星载固态存储文件化管理方案应用研究

发布时间：2017-12-20 22:45

  本文关键词：星载固态存储文件化管理方案应用研究　出处：《中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：随着空间科学的不断发展,空间探测任务逐步丰富,呈现出有效载荷性能快速提升、任务形式多样化等新的趋势,对星载固态存储器的存储管理模式提出了挑战。传统星载固态存储方案基于数据码流设计,采用固定分区存储方式,灵活性差、适用范围有限,多源、多任务、高速海量数据等特点迫使提出新的存储管理方案应对航天任务需求。课题针对高速多路载荷数据输入、数据存储管理动态灵活等需求,以实际工程应用为导向,对星上载荷数据基于任务的文件化组织管理策略、灵活动态存储方案、文件可靠传输协议等多方面进行创新性研究。为解决多路高速载荷数据并行存储的问题,对基于NAND FLASH的固态存储器的吞吐率瓶颈进行分析,设计采用四级流水线操作和总线并行扩展方案,提高了系统的吞吐率和存储容量;对已有缓存方案的不足进行分析,提出了基于SDRAM的高速多通道缓存与存储协同调度方案,实现了多载荷同时任务时高速数据的并行接收缓存与自主调度存储,提高了系统的载荷支撑能力。为实现对载荷数据的文件化高效组织管理,研究分析了基于块设备的文件系统与日志结构文件系统,梳理了星上存储文件化管理的方案需求,提取了新型文件化管理系统的关键技术,并对FLASH空余区、块使用分配表、块使用链表以及软硬件中断信息交互机制进行关键设计,最终提出了一种基于Vx Works嵌入式操作系统与FPGA硬件支撑相结合的新型星载固态存储文件化管理方案架构。针对多文件存储灵活性和存储有效吞吐率问题,提出了自主虚拟动态存储+固定分区存储的混合存储模式,打破了固定分区的界限;提出了有效载荷科学数据与文件信息分离存储策略,保证了FLASH在数据存储时的高速运行;并对方案架构的物理层进行了设计实现,完成了对FPGA的功能模块划分与硬件研制,实现了系统对多路高速数据的并行接收缓存、自主虚拟动态存储以及按指令进行文件回放、擦除等功能。针对文件系统的高效索引与可靠运行,提出了树形目录索引+文件链表式高效索引方案,支持系统按目录、文件、时间段任意点播回放、擦除,存储管理快速灵活;设计了系统坏块管理、损耗均衡、快速启动、意外掉电恢复等管理策略,提高了系统健壮性;并对存储控制管理软件进行了设计,实现了系统初始化、文件存储、文件回放和文件擦除等功能。课题最终建立了科学的、符合空间探测任务需求的系统框架,突破了系统对多路有效载荷数据的高速并行缓存、自主虚拟动态存储、文件化组织管理和链表式快速索引等关键技术,实现了CFDP文件协议的延时可靠传输模式方案,完成了基于任务模式的星载固态存储文件化管理系统原理样机研制,解决了传统数据组织管理方式单点支持信源量小、分区存储灵活性差等问题,对实际工程应用具有一定指导意义。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP333

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本文编号：1313683