基于IDE接口的电子硬盘设计[毕业论文+开题报告]

机电毕业论文：基于IDE接口的电子硬盘设计含论文，开题报告，任务书

基于IDE接口的电子硬盘设计[毕业论文+开题报告]

中文摘要

闪速存储器（Flash Memory）是一类非易失性存储器NVM（Non-Volatile Memory）。它和电可编程只读存储器(EPROM)相比，具有电可擦除和可重复编程以及成本低、密度大等优势，因此，虽然闪速存储器在世界存储器市场出现仅仅几年的时间，但它已经逐渐开始取代动态随机存取存储器（DRAM），静态存储器（SRAM）和电可编程只读存储器（EPROM），成为构成存储介质的主流。

Flash Memory可用作固态大容量存储器，且这种存储器与普通硬盘相比，具有体积小、重量轻、可靠性及耐用性好，抗冲击、抗震动能力强，功耗低等优点。因此，随着Flash Memory集成度不断提高，价格不断降低，使其在便携机上取代小容量硬盘已成为可能。由于目前研制的Flash Memory都符合个人计算机存储卡国际协会（PCMCIA）标准，因此这种存储器可以十分方便地用于各种便携式计算机中以取代磁盘。本次设计的电子硬盘，就是一款基于IDE接口的使用Flash Memory作为存储介质的固态盘SSD(Solid State Disk)。

本次设计的电子硬盘，由44pin 标准IDE接口、供电电路、硬盘控制器和Flash Memory芯片构成。44pin 标准IDE接口完全符合最新的ATA133标准，可以与现在主流的笔记本电脑主板完全兼容，也可以通过简单的转接口与常用PC机主板兼容。

供电电路采用的AME公司生产的AME8800，它具有低压降、误差在1.5%以内的300MA稳定输出和自动过温保护和过流保护功能。

硬盘控制器使用的是SST公司生产的SST55LD019A，它具有低功耗（工作电压3.3v-5v）、主机读取速度快（最快可达10M/s）、稳定性好（可在-40°C-85°C的工业环境下稳定运行）、兼容性好（支持PIO Mode-4、Multi-word DMA Mode-2两种最新的传输模式，兼容标准NAND型Flash Memory）等优点。

Flash Memory芯片采用的是2片三星公司生产的K9F5608U0B，该芯片为NAND型Flash Memory，单片容量为32M*8bit。

本次设计采用Orcad 9.2进行原理图绘制，并使用PowerPCB 5.1进行PCB布板和覆铜，计划使用双层板，所有元件均采用贴片类型。

关键词：闪速存储器，44pin 标准IDE接口，硬盘控制器，供电电路

An Electronic Hard Disk Based On IDE Interface

Abstract

Flash Memory is a kind of Non-Volatile Memory. Compared with EPROM，Flash Memory has superiorities such as capabilities of electronic erasing & reprogramming, low cost, high density, therefore, although Flash Memory has only been in the world memory market for a few years, it has begun to replace DRAM, SRAM & EPROM, become the mainstream of memory medium.
Flash Memory can be used to make up of solid memorizer big volume. Compared to the common hard disk, this memorizer has less volume, lighter weight, lower consumption, higher reliability & durableness and stronger capability of anti- concussion. So, as the integration improves & the price falls, it’s possible that solid disk made of Flash Memory replaces the small volume common hard disk in the portable computer. The Flash Memory excogitated recently is accordant with PCMCIA standard, which makes this memorizer take up of the common hard disk in every kind of portable computers very easily. The electronic hard disk based on IDE interface I designed is a kind of Solid State Disk which is made of Flash Memory.

This disk is composed of 44pin standard IDE interface, power supply circuit, ATA hard disk controller and Flash Memory chip.

The 44pin standard IDE interface is entirely accordant with the newest ATA133 standard, which can be compatible with the motherboard of recently portable computer. It also can be compatible with the common PC motherboard by a simple commutator.

The power supply circuit is based on AME8800 made by AME Company. It has such features as low dropout voltage, accurately to guarantee 300mA output within 1.5% and auto over-temperature & over-current shutdown protection.

