《電子技術(shù)應用》
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基于硬件和固件相結(jié)合的掉電保護策略的應用
2015年微型機與應用第11期
蔣 欣,張偉棟,韓振國,張 銳
(中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所,陜西 西安 710019)
摘要: 提出一種基于硬件和固件相結(jié)合的掉電保護策略在固態(tài)電子盤模塊中的應用方案。主要以電源檢測為掉電保護策略的啟動中心,續(xù)流模塊(儲能單元)和固態(tài)電子盤模塊主控器(內(nèi)嵌高性能CPU)為硬件平臺。主控器的固件基于FPGA內(nèi)嵌PowerPC軟核平臺用于控制NandFlash數(shù)據(jù)的存儲。通過電源檢測監(jiān)控系統(tǒng)電源的電壓或電流產(chǎn)生物理激勵信號,將整個固態(tài)電子盤模塊的供電切換到續(xù)流模塊,同時啟動主控器動態(tài)調(diào)整NandFlash的讀寫策略,保證掉電瞬間能夠最大程度地保護固態(tài)電子盤模塊存儲單元文件系統(tǒng)的完整性和一致性。測試結(jié)果表明,該應用方案具有較高的可靠性。
Abstract:
Key words :

  摘  要: 提出一種基于硬件和固件相結(jié)合的掉電保護策略在固態(tài)電子盤模塊中的應用方案。主要以電源檢測為掉電保護策略的啟動中心,續(xù)流模塊(儲能單元)和固態(tài)電子盤模塊主控器(內(nèi)嵌高性能CPU)為硬件平臺。主控器的固件基于FPGA內(nèi)嵌PowerPC軟核平臺用于控制NandFlash數(shù)據(jù)的存儲。通過電源檢測監(jiān)控系統(tǒng)電源的電壓或電流產(chǎn)生物理激勵信號,將整個固態(tài)電子盤模塊的供電切換到續(xù)流模塊,同時啟動主控器動態(tài)調(diào)整NandFlash的讀寫策略,保證掉電瞬間能夠最大程度地保護固態(tài)電子盤模塊存儲單元文件系統(tǒng)的完整性和一致性。測試結(jié)果表明,該應用方案具有較高的可靠性。

  關(guān)鍵詞: 電源檢測;續(xù)流模塊;主控制器;掉電保護

0 引言

  嵌入式系統(tǒng)的應用環(huán)境惡劣,電源電壓不穩(wěn)定,突發(fā)性斷電以及非法插拔都容易對NandFlash中的文件系統(tǒng)造成災難性的影響[1]。為了管理復雜的存儲硬件,同時提供可靠高效的存儲環(huán)境,出現(xiàn)了基于固態(tài)電子盤模塊(SSD)的主控器和NandFlash的掉電保護機制,有效地減少了上述原因?qū)虘B(tài)電子盤模塊中文件系統(tǒng)一致性和完整性的破壞。

  為了提高SSD的讀寫性能,大部分SSD控制器通過內(nèi)部集成RAM或外部擴展RAM的方式增加緩存,每次主機需要存儲數(shù)據(jù)到SSD中時,都先寫到SSD的緩存中,SSD控制器再將緩存中的數(shù)據(jù)寫入到NandFlash中。因此,在電源沒有任何保護措施的情況下,如果SSD突然掉電(即外部供電在突發(fā)意外情況下發(fā)生浪涌或斷電),將會造成緩存中的數(shù)據(jù)完全丟失,輕則丟失數(shù)據(jù),重則導致SSD中文件系統(tǒng)崩潰,主機無法識別SSD。

  本文提出了一種增加掉電監(jiān)控和保護的硬件單元,并可以動態(tài)調(diào)整SSD主控器的固件的工作模式,這種設(shè)計方法在掉電瞬間,能夠最大程度地保護SSD存儲單元的文件系統(tǒng)的完整性和一致性。

1 系統(tǒng)設(shè)計

  閃存(NandFlash)的管理(讀寫的策略、壞塊的管理以及損耗均衡)針對嵌入式系統(tǒng)的應用特點,進行特別的優(yōu)化,在掉電瞬間,減少主控器的能量需求,盡可能滿足NandFlash的寫操作,但是過低的功耗會限制固態(tài)盤在電源穩(wěn)定狀態(tài)下的性能。考慮到整個固態(tài)盤的穩(wěn)定性,主控器的NandFlash的管理策略需要動態(tài)調(diào)整[2]。因此,要實現(xiàn)完整的掉電保護策略,需要結(jié)合完整的電源狀態(tài)監(jiān)控機制和動態(tài)調(diào)整SSD主控器的固件運行模式,才能達到有意義的掉電保護。根據(jù)以上原理設(shè)計了SSD的系統(tǒng)架構(gòu),如圖1所示。

