基于IDE接口的電子硬盤設(shè)計(論文 CAD圖紙全套)

1、 畢業(yè)設(shè)計（論文）院 系：xx學(xué)院姓 名：專 業(yè)：機械設(shè)計學(xué) 號：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（論文）任務(wù)書（應(yīng)由學(xué)生本人按指導(dǎo)教師下達的任務(wù)認(rèn)真謄寫）姓名 專業(yè) 機械設(shè)計 指導(dǎo)教師 xxx 學(xué)號 4200209320194 入學(xué)時間 2014.09 網(wǎng)站（院系） 機械學(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)計者五、主要參考文獻1 陳紹龍，劉懷平.從選粉濃度解讀高效轉(zhuǎn)子選粉機技術(shù)：文獻，鹽城：科行建材環(huán)保公司，20042 許林發(fā).建筑材料機械設(shè)計（一）.武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，19903 潘孝良.硅酸鹽工業(yè)機械過程及設(shè)備.武

2、漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1993 4 葉達森.粉碎與制成.北京：中國建筑工業(yè)出版社，19925 汪讕.水泥工程師手冊.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.126 朱昆泉，許林發(fā).建材機械工程手冊.武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，2000.77 楮瑞卿.建材通用機械與設(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.水泥機械設(shè)備安裝、修理及典型實例分析.武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，2002.1010 劉鐵忠.tls系列組合式選粉機的開發(fā).水泥技術(shù)，1999（1）：1911 徐灝.機械設(shè)計手冊.3.第2版.北京：機械工業(yè)出版社，2

3、002.612 胡宗午，徐履冰，石來德.非標(biāo)準(zhǔn)機械設(shè)備設(shè)計手冊.北京：機械工業(yè)出版社，2002.913 成大先.機械設(shè)計手冊.2.第4版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.114 成大先.機械設(shè)計手冊.3.第4版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.115 成大先.機械設(shè)計手冊.4.第4版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.116 數(shù)字化手冊編委會.機械設(shè)計手冊(軟件版)r2.0.機械工業(yè)出版社，2003.117 陳秀寧、施高義.機械設(shè)計課程設(shè)計.浙江：浙江大學(xué)出版社，200218 武漢建筑材料工業(yè)學(xué)院等學(xué)校.建筑材料機械及設(shè)備.北京：中國建筑工業(yè)出版社，198019 徐錦康.機械設(shè)計.第2版.北京：

4、機械工業(yè)出版社，200220 吳一善主編.粉碎學(xué)概論.武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，199321 沈世德.機械原理.北京：機械工業(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)書裝訂時放在畢業(yè)設(shè)計報告第一頁）目錄第一章 緒論1第二章 閃速存儲器簡介22.1 閃速存儲器的產(chǎn)生和發(fā)展22.2閃速存儲器的主要技術(shù)類型22.3閃速存儲器的結(jié)構(gòu)和功能特點52.4 閃速存儲器的工作模式72.5 閃速存儲器在大容量存儲器領(lǐng)域的應(yīng)用7第三章 設(shè)計方案收集和選擇93.1 設(shè)計思路93.2 方案1簡介93.2 方案2簡介132.3 方案比較和最終選擇15第四章 設(shè)計步驟174.1 繪制設(shè)計原理圖17

5、4.1.1 orcad軟件簡介174.1.2 在orcad中制作芯片封裝174.1.3 放置元件及連線204.1.4 原理圖crc校驗及檢錯214.1.5 創(chuàng)建網(wǎng)表234.2 繪制pcb板圖234.2.1 powerpcb軟件簡介234.2.2在powerpcb中制作芯片封裝244.2.3 導(dǎo)入原理圖網(wǎng)表274.2.4 手動布線274.2.5 覆銅29第五章 作品調(diào)試及結(jié)論315.1 調(diào)試步驟315.2 結(jié)論325.3 對設(shè)計結(jié)果的分析和對作品改進方面的考慮32謝辭33參考文獻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存媒體元件，是時下

