基于IDE接口的電子硬盤設(shè)計(jì)(論文 CAD圖紙全套).doc

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1、基于IDE接口的電子硬盤設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 院 系： XX學(xué)院 姓 名： 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì) 學(xué) 號(hào)： 4200209320XXX 指導(dǎo)教師： XX老師 XX大學(xué)X學(xué)院 2016年9月 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 （應(yīng)由學(xué)生本人按指導(dǎo)教師下達(dá)的任務(wù)認(rèn)真謄寫） 姓名 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師 XXX 學(xué)號(hào) 4200209320194 入學(xué)時(shí)間 2014.09 網(wǎng)站（院系）

2、機(jī)械學(xué)院 一、課題名稱 二、課題內(nèi)容 三、課題任務(wù)要求 四、同組設(shè)計(jì)者 五、主要參考文獻(xiàn) 1 陳紹龍，劉懷平.從選粉濃度解讀高效轉(zhuǎn)子選粉機(jī)技術(shù)：[文獻(xiàn)]，鹽城：科行建材環(huán)保公司，2004 2 許林發(fā).建筑材料機(jī)械設(shè)計(jì)（一）.武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1990 3 潘孝良.硅酸鹽工業(yè)機(jī)械過程及設(shè)備.武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1993 4 葉達(dá)森.粉碎與制成.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1992 5 汪讕.水泥工程師手冊.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.12 6 朱昆泉，許林發(fā).建材機(jī)械工程手冊.武漢：武漢工業(yè)大

3、學(xué)出版社，2000.7 7 楮瑞卿.建材通用機(jī)械與設(shè)備.武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1996.9 8 方景光.粉磨工藝及設(shè)備.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2002.8 9 劉景洲.水泥機(jī)械設(shè)備安裝、修理及典型實(shí)例分析.武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，2002.10 10 劉鐵忠.TLS系列組合式選粉機(jī)的開發(fā).水泥技術(shù)，1999（1）：19 11 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊.3.第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.6 12 胡宗午，徐履冰，石來德.非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.9 13 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊.2.第4版.北京：化學(xué)工業(yè)

4、出版社，2002.1 14 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊.3.第4版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.1 15 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊.4.第4版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.1 16 數(shù)字化手冊編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(軟件版)R2.0.機(jī)械工業(yè)出版社，2003.1 17 陳秀寧、施高義.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì).浙江：浙江大學(xué)出版社，2002 18 武漢建筑材料工業(yè)學(xué)院等學(xué)校.建筑材料機(jī)械及設(shè)備.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1980 19 徐錦康.機(jī)械設(shè)計(jì).第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002 20 吳一善主編.粉碎學(xué)概論.武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1993 21 沈世德.機(jī)

5、械原理.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002 指導(dǎo)教師簽字 教研室主任簽字 年 月 日 （此任務(wù)書裝訂時(shí)放在畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告第一頁） 目錄 第一章 緒論 1 第二章 閃速存儲(chǔ)器簡介 2 2.1 閃速存儲(chǔ)器的產(chǎn)生和發(fā)展 2 2.2閃速存儲(chǔ)器的主要技術(shù)類型 2 2.3閃速存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn) 5 2.4 閃速存儲(chǔ)器的工作模式 7 2.5 閃速存儲(chǔ)器在大容量存儲(chǔ)器領(lǐng)域的應(yīng)用 7 第三章 設(shè)計(jì)方案收集和選擇 9 3.1 設(shè)計(jì)思路 9 3.2 方案1簡介

6、9 3.2 方案2簡介 13 2.3 方案比較和最終選擇 15 第四章 設(shè)計(jì)步驟 17 4.1 繪制設(shè)計(jì)原理圖 17 4.1.1 Orcad軟件簡介 17 4.1.2 在Orcad中制作芯片封裝 17 4.1.3 放置元件及連線 20 4.1.4 原理圖CRC校驗(yàn)及檢錯(cuò) 21 4.1.5 創(chuàng)建網(wǎng)表 23 4.2 繪制PCB板圖 23 4.2.1 PowerPCB軟件簡介 23 4.2.2在PowerPCB中制作芯片封裝 24 4.2.3 導(dǎo)入原理圖網(wǎng)表 27 4.2.4 手動(dòng)布線 27 4.2.5 覆銅 29 第五章 作品調(diào)試及結(jié)論 31 5.1 調(diào)試步驟 3

7、1 5.2 結(jié)論 32 5.3 對設(shè)計(jì)結(jié)果的分析和對作品改進(jìn)方面的考慮 32 謝辭 33 參考文獻(xiàn) 34 附錄 35 第一章 緒論 電子硬盤(IDE Flash Disk)是具備高效能，高穩(wěn)定度的快速記憶體儲(chǔ)存媒體元件，是時(shí)下效能成本比最優(yōu)異的記憶體儲(chǔ)存媒體解決方案。電子硬盤能提供原始的、高性能的和高可靠的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，即使是在惡劣的條件下工作—惡劣的溫度、撞擊、震動(dòng)、干擾等，也不會(huì)對數(shù)據(jù)構(gòu)成威脅。它克服了機(jī)械硬盤的弊病，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、公共安全、電信、軍工、航空等高可靠性的數(shù)據(jù)領(lǐng)域，且由于它體積小、存儲(chǔ)空間靈活、費(fèi)用低，也廣泛地應(yīng)用于民用領(lǐng)域。 電子硬盤中使用的

8、存儲(chǔ)芯片是閃速存儲(chǔ)器Flash Memory，它是一種最早由Intel公司于20世紀(jì)80年代初開發(fā)的具有優(yōu)良電可擦除和可重復(fù)編程特性的新型存儲(chǔ)器。雖然進(jìn)入世界存儲(chǔ)器市場僅僅幾年，但它憑借著優(yōu)良的特性已經(jīng)逐漸開始取代傳統(tǒng)的EPROM、DRAM和SRAM，占據(jù)了十分重要的市場份額。隨著新技術(shù)、新工藝的不斷發(fā)展，F(xiàn)lash Memory集成度不斷提高，價(jià)格不斷降低，這使得其在便攜機(jī)上取代小容量硬盤已成為可能。 本次設(shè)計(jì)的電子硬盤是一種由硬盤控制器（SST55LD019A）、供電電路（AME8800）、Flash Memory芯片（2*K9F5608U0B）和44pin標(biāo)準(zhǔn)IDE接口組成的固態(tài)盤。它

9、的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、外形輕巧、功耗較低、抗震性好，可廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)（如PC及外設(shè)、電信交換機(jī)、儀器儀表和車載系統(tǒng)）、軍用武器系統(tǒng)（雷達(dá)和導(dǎo)航系統(tǒng)）和各種新興的通信設(shè)備（如手機(jī)、傳真，網(wǎng)絡(luò)適配器）中。 本次設(shè)計(jì)的目的在于實(shí)現(xiàn)電子硬盤在臺(tái)式機(jī)和便攜式計(jì)算機(jī)中替代普通硬盤的功能，因此，該電子硬盤在接口方面選用了兼容便攜式電腦主板的44pin標(biāo)準(zhǔn)ATA接口，并可以通過轉(zhuǎn)接口與臺(tái)式機(jī)主板實(shí)現(xiàn)兼容。 第二章 閃速存儲(chǔ)器簡介 2.1 閃速存儲(chǔ)器的產(chǎn)生和發(fā)展 閃速存儲(chǔ)器又稱快擦寫型存儲(chǔ)器、快閃存儲(chǔ)器、閃爍存儲(chǔ)器，是20世紀(jì)80年代末期Intel公司發(fā)明的一種具有高密