I choose the chip SST55LD019A made by SST Company to be the ATA hard disk controller, which has the advantages such as low power (3.3v-5v), Fast Sustained Flash-to-Host Read Performance (up to 10M/s), high reliability (can be work steadily in industrial environment between -40°C to 85°C), good compatibility (be compatible with PIO Mode-4 & Multi-word DMA Mode-2, with standard NAND Flash Memory).

Two pieces of chip K9F5608U0B are used as the Flash Memory chip, which are standard NAND Flash Memory. The volume of each is 32M*8bit.

The elements pictures are draw in the software Orcad v9.2. The PCB design & the copper flooding are done in the software PowerPCB v5.1. I plan to make a PCB with double layer, and the entire components used are decals.

Keywords: Flash Memory, 44pin standard IDE interface, ATA hard disk controller, power supply circuit

目录

第一章 绪论 1
第二章 闪速存储器简介 2
2.1 闪速存储器的产生和发展 2
2.2闪速存储器的主要技术类型 2
2.3闪速存储器的结构和功能特点 5
2.4 闪速存储器的工作模式 7
2.5 闪速存储器在大容量存储器领域的应用 7
第三章 设计方案收集和选择 9
3.1 设计思路 9
3.2 方案1简介 9
3.2 方案2简介 13
2.3 方案比较和最终选择 15
第四章 设计步骤 17
4.1 绘制设计原理图 17
4.1.1 Orcad软件简介 17
4.1.2 在Orcad中制作芯片封装 17
4.1.3 放置元件及连线 20
4.1.4 原理图CRC校验及检错 21
4.1.5 创建网表 23
4.2 绘制PCB板图 23
4.2.1 PowerPCB软件简介 23
4.2.2在PowerPCB中制作芯片封装 24
4.2.3 导入原理图网表 27
4.2.4 手动布线 27
4.2.5 覆铜 29
第五章 作品调试及结论 31
5.1 调试步骤 31
5.2 结论 32
5.3 对设计结果的分析和对作品改进方面的考虑 32
谢辞 33
参考文献 34
附录 35

第一章 绪论

电子硬盘(IDE Flash Disk)是具备高效能，高稳定度的快速记忆体储存媒体元件，是时下效能成本比最优异的记忆体储存媒体解决方案。电子硬盘能提供原始的、高性能的和高可靠的数据储存，即使是在恶劣的条件下工作—恶劣的温度、撞击、震动、干扰等，也不会对数据构成威胁。它克服了机械硬盘的弊病，广泛应用于工业控制、公共安全、电信、军工、航空等高可靠性的数据领域，且由于它体积小、存储空间灵活、费用低，也广泛地应用于民用领域。

电子硬盘中使用的存储芯片是闪速存储器Flash Memory，它是一种最早由Intel公司于20世纪80年代初开发的具有优良电可擦除和可重复编程特性的新型存储器。虽然进入世界存储器市场仅仅几年，但它凭借着优良的特性已经逐渐开始取代传统的EPROM、DRAM和SRAM，占据了十分重要的市场份额。随着新技术、新工艺的不断发展，Flash Memory集成度不断提高，价格不断降低，这使得其在便携机上取代小容量硬盘已成为可能。

本次设计的电子硬盘是一种由硬盘控制器（SST55LD019A）、供电电路（AME8800）、Flash Memory芯片（2*K9F5608U0B）和44pin标准IDE接口组成的固态盘。它的优点是结构简单、外形轻巧、功耗较低、抗震性好，可广泛应用于各种嵌入式系统（如PC及外设、电信交换机、仪器仪表和车载系统）、军用武器系统（雷达和导航系统）和各种新兴的通信设备（如手机、传真，网络适配器）中。
本次设计的目的在于实现电子硬盘在台式机和便携式计算机中替代普通硬盘的功能，因此，该电子硬盘在接口方面选用了兼容便携式电脑主板的44pin标准ATA接口，并可以通过转接口与台式机主板实现兼容。

第二章 闪速存储器简介

2.1 闪速存储器的产生和发展

闪速存储器又称快擦写型存储器、快闪存储器、闪烁存储器，是20世纪80年代末期Intel公司发明的一种具有高密度、低成本、非易失性等特点的读/写半导体存储器。它突破了传统的存储器体系，改善了现有存储器的特性，因而是一种全新的存储技术[1]。

