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dq042 基于 ide 接口 电子 硬盘 设计

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【DQ042】基于IDE接口的电子硬盘设计,dq042,基于,ide,接口,电子,硬盘,设计

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基于 口的电子硬盘 专业：通信工程 学号： 1002553 姓名：陈 旭 指导老师：杨明静 中文摘要 闪速存储器（ 是一类非易失性存储器 。它和 电可编程只读存储器 (比，具有 电可擦除和可重复编程 以及 成本低、密度大 等优势，因此，虽然 闪速存储器 在世界存储器市场出现仅仅几年的时间，但它已经逐渐开始取代 动态随机存取存储器 （ 静态存储器（ 电可编程只读存储器 （ 成为构成存储介质的主流。 用作固态大容量存储器 ，且 这种存储器 与普通硬盘相比，具有 体积小、重量轻 、 可 靠 性及耐用性 好， 抗冲击、抗 震动 能力 强， 功耗 低 等优点 。因此，随着 成度不断提高，价格 不断 降低，使其在便携机上取代小容量硬盘已成为可能 。由于目 前研制的 符合 个人计算机存储卡国际协会 （ 标准， 因此这种存储器 可以十分方便地用于各种便携式计算机中以取代磁盘 。本次设计的电子硬盘，就是一款基于 口的使用为存储介质的固态盘 本次设计的电子硬盘，由 44准 口、供电电路、硬盘控制器和片构成。 44准 口完全符合最新的 准，可以与现在主流的笔记本电脑主板完全兼容，也可以通过简单的转接口与常用 主板兼容。 供电电路采用的 司生产的 具有低压降、误差在 内的 300定输出和自动过温保护和过流保护功能。 硬盘控制器使用的是 司生产的 具有低功耗（工作电压 主 机读取速度快（最快可达 10M/s）、稳定性好（可在 的工业环境下稳定运行）、兼容性好（支持 容标准 优点。 片三星公司生产的 芯片为 片容量为 32M*8 本次设计采用 行原理图绘制，并使用 行 划使用双层板，所 有元件均采用贴片类型。 关键词：闪速存储器， 44准 口，硬盘控制器，供电电路 n is a as of in a it to of be to up of to of as its in is up of in of DE is a is is 4DE 4DE is be of It be C by a is It as to 00mA I to be TA as up 0M/s), be in 40C 5C ), be of 9as of 2M*8 in CB in I to a 44DE 物理与信息工程学院毕业设计（论文）开题报告表 信息与通信工程 系 通信工程 专业 2002 级 时间 ： 题名称 基于 口电子硬盘设计 指导老师 杨明静 学生姓名 陈旭 课题类型 工程设计 进行方式 真题真做 结合情况 科研 承续类型 新题目 课题简介 （基本内容及意义） 本次毕设的任务是设计一个 使用 口的模块结构电子硬盘 ，它的主要优点是 体积小巧 ， 重量轻， 抗震性好， 容量较大，功耗 和 成本较低，可以 与硬盘直接互换，也就是说与操作系统无关，故非常适合用于信息家电场合，装载 心程序、 统及相应的应用程序诸如浏览器、电子邮件程序等等 ， 此外还有工业控制、嵌入式系统等专门领域用到的多种操作系统，只要能用普通硬盘的地方， 口的电子盘都能胜任 。 初步方案 本次设计的 盘是一种固态盘 口的 盘控制芯片 为 128 脚 有宽电压工作范 V ，可提供标准的 口 ） 、程序存储器 线驱动器 74746片 16M 8储器芯片 命令、地址和数据信息均通过 8 条 I/址单元的地址线不作为芯片 的引出脚， 24 位地址分三次写入地址锁存器，译码后找到相应的单元。 ） 组成。 预计存在的问题及解决方法 1、对电子硬盘整体架构的不熟悉。（可通过咨询指导老师和查找资料解决） 2、对 件的使用不够熟悉。（可通过咨询指导老师和学习教程解决） 教研室 意见 院教学指导委员会意见 本科生毕业设计（论文）任务书 2006 年 03 月 20 日至 2006 年 06 月 10 日 题 目： 基于 口电子硬盘设计 姓 名： 陈旭 学 号： 1002553 学 院： 物理与信息工程学院 专 业： 通信工程 年 级： 2002级 指导教师： （签名） 系主任（或教研室主任）： （签章） 设 计 （ 论 文 ） 任 务 （包括原始数据、技术要求、工作要求） 任务： 设计一个使用 口的电子硬盘。了解当前电子盘的几种实现方式，初步分析各种存储介质的优劣。分析使用 电子盘的工作原理。分析使用 现的电子盘的各项参数及其意义。完成电子盘原理图设计。完成电子盘 计及布板。完成焊板和调试。 工作要求： 1. 能够计算电子盘的各基本参数，并能够通过选型等设计途径优化部分参数。 2. 对高速数字信号有一定的认识，对 一定的理解。 