基于NAND閃存的固態(tài)硬盤（SSD）正在取代許多應(yīng)用中的硬盤驅(qū)動器（HDD），尤其是便攜式和消費類設(shè)備。由于閃存固有的高性能，這種技術(shù)也正在進軍企業(yè)存儲領(lǐng)域，同樣由于其堅固性（robustness），也得以進軍工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。閃存控制器在這些系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，能夠提供主機和閃存設(shè)備之間的物理接口，也可以高效地利用閃存來實現(xiàn)所需的可靠性和性能。
控制器架構(gòu)
圖1： 一個通常的閃存控制器架構(gòu)
圖1所示為一個典型的閃存控制器的簡單框圖，其中主要包括三個部分：與NAND閃存的接口，與主機系統(tǒng)的接口，以及執(zhí)行所有管理功能的中央處理器。 ROM只提供初始引導(dǎo)代碼，控制器的固件存儲在閃存中，因而便于更新升級。選擇使用何種CPU是決定控制器性能、功能和功耗的關(guān)鍵。
主機和閃存接口包含用于數(shù)據(jù)讀寫的緩沖區(qū)。由于主機和閃存采用的速度和數(shù)據(jù)大小不同，而且主機上的數(shù)據(jù)在寫入之前可能需要重新組織，因而緩沖區(qū)是必需的。控制器應(yīng)該能夠透明地交叉訪問多個閃存，以達到所需的讀寫速度。
為了達到要求的性能、可靠性和使用壽命，控制器必須能夠管理閃存的許多特性。
地址轉(zhuǎn)換和映射
基于文件系統(tǒng)的扇區(qū)大小并使用“邏輯塊地址”，主機通常以塊為單位寫入閃存。控制器必須管理這些傳輸?shù)介W存存儲器頁和塊的數(shù)據(jù)，并跟蹤主機邏輯地址和閃存中物理地址之間的映射，如圖2所示。出于速度考慮，映射信息將保留在RAM中，但需要儲存到閃存，以便在斷電時能夠得以保存。
所使用的映射類型和更新方法將決定性能和堅固性，例如電源意外斷開的情況。
圖2： 基本的基于塊的地址映射
糾錯碼
與所有存儲設(shè)備一樣，數(shù)據(jù)讀取時可能會出現(xiàn)錯誤。這些可能是由輻射引起的偶然錯誤，或者是附近的單元被讀取或編程時存儲值被擾亂引起的暫時故障，或者是編程單元時的失效。使用閃存時，由于閃存單元的編程／擦除周期有限，這些錯誤隨著時間的推移會變得更加頻繁。為此，控制器使用糾錯碼（ECC）來檢測和糾正錯誤。這意味著當(dāng)數(shù)據(jù)寫入閃存時，會寫入包含ECC的額外字節(jié)。為了檢查錯誤，當(dāng)數(shù)據(jù)被讀取時，ECC被重新計算，并且與存儲的值進行比較。通常情況下，允許校正單字節(jié)的錯誤，并且可檢測多字節(jié)的錯誤。重復(fù)的故障可能表示壞塊（bad block）。然后控制器需要跟蹤壞塊，一面它們被再次使用。
因此，高質(zhì)量的ECC實施是確保閃存存儲器中數(shù)據(jù)完整性的關(guān)鍵。可以使用的ECC類型有很多，這些都包括非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)函數(shù)，可以在校正速度和質(zhì)量、硬件要求和處理性能方面提供不同的權(quán)衡。ECC的選擇需要與原始誤碼率和誤碼分布等閃存的特性相匹配。一個好的控制器需要認真考慮這些因素，并有足夠的處理能力來實現(xiàn)最佳的ECC算法。
磨損平衡
為了最大限度地減少閃存單元有限的編程／擦除耐久性的影響，并最大限度地延長閃存的使用壽命，控制器使用磨損平衡（wear levelling）算法來確保所有塊的均勻使用。這意味著控制器在寫入數(shù)據(jù)時必須從未使用的塊中選擇使用最少的頁。此外，有幾種方法可以用于在有效性和處理性能之間進行不同的取舍。
閃存的一個特點是數(shù)據(jù)只能寫入擦除的頁面。因此，如果對小于一頁的數(shù)據(jù)塊進行隨機寫入，則當(dāng)前在頁中的數(shù)據(jù)可能需要被重新定位到新的已擦除頁面。這是產(chǎn)生寫入放大的主要原因之一，即閃存的實際寫入比主機要求的寫入要多。控制器必須確保數(shù)據(jù)重新定位期間的數(shù)據(jù)完整性，并需要更新邏輯地址映射。
由于數(shù)據(jù)是以頁的形式寫入，但卻只能以由多個頁面組成的塊進行擦除，因此控制器將必須進行垃圾收集（garbage collection）。這需要復(fù)制數(shù)據(jù)以便把已經(jīng)使用的頁整合到塊，并釋放可被擦除進而重新使用的空白塊。垃圾收集的時間和頻率需要進行管理，以減少對主機系統(tǒng)性能的影響，還需要確保斷電時數(shù)據(jù)不會丟失。
控制器可以利用閃存中塊的超量配置，從而使壞塊不會降低閃存的可用容量或壽命。可用的備用塊也能夠提高垃圾收集和隨機寫入的性能。
半導(dǎo)體可靠性
系統(tǒng)可靠性的一個重要方面是控制器本身的質(zhì)量。首先，通過嚴格的設(shè)計和測試流程可以確保設(shè)備在特定的環(huán)境中可靠地工作。另外，由于半導(dǎo)體對輻射的敏感性，所選擇的封裝對于最小化α粒子的影響非常重要。同樣，封裝和互連材料也需要耐受使用期間由溫度變化引起的應(yīng)力。生產(chǎn)測試中使用的方法是加速老化來確認設(shè)備能夠滿足故障率和平均無故障時間（MTBF）的要求。
健康監(jiān)測
與任何其他存儲系統(tǒng)一樣，閃存的使用壽命有限。控制器可以監(jiān)控和記錄總的擦除和編程周期次數(shù)、壞塊和備用塊的數(shù)量、以及由ECC檢測到的錯誤率等數(shù)據(jù)，由此可向主機系統(tǒng)和用戶提供關(guān)于閃存的健康狀態(tài)信息。這樣可以提前預(yù)警潛在的故障，以便在發(fā)生數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險之前更換設(shè)備。對于通過標準ATA接口連接的SSD設(shè)備，可以通過自我監(jiān)測、分析和報告技術(shù)（SMART）協(xié)議來報告此類信息。