存储器的发展都具有更大、更小、更低的趋势，这在闪速存储器行业表现得尤为淋漓尽致。随着半导体制造工艺的发展，主流闪速存储器厂家采用0.18μm，甚至0.15μm的制造工艺。借助于先进工艺的优势，闪速存储器的容量可以更大：NOR技术将出现256Mb的器件，NAND和AND技术已经有1Gb的器件；同时芯片的封装尺寸更小：从最初DIP封装，到PSOP、SSOP、TSOP封装，再到BGA封装，闪速存储器已经变得非常纤细小巧；先进的工艺技术也决定了存储器的低电压的特性，从最初12V的编程电压，逐渐下降到5V、3.3V、2.7V、1.8V单电压供电。这符合国际上低功耗的潮流，更促进了便携式产品的发展[2]。

另一方面，新技术、新工艺也推动闪速存储器的位成本大幅度下降：采用NOR技术的Intel公司的28F128J3价格为25美元，NAND技术和AND技术的闪速存储器将突破1MB 1美元的价位，使其具有了取代传统磁盘存储器的潜质。

世界闪速存储器市场发展十分迅速，其规模接近DRAM（动态随机存取存储器）市场的1/4，与DRAM和SRAM（静态随机存取存储器）一起成为存储器市场的三大产品。闪速存储器的迅猛发展归因于资金和技术的投入，高性能低成本的新产品不断涌现，刺激了闪速存储器更广泛的应用，推动了行业的向前发展。

2.2闪速存储器的主要技术类型

目前，世界各大存储器制造商在闪速存储器中主要采用的技术有NOR、AND、NAND和EEPROM派生等。

1、 NOR技术

NOR技术又可分为NOR和DINOR两种：

①NOR技术：NOR技术亦称为Linear技术。采用NOR技术的闪速存储器是最早出现的Flash Memory，目前仍是多数供应商支持的技术架构。它源于传统的EPROM器件，与其它Flash Memory技术相比，具有可靠性高、随机读取速度快的优势，在擦除和编程操作较少而直接执行代码的场合，尤其是纯代码存储的应用中广泛使用，如PC的BIOS固件、移动电话、硬盘驱动器的控制存储器等。

NOR技术Flash Memory具有以下特点：（1） 程序和数据可存放在同一芯片上，拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取，允许系统直接从Flash中读取代码执行，而无需先将代码下载至RAM中再执行；（2） 可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以块为单位或对整片执行擦除操作，在对存储器进行重新编程之前需要对块或整片进行预编程和擦除操作。由于NOR技术Flash Memory的擦除和编程速度较慢，而块尺寸又较大，因此擦除和编程操作所花费的时间很长，在纯数据存储和文件存储的应用中，NOR技术显得力不从心。不过，仍有支持者在以写入为主的应用，如CompactFlash卡中继续看好这种技术。

Intel公司的StrataFlash家族中的最新成员——28F128J3，是迄今为止采用NOR技术生产的存储容量最大的闪速存储器件，达到128Mb（位），对于要求程序和数据存储在同一芯片中的主流应用是一种较理想的选择。该芯片采用0.25μm制造工艺，同时采用了支持高存储容量和低成本的MLC技术。所谓MLC技术（多级单元技术）是指通过向多晶硅浮栅极充电至不同的电平来对应不同的阈电压，代表不同的数据，在每个存储单元中设有4个阈电压(00/01/10/11），因此可以存储2b信息；而传统技术中，每个存储单元只有2个阈电压（0/1），只能存储1b信息。在相同的空间中提供双倍的存储容量，是以降低写性能为代价的。Intel通过采用称为VFM（虚拟小块文件管理器）的软件方法将大存储块视为小扇区来管理和操作，在一定程度上改善了写性能，使之也能应用于数据存储中。

②DINOR技术：DINOR(Divided bit-line NOR)技术是Mitsubishi与Hitachi公司发展的专利技术，从一定程度上改善了NOR技术在写性能上的不足。DINOR技术Flash Memory和NOR技术一样具有快速随机读取的功能，按字节随机编程的速度略低于NOR，而块擦除速度快于NOR。这是因为NOR技术Flash Memory编程时，存储单元内部电荷向晶体管阵列的浮栅极移动，电荷聚集，从而使