3. 熟悉各设计软件，要求能够使用相关软件进行基本设计。 技术要求： 4。 直接焊于板上， 有两种焊接方式，一种为 与 垂直，另一种则为 与 平行，板上应留有两种焊法的接口。 到预期设计要求。 毕业设计（论文）的主要内容 内容： 步分析各种存储介质的优劣。 第 6 周 电子盘的工作原理。 第 7 周 现的电子盘的各项参数及其意义。 第 8 周 第 9 周 计及布板。 第 10 周 第 11 第 14 毕业设计（论文）任务更改记录 更 改 原 因 更 改 内 容 主要参考文献 1 余一娇 . 术和应用综述 . 2004:12冯耀辉 . 印刷电路板设计 门与提高 . 人民邮电出版社， 2003. 3O 1998 4C O 1999 5王广运 ,郭秉义 ,李洪涛 . 差分 位技术与应用 . 北京：电子工业出版社 , 6C. . 1998. 7张哓蕾 . 计算机硬件技术基础 . 北京：人民 邮电出版社 , 8冯耀辉 . 印刷电路板设计 门与提高 . 北京：人民邮电出版社， 2003 9P. 1998, 10何桥 . 计算机硬件技术基础 . 电子工业出 版社 福 州 大 学 物 理 与 信 息 工 程 学 院 产学研联合指导毕业设计工作申请表 今年我院实施产学研联合指导毕业设 计工作，由用人单位立题、指定专人负责指导，并试用毕业生，校方积极配合。现请用人单位填写下表。 福州大学物理与信息工程学院 年 月 日 学生姓名： 学号： 专业： 联系电话： 用人单位名称： 通讯地址： 邮编： 负责人姓名： 联系电话： 单位提供课题名称： 单位提供导师简介表： 姓名 学历 职务 职称 所学专业 现从事专业 校内导师 单位导师 用人单位负责人签字： 用人单位盖章： 基于 口 的电子硬盘 设计 一、闪存（ 术发展现状 闪速存储器（ 一类非易失性存储器 使在供电电源关闭后仍能保持片内信息；而诸如 类易失性存储器，当供电电源关闭时片内信息随即丢失 1。 中了其它类非易失性存储器的特点：与比较，闪速存储器具有明显的优势 在系统中具有电可擦除和可重复编程的特性，而不需要特殊的高电压（某些第一代闪速存储器也要求高电压来完成 擦除和 /或编程操作）；与 比较，闪速存储器具有成本低、密度大的特点。其独特的性能使其广泛地运用于 各种 嵌入式系统，如 外设、电信交换机、蜂窝电话、网络互联设备、仪器仪表和汽车器件，同时还包括新兴的语音、图像、数据存储类产品，如数字相机、数字录音机和个人数字助理（ 2。 目前全球各大 产商采用的主流技术为 种。 1、 术 持 术 种结构的闪速存储器适合于纯数 据存储和文件存储，主要作为 、 、 态盘的存储介质，并正成为闪速磁盘技术的核心。 术 有以下特点：（ 1）以页为单位进行读和编程操作， 1 页为256 或 512B（字节）；以块为单位进行擦除操作， 1 块为 4K、 8K 或 16有快编程和快擦除的功能，其块擦除时间是 2 术的块擦除时间达到几百 2）数据、地址采用同一总线，实现串行读取。随机读取速度慢且不能按字节随机编程。（ 3）芯片尺寸小，引脚少，是 位成本 (低的固态存储器，将很快突破每兆字节 1 美元的价格限制。（ 4）芯片包含有失效块，其数目最大可达到 335 块（取决于存储器密度）。失效块不会影响有效块的性能，但设计者需要将失效块在地址映射表中屏蔽起来 3。 2、 术 术是 司的专利技术。 同支持 术的术与 样采用“大多数完好的存储器”概念，目前，在数据和文档存储领域中是另一种占重要地位的闪速存储技术。 司采用 m 的制造工艺，并结合 术，生产出芯片尺寸更小、存储容量更大、功耗更低的 512利用双密度封装技术将 2 片 512片叠加在 1 片 封装内，形成一片 1片。 有突出的低功耗特性，读电流为 2机电流仅为 1 A，同时由于其内部存在与块大小一致的内部 冲区，使得 术不像其他采用 闪速存储器技术那样写 入性能严重下降 4。 存储器的发展都具有更大、更小、更低的趋势，这在闪速存储器行业表现得尤为淋漓尽致。随着半导体制造工艺的发展，主流闪速存储器厂家采用 m，甚至 m 的制造工艺。借助于先进工艺的优势， 容量可以更大： 术将出现 256 术已经有 1器件；同时芯片的封装尺寸更小：从最初 装，到 装，再到 装， 经变得非常纤细小巧；先进的工艺技术也决定了存储器的低电压的特性 ，从最初 12渐下降到 5V、 电压供电。这符合国际上低功耗的潮流，更促进了便携式产品的发展 5。 另一方面，新技术、新工艺也推动 位成本大幅度下降：采用 术的 司的 28格为 25 美元， 术和 术的 突破 1 美元的价位，使其具有了取代传统磁盘存储器的潜质。 世界闪速存储器市场发展十分迅速，其规模接近 场的 1/4，与 起成为存储器市场的三大产品。 迅猛发展归因于资金和技术的投入，高性能低成本的新产品不断涌现，刺激了 广泛的应用，推动了行业的向前发展。 由于 用作固态大容量存储器 ，且它与普通硬盘相比， 可 靠 性及耐用性好， 抗冲击、抗振动能力 强， 功耗 低。