10、度、低成本、非易失性等特點(diǎn)的讀/寫半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。它突破了傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器體系，改善了現(xiàn)有存儲(chǔ)器的特性，因而是一種全新的存儲(chǔ)技術(shù)[1]。 存儲(chǔ)器的發(fā)展都具有更大、更小、更低的趨勢，這在閃速存儲(chǔ)器行業(yè)表現(xiàn)得尤為淋漓盡致。隨著半導(dǎo)體制造工藝的發(fā)展，主流閃速存儲(chǔ)器廠家采用0.18μm，甚至0.15μm的制造工藝。借助于先進(jìn)工藝的優(yōu)勢，閃速存儲(chǔ)器的容量可以更大：NOR技術(shù)將出現(xiàn)256Mb的器件，NAND和AND技術(shù)已經(jīng)有1Gb的器件；同時(shí)芯片的封裝尺寸更?。簭淖畛鮀IP封裝，到PSOP、SSOP、TSOP封裝，再到BGA封裝，閃速存儲(chǔ)器已經(jīng)變得非常纖細(xì)小巧；先進(jìn)的工藝技術(shù)也決定了存儲(chǔ)器的低電壓的特性，從最

11、初12V的編程電壓，逐漸下降到5V、3.3V、2.7V、1.8V單電壓供電。這符合國際上低功耗的潮流，更促進(jìn)了便攜式產(chǎn)品的發(fā)展[2]。 另一方面，新技術(shù)、新工藝也推動(dòng)閃速存儲(chǔ)器的位成本大幅度下降：采用NOR技術(shù)的Intel公司的28F128J3價(jià)格為25美元，NAND技術(shù)和AND技術(shù)的閃速存儲(chǔ)器將突破1MB 1美元的價(jià)位，使其具有了取代傳統(tǒng)磁盤存儲(chǔ)器的潛質(zhì)。 世界閃速存儲(chǔ)器市場發(fā)展十分迅速，其規(guī)模接近DRAM（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）市場的1/4，與DRAM和SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）一起成為存儲(chǔ)器市場的三大產(chǎn)品。閃速存儲(chǔ)器的迅猛發(fā)展歸因于資金和技術(shù)的投入，高性能低成本的新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，刺

12、激了閃速存儲(chǔ)器更廣泛的應(yīng)用，推動(dòng)了行業(yè)的向前發(fā)展。 2.2閃速存儲(chǔ)器的主要技術(shù)類型 目前，世界各大存儲(chǔ)器制造商在閃速存儲(chǔ)器中主要采用的技術(shù)有NOR、AND、NAND和EEPROM派生等。 1、 NOR技術(shù) NOR技術(shù)又可分為NOR和DINOR兩種： ①NOR技術(shù)：NOR技術(shù)亦稱為Linear技術(shù)。采用NOR技術(shù)的閃速存儲(chǔ)器是最早出現(xiàn)的Flash Memory，目前仍是多數(shù)供應(yīng)商支持的技術(shù)架構(gòu)。它源于傳統(tǒng)的EPROM器件，與其它Flash Memory技術(shù)相比，具有可靠性高、隨機(jī)讀取速度快的優(yōu)勢，在擦除和編程操作較少而直接執(zhí)行代碼的場合，尤其是純代碼存儲(chǔ)的應(yīng)用中廣泛使用，如PC的BI

13、OS固件、移動(dòng)電話、硬盤驅(qū)動(dòng)器的控制存儲(chǔ)器等。 NOR技術(shù)Flash Memory具有以下特點(diǎn)：（1） 程序和數(shù)據(jù)可存放在同一芯片上，擁有獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線和地址總線，能快速隨機(jī)讀取，允許系統(tǒng)直接從Flash中讀取代碼執(zhí)行，而無需先將代碼下載至RAM中再執(zhí)行；（2） 可以單字節(jié)或單字編程，但不能單字節(jié)擦除，必須以塊為單位或?qū)φ瑘?zhí)行擦除操作，在對存儲(chǔ)器進(jìn)行重新編程之前需要對塊或整片進(jìn)行預(yù)編程和擦除操作。由于NOR技術(shù)Flash Memory的擦除和編程速度較慢，而塊尺寸又較大，因此擦除和編程操作所花費(fèi)的時(shí)間很長，在純數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和文件存儲(chǔ)的應(yīng)用中，NOR技術(shù)顯得力不從心。不過，仍有支持者在以寫入為主

14、的應(yīng)用，如CompactFlash卡中繼續(xù)看好這種技術(shù)。 Intel公司的StrataFlash家族中的最新成員——28F128J3，是迄今為止采用NOR技術(shù)生產(chǎn)的存儲(chǔ)容量最大的閃速存儲(chǔ)器件，達(dá)到128Mb（位），對于要求程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在同一芯片中的主流應(yīng)用是一種較理想的選擇。該芯片采用0.25μm制造工藝，同時(shí)采用了支持高存儲(chǔ)容量和低成本的MLC技術(shù)。所謂MLC技術(shù)（多級(jí)單元技術(shù)）是指通過向多晶硅浮柵極充電至不同的電平來對應(yīng)不同的閾電壓，代表不同的數(shù)據(jù)，在每個(gè)存儲(chǔ)單元中設(shè)有4個(gè)閾電壓(00/01/10/11），因此可以存儲(chǔ)2b信息；而傳統(tǒng)技術(shù)中，每個(gè)存儲(chǔ)單元只有2個(gè)閾電壓（0/1），只能存

15、儲(chǔ)1b信息。在相同的空間中提供雙倍的存儲(chǔ)容量，是以降低寫性能為代價(jià)的。Intel通過采用稱為VFM（虛擬小塊文件管理器）的軟件方法將大存儲(chǔ)塊視為小扇區(qū)來管理和操作，在一定程度上改善了寫性能，使之也能應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中。 ②DINOR技術(shù)：DINOR(Divided bit-line NOR)技術(shù)是Mitsubishi與Hitachi公司發(fā)展的專利技術(shù)，從一定程度上改善了NOR技術(shù)在寫性能上的不足。DINOR技術(shù)Flash Memory和NOR技術(shù)一樣具有快速隨機(jī)讀取的功能，按字節(jié)隨機(jī)編程的速度略低于NOR，而塊擦除速度快于NOR。這是因?yàn)镹OR技術(shù)Flash Memory編程時(shí)，存儲(chǔ)單元內(nèi)部電

16、荷向晶體管陣列的浮柵極移動(dòng)，電荷聚集，從而使電位從1變?yōu)?；擦除時(shí)，將浮柵極上聚集的電荷移開，使電位從0變?yōu)?。而DINOR技術(shù)Flash Memory在編程和擦除操作時(shí)電荷移動(dòng)方向與前者相反。DINOR技術(shù)Flash Memory在執(zhí)行擦除操作時(shí)無須對頁進(jìn)行預(yù)編程，且編程操作所需電壓低于擦除操作所需電壓，這與NOR技術(shù)相反。 盡管DINOR技術(shù)具有針對NOR技術(shù)的優(yōu)勢，但由于自身技術(shù)和工藝等因素的限制，在當(dāng)前閃速存儲(chǔ)器市場中，它仍不具備與發(fā)展數(shù)十年，技術(shù)、工藝日趨成熟的NOR技術(shù)相抗衡的能力。目前DINOR技術(shù)Flash Memory的最大容量達(dá)到64Mb。Mitsubishi公司推出的D