6、效能成本比最優(yōu)異的記憶體儲存媒體解決方案。電子硬盤能提供原始的、高性能的和高可靠的數(shù)據(jù)儲存，即使是在惡劣的條件下工作惡劣的溫度、撞擊、震動、干擾等，也不會對數(shù)據(jù)構(gòu)成威脅。它克服了機械硬盤的弊病，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、存儲空間靈活、費用低，也廣泛地應(yīng)用于民用領(lǐng)域。電子硬盤中使用的存儲芯片是閃速存儲器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器。雖然進入世界存儲器市場僅僅幾年，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

7、分重要的市場份額。隨著新技術(shù)、新工藝的不斷發(fā)展，flash memory集成度不斷提高，價格不斷降低，這使得其在便攜機上取代小容量硬盤已成為可能。本次設(shè)計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。它的優(yōu)點是結(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、儀器儀表和車載系統(tǒng)）、軍用武器系統(tǒng)（雷達和導(dǎo)航系統(tǒng)）和各種新興的通信設(shè)備（如手機、傳真，網(wǎng)絡(luò)適配器）中。本次設(shè)計的目的在于實現(xiàn)電子硬盤在臺式機和便攜式計算機中替代

8、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)接口與臺式機主板實現(xiàn)兼容。第二章 閃速存儲器簡介2.1 閃速存儲器的產(chǎn)生和發(fā)展閃速存儲器又稱快擦寫型存儲器、快閃存儲器、閃爍存儲器，是20世紀(jì)80年代末期intel公司發(fā)明的一種具有高密度、低成本、非易失性等特點的讀/寫半導(dǎo)體存儲器。它突破了傳統(tǒng)的存儲器體系，改善了現(xiàn)有存儲器的特性，因而是一種全新的存儲技術(shù)1。存儲器的發(fā)展都具有更大、更小、更低的趨勢，這在閃速存儲器行業(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，主流閃速存儲器廠家采用0.18m，甚至0.15m的制造工藝。借助于先進工藝的

9、優(yōu)勢，閃速存儲器的容量可以更大：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；同時芯片的封裝尺寸更?。簭淖畛鮠ip封裝，到psop、ssop、tsop封裝，再到bga封裝，閃速存儲器已經(jīng)變得非常纖細小巧；先進的工藝技術(shù)也決定了存儲器的低電壓的特性，從最初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)、新工藝也推動閃速存儲器的位成本大幅度下降：采用nor技術(shù)的intel公司的28f128j3價格為25美元，nand技術(shù)和and技術(shù)的閃速存儲器將突破1mb 1美元的價位，使

10、其具有了取代傳統(tǒng)磁盤存儲器的潛質(zhì)。世界閃速存儲器市場發(fā)展十分迅速，其規(guī)模接近dram（動態(tài)隨機存取存儲器）市場的1/4，與dram和sram（靜態(tài)隨機存取存儲器）一起成為存儲器市場的三大產(chǎn)品。閃速存儲器的迅猛發(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)，刺激了閃速存儲器更廣泛的應(yīng)用，推動了行業(yè)的向前發(fā)展。 2.2閃速存儲器的主要技術(shù)類型目前，世界各大存儲器制造商在閃速存儲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：nor技術(shù)：nor技術(shù)亦稱為linear技術(shù)。采用nor技術(shù)的閃速存儲器是最早出現(xiàn)的fla

11、sh 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，尤其是純代碼存儲的應(yīng)用中廣泛使用，如pc的bios固件、移動電話、硬盤驅(qū)動器的控制存儲器等。nor技術(shù)flash memory具有以下特點：（1） 程序和數(shù)據(jù)可存放在同一芯片上，擁有獨立的數(shù)據(jù)總線和地址總線，能快速隨機讀取，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，在對存儲器進行重

12、新編程之前需要對塊或整片進行預(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的時間很長，在純數(shù)據(jù)存儲和文件存儲的應(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)的存儲容量最大的閃速存儲器件，達到128mb（位），對于要求程序和數(shù)據(jù)存儲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0.25m制造工藝，同時采用了支持高存儲容量和低成本的mlc技術(shù)。所謂mlc