因此，随着 成度不断提高，价格不断 降低，使其在便携机上取代小容量硬盘已成为可能 6。目 前研制的 符合 准，可以十分方便地用于各种便携式计算机中以取代磁盘。 以车载系统为例：作为 车载系统信息集成的硬件平台 载导航仪需要快速读取硬盘中的地理信息数据、查询路网数据库和执行路径选优算法等。大容量存储器因为要与 行频繁的通信、进行高速协调工作，它的可靠程度直接决定了导航仪的可靠性。采用磁原理的普通 硬盘，抗振动能力差、易于损坏，不适于车载。因此，大容量的采用 电子硬盘是一个比较理想的选择 7。 二、设计方案可行性分析 本次设计的 盘是一种固态盘 它主要包括具有标准口的 制器 序存储器和 16 片 128 储器芯片。因为全部采用电子元件，它的抗振动性和平均无故障间隔时间 (比普通硬盘高一个数量级 (采用 法 )。 硬盘控制器采用的是旺宏公司生产的电子硬盘专用控制器 128 脚 装，具有宽工作电压范围 V，可提供标准的 口。它的内部包括 核 211缓冲数据区、 口、 储器接口和时钟、复位电路等。 采用 为 盘的驱动控制器有很多优点。 旺宏公司生产的专用硬盘驱动控制芯片，优化功能强大，没有冗余模块且封装紧凑，便于进一步小型化和降低功耗。 三星公司的 储芯片兼容性好，不需再增加其它电路，因此可靠性高。旺宏公司对 强大的软件支持，很多固件可以直接购买。因为 持在线编程，升级和维护非常简单。另外， 低功耗设计，它有 3 种节电模式： 以通过查询自己的工作状态，自动进入相应的节电模式 ，因此功耗很低。 图 1 为其功能框图。 片采用的是三星公司生产的 是 48 脚表面封装器件，内部具有(16M+512K) 8存储空间，共 32768 行， 528 列，其中后备的 16 列位于 512 列到 527列。它内部有一个 528 字节的数据寄存器，可以用于页读、页编程操作时数据的存储转换。它可以进行 528 字节为一页的页读和写操作，并可以进行以 16K 为一块的块擦除操作。 突出优点在于：命令、地址和数据信息均通过 8 条 I/O 线传输，寻址单元的地址线不作为芯片的引出脚， 24 位地址分三次写入地址锁存器，译码后找到相应的单元。 盘工作原理框图如图 2 所示，硬盘控制器 储器进行数据交换的控制通道。数据交换不仅可以采用程序控制方式和中断控制方式，还可以采用直接存储器存取方式 (在 式下， 部的 制器利用数据缓冲区可以与 配器直接进行数据高速交换。因为采用周期窃取技术 (使得数据传送工作对系统总线具有较高的使用权。因为采用高速的 核 (21进行主机到缓冲区的突发数据传送时速率可以达到 20MB/s。 同时， 支持 式 4(s)和 式 2(s) 图 2 盘工作原理框图 硬盘控制器在与 储器进行数据通信操作时，数据已被放入内存中， 先把内存中的数据读入内部高速缓存中，然后通过识别接收的指令类型和查询 到要寻址的 储器的编号。在对 储器进行写操作前，先把要写入的信息依次放到数据总线上，经过 TW 时间，待数 据 (包括指令、地址和数据 )稳定后，通过对要寻址的 储器编号的解码，从端口 601出 选信号选中相应的 片。在 时有效时，数据被写入相应的 储单元中。读操作与此类似。 储器读写时序如图 3 和图 4 所示。 图 3 储器读 时序图 口控制器 准 口 复位电路 复位电路 程序存储器 R 数据总线驱动器 74据总线驱动器 74制总线 驱动器 740 8 9E R 图 4 储器写时序 图 程序存贮器，它通过标准 口经编译的可执行文件可以对它直接在线编程。 74 74总线驱动器，在所选 储器较多时 可以提高总线驱动能力。 目前， 经成为制作电子硬盘的主流介质，如果是制作容量在 2下的电子硬盘可以选用 27/28/29 系列的芯片，单片容量在 512本只有几十元，若需要更大容量，就必需采用高密度 就是 的 。这种 点价格较高，但起点容量更高，最小的 48经停产，一般是 16当于 128步，所以每 价格相对而言比较划算。随着 技术的进步，老式的 槽越来越少，即将淘汰，所以 卡的产品继续做 成插卡式的话必须向 型。在这一形势下，采用 口的电子硬盘应运而生，可以说 口的电子硬盘更接近普通硬盘， 式电子硬盘主要有 逻辑电路组成，只是将 射到 内存区，例如 0一个窗口实现读写，驱动程序是 扩展。 口的电子硬盘除了使用 有专门提供 口的 为提高访问速度而设置的 以有更好的性能表现，安装 口的电子硬盘和普通硬盘完全相同。 口电子硬盘从安装方式而言可以分两种，一种是模块结构，体 积小巧，另一种外观与普通硬盘一样的。模块结构比较便宜，普通硬盘结构价格稍贵，一般工程客户应该选用模块结构的以降低成本。 口的电子硬盘由于容量较大，与硬盘直接互换，也就是说与操作系统无关，故非常适合用于信息家电场合，装载 心程序、 统及相应的应用程序诸如浏览器、电子邮件程序等等，此外还有工业控制、嵌入式系统等专门领域用到的多种操作系统，只要能用普通硬盘的地方， 口的电子硬盘都能胜任，这些系统举例如下： S,T, T, 8/2000, E, 等 9。 