17、INOR技術(shù)器件——M5M29GB/T320，采用Mitsubishi和Hitachi的專利BGO技術(shù)，將閃速存儲(chǔ)器分為四個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，在向其中任何一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行編程或擦除操作的同時(shí)，可以對其它三個(gè)存儲(chǔ)區(qū)中的一個(gè)進(jìn)行讀操作，用硬件方式實(shí)現(xiàn)了在讀操作的同時(shí)進(jìn)行編程和擦除操作，而無須外接EEPROM。由于有多條存取通道，因而提高了系統(tǒng)速度。該芯片采用0.25μm制造工藝，不僅快速讀取速度達(dá)到80ns，而且擁有先進(jìn)的省電性能。在待機(jī)和自動(dòng)省電模式下僅有0.33μW功耗，當(dāng)任何地址線或片使能信號(hào)200ns保持不變時(shí)，即進(jìn)入自動(dòng)省電模式。對于功耗有嚴(yán)格限制和有快速讀取要求的應(yīng)用，如數(shù)字蜂窩電話、汽車導(dǎo)航和全

18、球定位系統(tǒng)、掌上電腦和頂置盒、便攜式電腦、個(gè)人數(shù)字助理、無線通信等領(lǐng)域中可以一展身手。 2、 NAND技術(shù) NAND技術(shù)又可分為NAND和UltraNAND兩種： ①NAND技術(shù)：三星（Samsung）、東芝（TOSHIBA）和富士（Fujistu）支持NAND技術(shù)Flash Memory。這種結(jié)構(gòu)的閃速存儲(chǔ)器適合于純數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和文件存儲(chǔ)，主要作為SmartMedia卡、CompactFlash卡、PCMCIA ATA卡、固態(tài)盤的存儲(chǔ)介質(zhì)，并正成為閃速磁盤技術(shù)的核心。 NAND技術(shù)Flash Memory具有以下特點(diǎn)：（1） 以頁為單位進(jìn)行讀和編程操作，1頁為256或512B（字節(jié)）；以

19、塊為單位進(jìn)行擦除操作，1塊為4K、8K或16KB。具有快編程和快擦除的功能，其塊擦除時(shí)間是2ms；而NOR技術(shù)的塊擦除時(shí)間達(dá)到幾百ms。（2） 數(shù)據(jù)、地址采用同一總線，實(shí)現(xiàn)串行讀取。隨機(jī)讀取速度慢且不能按字節(jié)隨機(jī)編程。（3） 芯片尺寸小，引腳少，是位成本(bit cost)最低的固態(tài)存儲(chǔ)器，將很快突破每兆字節(jié)1美元的價(jià)格限制。（4） 芯片包含有失效塊，其數(shù)目最大可達(dá)到3~35塊（取決于存儲(chǔ)器密度）。失效塊不會(huì)影響有效塊的性能，但設(shè)計(jì)者需要將失效塊在地址映射表中屏蔽起來。 Samsung公司在1999年底開發(fā)出世界上第一顆1Gb NAND技術(shù)閃速存儲(chǔ)器。據(jù)稱這種Flash Memory可以存儲(chǔ)5

20、60張高分辨率的照片或32首CD質(zhì)量的歌曲，將成為下一代便攜式信息產(chǎn)品的理想媒介。Samsung采用了許多DRAM的工藝技術(shù)，包括首次采用0.15μm的制造工藝來生產(chǎn)這顆Flash。已經(jīng)批量生產(chǎn)的K9K1208UOM采用0.18μm工藝，存儲(chǔ)容量為512Mb[3]。 ②UltraNAND AMD與Fujistu共同推出的UltraNAND技術(shù)，稱之為先進(jìn)的NAND閃速存儲(chǔ)器技術(shù)。它與NAND標(biāo)準(zhǔn)兼容：擁有比NAND技術(shù)更高等級(jí)的可靠性；可用來存儲(chǔ)代碼，從而首次在代碼存儲(chǔ)的應(yīng)用中體現(xiàn)出NAND技術(shù)的成本優(yōu)勢；它沒有失效塊，因此不用系統(tǒng)級(jí)的查錯(cuò)和校正功能，能更有效地利用存儲(chǔ)器容量。 與DIN

21、OR技術(shù)一樣，盡管UltraNAND技術(shù)具有優(yōu)勢，但在當(dāng)前的市場上仍以NAND技術(shù)為主流。UltraNAND家族的第一個(gè)成員是AM30LV0064，采用0.25μm制造工藝，沒有失效塊，可在至少104次擦寫周期中實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)操作，適用于要求高可靠性的場合，如電信和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、個(gè)人數(shù)字助理、固態(tài)盤驅(qū)動(dòng)器等。研制中的AM30LV0128容量達(dá)到128Mb，而AMD的計(jì)劃UltraNAND技術(shù)Flash Memory將突破每兆字節(jié)1美元的價(jià)格限制，更顯示出它對于NOR技術(shù)的價(jià)格優(yōu)勢。 3、AND技術(shù) AND技術(shù)是日立（Hitachi）公司的專利技術(shù)。Hitachi和三菱（Mitsubishi）共同支

22、持AND技術(shù)的Flash Memory。AND技術(shù)與NAND一樣采用“大多數(shù)完好的存儲(chǔ)器”概念，目前，在數(shù)據(jù)和文檔存儲(chǔ)領(lǐng)域中是另一種占重要地位的閃速存儲(chǔ)技術(shù)。 Hitachi和Mitsubishi公司采用0.18μm的制造工藝，并結(jié)合MLC技術(shù)，生產(chǎn)出芯片尺寸更小、存儲(chǔ)容量更大、功耗更低的512Mb-AND Flash Memory，再利用雙密度封裝技術(shù)DDP（Double Density Package Technology），將2片512Mb芯片疊加在1片TSOP48的封裝內(nèi)，形成一片1Gb芯片。HN29V51211T具有突出的低功耗特性，讀電流為2mA，待機(jī)電流僅為1μA，同時(shí)由于其內(nèi)

23、部存在與塊大小一致的內(nèi)部RAM 緩沖區(qū)，使得AND技術(shù)不像其他采用MLC的閃速存儲(chǔ)器技術(shù)那樣寫入性能嚴(yán)重下降。Hitachi公司用該芯片制造128MB的MultiMedia卡和2MB的PC-ATA卡，用于智能電話、個(gè)人數(shù)字助理、掌上電腦、數(shù)字相機(jī)、便攜式攝像機(jī)、便攜式音樂播放機(jī)等[4]。 4、由EEPROM派生的閃速存儲(chǔ)器 EEPROM具有很高的靈活性，可以單字節(jié)讀寫（不需要擦除，可直接改寫數(shù)據(jù)），但存儲(chǔ)密度小，單位成本高。部分制造商生產(chǎn)出另一類以EEPROM做閃速存儲(chǔ)陣列的Flash Memory，如ATMEL、SST的小扇區(qū)結(jié)構(gòu)閃速存儲(chǔ)器（Small Sector Flash Memo

24、ry）和ATMEL的海量存儲(chǔ)器（Data-Flash Memory）。這類器件具有EEPROM與NOR技術(shù)Flash Memory二者折衷的性能特點(diǎn)：（1）讀寫的靈活性遜于EEPROM，不能直接改寫數(shù)據(jù)。在編程之前需要先進(jìn)行頁擦除，但與NOR技術(shù)Flash Memory的塊結(jié)構(gòu)相比其頁尺寸小，具有快速隨機(jī)讀取和快編程、快擦除的特點(diǎn)。（2）與EEPROM比較，具有明顯的成本優(yōu)勢。（3）存儲(chǔ)密度比EEPROM大，但比NOR技術(shù)Flash Memory小，如Small Sector Flash Memory的存儲(chǔ)密度可達(dá)到4Mb，而32Mb的DataFlash Memory芯片有試用樣品提供。正因?yàn)?/p>