13、技術(shù)（多級單元技術(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)，在每個存儲單元中設(shè)有4個閾電壓(00/01/10/11），因此可以存儲2b信息；而傳統(tǒng)技術(shù)中，每個存儲單元只有2個閾電壓（0/1），只能存儲1b信息。在相同的空間中提供雙倍的存儲容量，是以降低寫性能為代價的。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)存儲中。dinor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n

14、or技術(shù)在寫性能上的不足。dinor技術(shù)flash memory和nor技術(shù)一樣具有快速隨機讀取的功能，按字節(jié)隨機編程的速度略低于nor，而塊擦除速度快于nor。這是因為nor技術(shù)flash memory編程時，存儲單元內(nèi)部電荷向晶體管陣列的浮柵極移動，電荷聚集，從而使電位從1變?yōu)?；擦除時，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電荷移動方向與前者相反。dinor技術(shù)flash memory在執(zhí)行擦除操作時無須對頁進行預(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

15、由于自身技術(shù)和工藝等因素的限制，在當(dāng)前閃速存儲器市場中，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的最大容量達到64mb。mitsubishi公司推出的dinor技術(shù)器件m5m29gb/t320，采用mitsubishi和hitachi的專利bgo技術(shù)，將閃速存儲器分為四個存儲區(qū)，在向其中任何一個存儲區(qū)進行編程或擦除操作的同時，可以對其它三個存儲區(qū)中的一個進行讀操作，用硬件方式實現(xiàn)了在讀操作的同時進行編程和擦除操作，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0.25m制造工藝，不僅快速讀取速度達

16、到80ns，而且擁有先進的省電性能。在待機和自動省電模式下僅有0.33w功耗，當(dāng)任何地址線或片使能信號200ns保持不變時，即進入自動省電模式。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)航和全球定位系統(tǒng)、掌上電腦和頂置盒、便攜式電腦、個人數(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：nand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)的閃速存儲器適合于純數(shù)據(jù)存儲和文件存儲，主要作為smartmedia卡、compactflas

17、h卡、pcmcia ata卡、固態(tài)盤的存儲介質(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：（1） 以頁為單位進行讀和編程操作，1頁為256或512b（字節(jié)）；以塊為單位進行擦除操作，1塊為4k、8k或16kb。具有快編程和快擦除的功能，其塊擦除時間是2ms；而nor技術(shù)的塊擦除時間達到幾百ms。（2） 數(shù)據(jù)、地址采用同一總線，實現(xiàn)串行讀取。隨機讀取速度慢且不能按字節(jié)隨機編程。（3） 芯片尺寸小，引腳少，是位成本(bit cost)最低的固態(tài)存儲器，將很快突破每兆字節(jié)1美元的價格限制。（4） 芯片包含有失效塊，其數(shù)目最大可達到335塊（取決于存儲器密度）。失效

18、塊不會影響有效塊的性能，但設(shè)計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)閃速存儲器。據(jù)稱這種flash memory可以存儲560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0.15m的制造工藝來生產(chǎn)這顆flash。已經(jīng)批量生產(chǎn)的k9k1208uom采用0.18m工藝，存儲容量為512mb3。ultranandamd與fujistu共同推出的ultranand技術(shù)，稱之為先進的nand閃速存儲器技術(shù)。它與nand標(biāo)準(zhǔn)兼容：擁有比nand技

19、術(shù)更高等級的可靠性；可用來存儲代碼，從而首次在代碼存儲的應(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)級的查錯和校正功能，能更有效地利用存儲器容量。與dinor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家族的第一個成員是am30lv0064，采用0.25m制造工藝，沒有失效塊，可在至少104次擦寫周期中實現(xiàn)無差錯操作，適用于要求高可靠性的場合，如電信和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、個人數(shù)字助理、固態(tài)盤驅(qū)動器等。研制中的am30lv0128容量達到128mb，而amd的計劃ultranand技術(shù)flash memory將突破每兆字節(jié)1美元

20、的價格限制，更顯示出它對于nor技術(shù)的價格優(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)完好的存儲器”概念，目前，在數(shù)據(jù)和文檔存儲領(lǐng)域中是另一種占重要地位的閃速存儲技術(shù)。hitachi和mitsubishi公司采用0.18m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5

