基于SIP技术的集成NandFlash颗粒SATA接口控制器以及方法与流程

基于sip技术的集成nandflash颗粒sata接口控制器以及方法
技术领域
1.本发明涉及存储产品封装技术领域，尤其是指一种基于sip技术的集成nandflash颗粒sata接口控制器以及方法。


背景技术：

2.随着固态硬盘(solid state disk,ssd)存储系统小型化、高速率和高可靠性要求越来越高，在确保存储系统安全稳定的前提下，提高集成度有利于缩小体积和降低功耗。然而，传统的ssd设计采用分离式的设计方式，在pcb板级上进行多个芯片进行组合，整体ssd包括主控制器、缓存、无源器件以及多种类、多数量的flash颗粒等，这些元器件使得pcb板卡面积较大，且能耗和散热问题较为严重。
3.系统级封装(system in package,sip)技术可将ssd的控制单元、电源管理单元、缓存、flash颗粒集成在一片芯片上，能够满足存储系统的需求。sip技术应用在ssd系统上的优势：第一，减少pcb板设计面积，与pcb板级相比缩短了芯片间的连线，降低了走线的延迟和寄生效应，使得高速sata口的数据读写信号传输更加稳定可靠；第二，多裸芯集成减少了各类元器件的重量和面积，解决了引脚数繁多的问题，降低了硬件设计的风险；第三，sip不仅可以集成不同工艺类型的芯片，而且减少了封装的工序，相应的降低了生产制造成本，缩短了产品的研发周期。
4.因此，针对传统ssd的设计方式，有必要通过sip技术解决传统ssd设计方式存在的各类技术问题，达到优化设计、提升性能的目的。