25、這類器件在性能上的靈活性和成本上的優(yōu)勢，使其在如今閃速存儲(chǔ)器市場上仍占有一席之地。 Small Sector Flash Memory采用并行數(shù)據(jù)總線和頁結(jié)構(gòu)（1頁為128或256B），對頁執(zhí)行讀寫操作，因而既具有NOR技術(shù)快速隨機(jī)讀取的優(yōu)勢，又沒有其編程和擦除功能的缺陷，適合代碼存儲(chǔ)和小容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，廣泛地用以替代EPROM。 DataFlash Memory是ATMEL的專利產(chǎn)品，采用SPI串行接口，只能依次讀取數(shù)據(jù)，但有利于降低成本、增加系統(tǒng)的可靠性、縮小封裝尺寸。主存儲(chǔ)區(qū)采取頁結(jié)構(gòu)。主存儲(chǔ)區(qū)與串行接口之間有2個(gè)與頁大小一致的SRAM數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。特殊的結(jié)構(gòu)決定它存在多條讀寫通道：既

26、可直接從主存儲(chǔ)區(qū)讀取數(shù)據(jù)，又可通過緩沖區(qū)從主存儲(chǔ)區(qū)讀取或向主存儲(chǔ)區(qū)寫入數(shù)據(jù)，兩個(gè)緩沖區(qū)之間可以相互讀取或?qū)懭?，主存?chǔ)區(qū)還可借助緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)比較。適合于諸如答錄機(jī)、尋呼機(jī)、數(shù)字相機(jī)等能接受串行接口和較慢讀取速度的數(shù)據(jù)或文件存儲(chǔ)應(yīng)用。 2.3閃速存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn) 閃速存儲(chǔ)器是一類非易失性存儲(chǔ)器NVM（Non-Volatile Memory），即在供電電源關(guān)閉后仍能保持片內(nèi)信息；而諸如DRAM、SRAM這類易失性存儲(chǔ)器，當(dāng)供電電源關(guān)閉時(shí)片內(nèi)信息隨即丟失。閃速存儲(chǔ)器集中了其它類非易失性存儲(chǔ)器的特點(diǎn)：與 EPROM（電可編程只讀存儲(chǔ)器）相比較，閃速存儲(chǔ)器具有明顯的優(yōu)勢——在系統(tǒng)中具有電可擦除

27、和可重復(fù)編程的特性，而不需要特殊的高電壓（某些第一代閃速存儲(chǔ)器也要求高電壓來完成擦除和/或編程操作）；與EEPROM相比較，閃速存儲(chǔ)器具有成本低、密度大的特點(diǎn)[5]。 閃速存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)元電路是在CMOS單晶體管EPROM存儲(chǔ)元的基礎(chǔ)上制造的，因此集成度高且具有非易失性。所不同的是，EPROM借助紫外線擦除，而閃速存儲(chǔ)器則實(shí)施了電擦除和重新編程能力，同時(shí)具有單一供電特性。由于其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的EPROM，所以得到了快速發(fā)展。 閃速存儲(chǔ)器主要由存儲(chǔ)體、地址緩沖器、譯碼器、命令用戶接口（CUI）、狀態(tài)標(biāo)示寄存器、寫狀態(tài)WSM、復(fù)接器和數(shù)據(jù)輸入/輸出電路等邏輯電路構(gòu)成。圖2-1所示為閃速存儲(chǔ)器的內(nèi)部

28、結(jié)構(gòu)框圖： 控制信號(hào) 命令用戶接口（CUI） 寫狀態(tài)WSM 狀態(tài)/標(biāo)示寄存器 輸入/輸出緩沖器 復(fù)接器 Y門 存儲(chǔ)體 地址總線 地 Y譯碼器 址 鎖 X譯碼器 存 器 數(shù)據(jù)總線 . .

29、 . . . 圖2-1 閃速存儲(chǔ)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 存儲(chǔ)體用于存放信息。為方便應(yīng)用，閃速存儲(chǔ)器將存儲(chǔ)體中的存儲(chǔ)單元分為各種功能模塊，各模塊的大小不等，存儲(chǔ)內(nèi)容不同，操作時(shí)各自獨(dú)立。各模塊分別占據(jù)整個(gè)閃速存儲(chǔ)器芯片尋址空間的一部分，各塊可以定義為不同的操作模式，可以單獨(dú)進(jìn)行編程，而不影響其他模塊中的數(shù)據(jù)信息，所以閃速存儲(chǔ)器可以很方便地對數(shù)據(jù)實(shí)行塊操作。 地址緩沖器和譯碼器用于對地址總線上的地址編碼進(jìn)行譯

30、碼，以便對芯片中的存儲(chǔ)單元進(jìn)行尋址訪問。閃速存儲(chǔ)器通常采用雙譯碼。 輸入/輸出電路位于數(shù)據(jù)線和存儲(chǔ)單元之間，用于控制被選中的存儲(chǔ)單元的讀出或?qū)懭搿? 命令用戶接口（CUI）負(fù)責(zé)閃速存儲(chǔ)器外部用戶命令與其內(nèi)部寫狀態(tài)機(jī)之間的接口，由寫狀態(tài)根據(jù)外部輸入到閃速存儲(chǔ)器中的命令來控制整個(gè)存儲(chǔ)芯片的各項(xiàng)操作。寫狀態(tài)機(jī)控制模塊的擦除和頁面編程操作，通過寫入到命令用戶接口（CUI）中的命令來選擇操作模式。寫狀態(tài)完成相應(yīng)操作時(shí)，其狀態(tài)反映在狀態(tài)寄存器中。 狀態(tài)/標(biāo)示寄存器提供芯片編程或擦除操作的各種狀態(tài)信息[7]。 2.4 閃速存儲(chǔ)器的工作模式 閃速存儲(chǔ)器的工作模式有多種，大體上可以分為寫操作模式、讀操作

31、模式、輸出禁止操作模式、在線等待模式和關(guān)閉電源模式。 ①讀操作模式：閃速存儲(chǔ)器具有3種讀操作模式，分別針對存儲(chǔ)陣列中數(shù)據(jù)信息的讀取、狀態(tài)寄存器的讀取和標(biāo)示碼的讀取等，不同的讀操作對應(yīng)不同的命令。讀操作前需要將各種讀命令預(yù)先寫入命令用戶接口（CUI）。在初始狀態(tài)下，閃速存儲(chǔ)器自動(dòng)復(fù)位在讀存儲(chǔ)陣列模式。 ②寫操作模式：在一定的編程電壓下，通過命令用戶接口（CUI）實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)體中各存儲(chǔ)模塊信息的擦除、編程及其他操作。 ③在線等待模式：當(dāng)片選信號(hào)處于某種狀態(tài)（通常為高電平）時(shí)，芯片處于在線等待模式，該模式抑制了大部分電路，因而大大降低了器件的功耗，數(shù)據(jù)引腳也處于高阻狀態(tài)。例如，在塊擦除或塊編程期間

32、，如果原來被選中的存儲(chǔ)塊后來被取消，此時(shí)其內(nèi)部控制電路仍然維持有功電流，芯片功耗降至在線等待狀態(tài)，直至當(dāng)前操作結(jié)束。 ④輸出禁止操作模式：芯片的輸出允許控制端處于某種狀態(tài)（通常為高電平）時(shí)，芯片被禁止輸出，數(shù)據(jù)輸出引腳置于高阻狀態(tài)。 ⑤關(guān)閉電源模式：關(guān)閉電源模式實(shí)際上是非工作狀態(tài)。在這種狀態(tài)中，芯片功耗最低，數(shù)據(jù)輸入和輸出引腳均處于高阻狀態(tài)。閃速存儲(chǔ)器一般有數(shù)據(jù)保護(hù)功能，可以對其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)。如果工作中發(fā)生掉電情況，通過對存儲(chǔ)體中每個(gè)分塊對應(yīng)的鎖定位的設(shè)置，可以決定能否對塊中的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。另外，大多數(shù)閃速存儲(chǔ)器還有一個(gè)寫保護(hù)引腳，該引腳有效時(shí)，可以將閃速存儲(chǔ)器設(shè)為只讀狀態(tài)，禁止對鎖定