21、12mb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，待機電流僅為1a，同時由于其內(nèi)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、個人數(shù)字助理、掌上電腦、數(shù)字相機、便攜式攝像機、便攜式音樂播放機等4。4、由eeprom派生的閃速存儲器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)），但存儲密度小，單位成本高。部分制造商生產(chǎn)出另一類以e

22、eprom做閃速存儲陣列的flash memory，如atmel、sst的小扇區(qū)結(jié)構(gòu)閃速存儲器（small sector flash memory）和atmel的海量存儲器（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：（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，具有快速隨機讀取和快編程、快擦除的特點。（2）與eeprom比較，具有明顯的成本優(yōu)勢。（3）存儲密度比eeprom大，但比nor技術(shù)flash memory小，如s

23、mall sector flash memory的存儲密度可達到4mb，而32mb的dataflash memory芯片有試用樣品提供。正因為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，適合代碼存儲和小容量的數(shù)據(jù)存儲，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

24、、縮小封裝尺寸。主存儲區(qū)采取頁結(jié)構(gòu)。主存儲區(qū)與串行接口之間有2個與頁大小一致的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：既可直接從主存儲區(qū)讀取數(shù)據(jù)，又可通過緩沖區(qū)從主存儲區(qū)讀取或向主存儲區(qū)寫入數(shù)據(jù)，兩個緩沖區(qū)之間可以相互讀取或?qū)懭?，主存儲區(qū)還可借助緩沖區(qū)進行數(shù)據(jù)比較。適合于諸如答錄機、尋呼機、數(shù)字相機等能接受串行接口和較慢讀取速度的數(shù)據(jù)或文件存儲應(yīng)用。2.3閃速存儲器的結(jié)構(gòu)和功能特點閃速存儲器是一類非易失性存儲器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這類易失性存儲器，當(dāng)供電電源關(guān)閉時片內(nèi)信息隨即丟失。閃速存儲器

25、集中了其它類非易失性存儲器的特點：與 eprom（電可編程只讀存儲器）相比較，閃速存儲器具有明顯的優(yōu)勢在系統(tǒng)中具有電可擦除和可重復(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，閃速存儲器具有成本低、密度大的特點5。閃速存儲器的存儲元電路是在cmos單晶體管eprom存儲元的基礎(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，而閃速存儲器則實施了電擦除和重新編程能力，同時具有單一供電特性。由于其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的eprom，所以得到了快速發(fā)展。閃速存儲器主要由存儲體、地址緩沖器、譯碼器、命令用戶接口（c

26、ui）、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所示為閃速存儲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖：控制信號命令用戶接口（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門存儲體地址總線地 y譯碼器址鎖 x譯碼器存器 數(shù)據(jù)總線 . . . . .圖2-1 閃速存儲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖存儲體用于存放信息。為方便應(yīng)用，閃速存儲器將存儲體中的存儲單元分為各種功能模塊，各模塊的大小不等，存儲內(nèi)容不同，操作時各自獨立。各模塊分別占據(jù)整個閃速存儲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，可以單獨進行編程，而不影響其他模塊中的數(shù)據(jù)信息，所以閃速存儲器可以很方便地對數(shù)據(jù)

27、實行塊操作。地址緩沖器和譯碼器用于對地址總線上的地址編碼進行譯碼，以便對芯片中的存儲單元進行尋址訪問。閃速存儲器通常采用雙譯碼。輸入/輸出電路位于數(shù)據(jù)線和存儲單元之間，用于控制被選中的存儲單元的讀出或?qū)懭?。命令用戶接口（cui）負(fù)責(zé)閃速存儲器外部用戶命令與其內(nèi)部寫狀態(tài)機之間的接口，由寫狀態(tài)根據(jù)外部輸入到閃速存儲器中的命令來控制整個存儲芯片的各項操作。寫狀態(tài)機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，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 閃速存儲器的工作模式閃速存儲器的工作模式有

