相变存储器(Phase Change Memory)简称PCM,是一种新型的非易失性存储器,其具有诸多优秀性能,是未来计算机应用中闪存的最佳替代品,具有不可估量的发展前景。PCM掉电不丢失数据,存储时间长,工作功耗低,而且相对于闪存,PCM在编程(写数据)前不需要进行擦除操作,支持对每一个存储单元的随机读写,其读写速度也高于闪存,每个PCM存储单元的可编程次数也远超过闪存。根据科学界估计,未来PCM的读写速度和可编程次数将逐渐接近甚至超过DRAM存储器。因此,电子行业对PCM的需求增长迅速,固态硬盘、手机ROM等存储设备开始逐渐使用PCM作为其存储介质。与闪存一样,PCM在普及应用的过程中不但需要制造工艺的提升和硬件设计的完善,还需要高效的软件模块进行管理和控制。本文根据PCM的特性和实际需求,设计了PCM并行控制器,并在FPGA中以Verilog HDL语言编程实现,最终应用于国家863项目“面向大数据的先进存储结构及关键技术”的子包“基于新型非易失性存储器的。统一内外存’系统结构及其关键技术”项目的统一内外存实现中。首先,本文根据对PCM的属性归纳和PCM与其他存储器的比较结果,结合各种计算机系统对PCM的功能要求,分析了PCM并行控制器的系统功能性需求和非功能性需求,确定了本系统的主要功能目标和解决的问题,即控制PCM并与用户相连接,实现和优化用户与PCM之间的通信。本文以用例图等辅助说明了系统的需求分析。其次,本文在需求分析基础上对PCM并行控制器进行了系统架构设计。本文根据系统的功能需求提出了系统设计目标和原则,并据此分别对系统的技术架构和功能架构进行了设计。主要设计了用户接口模块、页表管理模块、分页机制模块、损耗均衡模块、错误校验模块、坏页管理模块和PCM接口模块等功能模块,以达到将PCM接口转换为用户接口并控制PCM高效安全的存储用户数据的目标。本文还结合系统流程图等说明了PCM并行控制器的工作原理等。再次,本文根据上述工作进行了PCM并行控制器的系统详细设计,完成了系统建模,结合类图等说明了本系统的静态结构,介绍了各个功能模块之间的关系和静态建模,随后结合系统状态图等描述本系统的动态结构,从读操作和写操作两方面分析了系统的运行路线和各个模块之间的动态关系。本文还结合模块状态图等说明了各个模块的详细设计和整个系统的具体工作流程。最后,本文根据对PCM并行控制器的详细设计简单说明了各个模块的实现,介绍了本系统的物理模型,详细解释了页表管理模块和损耗均衡模块中的地址映射、区域外更新和页间动态替换等算法实现,以及错误校验模块中的ECC校验算法实现,并描述了移植了本系统的PCM开发板。本文还介绍了PCM并行控制器的测试环境,对本系统进行了测试和验证,并对测试结果进行了分析。本文结尾总结了PCM并行控制器的功能和实现,以及目前各种计算机系统与本系统的兼容和匹配,并展望了PCM应用的发展方向。综上所述,本文分析了计算机系统对存储设备的需求和PCM的属性,并在此基础上设计和实现了PCM并行控制器。