三、总结 虽然， 入非易失性存储器领域只有几年的时间，但其凭借密度大、体积小、重量轻、抗震性好以及功耗低的优点和电可擦除和可重复编程的技术特性已经在嵌入式系统（如 外设、电信交换机、仪器仪表和车载系统）、军用武器系统（雷达和导航系统）和各种新兴的通信设备（如手机、 传真，网络适配器）中得到广泛应用。正如有人预言的那样： 在正处于发展的起步阶段，它必将在未来的几十年里得到更加迅猛的发展 10。 参考文献 1of 59 (2001). 1732. L. 80 (2005). 3213A 51 (2005). 111 123 41998, 5in 48 (1999). 21367 (2004). 3497王广运 ,郭秉义 ,李洪涛 . 差分 位技术与应用 . 北京：电子工业出版社 , 8117/l 18 (1997) 2539P. 1998, 10李力 . 闪速存储器技术 现状及发展趋势 . 湖南计算机股份有限公司 福州大 学本科生毕业设计 (论文 ) 0 目录 第一章 绪论 1 第二章 闪速存储器简介 2 速存储器的产生和发展 2 速存储器的主要技术类型 2 速存储器的结构和功能特点 5 速存储器的工作模式 7 速存储器在大容量存储器领域的应用 7 第三章 设计方案收集和选择 9 计思路 9 案 1 简介 9 案 2 简介 13 案比较和最终选择 15 第四章 设计步骤 17 制设计原理图 17 件简介 17 制作芯片封装 17 置元件及连线 20 理图 验及检错 21 建网表 23 制 图 23 件简介 23 制作芯片封装 24 入原理图网表 27 动布线 27 铜 29 第五章 作品调试及结论 31 试步骤 31 结论 32 设计结果的分析和对作品改进方面的考虑 32 谢辞 33 参考文献 34 附录 35 基于 口的电子硬盘设计 1 第一章 绪论 电子硬盘 (具备高效能，高稳定度的快速记忆体储存媒体元件，是时下效能成本比最优异的记忆体储存媒体解决方案。电子硬盘能提供原始的、高性能的和高可靠的数据储存，即使是在恶劣的条件下工作 恶劣的温度、撞击、震动、干扰等，也不会对数据构成威胁。它克服了机械硬盘的弊病，广泛 应 用于工业控制、公共安全、电信、军工、航空等高可靠 性的数据领域，且由于它体积小、存储空间灵活、费用低，也广泛地应 用于民用领域。 电子硬 盘中使用的存储芯片是闪速存储器 是一种最早由 司于 20 世纪 80 年代初开发的具有优良电可擦除和可重复编程特性的新型存储器。虽然进入世界存储器市场仅仅几年，但它凭借着优良的特性已经逐渐开始取代传统的 据了十分重要的市场份额。随着新技术、新工艺的不断发展， 格 不断 降低， 这使得 其在便携机上取代小容量硬盘已成为可能 。 本次设计的电子硬盘是一种由硬盘控制器（ 供电电路（ 片（ 2* 44准 口组成的固态盘。它的优点是结构简单、外形轻巧、功耗较低、抗震性好，可广泛应用于各种 嵌入式系统（如 外设、电信交换机、仪器仪表和车载系统）、军用武器系统（雷达和导航系统）和各种新兴的通信设备（如手机、传真，网络适配器）中 。 本次设计的 目的在于实现电子硬盘在台式机和便携式计算机中替代普通硬盘的功能，因此，该 电子硬盘在接口方面 选 用了兼容便携式电脑主板的 44准 口，并可以通过转接口与台式机主板实现兼容。 福州大 学本科生毕业设计 (论文 ) 2 第 二 章 闪速存储器简介 速存储器的产生和发展 闪速存储器又称快擦写型存储器、快闪存储器、闪烁存储器，是 20 世纪 80 年代末期司发明的一种具有高密度、低成本、非易失性等特点的读 /写半导体存储器。它突破了传统的存储器体系，改善了现有存储器的特性，因而是一种全新的存储技术 1。 存储器的发展都具有更大、更小、更低的趋势，这在闪速存储器行业表现得尤为淋漓尽致。随着半导体制造工艺的发展，主流闪速存储器厂家采用 m，甚至 m 的制造工艺。借助于先进工艺的优势，闪速存储器的容量可以更大： 术将出现 256 术已经有 1器件；同时芯片的封装尺寸更小：从最初 装，到 装，再到 装，闪速存储器已经变得非常纤细小巧；先进的工艺技术也决定了存储器的低电压的特性，从最初 12V 的编程电压，逐渐下降到 5V、 电压供电。这符合国际上低功耗的潮流，更促进了便携式产品的发展 2。 另一方面，新技术、新工艺也推动闪速存储器的位成本大幅度下降：采用 术的司的 28格为 25 美元， 术和 术的闪速存储器将突破 1美元的价位，使其具有了取代传统磁盘存储器的潜质。 世界闪速存储器市场发展十分迅速，其规模接近 态随机存取存储器）市场的1/4，与 态 随机存取 存储器）一起成为存储器市场的三大产品。闪速存储器的迅猛发展归因于资金和技术的投入，高性能低成本的新产品不断涌现，刺激了闪速存储器更广泛的应用，推动了行业的向前发展。 速存储器的主要技术类型 目前，世界各大存储器制造商在闪速存储器中主要采用的技术有 生等。 1、 术 术又可分为 种： 术： 术亦称为 术。采用 术的闪速存储器是最早出现的前仍是多数供应商支持的技术架构。