專利名稱：基于flash的硬盤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，尤其是指一種基于FLASH的硬盤。
背景技術(shù)：
硬盤作為計算機(jī)的一個重要組成部分，從誕生以來經(jīng)過不斷的革新和改進(jìn)，其技術(shù)和性能都已經(jīng)非常的成熟和完善。
傳統(tǒng)的硬盤是由盤頭組件(Hard Disk Assembly，簡稱HDA)構(gòu)成的核心封裝在硬盤的凈化腔體內(nèi)，包括浮動磁頭組件、磁頭驅(qū)動機(jī)構(gòu)、盤片及主軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)、前置讀寫控制電路等。其中對硬盤技術(shù)的更新?lián)Q代起重要作用的主要有磁頭、電機(jī)、盤片和接口磁頭技術(shù)是硬盤技術(shù)更新?lián)Q代的重要技術(shù)之一，現(xiàn)在的硬盤單碟容量一般都在10GB以上，最高的單碟容量已經(jīng)達(dá)到了20GB，以后硬盤的單碟容量還將繼續(xù)增大，而磁頭技術(shù)對單碟容量的增大起著直接的作用，磁頭技術(shù)越先進(jìn)，硬盤的單碟容量就可以做得更高。
電機(jī)技術(shù)直接影響著硬盤轉(zhuǎn)速的大小。當(dāng)然在提高硬盤主軸轉(zhuǎn)速的同時需要考慮得是硬盤的發(fā)熱量及振動問題，以及硬盤的工作噪聲問題。所以電機(jī)技術(shù)直接決定著硬盤的快慢、工作溫度及工作噪聲等。
在硬盤磁頭、電機(jī)及接口不斷更新的過程中，存儲數(shù)據(jù)的盤片也在更新，早期的硬盤盤片一般都是使用塑料材料作為盤片基質(zhì)，然后在塑料基質(zhì)上涂上磁性材料構(gòu)成。而最新的硬盤盤片則是采用玻璃材料作為盤片基質(zhì)，能使硬盤平滑性更好，堅固性更高，此外玻璃材料在硬盤高轉(zhuǎn)速時具有更高的穩(wěn)定性。
硬盤接口技術(shù)一直深受關(guān)注，隨著電腦其他配件(如中央處理單元、內(nèi)存、顯示等子系統(tǒng))性能的大步邁進(jìn)，硬盤接口的傳輸率越來越體現(xiàn)出它在整個電腦系統(tǒng)的瓶頸效應(yīng)，硬盤接口越來越受到人們的關(guān)注。硬盤接口從最早的ST-506/412接口，經(jīng)過ESDI(Enhanced Small Drive Interface加強(qiáng)型小型設(shè)備界面)、IDE(Integrated Drive Electronics電子集成驅(qū)動器-也可稱之為ATA(Advanced Technology Attachment))到最新的SATA(Serial ATA串行ATA)，傳輸率也相應(yīng)的由最早的低于10Mbps，到現(xiàn)在的150MB/s。
由上可見，傳統(tǒng)硬盤在很大程度上依賴于其內(nèi)部機(jī)械設(shè)備的運作，這也決定了傳統(tǒng)硬盤在體積、耗電、發(fā)熱量、防震等方面有著先天性的不足，雖然隨著技術(shù)的更新可以不斷進(jìn)行改善，但始終無法從根本上解決問題。即便是日立公司推出的1英寸微硬盤(Micro drive)，使得硬盤的體積大為縮小，但是其制作工藝復(fù)雜、容量有限，其結(jié)構(gòu)也僅僅是對傳統(tǒng)硬盤的縮小化，并沒有從根本上解決上述問題。
另一方面，隨著閃存器件容量的增加和價格的不斷下降，基于與非門閃存(NAND FLASH)工藝的1GByte(1G＝1000M)、2GByte的單顆FLASH芯片工藝已經(jīng)非常成熟，未來單顆FLASH存貯器容量還將按摩爾定理繼續(xù)不斷上升。目前多顆FLASH級聯(lián)或者并聯(lián)在一起已經(jīng)可以達(dá)到16GByte甚至更高容量。FLASH容量的不斷增大，同時伴隨著價格的不斷下降，使得的FLASH硬盤的實現(xiàn)成為可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種體積小、重量輕、耗電省、發(fā)熱量低、無運行噪聲、抗震性強(qiáng)的基于FLASH的硬盤，該硬盤能兼容現(xiàn)有硬盤規(guī)范，具備硬盤規(guī)范定義的接口信號和傳輸速度。