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  SSD系統(tǒng)架構(gòu)主要由SSD控制器、擴展RAM(原理樣機使用的DDRII)、NandFlash陣列(存儲體的組織形式為SLC)、高速數(shù)據(jù)接口(原理樣機使用的IDE接口)、電源檢測功能單元電路和續(xù)流功能單元電路(儲能電路)組成。

  掉電保護增加了兩部分功能:

  (1)掉電保護硬件部分:包含電源檢測模塊和續(xù)流模塊,電源檢測模塊用于檢測系統(tǒng)的供電電源,當其電壓過低或輸出電流過小時,向SSD控制器產(chǎn)生中斷,同時啟動續(xù)流功能電路單元(儲能電源模塊),給SSD提供足夠長時間的續(xù)航能力,保證主機給SSD的最后一幀數(shù)據(jù)能夠順利寫入NandFlash中,并更新文件系統(tǒng)列表,保持SSD中文件系統(tǒng)的完整性和一致性;

  (2)掉電保護固件部分:SSD主控制器接收到電源檢測模塊的中斷后,動態(tài)調(diào)整工作模式,將主機當前發(fā)送的“寫數(shù)據(jù)”直接搬家到NandFlash,同時啟動多通道控制模式,將緩存DDR2中的數(shù)據(jù)寫到NandFlash中,兩部分的最后一幀數(shù)據(jù)寫入NandFlash后,產(chǎn)生選通信號通知續(xù)流模塊關(guān)閉。

  1.1 掉電保護各功能單元電路設(shè)計

  硬件電路由電源檢測模塊、續(xù)流模塊和SSD主控器組成。

  1.1.1 電源檢測模塊

  電源檢測模塊采用掉電復位電路,監(jiān)控系統(tǒng)供電電源的電壓和電流,當系統(tǒng)的輸入電壓低于4.75 V或系統(tǒng)的輸入電流小于1.35 A時,表明系統(tǒng)電源掉電,電源檢測模塊產(chǎn)生復位“低”信號,觸動續(xù)流模塊工作,同時動態(tài)調(diào)整固態(tài)電子盤模塊主控器的工作模式。

  (1)啟動續(xù)流模塊工作,將固態(tài)電子盤模塊的供電電源由系統(tǒng)電源供電切換到續(xù)流模塊供電,保證主控器、存儲體NandFlash以及相關(guān)電路的工作穩(wěn)定性;

  (2)觸發(fā)固態(tài)電子盤模塊主控器的外部中斷,主控器調(diào)整NandFlash的“寫策略”。

  1.1.2 續(xù)流模塊

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  續(xù)流模塊設(shè)計原理圖如圖2所示。其本質(zhì)上是一個儲能再利用電路,使用法拉電容充當儲能元件。在SSD正常工作時,依靠系統(tǒng)電源完成充電操作。而當系統(tǒng)電源發(fā)生故障或者非正常斷電時,儲能電路釋放電能,暫時維持SSD主控器、存儲體NandFlash和相關(guān)的旁路電路的正常工作,盡量保證主機的最后一幀數(shù)據(jù)順利存入到NandFlash中,并更新完成SSD中的文件系統(tǒng)列表。

  將供電模塊(電壓轉(zhuǎn)換器)切換到由法拉電容供電,需要兩個條件:

  (1)系統(tǒng)掉電(電源監(jiān)控芯片)輸出低電平或者輸出電流低于判決門限值;

  (2)選通信號為高電平,此時邏輯開關(guān)(電壓監(jiān)控)輸出低電平。

  以上兩個條件都可將系統(tǒng)電源VCC切換到由法拉電容供電。

  具體設(shè)計中,在進行重要數(shù)據(jù)操作之前,先通過固件將選通信號置為高。如果在操作過程中突然掉電,則電源監(jiān)控輸出低電平,此時硬件自動切換到由法拉電容供電;如果沒有掉電,電源監(jiān)控電壓輸出為高電平,系統(tǒng)還是由5 V電源供電。在重要數(shù)據(jù)操作完成之后,固件控制將選通信號置為低,或門輸出高電平,切斷法拉電容供電的可能。這樣可避免法拉電容的無謂供電,減少充放電的次數(shù),從而提高可靠性以及延長法拉電容的使用壽命[3]。

  1.1.3 SSD主控器的工作模式設(shè)計

  SSD主控器的功能組成框圖如圖3所示。

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  (1)SSD主控器的正常工作模式

  在系統(tǒng)電源穩(wěn)定供電的正常情況下,SSD進入正常工作模式,SSD主控器的工作內(nèi)容:

  ①將文件系統(tǒng)列表存儲在SSD主控器外擴RAM(DDRII緩存)中,方便SSD主控器能夠迅速地查找和更新文件列表;