它源于传统的 件，与其它术相比，具有可靠性高、随机读取速度快的优势，在擦除和编程操作较少而直接执行代码的场合，尤其是纯代码存储的应用中广泛使用，如 件、移动电话、硬盘驱动器的控制存储器等。 术 有以下特点：（ 1） 程序 和数据可存放在同一芯片上，拥有基于 口的电子硬盘设计 3 独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取，允许系统直接从 读取代码执行，而无需先将代码下载至 再执行；（ 2） 可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以块为单位或对整片执行擦除操作，在对存储器进行重新编程之前需要对块或整片进行预编程和擦除操作。由于 术 擦除和编程速度较慢，而块尺寸又较大，因此擦除和编程操作所花费的时间很长，在纯数据存储和文件存储的应用中， 过，仍有支持者在以写入为主的应用，如 中继续看好这种技术。 司的 族中的最新成员 28迄今为止采用 术生产的存储容量最大的闪速存储器件，达到 128），对于要求程序和数据存储在同一芯片中的主流应用是一种较理想的选择。该芯片采用 m 制造工艺，同时采用了支持高存储容量和低成本的 术。所谓 术（多级单元技术）是指通过向多晶硅浮栅极充电至不同的电平来对应不同的阈电压，代表不同的数据，在每个存储单元中设有 4个阈电压 (00/01/10/11），因此可以存储 2b 信息；而传统技术中，每个存储单元只有 2 个阈电压（ 0/1），只能存储 1b 信息。在相同的空间中提供双倍的存储容量，是以降低写性能为代价的。 过采用称为 拟小块文件管理器）的软件方法将大存储块视为小扇区来管理和操作，在一定程度上改善了写性能，使之也能应用于数据存储中。 术： 术是 司发展的专利技术，从一定程度上改善了 术在写性能上的不足。 术 术 一样具有快速随机读取的功能，按字节随机编程的速度略低于 块擦除速度快于 是因为 术 程时，存储单元内部电荷向晶体管阵列的浮栅极移动，电荷聚集，从而使电位从 1 变为 0；擦除时，将浮栅极上聚集的电荷移开，使电位从 0 变为 1。而 术 编程和擦除操作时电荷移动方向与前者相反。 术 执行擦除操作时无须对页进行预编程，且编程操作所需电压低于擦除操作所需电压，这与 术相反。 尽管 术具有针对 术的优势，但由于自身技术和工艺等因素的限制，在当前闪速存储器市场中，它仍不具备与发展数十年，技术、工艺日趋成熟的 术相抗衡的能力。目前 术 最大容量达到 64司推出的术器件 320，采用 专利 术，将闪速存储器分为四个存储区，在向其中任何一个存储区进行编程或擦除操作的同时，可以对其它三个存储区中的一个进行读操作，用硬件方式实现了在读操作的同时进行编程和擦除操作，而无须 外接 于有多条存取通道，因而提高了系统速度。该芯片采用 m 制造工艺，不仅快速读取速度达到 80且拥有先进的省电性能。在待机和自动省电模式下仅有 功耗，当任何地址线或片使能信号 200持不变时，即进入自动省电模式。对于功耗有严格限制和有快速读取要求的应用，如数字蜂窝电话、汽车导航和全球定位系统、掌上电脑和顶置盒、便携式电脑、个人数字助理、无线通信等领域中可以福州大 学本科生毕业设计 (论文 ) 4 一展身手。 2、 术 术又可分为 种： 术： 三星（ 、 东芝（ 和 富士（ 支持 术种结构的闪速存储器适合于纯数据存储和文件存储，主要作为 、 、固态盘的存储介质，并正成为闪速磁盘技术的核心。 术 有以下特点：（ 1） 以页为单位进行读和编程操作， 1 页为256 或 512B（字节）；以块为单位进行擦除操作， 1 块为 4K、 8K 或 16有快编程和快擦除的功能，其块擦除时间是 2 术的块 擦除时间达到几百 2） 数据、地址采用同一总线，实现串行读取。随机读取速度慢且不能按字节随机编程。（ 3） 芯片尺寸小，引脚少，是位成本 (低的固态存储器，将很快突破每兆字节 1 美元的价格限制。（ 4） 芯片包含有失效块，其数目最大可达到 335 块（取决于存储器密度）。失效块不会影响有效块的性能，但设计者需要将失效块在地址映射表中屏蔽起来。 司在 1999 年底开发出世界上第一颗 1术闪速存储器。据称这种 以存储 560 张高分辨率的照片或 32 首 量的歌曲，将成为下一代便携式信息产品的理想媒介。 用了许多 工艺技术，包括首次采用 m 的制造工艺来生产这颗 经批量生产的 储容量为 512。 同推出的 术，称之为先进的 速存储器技术。它与 准兼容：拥有比 术更高等级的可靠性；可用来存储代码，从而首次在代码存储的应用中体现出 术的成本优势；它没有失效块，因此不用系统 级的查错和校正功能，能更有效地利用存储器容量。 与 术一样，尽管 术具有优势，但在当前的市场上仍以 术为主流。 族的第一个成员是 用 m 制造工艺，没有失效块，可在至少 104 次擦写周期中实现无差错操作，适用于要求高可靠性的场合，如电信和网络系统、个人数字助理、固态盘驱动器等。