28、多種，大體上可以分為寫操作模式、讀操作模式、輸出禁止操作模式、在線等待模式和關(guān)閉電源模式。讀操作模式：閃速存儲器具有3種讀操作模式，分別針對存儲陣列中數(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，閃速存儲器自動復(fù)位在讀存儲陣列模式。寫操作模式：在一定的編程電壓下，通過命令用戶接口（cui）實現(xiàn)存儲體中各存儲模塊信息的擦除、編程及其他操作。在線等待模式：當(dāng)片選信號處于某種狀態(tài)（通常為高電平）時，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，

29、在塊擦除或塊編程期間，如果原來被選中的存儲塊后來被取消，此時其內(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。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，芯片被禁止輸出，數(shù)據(jù)輸出引腳置于高阻狀態(tài)。關(guān)閉電源模式：關(guān)閉電源模式實際上是非工作狀態(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)。閃速存儲器一般有數(shù)據(jù)保護功能，可以對其中的數(shù)據(jù)進行保護。如果工作中發(fā)生掉電情況，通過對存儲體中每個分塊對應(yīng)的鎖定位的設(shè)置，可以決定能否對塊中的數(shù)據(jù)進行修改。另外，大多數(shù)閃速存儲器還有一個寫保護引腳，該引腳有效時，可以將閃速存儲器設(shè)為只讀狀態(tài)，禁

30、止對鎖定位對應(yīng)的存儲塊進行任何修改8。2.5 閃速存儲器在大容量存儲器領(lǐng)域的應(yīng)用在現(xiàn)階段，閃速存儲器除了取代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)用于便攜式計算機的pc卡存儲器（固態(tài)硬盤）。閃速存儲器芯片耗電低、集成度高、體積小、可靠性高，且讀取速度大大高于硬盤驅(qū)動器，加之沒有機電移動裝置，抗震性能好，非常適合便攜機之類的微型計算機系統(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)碼相機中得到了非常廣泛的應(yīng)用。閃速存儲器直接與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器的存取時間，使cpu實現(xiàn)了無等待

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

32、的硬件平臺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。大容量存儲器因為要與cpu進行頻繁的通信、進行高速協(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機硬盤，抗振動能力差、易于損壞，不適于車載。因此，大容量的采用閃速存儲器的電子硬盤是一個比較理想的選擇11。目前，閃速存儲器已經(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起點價格較高，但起點容量更高，最

33、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的價格相對而言比較劃算。隨著pc機技術(shù)的進步，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機內(nèi)存區(qū)，例如0xd800，開一個窗口實現(xiàn)讀寫，驅(qū)動程序是rombios的擴展。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cache，所以有更好的性能表現(xiàn)，

34、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, informer, lineo

35、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)計方案收集和選擇3.1 設(shè)計思路本次設(shè)計的電子硬盤，主要應(yīng)由供電電路、硬盤控制器、閃速存儲器芯片組成，接口采用題目要求的ide接口。供電電路是電子硬盤的動力來源，它把主機通過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)計是整個電路設(shè)計中十分重要的一環(huán)。硬盤控制器作為主機和閃速存儲器的傳輸紐

36、帶，通過總線與ide接口和閃速存儲器實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，通過各種控制信號控制對閃速存儲器存儲區(qū)域的讀寫操作。同時，硬盤控制器可以接受來自主機的控制信號，并通過該信號改變電子硬盤的工作方式。閃速存儲器作為電子硬盤的存儲介質(zhì)，主要功能在于長期、穩(wěn)定和安全地保證數(shù)據(jù)的儲存。經(jīng)過大量網(wǎng)絡(luò)和文獻資料的搜集和整理工作，我最后挑選出兩個比較合適的方案。我將在下面的敘述中對這兩個方案做出具體的分析和比較，以確定最終的設(shè)計方案。3.2 方案1簡介方案1包括硬盤控制器mx9691l，程序存儲器mx28f2100t，數(shù)據(jù)總線驅(qū)動器74f245（2片），控制總線驅(qū)動器74f244，閃速存儲器芯片k9f5608u0b（32m