  ②因為數(shù)據(jù)寫入DDRII的速度比直接寫入NandFlash的速度快,為了不耽誤接收主機“寫數(shù)據(jù)”的時間,SSD主控器以“段頁混合管理的形式”將DDRII中的數(shù)據(jù)以NandFlash的“頁”模式組織,通知NandFlash控制器能夠準確地進行整塊的數(shù)據(jù)搬家到NandFlash陣列指定區(qū)域中,減少NandFlash控制器的固件開銷,提高數(shù)據(jù)快速寫入能力。這樣的方式,能夠大大提高主機數(shù)據(jù)寫入的速度,同時也伴隨著功耗的增加。

  (2)SSD主控器的應急工作模式

  在系統(tǒng)電源正常供電,SSD正常運行時,SSD主控器的內(nèi)嵌CPU不創(chuàng)建掉電保護進程,減少了內(nèi)存占用資源,簡化任務管理、調(diào)度。當電源檢測電路產(chǎn)生激勵信號時,觸發(fā)CPU立即創(chuàng)建掉電保護進程,進入就緒態(tài),同時賦予最高的優(yōu)先級,搶占CPU控制權(quán),進而達到最強的實時性[4]。

  SSD主控器接收到電源檢測電路發(fā)送的電源異常中斷后,動態(tài)調(diào)整SSD主控器上的運行固件,進入應急模式進程,進行以下操作:

  ①SSD主控器給主機上報SSD工作不穩(wěn)定警告,發(fā)送中斷(禁止“讀操作”)給主機,將DDRII中的文件列表搬家并更新到NandFlash的指定區(qū)域。

  ②SSD主控器將主機當前需要完成存儲的“寫數(shù)據(jù)”,直接寫入到SSD主控器的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(片內(nèi)RAM)中,減少DDRII的功耗開銷,同時進入“頁映射”模式,通知內(nèi)部集成的NandFlash控制器將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)直接寫入NandFlash陣列的指定數(shù)據(jù)區(qū)域后,再發(fā)送中斷(禁止“寫操作”)給主機。

  ③與②步驟同步,SSD主控器開啟多通道傳輸控制模式,將DDRII(擴展RAM)中的暫存數(shù)據(jù)寫入NandFlash中,如果與②步驟有沖突的數(shù)據(jù)區(qū),則動態(tài)調(diào)整文件系統(tǒng)列表,將數(shù)據(jù)重新寫入其他空閑塊,并同時更新NandFlash中文件列表,如果與②步更新文件有沖突的,則將DDRII中的待寫入數(shù)據(jù)放棄。

  ④完成②和③兩個步驟,SSD控制器發(fā)送選通信號,通知續(xù)流模塊電路停止供電,減少續(xù)流模塊電路的功耗開銷。

  綜上所述,整個SSD主控器的工作模式就是將主控器的工作模式分為了電源穩(wěn)定的正常狀態(tài)工作模式和電源不穩(wěn)定時的應急狀態(tài)工作模式[5],SSD控制器的固件進程流程如圖4所示。

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2 系統(tǒng)驗證

  將掉電時間控制在1 ms~10 ms之間,寫入數(shù)據(jù)為10 MB,DDR2中待搬家數(shù)據(jù)為20 MB。在此虛擬環(huán)境中,測試續(xù)流模塊啟動時間、主控器上報中斷“讀操作”時間和SSD主控器發(fā)出續(xù)流模塊關(guān)閉時間,觀察這三個關(guān)鍵時間的關(guān)系并驗證該SSD重新正常啟動后,文件系統(tǒng)是否未破壞。

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  通過圖5的采樣圖形可以看出,以SSD系統(tǒng)電源5 V為觸發(fā)條件,掉電保護策略啟動:

  (1)續(xù)流模塊的5 V的供電啟動時間比系統(tǒng)電源5 V掉電時間提前了10 ns;

  (2)系統(tǒng)電源5 V掉電時,主控器發(fā)回“關(guān)閉讀操作”中斷;

  (3)續(xù)流模塊持續(xù)供電100 ms后,保證數(shù)據(jù)記錄完成,SSD主控器發(fā)出續(xù)流模塊“關(guān)閉”信號后,續(xù)流模塊輸出的5 V電源關(guān)閉。

  經(jīng)過重新啟動該SSD,重新讀寫SSD正常,證明該機制有效。

3 結(jié)束語

  本文針對嵌入式SSD的應用環(huán)境中的掉電時間和文件系統(tǒng)保護兩個重要指標進行測試,給出了測試結(jié)果,證明了該硬件和固件相結(jié)合的掉電保護策略能夠保證SSD在嵌入式領(lǐng)域中的應用具有高效性和健壯性,但也隨之帶來了SSD的硬件成本和固件開發(fā)的難度。

參考文獻

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