33、位對應(yīng)的存儲(chǔ)塊進(jìn)行任何修改[8]。 2.5 閃速存儲(chǔ)器在大容量存儲(chǔ)器領(lǐng)域的應(yīng)用 在現(xiàn)階段，閃速存儲(chǔ)器除了取代EPROM和EEPROM來存放主板和顯卡的BIOS（基本輸入/輸出系統(tǒng)）外，還廣泛應(yīng)用于便攜式計(jì)算機(jī)的PC卡存儲(chǔ)器（固態(tài)硬盤）。閃速存儲(chǔ)器芯片耗電低、集成度高、體積小、可靠性高，且讀取速度大大高于硬盤驅(qū)動(dòng)器，加之沒有機(jī)電移動(dòng)裝置，抗震性能好，非常適合便攜機(jī)之類的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，成為替代磁盤的一種理想工具，近年來在USB等接口的電子盤和數(shù)碼相機(jī)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。 閃速存儲(chǔ)器直接與CPU相連，由于省去了從磁盤到RAM的加載過程，工作速度僅僅取決于閃速存儲(chǔ)器的存取時(shí)間，使CPU實(shí)現(xiàn)

34、了無等待時(shí)間，用戶得以充分享受程序和數(shù)據(jù)的高速存取。另外，閃速存儲(chǔ)器是一種高密度的廉價(jià)存儲(chǔ)器，1M位閃速存儲(chǔ)器的單位成本比SRAM低一半以上，16M位的單位成本更低。相同存儲(chǔ)器容量的閃速存儲(chǔ)器和DRAM相比，位成本基本接近，但閃速存儲(chǔ)器不需要后援存儲(chǔ)器（磁盤）的額外開銷和空間[9]。 由于閃速存儲(chǔ)器可用作固態(tài)大容量存儲(chǔ)器，且它與普通硬盤相比，可靠性及耐用性好，抗沖擊、抗振動(dòng)能力強(qiáng)，功耗低。因此，隨著閃速存儲(chǔ)器集成度不斷提高，價(jià)格不斷降低，使其在便攜機(jī)上取代小容量硬盤已成為可能[10]。目前研制的閃速存儲(chǔ)器都符合PCMCIA標(biāo)準(zhǔn)，可以十分方便地用于各種便攜式計(jì)算機(jī)中以取代磁盤。以車載系統(tǒng)為例：

35、作為車載系統(tǒng)信息集成的硬件平臺(tái)GPS車載導(dǎo)航儀需要快速讀取硬盤中的地理信息數(shù)據(jù)、查詢路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫和執(zhí)行路徑選優(yōu)算法等。大容量存儲(chǔ)器因?yàn)橐cCPU進(jìn)行頻繁的通信、進(jìn)行高速協(xié)調(diào)工作，它的可靠程度直接決定了導(dǎo)航儀的可靠性。采用磁原理的普通PC機(jī)硬盤，抗振動(dòng)能力差、易于損壞，不適于車載。因此，大容量的采用閃速存儲(chǔ)器的電子硬盤是一個(gè)比較理想的選擇[11]。 目前，閃速存儲(chǔ)器已經(jīng)成為制作電子硬盤的主流介質(zhì)，如果是制作容量在2MB以下的電子硬盤可以選用27/28/29系列的芯片，單片容量在512KB，成本只有幾十元，若需要更大容量，就必需采用高密度Flash，也就是NAND型的Flash。這種Flash起點(diǎn)

36、價(jià)格較高，但起點(diǎn)容量更高，最小的4MB、8MB已經(jīng)停產(chǎn)，一般是16MB（相當(dāng)于128Mbit）起步，所以每MB的價(jià)格相對而言比較劃算。隨著PC機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，老式的ISA插槽越來越少，即將淘汰，所以ISA插卡的產(chǎn)品繼續(xù)做成插卡式的話必須向PCI轉(zhuǎn)型[12]。在這一形勢下，采用IDE接口的電子硬盤應(yīng)運(yùn)而生，可以說IDE接口的電子硬盤更接近普通硬盤，ISA卡式電子硬盤主要有Flash和邏輯電路組成，只是將Flash映射到PC機(jī)內(nèi)存區(qū)，例如0xd800，開一個(gè)窗口實(shí)現(xiàn)讀寫，驅(qū)動(dòng)程序是ROMBIOS的擴(kuò)展。IDE接口的電子硬盤除了使用Flash外，還有專門提供IDE接口的CPU和為提高訪問速度而設(shè)置的C

37、ache，所以有更好的性能表現(xiàn)，安裝IDE接口的電子硬盤和普通硬盤完全相同。IDE接口電子硬盤從安裝方式而言可以分兩種，一種是模塊結(jié)構(gòu)，體積小巧，另一種外觀與普通硬盤一樣的。模塊結(jié)構(gòu)比較便宜，普通硬盤結(jié)構(gòu)價(jià)格稍貴，一般工程客戶應(yīng)該選用模塊結(jié)構(gòu)的以降低成本。IDE接口的電子硬盤由于容量較大，與硬盤直接互換，也就是說與操作系統(tǒng)無關(guān)，故非常適合用于信息家電場合，裝載Windows核心程序、Linux系統(tǒng)及相應(yīng)的應(yīng)用程序諸如瀏覽器、電子郵件程序等等，此外還有工業(yè)控制、嵌入式系統(tǒng)等專門領(lǐng)域用到的多種操作系統(tǒng)，只要能用普通硬盤的地方，IDE接口的電子硬盤都能勝任，這些系統(tǒng)舉例如下：Linux, QNX,

38、Informer, Lineo and Linux Based OS,PSOS, VxWorks, iRMX, Super Task ,Windows NT, Embedded NT, Win95/98/2000, Win CE, DOS 5.0/6.22等等[13]。 第三章 設(shè)計(jì)方案收集和選擇 3.1 設(shè)計(jì)思路 本次設(shè)計(jì)的電子硬盤，主要應(yīng)由供電電路、硬盤控制器、閃速存儲(chǔ)器芯片組成，接口采用題目要求的IDE接口。供電電路是電子硬盤的動(dòng)力來源，它把主機(jī)通過IDE接口輸入的+5v電壓轉(zhuǎn)換為各塊芯片所需的工作電壓，電子硬盤的穩(wěn)定首先來自電源輸入的穩(wěn)定，因此供電電路的設(shè)計(jì)是整個(gè)

39、電路設(shè)計(jì)中十分重要的一環(huán)。硬盤控制器作為主機(jī)和閃速存儲(chǔ)器的傳輸紐帶，通過總線與IDE接口和閃速存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，通過各種控制信號(hào)控制對閃速存儲(chǔ)器存儲(chǔ)區(qū)域的讀寫操作。同時(shí)，硬盤控制器可以接受來自主機(jī)的控制信號(hào)，并通過該信號(hào)改變電子硬盤的工作方式。閃速存儲(chǔ)器作為電子硬盤的存儲(chǔ)介質(zhì)，主要功能在于長期、穩(wěn)定和安全地保證數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存。 經(jīng)過大量網(wǎng)絡(luò)和文獻(xiàn)資料的搜集和整理工作，我最后挑選出兩個(gè)比較合適的方案。我將在下面的敘述中對這兩個(gè)方案做出具體的分析和比較，以確定最終的設(shè)計(jì)方案。 3.2 方案1簡介 方案1包括硬盤控制器MX9691L，程序存儲(chǔ)器MX28F2100T，數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)器74F245（2