研制中的 量达到 128计划 术 突破每兆字节 1 美元的价格限制，更显示出它对于 术的价格优势。 3、 术 术是 日立（ 公司的专利技术。 三菱（ 共同支持 术的 术与 样采用“大多数完好的存储器”概念，目前，在数据和文档存储领域中是另一种占重要地位的闪速存储技术。 司采用 m 的制造工艺，并结合 术，生产出芯片尺寸更小、存储容量更大、功耗更低的 512利用双密度封装技术基于 口的电子硬盘设计 5 将 2 片 512片叠加在 1 片 封装内，形成一片 1片。 有突出的低功耗特性，读电流为 2机电流仅为 1 A，同时由于其内部存在与块大小一致的内部 冲区，使得 术不像其他采用 闪速存储器技术那样写入性能严重下降。 司用该芯片制造 128和 2 ，用于智能电话、个人数字助理、掌上电脑、数字相机、便携式摄像机、便携式音乐播放机等 4。 4、由 生的闪速存储器 有很高的灵活性，可以单字节读写（不需要擦除，可直接改写数据），但存储密度小，单位成本高。部分制造商生产出另一类以 闪速存储阵列的 小扇区结构闪速存储器（ 这类器件具有 术 者折衷的性能特点：（ 1）读写的灵活性逊于 能直接改写数据 。在编程之前需要先进行页擦除，但与 术 块结构相比其页尺寸小，具有快速随机读取和快编程、快擦除的特点。（ 2）与 较，具有明显的成本优势。（ 3）存储密度比 ，但比 术 ，如 存储密度可达到 4 32 片有试用样品提供。正因为这类器件在性能上的灵活性和成本上的优势，使其在如今闪速存储器市场上仍占有一席之地。 用并行数据总线和页结构（ 1 页为 128 或 256B），对页执行读写操作，因而既具有 术快速随机读取的优势，又没有其编程和擦除功能的缺陷，适合代码存储和小容量的数据存储，广泛地用以替代 专利产品，采用 行接口，只能依次读取数据，但有利于降低成本、增加系统的可靠性、缩小封装尺寸。主存储区采取页结构。主存储区与串行接口之间有 2 个与页大小一致的 据缓冲区。特殊的结构决定它存在多条读写通道：既可直接从主存储区读取数据 ，又可 通过缓冲区从主存储区读 取 或向主存储区写 入数据 ，两个缓冲区之间可以相互读 取 或写 入 ，主存储区还可借助缓冲区进行数据比较。适合于诸如答录机、寻呼机、数字相机等能接受串行接口和较慢读取速度的数据或文件存储应用。 速存储器的结构和功能特点 闪速存储器 是一类非易失性存储器 ，即 在供电电源关闭后仍能保持片内信息；而诸如 类易失性存储器，当供电电源关闭时片内信息随即丢失。 闪速存储器 集中了其它类非易失性存储器的特点：与 可编程只读存储器） 相 比较，闪速存储器具有明显的优势 在系统中具有电可擦除和可重复编程的特性，而不需要特殊的高电压（某些第一代闪速存储器也要求高电压来完成擦除和 /或编福州大 学本科生毕业设计 (论文 ) 6 程操作）；与 比较，闪速存储器具有成本低、密度大的特点 5。 闪速存储器的存储元电路是在 晶体管 储元的基础上制造的，因此集成度 高且具有非易失性。所不同的是， 助紫外线擦除，而闪速存储器则实施了电擦除和重新编程能力，同时具有单一供电特性。由于其性能优于传统的 以得到了快速发展。 闪速存储器主要由存储体、地址缓冲 器、译码器、命令用户接口 （ 、状态标示寄存器、写状态 接器和数据输入 /输出电路等逻辑电路构成。图 2示为闪速存储器的内部结构框图 ： 数据总线 . . . . . 图 2闪速存储器的内部结构框图 存储体用于存放信息。为方便应用，闪速存储器将存储体中的存储单元分为各种功能模块，各模块的大小不等，存储内容不同，操作时各自独立。各模块分别占据整个闪速存储器芯片寻址空间的一部分，各块可以定义为不同的操作模式，可以单独进行编程，而不影响其他模块中的数据信息，所以闪速存储器可以很方便地对 数据实行块操作。 地址缓冲器和译码器用于对地址总线上的地址编码进行译码，以便对芯片中的存储单元进行寻址访问。闪速存储器通常采用双译码。 输入 /输出电路位于数据线和存储单元之间，用于控制被选中的存储单元的读出或写入。 命令用户接口 （ 负责闪速存储器外部用户命令与其内部写状态机之间的接口，由写状态根据外部输入到闪速存储器中的命令来控制整个存储芯片的各项操作。写状态机控制模块的擦除和页面编程操作，通过写入到命令用户接口 （ 中的命令来选择操作模式。写状态完成相应操作时，其状态反映在状态寄存器中。 状态 /标示寄存器提供芯片编程或擦除操作的各种状态信息 7。 控制信号 命令用户接口（ 写状态 态 /标示寄存器 输入 /输出缓冲器 复接器 Y 门 存储体 地址总线 地 Y 译码器 址 锁 X 译码器 存 器 基于 口的电子硬盘设计 7 速存储器的工作模式 闪速存储器的工作模式有多种，大体上可以分为写操作模式、读操作模式、输出禁止操作模式、在线等待模式和关闭电源模式。 读操作模式：闪速存储器具有 3 种读操作模式，分别针对存储阵列中数据信息的读取、状态寄存器 的读取和标示码的读取等，不同的读操作对应不同的命令。读操作前需要将各种读命令预先写入命令用户接口（ 在初始状态下，闪速存储器自动复位在读存储阵列模式。 