37、*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3.35v，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存儲器接口和時鐘、復(fù)位電路等。采用mx9691作為flash硬盤的驅(qū)動控制器有很多優(yōu)點。mx9691為旺宏公司生產(chǎn)的專用硬盤驅(qū)動控制芯片，優(yōu)化功能強大，沒有冗余模塊且封裝緊湊，便于進一步小型化和降低功耗。mx9691支持pio mode-4、multi-word dma mode-

38、2兩種最新的傳輸模式,與三星公司的flash存儲芯片兼容性好，不需再增加其它電路，因此可靠性高。旺宏公司對mx9691有強大的軟件支持，很多固件可以直接購買。因為mx9691支持在線編程，升級和維護非常簡單。另外，mx9691為低功耗設(shè)計，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)，自動進入相應(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

39、存儲空間，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528字節(jié)的數(shù)據(jù)寄存器，可以用于頁讀、頁編程操作時數(shù)據(jù)的存儲轉(zhuǎn)換。它可以進行528字節(jié)為一頁的頁讀和寫操作，并可以進行以16k為一塊的塊擦除操作。k9f5608u0b的突出優(yōu)點在于：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mx9691是cpu與flash存儲器進行數(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器存取方式(

40、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適配器直接進行數(shù)據(jù)高速交換。因為采用周期竊取技術(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)。因為采用高速的mx93011 dsp內(nèi)核(21mips)，進行主機到緩沖區(qū)的突發(fā)數(shù)據(jù)傳送時速率可以達到20mb/s。同時，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 iow ior reg ha0 ha1標(biāo)準(zhǔn)ide接口復(fù)位電路iow# a0a7ior#reg#ha0#ha1# a8a15mx9691l fce# rdflash#

41、wrflash#romwr# fale#rd# fcle#romcs 復(fù)位電路cs 程序存儲器rd mx28f2100twr數(shù)據(jù)總線驅(qū)動器74f245數(shù)據(jù)總線驅(qū)動器74f245控制總線驅(qū)動器74f244d0d7d8d15k9f5608u0bcerdwralecle db1 db1 ce1 db db2 cb db2 db ce2 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存儲器進行數(shù)據(jù)通信操作時，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，然后通過識別接收的指令類型和查詢fat得到要尋址的flash存儲器的編號。在對

42、flash存儲器進行寫操作前，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存儲器編號的解碼，從端口601fh輸出fce片選信號選中相應(yīng)的flash芯片。在wr和wrflash同時有效時，數(shù)據(jù)被寫入相應(yīng)的flash存儲單元中。讀操作與此類似。mx9691l的讀操作時序和寫操作時序分別如圖3-3和圖3-4所示：圖3-3 mx9691l的讀操作時序圖3-4 mx9691l的寫操作時序mx28f2100t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)動器，在所選flash

43、存儲器較多時可以提高總線驅(qū)動能力?？紤]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算機硬盤相同，也可以通過轉(zhuǎn)接口轉(zhuǎn)為40pin數(shù)據(jù)口和4pin電源口，實現(xiàn)與臺式機主板兼容。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接口定義引腳號信號名稱及描述引腳號信號名稱及描述1rst#2gnd3data74data85data66data97data58data109data410data1111data312data1213data214data1315data116data1417data018data1519g

44、nd20key-pin21ide$pdreq22gnd23ide$piowr*24gnd25ide$piorr*26gnd27ide$piordyr28pll-vcc29ide$pdack*30gnd31isa$irq1432pll-vcc33ide$a134nc35ide$a036ide$a237ide$cs0*38ide$cs1*39-hd_led140gnd41vcc42vcc43gnd44gnd3.2 方案2簡介方案2包括硬盤控制器sst55ld019a，閃速存儲器芯片k9f5608u0b（32m*8bit，2片），供電部分300ma cmos 線性穩(wěn)壓器ame8800，44pin標(biāo)準(zhǔn)

45、ide接口。硬盤控制器使用的是sst公司生產(chǎn)的sst55ld019a，它使用100pin的tqfp封裝，具有低功耗（工作電壓3.3v-5v）、主機讀取速度快（最快可達10m/s）、穩(wěn)定性好（可在-4085的工業(yè)環(huán)境下穩(wěn)定運行）、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。sst55ld019a主要包括微處理器單元（mcu）、內(nèi)部直接存儲器接入（dma）、電源管理單元（pmu）、sram緩沖器、嵌入式閃存文件系統(tǒng)、糾錯編碼（ecc）、串行通信接口（sci）和多任務(wù)接口。 微處理器單元（mcu