一種基于FLASH的硬盤，能兼容現(xiàn)有硬盤規(guī)范，具備硬盤規(guī)范定義的接口信號和傳輸速度，包括FLASH存貯器件，由若干個FLASH存貯器級連構(gòu)成，用于存貯數(shù)據(jù)；FLASH硬盤控制器，由接口電路模塊、數(shù)據(jù)緩存器、CPU和若干個FLASH控制器模塊組成，各FLASH控制器模塊一端對應(yīng)連接FLASH存貯器件的一個FLASH存貯器，另一端并行接入數(shù)據(jù)緩存器和CPU，控制FLASH存貯器件和對應(yīng)主機(jī)間的數(shù)據(jù)交換，管理FLASH存貯器件完成正確的數(shù)據(jù)存貯或訪問，各FLASH控制器模塊在CPU協(xié)調(diào)下并行工作，能夠同時對這個這些FLASH控制器模塊分別對應(yīng)的多個FLASH存貯器進(jìn)行讀寫；硬盤接口單元，其一端與接口電路模塊相連，采用和接口電路模塊對應(yīng)的接口規(guī)范，另一端用于連接主機(jī)，完成硬盤與主機(jī)間的數(shù)據(jù)通訊和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。
所述的FLASH硬盤控制器可以是一個單芯片的集成電路，也可以由多個集成電路組合集成。
所述的FLASH控制器模塊可以設(shè)置嵌入式CPU，嵌入式CPU加載控制軟件，通過嵌入式CPU運行控制軟件來控制相應(yīng)的邏輯電路，以幫助實現(xiàn)管理通道數(shù)據(jù)流和支持算法。
所述的硬盤接口單元和接口電路模塊采用IDE(ATA)接口標(biāo)準(zhǔn)或SATA接口標(biāo)準(zhǔn)。
所述的各FLASH控制器模塊內(nèi)均設(shè)定有若干算法，包括映射(Mapping)算法，用于實現(xiàn)FLASH存儲器中邏輯塊和物理塊間有效映射，保證讀寫數(shù)據(jù)的各邏輯塊可以對應(yīng)到無缺陷的物理塊，以保證數(shù)據(jù)的可靠性和完整性；疲勞控制(Wearing)算法，用于均衡FLASH存貯器中邏輯位置地址的讀寫概率，以提高FLASH存儲器的使用壽命；ECC算法，用于完成對FLASH存貯器讀取數(shù)據(jù)時的錯誤檢測和修正，控制位錯誤比率。
硬盤與對應(yīng)主機(jī)間數(shù)據(jù)讀寫過程如下主機(jī)對FLASH硬盤進(jìn)行寫操作時，數(shù)據(jù)經(jīng)硬盤接口單元傳輸至數(shù)據(jù)緩存器，各FLASH控制模塊對相應(yīng)的FLASH存貯器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸速度的性能評估并反饋給CPU，CPU根據(jù)接受到的反饋數(shù)據(jù)來決定應(yīng)該分配給各個FLASH控制模塊的數(shù)據(jù)帶寬，然后將來自數(shù)據(jù)緩存器的數(shù)據(jù)經(jīng)協(xié)調(diào)后交付于各FLASH控制器模塊，F(xiàn)LASH控制器模塊對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的ECC處理、地址映射后寫入對應(yīng)的FLASH存貯器；主機(jī)對FLASH硬盤進(jìn)行讀操作時，各FLASH控制器模塊負(fù)責(zé)對對應(yīng)的FLASH存貯器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，通過CPU將各FLASH控制器模塊讀取的數(shù)據(jù)流進(jìn)行匯集，送入數(shù)據(jù)緩存器，最后通過硬盤接口單元傳送給主機(jī)。
