随着全球经济的发展,信息技术得到了广泛使用。云计算、虚拟服务器和AI等行业的兴起,对存储器的性能要求越来越高。传统的机械硬盘已不能满足这些高性能需求。固态硬盘凭借体积小、功耗低、噪音低、速度快、抗震性好等优点,在多个领域得到了广泛应用,因此分析它的结构并提高性能十分重要。SSD的关键组件是控制器和存储介质,高性能的SSD其内部有独立的ARM核实现FTL算法。从固态硬盘的结构出发,要提高性能可以从以下几个方面考虑:选择性能更好的存储介质、优化控制器的设计、采用链接速度更高的软件接口标准。如今,存储器的性能瓶颈已经从底层存储介质部分上升到了顶层的控制器性能部分。因此本文从优化控制器这一角度出发来提升SSD的性能。本设计选用PCIe作为主机与SSD交互的接口,Nand闪存作为主要存储单元,同时遵循NVMe软件协议。在PCIe接口SSD控制器基础上,为提高Host访问固态硬盘的效率,通过增加负责轮询检测CPU的128个线程,以轮询的方式取走每个线程配置的命令,且每个线程均可配置16个Flash通道命令的线程轮询模块和负责对Host返回报文进行排序处理的乱序处理模块,以及软硬件协商的访问命令字段定义,实现了Host侧的多线程对多通道Flash并行访问的功能。主机端CPU的128个线程可以对16个Flash存储通道进行访问,且线程与通道之间没有绑定关系,使得CPU侧能够均衡负载,延长整个固态硬盘的使用寿命。配合主机端对闪存访问命令的打散处理,多个Flash通道可以并行工作,减少读写访问需要的时间。设计中的PCIe＿DMA发送引擎与接收引擎无耦合关系,可以充分发挥PCIe链路的全双工性能,提高带宽利用率。同时将DDR4 SDRAM缓存映射至PCIe BAR2空间,支持被动接收响应外部DMA引擎发送的数据传输请求,可应用于其他PCIe设备对SSD的端对端访问。本文在提出上述改善SSD控制器性能方案的基础上,确定了在Altera arria10系列FPGA板上实现控制器逻辑。首先用可综合的Verilog语言实现PCIe＿DMA中每个子模块的设计,然后提取设计模块的验证功能点并制定验证策略,接着使用System Verilog语言搭建基于UVM的验证平台,并对验证平台中的激励产生方式进行了重点说明,然后对PCIe＿DMA模块和整个SSD控制器子系统进行功能验证,通过查看仿真报告和波形分析发现设计能很好的实现逻辑功能;最后通过FPGA上板验证,可知设计的功能正确。多次测试之后粗略计算出Host访问SSD的速率,可以看出多线程提高了Flash通道工作的并行性,减少了访问延迟。由此可知本文设计的PCIe＿DMA模块在提升整个SSD性能方面发挥了重要作用。