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1、摘 要摘要在信息时代，存储设备作为记录信息的载体，越来越被人们广泛的使用。传统的机械硬盘具有容量大，技术成熟的特点。但在工业，军事应用中往往要求存储设备具有稳定性高，轻便，体积小，工作温度范大等特点。电子盘，一种以Flash芯片作为存储介质的存储设备就具备这样的特点。本文将介绍一种基于FPGA的Flash高速读写及电子盘设计的方案。本方案设计的电子盘采用改进的IDE接口与采用VxWorks系统的主机通讯，并对Flash存储介质进行读写。具体介绍两方面的内容，一方面是标准的IDE接口和在其基础上做出改进；另一方面是对Flash芯片的读写等操作。然后针对这两方面进行EDA编程。最后，与主机联机调试
2、。关键字：电子盘，IDE接口，Flash读写，FPGA目录ABSTRACTAs an information carrier, the storage device is more and more widely used in the information age. Traditional mechanical hard drives have their charactors in both large capacity and mature technology. But in industrial and military, the storage drivers must have
3、 the following features, high stability, lightweight, wide range of working temperature. Electronic disk, a storage driver with flash chips as the storage medium, has such characteristics.This thesis introduces a design of an FPGA-based electronic disk with high-speed reading and writing operation.
4、The electronic disk communicate with the host, a VxWorks operation, through an improved IDE interface and be able to read, write, and erase the flash chips. The paper describe two aspects in detail: one is the standard IDE interface and the improved IDE interface based on it. Another one is the oper
5、ation of reading and writing on the flash chips. Then focusing on the EDA programming on both of the aspects. Finally, connecting with the host to test the electronic disk. Key Words: electronic disk, IDE interface, Flash reading and writing, FPGAIV目录第1章 引言11.1 选题背景11.2 课题目标和意义1第2章 电子盘的技术基础22.1硬盘技术简
6、介22.1.1 硬盘的逻辑结构22.1.2硬盘的工作原理32.2 IDE接口介绍42.2.1 IDE接口信号定义42.2.2 IDE接口寄存器访问62.2.3 IDE（ATA）协议概述92.3 Flash芯片介绍122.3.1内部组织结构122.3.2 指令系统和读写时序142.4 FPGA芯片介绍17第3章 电子盘的总体设计193.1电子盘的设计要求193.2 要求分析193.3 模块的划分223.4 电子盘读写和擦除操作对模块的调用24第4章 各个模块的设计274.1改进的IDE接口寄存器模块的设计274.1.1 i_ctrl_reg模块的设计284.1.2 i_cmd_reg模块的设计2
7、94.1.3 state_r模块的设计314.1.4 sector_reg32模块的设计334.1.5 其它模块的设计354.1.6 读写FIFO模块的设计364.2 Flash操作控制模块的设计374.2.1 flash_wr模块的设计384.2.2 flash_rd模块的设计414.2.3 erase模块的设计434.3改进IDE接口与Flash控制交互模块的设计464.3.1 address_cal模块的设计474.3.2 host_dec模块设计494.3.3 ide_sm模块的设计51第5章 电子盘的联试545.1 联试的原理545.2 联测的准备工作555.3 电子盘的读写585.
8、4 联测的总结60结束语61参考文献62致谢63外文资料原文64翻译文稿68第1章 引言第1章 引言1.1 选题背景在过去的几十年里，机械硬盘作为人们的数据的主要存储设备得到了广泛的应用。而在2000年前后，一种以Flash为存储介质的存储设备U盘出现了。它低耗，轻便，人们可以很方便地随身携带。很快它便流行起来，几乎人手一块。但是随着时间的推移U盘的容量却一直没有大的提升，一直维持在个位数。人们希望有一种既有U盘那样轻便，又有机械硬盘那样大容量，同时具有高速存储速度的存储设备。电子盘便是在这样的情况先发展起来的。1.2 课题目标和意义 本次设计的电子盘为某一采用VxWorks系统的主机的移动存