本發(fā)明基于FLASH的硬盤采用體積小、重量輕的FLASH作為存儲媒質(zhì)，取代了傳統(tǒng)硬盤所使用的磁介質(zhì)，同時完全廢除了傳統(tǒng)硬盤所使用的笨重的機(jī)械結(jié)構(gòu)，極大的降低了運行功耗和發(fā)熱量，消除了傳統(tǒng)硬盤機(jī)械結(jié)構(gòu)運行所導(dǎo)致的機(jī)械噪聲，同時又能達(dá)到傳統(tǒng)硬盤的讀寫速度和性能，并且在接口上保持了傳統(tǒng)硬盤的40針I(yè)DE接口(或是使用新的7針SATA接口)，具有良好的系統(tǒng)兼容性。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意框圖；圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電氣連接示意框圖；圖3為本發(fā)明FLASH控制器模塊的結(jié)構(gòu)示意框圖。
具體實施例方式
如圖1、2所示，一種基于FLASH的硬盤，能兼容現(xiàn)有硬盤規(guī)范，具備硬盤規(guī)范定義的接口信號和傳輸速度，包括FLASH存貯器件3，由若干個FLASH存貯器31級連構(gòu)成，用于存貯數(shù)據(jù)；FLASH硬盤控制器2，由接口電路模塊21、數(shù)據(jù)緩存器22、CPU23和若干個FLASH控制器模塊24組成，各FLASH控制器模塊24一端對應(yīng)連接FLASH存貯器件3的一個FLASH存貯器31，另一端并行接入數(shù)據(jù)緩存器22和CPU23，控制FLASH存貯器件3和對應(yīng)主機(jī)間的數(shù)據(jù)交換，管理FLASH存貯器件3完成正確的數(shù)據(jù)存貯或訪問，各FLASH控制器模塊24在CPU23協(xié)調(diào)下并行工作，使得這些FLASH控制器模塊能夠同時對多個FLASH存貯器31進(jìn)行讀寫；硬盤接口單元1，其一端與接口電路模塊21相連，采用和接口電路模塊21對應(yīng)的接口規(guī)范，另一端用于連接主機(jī)，完成硬盤與主機(jī)間的數(shù)據(jù)通訊和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。
主機(jī)對FLASH硬盤進(jìn)行寫操作時，數(shù)據(jù)經(jīng)硬盤接口單元1按照IDE(ATA)或SATA接口協(xié)議傳輸至數(shù)據(jù)緩存器22，各個FLASH控制模塊24對相應(yīng)的FLASH存貯器31進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸速度的性能評估并反饋給CPU23，CPU23根據(jù)接受到的反饋數(shù)據(jù)來決定應(yīng)該分配給各個FLASH控制器模塊24的數(shù)據(jù)帶寬，然后將來自數(shù)據(jù)緩存器22的數(shù)據(jù)經(jīng)協(xié)調(diào)后交付于各FLASH控制器模塊24，F(xiàn)LASH控制器模塊24對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的ECC處理、地址映射后寫入對應(yīng)的FLASH存貯器31。
同樣，主機(jī)對硬盤進(jìn)行讀操作時，各FLASH控制器模塊24負(fù)責(zé)對相應(yīng)的FLASH存貯器31進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，CPU23將來自各FLASH控制器模塊24子通道的數(shù)據(jù)流匯集后，送入數(shù)據(jù)緩存器22，最后通過硬盤IDE接口單元1傳送給主機(jī)。
這種方式下，每一FLASH控制器模塊24獨立控制一顆或者多顆FLASH存貯器31構(gòu)成一子通道，多個FLASH控制器模塊24集合起來，并行處理，IDE接口高速的數(shù)據(jù)吞吐量(最高至150MB/S)，被N個并行的FLASH控制器模塊24子通道進(jìn)行處理，每個子通道的數(shù)據(jù)吞吐量則為主通道的1/N(數(shù)據(jù)總線的寬度可以為4/8/16/32bit)。通過這種數(shù)據(jù)分散處理的方法，對每個子通道的數(shù)據(jù)傳輸率要求就得以降低(理論上，接近于降低到(150/N)MB/S)，整個硬盤控制器具有控制多個FLASH并行讀寫的強(qiáng)大功能，使得單一FLASH存貯器有限的速度和容量，有機(jī)集成為一個高速度、大容量的整體，彌補了單顆FLASH存貯器讀寫速度和傳統(tǒng)硬盤用磁頭讀寫所能達(dá)到的速度相比較低的缺陷，同時也解決了CPU無法直接同時實現(xiàn)多路FLASH存貯器管理需要的ECC/Mapping等算法的要求。