写操作模式：在一定的编程电压下，通过命令用户接口（ 现 存储体中各存储模块信息的擦除、编程及其他操作。 在线等待模式：当片选信号处于某种状态（通常为高电平）时，芯片处于在线等待模式，该模式抑制了大部分电路，因而大大降低了器件的功耗，数据引脚也处于高阻状态。例如，在块擦除或块编程期间，如果 原来 被选中的存储块后来被取消，此时其内部控制电路仍然维持有功电流，芯片功耗降至在线等待状态，直至当前操作结束。 输出禁止操作模式：芯片的输出允许控制端处于某种状态（通常为高电平）时，芯片被禁止输出，数据输出引脚置于高阻状态 。 关闭电源模式：关闭电源模式实际上是非工作状态。在 这种状态中，芯片功耗最低，数据输入和输出引脚均处于高阻状态。闪速存储器一般有数据保护功能，可以对其中的数据进行保护。如果工作中发生掉电情况，通过对存储体中每个分块对应的锁定位的设置，可以决定能否对块中的数据进行修改。另外，大多数闪速存储器还有一个写保护引脚，该引脚有效时，可以将闪速存储器设为只读状态，禁止对锁定位对应的存储块进行任何修改8。 速存储器在大容量存储器领域的应用 在现阶段，闪速存储器除了取代 存放主板和显卡 的 本输入 /输出系统）外，还广泛应用于便携 式计算机的 存储器（固态硬盘）。闪速存储器芯片耗电低、集成度高、体积小、可靠性高，且读取速度大大高于硬盘驱动器，加之没有机电移动装置，抗震性能好，非常适合便携机 之类的微型计算机系统，成为替代磁盘的一种理想工具，近年来在 接口的电子盘和数码相机中得到了非常广泛的应用。 闪速存储器直接与 连，由于省去了从磁盘到 加载过程，工作速度仅仅取决于闪速存储器的存取时间，使 现了无等待时间，用户得以充分享受程序和数据的高速存取。另外，闪速存储器是一种高密度的廉价存储器， 1M 位闪速存储器的单位成 本比一半以上， 16M 位的单位成本更低。相同存储器容量的闪速存储器和 比，位成本基本接近，但闪速存储器不需要后援存储器（磁盘）的额外开销和空间 9。 福州大 学本科生毕业设计 (论文 ) 8 由于 闪速存储器 可用作固态大容量存储器，且它与普通硬盘相比，可靠性及耐用性好，抗冲击、抗振动能力强，功耗低。因此，随着 闪速存储器 集成度不断提高，价格不断降低，使其在便携机上取代小容量硬盘已成为可能 10。目前研制的 闪速存储器 都符合 准，可以十分方便地用于各种便携式计算机中以取代磁盘。以车载系统为例：作为车载系统信息集成的硬件平台 载导航仪需要快速读取硬盘中的地理信息数据、查询路网数据库和执行路径选优算法等。大容量存储器因为要与 行频繁的通信、进行高速协调工作，它的可靠程度直接决定了导航仪的可靠性。采用磁原理的普通 硬盘，抗振动能力差、易于损坏，不适于车载。因此，大容量的采用 闪速存储器 的电子硬盘是一个比较理想的选择 11。 目前，闪速存储器已经成为制作电子硬盘的主流介质，如果是制作容量在 2下的电子硬盘可以选用 27/28/29 系列的芯片，单片容量在 512本只有几十元，若需要更大容量，就必需采用高密度 就是 的 种 点价格较高，但起点容量更高，最小的 48经停产，一般是 16当于 128步，所以每 价格相对而言比较划算。随着 技术的进步，老式的 槽越来越少，即将淘汰，所以 卡的产品继续做成插卡式的话必须向 型 12。在这一形势下，采用 口的电子硬盘应运而生，可以说 口的电子硬盘更接近普通硬盘， 式电子硬盘主要有 逻辑电路组成，只是将 射到 内存区，例如 0一个窗 口实现读写，驱动程序是 扩展。 口的电子硬盘除了使用 有专门提供 口的 为提高访问速度而设置的 以有更好的性能表现，安装 口的电子硬盘和普通硬盘完全相同。 口电子硬盘从安装方式而言可以分两种，一种是模块结构，体积小巧，另一种外观与普通硬盘一样的。模块结构比较便宜，普通硬盘结构价格稍贵，一般工程客户应该选用模块结构的以降低成本。 口的电子硬盘由于容量较大，与硬盘直接互换，也就是说与操作系统无关，故非常适合用于信息家电场合，装载 心程序、 统及相应的应用程序诸如浏览器、电子邮件程序等等，此外还有工业控制、嵌入式系统等专门领域用到的多种操作系统，只要能用普通硬盘的地方， 口的电子硬盘都能胜任，这些系统举例如下： S,T, T, 8/2000, E, 等 13。 基于 口的电子硬盘设计 9 第 三 章 设计方案收集和选择 计思路 本次设计的电子硬盘，主要应由 供电电路、 硬盘控制器、闪速存储器芯片组成，接口采用题目要求的 口。 供电电路 是电子硬盘的动力来源，它把主机通过 口输入的 +5v 电压转换为各块芯片所需的工作电压，电子硬盘的稳定首先来自电源输入的稳定，因此供电电路的设计是整个电路设计中十分重要的一环。 硬盘控制器作为主机和闪速存储器 的传输纽带，通过总线与 口和闪速存储器实现数据传递，通过各种控制信号控制对闪速存储器存储区域的读写操作。同时，硬盘控制器可以接受来自主机的控制信号 ，并通过该信号改变电子硬盘的工作方式。闪速存储器作为电子硬盘的存储介质，主要功能在于长期、稳定和安全地保证数据的储存。 