40、片），控制總線驅(qū)動(dòng)器74F244，閃速存儲(chǔ)器芯片K9F5608U0B（32M*8bit，2片），44pin 標(biāo)準(zhǔn)IDE接口。 硬盤控制器采用的是旺宏公司生產(chǎn)的電子硬盤專用控制器MX9691L，為128腳LQFP封裝，具有寬工作電壓范圍3.3~5V，可提供標(biāo)準(zhǔn)的PCMCIA和IDE接口。它的內(nèi)部包括MX93011的DSP內(nèi)核 21MIPS、1KB的緩沖數(shù)據(jù)區(qū)、PCMCIA/ATA接口、Flash存儲(chǔ)器接口和時(shí)鐘、復(fù)位電路等。 采用MX9691作為Flash硬盤的驅(qū)動(dòng)控制器有很多優(yōu)點(diǎn)。MX9691為旺宏公司生產(chǎn)的專用硬盤驅(qū)動(dòng)控制芯片，優(yōu)化功能強(qiáng)大，沒有冗余模塊且封裝緊湊，便于進(jìn)一步小型

41、化和降低功耗。MX9691支持PIO Mode-4、Multi-word DMA Mode-2兩種最新的傳輸模式,與三星公司的Flash存儲(chǔ)芯片兼容性好，不需再增加其它電路，因此可靠性高。旺宏公司對MX9691有強(qiáng)大的軟件支持，很多固件可以直接購買。因?yàn)镸X9691支持在線編程，升級(jí)和維護(hù)非常簡單。另外，MX9691為低功耗設(shè)計(jì)，它有3種節(jié)電模式：Idle、Standby和Sleep。MX9691可以通過查詢自己的工作狀態(tài)，自動(dòng)進(jìn)入相應(yīng)的節(jié)電模式，因此功耗很低[14]。MX9691L的功能框圖如圖3-1所示： 圖3-1 MX9691L的功能框圖 Flash 芯片采用的是三星公

42、司生產(chǎn)的K9F5608U0B。它是48腳表面封裝器件，采用TSOP-48封裝，內(nèi)部具有(32M+1024K)×8bit的存儲(chǔ)空間，共32768行，528列，其中后備的16列位于512列到527列。它內(nèi)部有一個(gè)528字節(jié)的數(shù)據(jù)寄存器，可以用于頁讀、頁編程操作時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換。它可以進(jìn)行528字節(jié)為一頁的頁讀和寫操作，并可以進(jìn)行以16K為一塊的塊擦除操作。 K9F5608U0B的突出優(yōu)點(diǎn)在于：命令、地址和數(shù)據(jù)信息均通過8條I/O線傳輸，尋址單元的地址線不作為芯片的引出腳，24位地址分三次寫入地址鎖存器，譯碼后找到相應(yīng)的單元[15]。 Flash硬盤工作原理框圖如圖3-2所示，硬盤控制器MX96

43、91是CPU與Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的控制通道。數(shù)據(jù)交換不僅可以采用程序控制方式和中斷控制方式，還可以采用直接存儲(chǔ)器存取方式(DMA)。在DMA方式下，MX9691內(nèi)部的DMA控制器利用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)可以與IDE適配器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)高速交換。因?yàn)椴捎弥芷诟`取技術(shù)(cycle stealing) 使得數(shù)據(jù)傳送工作對系統(tǒng)總線具有較高的使用權(quán)。因?yàn)椴捎酶咚俚腗X93011 DSP內(nèi)核(21Mips)，進(jìn)行主機(jī)到緩沖區(qū)的突發(fā)數(shù)據(jù)傳送時(shí)速率可以達(dá)到20MB/s。同時(shí)，MX9691還支持PIO模式4(16.6MB/s)和DMA模式2(16.6MB/s)。 IDE接口控制器

44、 IOW IOR REG HA0 HA1 標(biāo) 準(zhǔn) IDE 接 口 復(fù)位電路 IOW# A0—A7 IOR# REG# HA0# HA1# A8—A15 MX9691L FCE# RDFLASH# WRFLASH# ROMWR# FALE# RD# FCLE# ROMCS 復(fù)位電路 CS 程序存儲(chǔ)器 RD MX28F2100T WR 數(shù)據(jù)

45、總線驅(qū)動(dòng)器 74F245 數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)器 74F245 控制總線 驅(qū)動(dòng)器 74F244 D0—D7 D8—D15 K9F5608U0B CE RD WR ALE CLE DB1 DB1

46、 CE1 DB DB2 CB DB2 DB CE2

47、 DMA控制 2片 DB AB CB 圖3-2 Flash硬盤工作原理框圖 硬盤控制器在與Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信操作時(shí)，數(shù)據(jù)已被放入內(nèi)存中，MX9691首先把內(nèi)存中的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)部高速緩存中，然后通過識(shí)別接收的

48、指令類型和查詢FAT得到要尋址的Flash存儲(chǔ)器的編號(hào)。在對Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行寫操作前，先把要寫入的信息依次放到數(shù)據(jù)總線上，經(jīng)過TW的時(shí)間，待數(shù)據(jù)(包括指令、地址和數(shù)據(jù))穩(wěn)定后，通過對要尋址的Flash存儲(chǔ)器編號(hào)的解碼，從端口＃601FH輸出FCE片選信號(hào)選中相應(yīng)的Flash芯片。在WR＃和WRFLASH＃同時(shí)有效時(shí)，數(shù)據(jù)被寫入相應(yīng)的Flash存儲(chǔ)單元中。讀操作與此類似。MX9691L的讀操作時(shí)序和寫操作時(shí)序分別如圖3-3和圖3-4所示： 圖3-3 MX9691L的讀操作時(shí)序 圖3-4 MX9691L的寫操作時(shí)序 MX28F2100T

49、為程序存貯器，它通過標(biāo)準(zhǔn)ATA接口經(jīng)編譯的可執(zhí)行文件可以對它直接在線編程。74F245和74F244為總線驅(qū)動(dòng)器，在所選Flash存儲(chǔ)器較多時(shí)可以提高總線驅(qū)動(dòng)能力。 考慮到電子硬盤應(yīng)用的廣泛性，在接口方面選擇了44pin標(biāo)準(zhǔn)ATA接口。44pinIDE接口定義完全與便攜式計(jì)算機(jī)硬盤相同，也可以通過轉(zhuǎn)接口轉(zhuǎn)為40pin數(shù)據(jù)口和4pin電源口，實(shí)現(xiàn)與臺(tái)式機(jī)主板兼容。44pin標(biāo)準(zhǔn)IDE接口定義如表3-1所示： 表3-1 44pin標(biāo)準(zhǔn)IDE接口定義 引腳號(hào) 信號(hào)名稱及描述 引腳號(hào) 信號(hào)名稱及描述 1 RST# 2 GND 3 DATA7 4 DATA8 5 D

50、ATA6 6 DATA9 7 DATA5 8 DATA10 9 DATA4 10 DATA11 11 DATA3 12 DATA12 13 DATA2 14 DATA13 15 DATA1 16 DATA14 17 DATA0 18 DATA15 19 GND 20 KEY-PIN 21 IDE$PDREQ 22 GND 23 IDE$PIOWR* 24 GND 25 IDE$PIORR* 26 GND 27 IDE$PIORDYR 28 PLL-Vcc 29 IDE$PDACK* 30 GND

51、 31 ISA$IRQ14 32 PLL-Vcc 33 IDE$A1 34 NC 35 IDE$A0 36 IDE$A2 37 IDE$CS0* 38 IDE$CS1* 39 -HD_LED1 40 GND 41 Vcc 42 Vcc 43 GND 44 GND 3.2 方案2簡介 方案2包括硬盤控制器SST55LD019A，閃速存儲(chǔ)器芯片K9F5608U0B（32M*8bit，2片），供電部分300mA CMOS 線性穩(wěn)壓器AME8800，44pin標(biāo)準(zhǔn)IDE接口。 硬盤控制器使用的是SST公司生產(chǎn)的SST55LD019A，它