如圖3所示，對應(yīng)于各子通道的FLASH控制器模塊24可以包括嵌入式(Embedded)CPU，嵌入式CPU加載控制軟件(或者稱為韌體，F(xiàn)IRMWARE)，通過嵌入式CPU運行該控制軟件程序來控制相應(yīng)的邏輯電路，以幫助實現(xiàn)管理通道數(shù)據(jù)流和支持算法，這樣的優(yōu)點是靈活性強(qiáng)，可以通過更新FIRMWARE來對功能進(jìn)行調(diào)整。FLASH控制器模塊24也可以不用嵌入式CPU方式實現(xiàn)，而全部用邏輯電路硬件實現(xiàn)，全部用硬件實現(xiàn)相對前者來的簡單，但是靈活性較差。
FLASH控制器模塊24內(nèi)設(shè)定有若干算法，主要包括映射(Mapping)算法，用于管理FLASH存貯器31的存貯塊。由于NANDFLASH芯片內(nèi)所含的存貯單元以頁(Page)和塊(Block)為基本單位進(jìn)行操作，并不能夠保證每個Block出廠后都是無缺陷的。因此，必須用影射算法確保數(shù)據(jù)存貯在無缺陷的Block內(nèi)。
疲勞控制(Wearing)算法，用于均衡FLASH存貯器31存貯塊的使用壽命。由于NAND FLASH每個Block被擦除的次數(shù)是有限的，目前典型工業(yè)界認(rèn)可的是10萬次擦寫，而FLASH內(nèi)有些邏輯地址可能被頻繁改寫，而有些邏輯地址可能非常少概率被改寫，那些被頻繁改寫的存貯單元可能很快達(dá)到10萬次改寫而使得整個硬盤數(shù)據(jù)出錯。因此，采用Wearing算法使得每個物理Block盡量得到均等的改寫機(jī)會，就可以大大增強(qiáng)硬盤和FLASH的壽命。
ECC算法，用于完成對FLASH存貯器讀取數(shù)據(jù)時的錯誤檢測和修正，控制位錯誤比率。
具有DMA(Direct Memory Access直接存儲器訪問)通道和FLASH讀學(xué)接口控制邏輯?？梢酝ㄟ^FLASH芯片的接口發(fā)送命令、讀取狀態(tài)、讀取/發(fā)送數(shù)據(jù)而不需要經(jīng)過CPU的處理，使用DMA通道來直接傳輸數(shù)據(jù)可以極大的提高數(shù)據(jù)的傳輸速率。
權(quán)利要求
1.一種基于FLASH的硬盤，能兼容現(xiàn)有硬盤規(guī)范，具備硬盤規(guī)范定義的接口信號和傳輸速度，其特征在于包括FLASH存貯器件(3)，由若干個FLASH存貯器(31)級連構(gòu)成，用于存貯數(shù)據(jù)；FLASH硬盤控制器(2)，由接口電路模塊(21)、數(shù)據(jù)緩存器(22)、CPU(23)和若干個FLASH控制器模塊(24)組成，各FLASH控制器模塊(24)一端對應(yīng)連接FLASH存貯器件(3)的一個FLASH存貯器(31)，另一端并行接入數(shù)據(jù)緩存器(22)和CPU(23)，控制FLASH存貯器件(3)和對應(yīng)主機(jī)間的數(shù)據(jù)交換，管理FLASH存貯器件(3)完成正確的數(shù)據(jù)存貯或訪問，各FLASH控制器模塊(24)在CPU(23)協(xié)調(diào)下并行工作，使得這些FLASH控制器模塊(24)分別同時可以對多個FLASH存貯器(31)進(jìn)行讀寫；硬盤接口單元(1)，其一端與接口電路模塊(21)相連，采用和接口電路模塊(21)對應(yīng)的接口規(guī)范，另一端用于連接主機(jī)，完成硬盤與主機(jī)間的數(shù)據(jù)通訊和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。
2.如權(quán)利要求1所述的硬盤，其特征在于所述的FLASH硬盤控制器(2)可以是一個單芯片的集成電路，也可以由多個集成電路組合集成。