经过大量网络和文献资料的搜集和整理工作，我最后挑选出两个比较合适的方案。我将在下面的叙述中对这两个方案做出具体的分析和比较，以确定最终的设计方案。 案 1 简介 方案 1 包括 硬盘控制器 序存储器 据总线驱动器 742片），控制总线驱动器 74闪速存储器芯片 32M*82 片） ， 44准 口 。 硬盘控制器采用的是旺宏公司生产的电子硬盘专用控制器 128 脚 装，具有宽工作电压范围 V，可提供标准的 口。它的内部包括 核 211缓冲数据区、 口、 储器接口和时钟、复位电路等。 采用 为 盘的驱动控制器有很多优点。 旺宏公司生产的专用硬盘驱动控制芯片，优化功能强大，没有冗余模块且封装紧凑，便于进一步小型化和降低功耗。 持 种最新的传输模式 ,与三星公司的 储芯片兼容性好，不需再增加其它电路，因此可靠性高。旺宏公司对 多固件可以直接购买。因为 持在线编程，升级和维护非常简单。另外， 低功耗设计，它有 3 种节电模式： 动进入相应的节电模式，因此功耗很低 14。 功能框图如图 3示： 福州大 学本科生毕业设计 (论文 ) 10 图 3功能 框图 片采用的是三星公司生产的 是 48 脚表面封装器件， 采用装， 内部具有 (32M+1024K) 8存储空间，共 32768 行， 528 列，其中后备的 16 列位于 512 列到 527 列。它内部有一个 528 字节的数据寄存器，可以用于页读、页编程操作时数据的存储转换。它可以进行 528 字节为一页的页读和写操作，并可以进行以16K 为一块的块擦除操作。 突出优点在于：命令、地址和数据信息均通过 8 条 I/O 线传输，寻址单元的地址线不作为芯片的引出脚， 24 位地址分三次写入地址锁存器，译码后找到相应的单元 15。 盘工作原理框图如图 3示，硬盘控制器 储器进行数据交换的控制通道。数据交换不仅可以采用程序控制方式和中断控制方式，还可以采用直接存储器存取方式 (在 式下， 部的 制器利用数据缓冲区可以与 配器直接进行数据高速交换。因为采用周期窃取技术 (使得数据传送工作对系统总线具有较高的使用权。因为采用高速的 核(21进行主机到缓冲区的突发数据传送时速率可以达到 20MB/s。同时， 支持 式 4(s)和 式 2(s)。 基于 口的电子硬盘设计 11 B B B 制 2 片 3盘工作原理框图 硬盘控制器在与 储器进行数据通信操作时，数据已被放入内存中， 先把内存中的 数据读入内部高速缓存中，然后通过识别接收的指令类型和查询 到要寻址的 储器的编号。在对 储器进行写操作前，先把要写入的信息依次放到数据总线上，经过 时间，待数据 (包括指令、地址和数据 )稳定后，通过对要寻址的 储器编号的解码，从端口 601出 选信号选中相应的 片。在 时有效时，数据被写入相应的 储单元中。读操作与此类似。 读 操作时序和写操作时序 分别 如图 3图 3示： 口控制器 准 口 复位电路 复位电路 程序存储器 R 数据总线驱动器 74据总线驱动器 74制总线 驱动器 740 8 9E R 州大 学本科生毕业设计 (论文 ) 12 图 3读操作时序 图 3写操作时序 程序存贮器，它通过标准 口经编译的可执行文件可以对它直接在线编程。 74 74总线驱动器，在所选 储器较多时可以提高总线驱动能力。 考虑到电子硬盘应用的广泛性，在接口方面选择了 44准 口。 44口定义完全与便携式计算机硬盘相同，也可以通过转接口转为 40据口和 4源口，实现与台式机主板兼容。 44准 口定义如表 3示： 表 344准 口定义 引脚号 信号名称及描述 引脚号 信号名称及描述 1 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 于 口的电子硬盘设计 13 21 2 3 24 5 26 7 8 9 30 1 2 3 1 34 5 0 36 2 37 38 39 0 1 2 3 4 案 2 简介 方案 2 包括 硬盘控制器 速存储器芯片 32M*82 片），供电部分 300性稳压器 44准 口。 硬盘控制器使用的是 司生产的 使用 100 装，具有低功耗（工作电压 主机读取速度快（最快可达 10M/s）、稳定性好（可在 85 的工业环境下稳定运行）、兼容性好（支持 种最新的传输模式，兼容标准 优点。 要包括微处理器单元（ 内部直接存储器接入（ 电源管理单元（ 冲器、嵌入式闪存文件系统、纠错编码（ 串行通信接口（ 多任务接口。 微处理器单元（ 微处理器单元把 号转换成闪存 芯片 所需的数据和控制信号。 内部直接存储器接入（ 存盘控制器 使用 内部 许常用数据从缓冲区转移到闪存芯片。这种执行方式可以减少微处理器使用传统的、基于固件的连接方式，从而增加了数据转移的速率。 电源管理单元 （ ：电源管理单元控制 存盘控制器的电源消耗，它通过使没有工作的电路部分进入休眠状态，极大地降低了闪存盘控制器的电源消耗。 冲器 对 存盘控制器的正常运行 发挥了重大作用，它优化了主机和闪存芯片之间的数据转移