52、使用100pin的TQFP封裝，具有低功耗（工作電壓3.3v-5v）、主機(jī)讀取速度快（最快可達(dá)10M/s）、穩(wěn)定性好（可在-40℃~85℃的工業(yè)環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行）、兼容性好（支持PIO Mode-4、Multi-word DMA Mode-2兩種最新的傳輸模式，兼容標(biāo)準(zhǔn)NAND型Flash Memory）等優(yōu)點(diǎn)。 SST55LD019A主要包括微處理器單元（MCU）、內(nèi)部直接存儲(chǔ)器接入（DMA）、電源管理單元（PMU）、SRAM緩沖器、嵌入式閃存文件系統(tǒng)、糾錯(cuò)編碼（ECC）、串行通信接口（SCI）和多任務(wù)接口。 ① 微處理器單元（MCU）：微處理器單元把ATA/IDE信號(hào)轉(zhuǎn)換成閃存芯片所需的

53、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。 ② 內(nèi)部直接存儲(chǔ)器接入（DMA）：ATA閃存盤控制器使用內(nèi)部DMA允許常用數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)轉(zhuǎn)移到閃存芯片。這種執(zhí)行方式可以減少微處理器使用傳統(tǒng)的、基于固件的連接方式，從而增加了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移的速率。 ③ 電源管理單元（PMU）：電源管理單元控制ATA閃存盤控制器的電源消耗，它通過使沒有工作的電路部分進(jìn)入休眠狀態(tài)，極大地降低了閃存盤控制器的電源消耗。 ④ SRAM緩沖器對ATA閃存盤控制器的正常運(yùn)行發(fā)揮了重大作用，它優(yōu)化了主機(jī)和閃存芯片之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。 ⑤ 嵌入式閃存文件系統(tǒng)是ATA閃存盤控制器的一個(gè)集成部分。它包括了實(shí)現(xiàn)以下操作的MCU固件： a． 轉(zhuǎn)換主機(jī)信號(hào)以便對閃存芯片

54、進(jìn)行讀寫。 b． 通過把對閃存芯片的寫入擴(kuò)展到所有未被使用的地址空間，從而極大地降低了閃存芯片的損耗程度并增加芯片的使用壽命。 c． 維護(hù)數(shù)據(jù)文件的結(jié)構(gòu)路徑。 d． 管理被選擇的保護(hù)區(qū)域的系統(tǒng)安全性。 ⑥ 糾錯(cuò)編碼（ECC）：ATA閃存盤控制器利用72bit的Reed-Solomon錯(cuò)誤檢測碼糾錯(cuò)編碼，這兩種編碼提供了每個(gè)512字節(jié)數(shù)據(jù)塊對以下錯(cuò)誤的免疫性： a．3個(gè)隨機(jī)12bit的符號(hào)錯(cuò)誤（可修正）。 b．25bit的單突變碼錯(cuò)誤（可修正）。 c．61bit的單突變碼錯(cuò)誤和15bit的雙突變碼錯(cuò)誤（可檢測）。 d．6個(gè)隨機(jī)12bit的符號(hào)錯(cuò)誤（可檢測）。 ⑦

55、串行通信接口（SCI）：串行通信接口被設(shè)計(jì)為使用戶能夠重新啟動(dòng) 初始化過程和定制驅(qū)動(dòng)識(shí)別信息。 ⑧ 多任務(wù)接口：多任務(wù)接口通過允許并發(fā)讀取、編程和擦除操作來成倍增加閃存設(shè)備，實(shí)現(xiàn)快速、持續(xù)的寫入操作[16]。 SST55LD019A的功能結(jié)構(gòu)框圖如圖3-5所示： 圖3-5 SST55LD019A的功能結(jié)構(gòu)框圖 由于三星公司生產(chǎn)的閃速存儲(chǔ)器芯片對ATA閃存盤控制器有著良好的兼容性，因此，方案2中的閃速存儲(chǔ)器芯片同樣采用了2片三星公司的K9F5608U0B，構(gòu)成64M的容量。 方案2特別地把整個(gè)電路的供電部分作為重點(diǎn)，采用了AME公司生產(chǎn)的AME8800。A

56、ME8800是一種CMOS線性穩(wěn)壓器（LDO），它采用SOT23封裝，主要優(yōu)點(diǎn)有：很低的壓降，誤差精確到1.5%以內(nèi)的穩(wěn)定300mA電流輸出，自動(dòng)過溫保護(hù)和過流保護(hù)，可在出廠時(shí)預(yù)置輸出電壓等（本次設(shè)計(jì)使用的AME8800輸出電壓在出廠時(shí)被設(shè)為3.3v）[17]。AME8800的典型應(yīng)用電路圖如圖3-6所示： 圖3-6 AME8800的典型應(yīng)用電路圖 同樣考慮到和便攜式電腦和臺(tái)式機(jī)主板兼容性的原因，方案2中同樣采用了44pin標(biāo)準(zhǔn)IDE接口。 2.3 方案比較和最終選擇 對比方案1和方案2，主要的區(qū)別在于硬盤控制器和供電部分的選擇。 1、 硬盤控制器的比較：由圖3

57、-1和圖3-5，我們可以列出以下表格： 表3-2 MX9691L和SST55LD019A的功能結(jié)構(gòu)對比 功能模塊 MX9691L SST55LD019A 微控制器單元 MX93011 DSP CORE MCU PCMCIA/ATA接口（并行） 支持 支持 SCI接口（串行） 不支持 支持 SRAM緩沖器 有 有 內(nèi)部DMA（內(nèi)部直接存儲(chǔ)器訪問） 不支持 支持 內(nèi)部ECC（糾錯(cuò)編碼） 有 有 內(nèi)部電源管理 無 PMU 多任務(wù)接口（支持多片閃存芯片） 支持 支持 嵌入式Flash文件系統(tǒng) 無 有 內(nèi)部時(shí)鐘源和復(fù)位電路 有 有

58、 從表3-2可以看出，SST55LD019A和MX9691L相比，主要有以下優(yōu)點(diǎn)： a、提供了對串行通信方式的支持。 b、內(nèi)部提供了嵌入式Flash文件系統(tǒng)，可以省去外接程序存儲(chǔ)器的麻煩。 c、通過對內(nèi)部DMA的支持大大提高了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移的速率。 d、出色的內(nèi)部電源管理也能夠通過休眠不工作的模塊來降低電路的功耗。因此，相對而言，以SST55LD019A作為硬盤控制器較為合適。 2、供電部分的比較：方案1中并沒有采用專門的供電電路，而是直接從44pin標(biāo)準(zhǔn)IDE接口的41和42腳輸入+5v電壓，直接供給硬盤控制器和閃存芯片，雖然+5v輸入電壓仍在芯片的可靠工作范圍之內(nèi)，但是僅僅依靠芯

59、片外圍的幾個(gè)模擬元件無法保證穩(wěn)定的電壓和電流輸出，當(dāng)輸入電流或工作電壓超過電路負(fù)荷時(shí)也無法采取必要的安全措施來保護(hù)電路。而方案2中采用了專門的供電用芯片CMOS線性穩(wěn)壓器AME8800，可以既保證較低的壓降又能精確地保證300mA的穩(wěn)定電流輸出，同時(shí)它自帶的過流保護(hù)和過溫保護(hù)功能也能在突發(fā)情況下自動(dòng)切斷電源，保護(hù)電路的安全。因此，從電路穩(wěn)定供電和安全的角度看，方案2是比較合適的。 除了以上兩個(gè)主要區(qū)別外，由于方案1中還額外采用了一片程序存儲(chǔ)器，兩片總線驅(qū)動(dòng)器和一片總線控制器，使得電路的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，功耗也較高，因此，從電路的復(fù)雜性和整體功耗角度看，方案2也是比較合適的。 綜合以上幾點(diǎn)，最后