技术实现要素：

5.为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中固态硬盘元器件分散式分布导致的pcb板卡面积较大，且能耗和散热较为严重的问题，从而提供一种基于sip技术的集成nandflash颗粒sata接口控制器以及方法，相对传统的ssd设计方法，通过sip技术设计的ssd能够缩小设计面积、降低系统功耗，达到优化存储系统的目的，进一步提升了ssd的性能。
6.为解决上述技术问题，本发明的一种基于sip技术的集成nandflash颗粒sata接口控制器，包括sata固态硬盘控制器、nandflash颗粒、spi flash颗粒、电源控制芯片ldo，所述的sata固态硬盘控制器内部包括系统管理单元、存储控制单元、通道管理单元，所述的sata固态硬盘控制器中的系统管理单元通过自身集成spi接口与spi flash颗粒之间相连，所述的sata固态硬盘控制器通过通道管理单元与若干nandflash颗粒之间相连，所述的sata固态硬盘控制器内还集成有sata接口，通过sata接口与上位pc机之间通讯相连，且sata固态硬盘控制器采用sata3接口与上位pc机之间相连速率为6.0gb/s，所述的电源控制芯片ldo与sata接口控制器、nandflash颗粒之间供电相连。
7.在本发明的一个实施例中，所述的sata固态硬盘控制器、nandflash颗粒、spi flash颗粒、电源控制芯片ldo与贴片电阻、贴片电容通过sip封装集成到一块芯片中。
8.在本发明的一个实施例中，所述的基于sip技术的集成nandflash颗粒sata接口控制器芯片面积14mm x 24mm x 1.95mm，采用封装形式为bga145。
9.在本发明的一个实施例中，所述的系统管理单元通过控制总线、数据总线与存储控制单元之间相连，所述的存储控制单元通过控制通道、阵列逻辑与通道管理单元之间相连。
10.在本发明的一个实施例中，所述的nandflash颗粒单元存储单元架构采用tlc模式，存储容量为单片32gb，其作用在于作为ssd主存储空间，为数据存储提供了高性能存储模块和信息安全保护。
11.在本发明的一个实施例中，所述的spi flash颗粒型号存储容量为单片512kb，其作用在于为控制器固件和信息提供存储空间。
12.在本发明的一个实施例中，所述的电源控制芯片ldo单元输入电压范围为1.1v-5.5v，输出电压范围为0.8v-3.6v，其作用为将3.3v转换为1.8v给系统供电。
13.在本发明的一个实施例中，所述的nandflash颗粒共使用了四只裸片，在sip腔内采用了两两堆叠的结构存放，有效降低了芯片面积。
14.在本发明申请实施例的第二方面，提供一种基于sata接口控制器的系统初始化运行流程方法，所述的系统初始化运行流程方法的sata接口控制器设计，包括如下步骤：
15.步骤s1：系统上电后，sata固态硬盘控制器的系统管理的单元从spi flash中加载固件和配置信息，并将固件分包，分别发送到存储控制单元和通道管理单元的代码缓存中；
16.步骤s2：sata固态硬盘控制器的通道管理单元发送控制和初始化信号到nandflash颗粒，动作完成后，发送初始化完成信号到存储控制单元；
17.步骤s3：sata固态硬盘控制器的存储控制单元发送命令到通道管理单元获取nandflash颗粒信息，动作完成后，发送准备完成信号通知系统管理单元；
18.步骤s4：sata固态硬盘控制器的系统管理单元查询到存储控制单元的完成信号后，配置sata接口的phy层，接收从对端主设备sata接口发送的各类命令的协议信号。
19.在本发明申请实施例的第三方面，提供一种基于sata接口控制器的设备端对上位pc机之间sata接口交互流程方法，所述的交互流程方法基于sata接口控制器设计，包括如下步骤：
20.步骤s1：上位pc机发送准备信号到sata固态硬盘控制器，接收到准备好回应信号后，主机端发送数据包；
21.步骤s2：sata固态硬盘控制器的系统管理单元接收到上位pc机协议包后，若为控制类协议，系统管理单元进行处理并返回信号到上位pc机，若为数据交互类协议，则将控制信息和数据分别通过控制总线和数据总线与存储控制单元进行交互；
22.步骤s3：sata固态硬盘控制器的存储控制单元将控制信息和数据分别通过控制通道和阵列逻辑与存储控制单元进行交互；
23.步骤s4：sata固态硬盘控制器的存储控制单元根据控制信息对nandflash颗粒进行对应的操作。
24.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：本发明所述的基于sip技术的集成nandflash颗粒sata接口控制器以及方法，实现了系统小型化，通过sip技术在芯片腔体里面集成了控制芯片、存储颗粒、电源控制器件、无源器件等重要器件，有效缩减了存
储系统面积，达到小型化的目的；
25.实现了高稳定性，sip技术缩短了芯片之间的走线，降低了走线延迟、寄生效应以及高速信号衰减，使得高速sata口的数据读写信号传输更加稳定可靠，充分提高了存储系统的稳定性；
26.实现了低功耗，sip技术降低了系统级连接的功耗损失，尤其在高频工作的集成电路领域尤为明显，对于存储系统还能解决部分散热问题；
27.实现了高可靠性，sip技术降低了机械原因和化学腐蚀带来的系统不稳定因素，提高了存储系统的可靠性；
28.实现了高信息安全性，本发明的sata控制模块、存储颗粒均为国产器件，有效保证了电路工作和信息存储的安全性。
附图说明