3.如權(quán)利要求1所述的硬盤，其特征在于所述的FLASH控制器模塊(24)可以設(shè)置嵌入式CPU，嵌入式CPU加載控制軟件，通過嵌入式CPU運行控制軟件來控制相應(yīng)的邏輯電路，以幫助實現(xiàn)管理通道數(shù)據(jù)流和支持算法。
4.如權(quán)利要求1所述的硬盤，其特征在于所述的硬盤接口單元(1)和接口電路模塊(21)采用IDE(ATA)接口標(biāo)準(zhǔn)或SATA接口標(biāo)準(zhǔn)。
5.如權(quán)利要求1所述的硬盤，其特征在于所述的各FLASH控制器模塊(24)內(nèi)均設(shè)定有若干算法，包括映射(Mapping)算法，用于實現(xiàn)FLASH存儲器中邏輯塊和物理塊間有效映射，保證讀寫數(shù)據(jù)的各邏輯塊可以對應(yīng)到無缺陷的物理塊，以保證數(shù)據(jù)的可靠性和完整性；疲勞控制(Wearing)算法，用于均衡FLASH存貯器(31)中邏輯位置地址的讀寫概率，以提高FLASH存儲器的使用壽命；ECC算法，用于完成對FLASH存貯器(31)讀取數(shù)據(jù)時的錯誤檢測和修正，控制位錯誤比率。
6.如權(quán)利要求1所述的硬盤，其特征在于硬盤與對應(yīng)主機(jī)間數(shù)據(jù)讀寫過程如下主機(jī)對FLASH硬盤進(jìn)行寫操作時，數(shù)據(jù)經(jīng)硬盤接口單元(1)傳輸至數(shù)據(jù)緩存器(22)，各FLASH控制模塊(24)對相應(yīng)的FLASH存貯器(31)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸速度的性能評估并反饋給CPU(23)，CPU(23)根據(jù)接受到的反饋數(shù)據(jù)來決定應(yīng)該分配給各個FLASH控制模塊的數(shù)據(jù)帶寬，然后將來自數(shù)據(jù)緩存器(22)的數(shù)據(jù)經(jīng)協(xié)調(diào)后交付于各FLASH控制器模塊(24)，F(xiàn)LASH控制器模塊(24)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的ECC處理、地址映射后寫入對應(yīng)的FLASH存貯器(31)；主機(jī)對FLASH硬盤進(jìn)行讀操作時，各FLASH控制器模塊(24)負(fù)責(zé)對對應(yīng)的FLASH存貯器(31)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，通過CPU(23)將各FLASH控制器模塊(24)讀取的數(shù)據(jù)流進(jìn)行匯集，送入數(shù)據(jù)緩存器(22)，最后通過硬盤接口單元(1)傳送給主機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種體積小、重量輕、耗電省、發(fā)熱量低、無運行噪聲、抗震性強(qiáng)的基于FLASH的硬盤，包括FLASH存貯器件、FLASH硬盤控制器和硬盤接口單元，F(xiàn)LASH硬盤那控制器由接口電路模塊、數(shù)據(jù)緩存器、CPU和若干個FLASH控制器模塊組成，各FLASH控制器模塊一端對應(yīng)連接FLASH存貯器件的一個FLASH存貯器，另一端并行接入數(shù)據(jù)緩存器和CPU。本發(fā)明采用體積小、重量輕的FLASH取代了傳統(tǒng)硬盤所使用的磁介質(zhì)，同時完全廢除了傳統(tǒng)硬盤笨重的機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低了運行功耗和發(fā)熱量，消除了機(jī)械噪聲，同時又能達(dá)到傳統(tǒng)硬盤的讀寫速度和性能，并在接口上保持了傳統(tǒng)硬盤的接口，具有良好的系統(tǒng)兼容性。
文檔編號G11C7/00GK1959622SQ20061015485
公開日2007年5月9日 申請日期2006年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月24日
發(fā)明者駱建軍, 趙剛 申請人:駱建軍, 趙剛