60、我選擇了方案2作為本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的最終方案。 第四章 設(shè)計(jì)步驟 4.1 繪制設(shè)計(jì)原理圖 4.1.1 Orcad軟件簡介 Orcad是著名的電氣設(shè)計(jì)類軟件開發(fā)商Cadence公司出品OrCAD Suite With PSpice V10.5中的一個(gè)組件，它可以讓PCB的設(shè)計(jì)進(jìn)入更細(xì)節(jié)階段。與PSpice結(jié)合可應(yīng)用于在Allegro平臺(tái)上。此套軟件為一完整涵蓋前端至后端、使用微軟Windows平臺(tái)的流程，可以供印刷電路板(PCB) 設(shè)計(jì)師透過工具整合與程式自動(dòng)化改善生產(chǎn)力和縮短進(jìn)入市場的時(shí)間。 Orcad Unison Suite 整合了四種新近加強(qiáng)型的產(chǎn)品，

61、在單一套裝軟體當(dāng)中即可提供設(shè)計(jì)師所需的所有工具：供設(shè)計(jì)輸入的Orcad CaptureR；供類比與混合訊號(hào)模擬用的PSpiceR A/D Basics；供電路板設(shè)計(jì)的 Orcad LayoutR以及供高密度電路板自動(dòng)繞線的SPECCTRAR 4U。 在本次設(shè)計(jì)中，我采用了Orcad CaptureR進(jìn)行原理圖的繪制，它的優(yōu)點(diǎn)在于具有快捷、通用的設(shè)計(jì)輸入能力，使OrCAD Capture原理圖輸入系統(tǒng)成為全球范圍內(nèi)廣受歡迎 的設(shè)計(jì)輸入工具。它針對設(shè)計(jì)一個(gè)新的模擬電路、修改現(xiàn)有的一個(gè)PCB的原理圖，或者繪制一個(gè)HDL模塊的方框圖，都提供了你所需要的全部功能，并且可以迅速地驗(yàn)證你的設(shè)計(jì)。OrCAD

62、 Capture作為設(shè)計(jì)輸入工具，它運(yùn)行在PC平臺(tái)，用于FPGA、PCB和PSpice設(shè)計(jì)應(yīng)用中。它是業(yè)界第一個(gè)真正基于Windows環(huán)境的原理圖輸入程序。Capture易于使用的功能和特點(diǎn)使其已經(jīng)成為了原理圖輸入的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 4.1.2 在Orcad中制作芯片封裝 Orcad軟件本身帶有一個(gè)比較完整的元件庫，包括了常用的數(shù)字和模擬元件。如果元件庫中含有設(shè)計(jì)所需的元件，則可以在繪制原理圖時(shí)直接調(diào)用，但本次設(shè)計(jì)所需的元件并沒有被包括在元件庫中，因此，在繪制原理圖之前，必須制作所需元件的封裝，具體步驟如下： 首先，在OrCAD的菜單欄中，選擇文件（File）→新建（New）→元件庫（Libr

63、ary）,在主界面上出現(xiàn)一個(gè)分支結(jié)構(gòu)，在C:/Library1.olb上單擊右鍵，選擇新建元件（New Part），如圖4-1所示。選擇新建元件后，在彈出的對話框中可以設(shè)置元件名、元件封裝類型和元件管腳數(shù)字的排列順序，如圖4-2所示。 設(shè)置完元件的以上信息，就可以點(diǎn)擊確定（OK）進(jìn)入元件封裝的制作了，OrCAD提供了制作芯片封裝設(shè)計(jì)的工具欄，使用這些工具可以很方便地進(jìn)行元件管腳的繪制、總線的繪制等工作。 圖4-1 在元件庫中新建元件 圖4-2 自定義元件信息設(shè)置 使用以上工具制作的各元件封裝如下所示： ① SST55LD019A： 圖4-3 SST

64、55LD019A的封裝圖 ② K9F5608U0B： 圖4-4 K9F5608U0B的元件封裝 ③ 44pin標(biāo)準(zhǔn)IDE接口： 圖4-5 44pin標(biāo)準(zhǔn)IDE接口的封裝 ④ AME8800的元件封裝： 圖4-6 AME8800的元件封裝 4.1.3 放置元件及連線 制作好元件封裝后，接下來就可以進(jìn)行原理圖的繪制了。首先，回到Orcad的主界面，選擇文件（File）→新建（New）→設(shè)計(jì)（Design），進(jìn)入原理圖繪制界面。Orcad同樣為原理圖繪制設(shè)計(jì)了專用的工具欄，與制作元件封裝時(shí)使用的工具欄不同的是額外增加了許多新的工具，使原理圖更

65、加完整和直觀。 使用繪圖工具欄上的各種工具，就可以很方便地放置已經(jīng)做好封裝的元件，連接元件間需要連接的管腳，命名輸入輸出網(wǎng)絡(luò)，繪制好的原理圖縮略圖如圖4-7所示（完整電路圖詳見附圖1）： 圖4-7 設(shè)計(jì)原理圖縮略圖 4.1.4 原理圖CRC校驗(yàn)及檢錯(cuò) 原理圖繪制完畢后，應(yīng)當(dāng)仔細(xì)檢查各管腳的連接是否正確，可以通過校對芯片的DATA SHEET進(jìn)行檢查，也可以通過Orcad軟件自帶的原理圖DRC工具進(jìn)行校驗(yàn)：在Orcad的主界面下，打開原理圖，可以出現(xiàn)最初的分支結(jié)構(gòu)，在design3.dsn目錄下的SCHEMATIC1文件夾下，用鼠標(biāo)左鍵單擊PAGE1，可以看到工具欄上DRC（

66、Design Rules Check）工具的圖標(biāo)由不可選的灰色變成可選的彩色，點(diǎn)擊DRC工具，就會(huì)彈出一個(gè)對話框，如圖4-8所示，在對話框中可以設(shè)置需要檢查的內(nèi)容（一般保持默認(rèn)選項(xiàng)），即檢查如下幾項(xiàng)： ① 檢查管腳和管腳連接。 ② 檢查電路連接線。 ③ 檢查未連接的網(wǎng)絡(luò)。 ④ 檢查無效的元件信息。 ⑤ 檢查重復(fù)的信息。 點(diǎn)擊確定，開始校驗(yàn)。 圖4-8 原理圖DRC校驗(yàn) 若DRC校驗(yàn)中檢查出現(xiàn)問題，則會(huì)首先彈出警告，通知用戶原理圖中可能含有一個(gè)或多個(gè)錯(cuò)誤，然后在自動(dòng)生成的SESSION.LOG文件下記錄檢測結(jié)果，并在 具體檢測項(xiàng)目的下方給出發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤，并且給出錯(cuò)誤點(diǎn)所在的坐標(biāo)位置，通過坐標(biāo)定位，可以很方便地找到問題的出處并查明原因，加以改正。修正所有錯(cuò)誤后，再次進(jìn)行DRC校驗(yàn)時(shí)，就不會(huì)有警告彈出，在SESSION.LOG文件中各個(gè)檢測項(xiàng)目下的內(nèi)容也會(huì)為空，如圖4-9所示： 圖4-9 表示DRC校驗(yàn)通過的SESSION.LOG文件 4.1.5 創(chuàng)建網(wǎng)表 原理圖繪制完畢并通過DRC校驗(yàn)無誤后，就可以導(dǎo)入到Pads PowerPCB中進(jìn)行