29.为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
30.图1是本发明基于sip技术的集成nandflash颗粒sata接口控制器的结构示意框架图。
31.图2是本发明一种基于sip技术的集成nandflash颗粒sata接口控制器sip封装位置示意图。
具体实施方式
32.实施例一
33.如图1所示，本实施例提供一种基于sip技术的集成nandflash颗粒sata接口控制器，包括sata固态硬盘控制器、nandflash颗粒、spi flash颗粒、电源控制芯片ldo，所述的sata固态硬盘控制器内部包括系统管理单元、存储控制单元、通道管理单元，所述的sata固态硬盘控制器中的系统管理单元通过自身集成spi接口与spi flash颗粒之间相连，所述的sata固态硬盘控制器通过通道管理单元与若干nandflash颗粒之间相连，所述的sata固态硬盘控制器内还集成有sata接口，通过sata接口与上位pc机之间通讯相连，且sata固态硬盘控制器采用sata3接口与上位pc机之间相连速率为6.0gb/s，所述的电源控制芯片ldo与sata接口控制器、nandflash颗粒之间供电相连。
34.同时控制器接口上，提供sata3接口，用于和主机host端进行命令、状态与数据的传输；提供了4通道存储阵列用于连接nandflash颗粒；提供了spi接口用于连接spi flash颗粒。
35.所述的sata固态硬盘控制器、nandflash颗粒、spi flash颗粒、电源控制芯片ldo与贴片电阻、贴片电容通过sip封装集成到一块芯片中，各元器件sip封装位置示意图如图2所示。
36.所述的基于sip技术的集成nandflash颗粒sata接口控制器芯片面积14mm x 24mm x 1.95mm，采用封装形式为bga145。
37.所述的系统管理单元通过控制总线、数据总线与存储控制单元之间相连，所述的存储控制单元通过控制通道、阵列逻辑与通道管理单元之间相连。
38.其本发明的sata接口控制器降低了存储系统设计难度，系统设计无需再考虑sip内部控制芯片、存储颗粒、电源控制器件、无源器件之间的连接情况，大幅度降低了存储系统主要部件的硬件设计难度。
39.所述的nandflash颗粒单元存储单元架构采用tlc模式，存储容量为单片32gb，其作用在于作为ssd主存储空间，为数据存储提供了高性能存储模块和信息安全保护。
40.所述的spi flash颗粒型号存储容量为单片512kb，其作用在于为控制器固件和信息提供存储空间。
41.所述的电源控制芯片ldo单元输入电压范围为1.1v-5.5v，输出电压范围为0.8v-3.6v，其作用为将3.3v转换为1.8v给系统供电。
42.所述的nandflash颗粒共使用了四只裸片，在sip腔内采用了两两堆叠的结构存放，有效降低了芯片面积，叠放方式如图2结构示意图所示。
43.且本发明减少了验证、调试的时间，sip技术使存储系统验证和调试的难度降低，存在的问题能更快定位，缩短了产品研发周期；系统小型化，通过sip技术进行主要器件的集成和部分器件的堆叠，有效降低了系统面积，小型化的系统也带来了功耗和散热的降低；提升了系统可靠性和稳定性，sip封装不仅能够减少和缩短系统走线，降低了sata信号衰减，而且降低外部因素对整个系统的影响，大幅提高了系统可靠性和稳定性。
44.实施例二
45.一种基于sata接口控制器的系统初始化运行流程方法，所述的系统初始化运行流程方法基于权利要求1-8所述的sata接口控制器设计，其特征在于，包括如下步骤：
46.步骤s1：系统上电后，sata固态硬盘控制器的系统管理的单元从spi flash中加载固件和配置信息，并将固件分包，分别发送到存储控制单元和通道管理单元的代码缓存中；
47.步骤s2：sata固态硬盘控制器的通道管理单元发送控制和初始化信号到nandflash颗粒，动作完成后，发送初始化完成信号到存储控制单元；
48.步骤s3：sata固态硬盘控制器的存储控制单元发送命令到通道管理单元获取nandflash颗粒信息，动作完成后，发送准备完成信号通知系统管理单元；
49.步骤s4：sata固态硬盘控制器的系统管理单元查询到存储控制单元的完成信号后，配置sata接口的phy层，接收从对端主设备sata接口发送的各类命令的协议信号。
50.实施例三
51.一种基于sata接口控制器的设备端对上位pc机之间sata接口交互流程方法，所述的交互流程方法基于权利要求1-8所述的sata接口控制器设计，其特征在于，包括如下步骤：
52.步骤s1：上位pc机发送准备信号到sata固态硬盘控制器，接收到准备好回应信号后，主机端发送数据包；
53.步骤s2：sata固态硬盘控制器的系统管理单元接收到上位pc机协议包后，若为控制类协议，系统管理单元进行处理并返回信号到上位pc机，若为数据交互类协议，则将控制信息和数据分别通过控制总线和数据总线与存储控制单元进行交互；
54.步骤s3：sata固态硬盘控制器的存储控制单元将控制信息和数据分别通过控制通道和阵列逻辑与存储控制单元进行交互；
55.步骤s4：sata固态硬盘控制器的存储控制单元根据控制信息对nandflash颗粒进
行对应的操作。
56.本发明方案提高信息存储的安全性，sata控制模块、用于固件存储spi flash、数据存储闪存nandflash颗粒、电源控制ldo均采用国产元器件。
57.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。