Flash進行讀、寫、擦除及重建無效塊信息等操作。使系統具有集成度高、靈活性好、可移植性強、速度快等特點。通過CPCI總線采取DMA方式讀取，極大地提高了讀取速度。當接收到的數據帶寬很大，速度很高時，可將存儲板并聯起來，多個存儲板級聯可滿足更大的存儲容量需求，也可將級聯并聯二者結合起來以滿足不同系統的要求。整個系統基于CPCI工控機箱，更適合于野外的工作環境，并能及時保存、分析數據。