9、储设备。采用一片 Xilinx Spartan-3AN XC3S1400AN 作为电子盘的控制器，多片Samsung K9K9G08U1M nandflash 作为存储介质，通过改进的IDE接口与主机通讯。设计的关键是对电子盘的控制器进行EDA编程设计，实现改进的IDE接口指令及其相关寄存器与nandflash的读写等操作的结合。改进的IDE接口及多片nandflash芯片的并行读写可以是电子盘的读写速度大幅提高，达到高速读写的目的。由于采用nandflash作为存储介质，该电子盘较一般的机械硬盘具有启动快，噪声小，读写快，工作温度范围宽，抗震性能好的特点。而这些特点也是电子盘优于一般的机械硬
10、盘的地方。随着科技的进步，半导体工业的发展，成本的降低，相信在未来，大容量的电子盘会代替机械硬盘，所以对电子盘的设计还是很有意义的。1第2章 电子盘的技术基础第2章 电子盘的技术基础2.1硬盘技术简介本小节对机械硬盘的逻辑结构和基本的工作原理进行介绍。通过对逻辑结构的介绍，可以对Flash芯片基本的储存单划分起到指导作用，以配合IDE接口读写。对工作原理的介绍，可以加深对硬盘读写过程的理解，并对FPGA编程起一定的帮助作用。2.1.1 硬盘的逻辑结构硬盘的逻辑结构包括：盘面，磁道，柱面，扇区等1。其组成如图2-1。图2-1 硬盘逻辑结构盘面（磁头）：硬盘通常由重叠的一组盘片构成，每一个盘片就是
11、一个盘面，通常是从上到下依次从“0”开始编号。由于每个盘面都有自己的磁头，因此，盘面数等于总的磁头数。磁道：当磁盘旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫做磁道。这些磁道用肉眼是根本看不到的，因为它们仅是盘面上以特殊方式磁化了的一些磁化区，磁盘上的信息便是沿着这样的轨道存放的。相邻磁道之间并不是紧挨着的，这是因为磁化单元相隔太近时磁性会相互产生影响，同时也为磁头的读写带来困难。柱面：硬盘通常由重叠的一组盘片构成，每个盘面都被划分为数目相等的磁道，并从外缘的“0”开始编号，具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称之为磁盘的柱面。磁盘的柱面数与一个盘面上
12、的磁道数是相等的。 对硬盘对数据的读写，是以扇区为基本单位，一个扇区的大小为512Byte，而Flash芯片的数据读写一般是以页为单位操作的，擦除以块为单位进行，一块为64页。了解这些逻辑结构和基本读写单位对电子盘的逻辑单元的划分有着帮助的作用。具体的电子盘的逻辑划分将在第三章中具体地介绍。2.1.2硬盘的工作原理硬盘工作时，盘片以设计的转速高速旋转，设置在盘片表面的磁头则在电路控制下径向移动到指定的位置然后将数据存储或读取出来。当系统向硬盘写入数据时，磁头中“写数据”电流产生磁场使得盘片表面磁性物质状态发生改变，并在写电流磁场消失后保持，这样数据就存储下来了；当系统从硬盘中读取数据时，磁头经
13、过片面指定区域，盘片表面磁场产生感应电流或线圈阻抗产生变化，经相关电路处理后还原成数据。硬盘电路板的三大控制模块，如图2-2。包括主控芯片，电机驱动芯片，前置信号处理器2。其中主控芯片把硬盘的微处理器，接口，数字信号处理器集成在一个芯片中。用于电机驱动芯片的控制及和数字，前置信号处理器进行数据交换。电机驱动芯片用于驱动硬盘主轴电机和音圈电机。前置信号处理器用于加工整理磁头传来的数据。图2-2 硬盘电路板原理图对硬盘的电路板的了解对电子盘的控制器的模块设计有着参考作用。具体的电子盘的控制器的设计将在第三章中介绍。2.2 IDE接口介绍 IDE：集成设备电路，也称为ATA（Advanced Tec
14、hnology Attachment）3。IDE总线是平行总线，在SATA（Serial ATA）引入后，Parallel ATA（IDE）被称为PATA.它一般会作为ATA硬件的接口，它的本意是指把“硬盘控制器”与“盘体”集成在一起的硬盘驱动器。把盘体与控制器集成在一起的做法减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性得到了增强，硬盘制造起来变得更容易，IDE这一接口技术从诞生至今就一直在不断发展，性能也不断的提高，其拥有的价格低廉、兼容性强的特点，为其造就了其它类型硬盘接口无法替代的地位。2.2.1 IDE接口信号定义 IDE接口的ATA标准信号包含信号电缆和电源显得电气特性，该标准考虑到新技术的发展，不仅适用于通用的5V逻辑，也适用于3.3V的电路逻辑。IDE电缆长度小于46cm,除DASP，PDIAG,IOCS16和SPSYNC:PSEL信号外，几乎所有信号都使用TTL电平线路收发器4。IDE接口引脚定义如表2-1所示。表2-1 40pin IDE接口信号定义表主机I/O口方向设备 I/O口复位1- RESET- -12- Ground -2数据总线位0-153-183-1819-地 -1920- (keypin) -20DMA 请求212324- Ground -24I/O 读25- DIOR- -2526- Ground -