46、）：微處理器單元把ata/ide信號轉(zhuǎn)換成閃存芯片所需的數(shù)據(jù)和控制信號。 內(nèi)部直接存儲器接入（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。 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入休眠狀態(tài)，極大地降低了閃存盤控制器的電源消耗。 sram緩沖器對ata閃存盤控制器的正常運行發(fā)揮了重大作用，它優(yōu)化了主機和閃存芯片之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。 嵌入式閃存文件系統(tǒng)是ata閃存盤控制器的一個集成部分。它包括了實現(xiàn)以下操作的mcu固件：a

47、轉(zhuǎn)換主機信號以便對閃存芯片進行讀寫。b 通過把對閃存芯片的寫入擴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 維護數(shù)據(jù)文件的結(jié)構(gòu)路徑。d 管理被選擇的保護區(qū)域的系統(tǒng)安全性。 糾錯編碼（ecc）：ata閃存盤控制器利用72bit的reed-solomon錯誤檢測碼糾錯編碼，這兩種編碼提供了每個512字節(jié)數(shù)據(jù)塊對以下錯誤的免疫性：a3個隨機12bit的符號錯誤（可修正）。b25bit的單突變碼錯誤（可修正）。c61bit的單突變碼錯誤和15bit的雙突變碼錯誤（可檢測）。d6個隨機12bit的符號錯誤（可檢測）。 串行通信接口（sci）：串行通信接口被設(shè)計

48、為使用戶能夠重新啟動初始化過程和定制驅(qū)動識別信息。 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特別地把整個電路的供電部分作為重點，采用了ame公司生產(chǎn)的ame8800。ame8800是一種cmos線性穩(wěn)壓器（ldo），它采用sot23封裝，主要優(yōu)點有：很低的壓降，誤差

49、精確到1.5%以內(nèi)的穩(wěn)定300ma電流輸出，自動過溫保護和過流保護，可在出廠時預(yù)置輸出電壓等（本次設(shè)計使用的ame8800輸出電壓在出廠時被設(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式機主板兼容性的原因，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3-1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mx9691lsst55ld019

50、a微控制器單元mx93011 dsp coremcupcmcia/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)部直接存儲器訪問）不支持支持內(nèi)部ecc（糾錯編碼）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)部時鐘源和復(fù)位電路有有從表3-2可以看出，sst55ld019a和mx9691l相比，主要有以下優(yōu)點：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

51、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)，但是僅僅依靠芯片外圍的幾個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)荷時也無法采取必要的安全措施來保護電路。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，同時它自帶的過流保護和過溫保護功能也能在突發(fā)情況下自動切斷電源，保

52、護電路的安全。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。除了以上兩個主要區(qū)別外，由于方案1中還額外采用了一片程序存儲器，兩片總線驅(qū)動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，最后我選擇了方案2作為本次畢業(yè)設(shè)計的最終方案。待添加的隱藏文字內(nèi)容2第四章 設(shè)計步驟4.1 繪制設(shè)計原理圖4.1.1 orcad軟件簡介orcad是著名的電氣設(shè)計類軟件開發(fā)商cadence公司出品orcad suite with pspice v10.5中的一個組件，它可以讓pcb的設(shè)計進入更細節(jié)階段。與pspice結(jié)合可應(yīng)用于在allegro平臺上。此套軟件為一完整涵蓋前端至后端、使用微軟windows平臺的流程，可以供印刷電路板(pcb) 設(shè)計師透過工具整合與程式自動化改善生產(chǎn)力和縮短進入市場的時間。 orcad unison suite 整合了四種新近加強型的產(chǎn)品，在單一套裝軟體當(dāng)中即可提供設(shè)計師所需的所有工具：供設(shè)計輸入的orcad capturer；供類比與混合訊號模擬用的pspicer a/d basics；供電路板設(shè)計的 orcad layoutr以及供高密度電路