星载固态存储器硬件架构研究

发布时间：2020-07-05 22:06

【摘要】：航天实验数据是航天任务的主要产出。星载固态存储器能够为星载探测设备的数据采集、存储、在轨处理及回放提供支撑,是航天综合电子系统的重要组成设备之一,在一定程度上影响整个航天任务完成的情况。随着太空探测技术的飞速发展,空间探测任务的多样性对星载固态存储器提出了更多、更高的要求。本文结合国外星载固态存储器发展现状,从存储芯片,容量,吞吐量,可扩展性,可靠性措施五个角度进行分析,总结星载固态存储系统集成度高,灵活性好,易扩展及通用性强的发展趋势,对相关的关键技术展开针对性的研究。提高存储器容量、吞吐量的基本方法是采用并行扩展技术以及流水技术提高NAND FLASH接口写入速度,使用速度快容量大的SDRAM替换SRAM提高缓存吞吐率,扩大存储阵列并相应的提高驱动能力。结合芯片工作原理与实际工作流程,提出SDRAM与NAND FLASH的合理吞吐量配比,避免特定环节瓶颈影响存储器真实性能,提高存储区的实际吞吐量。同时为了实现FPGA的ASIC化带来的资源不足的问题,提出优化连接方案,保证驱动能力、控制操作便捷的条件下,减少引线布线占用ASIC I/O资源,降低扩展成本,提高系统整体集成度。针对星载固态存储器启动时间过长、灵活性差的问题,深入分析星载固态存储器的工作特点,并且结合大型科研卫星以及微小卫星对存储器的不同需求,提出了两种快速启动算法。微小卫星对研制成本,设备的体积、质量要求严格,本文提出了基于保留区的快速启动算法,灵活利用原始存储区,在原始存储区中划分出一块区域集中存储BAT表,提高BAT表存储集成度,减少启动扫描用时;将保留区中BAT表根据内容划分,选用不同可靠性措施,在节省资源的基础上提高BAT表存储的可靠性;采用流水更新的策略实现保留区BAT表更新,提高更新效率,缩短更新用时,提高固态存储器的可靠性。该算法在功能重启时启动时间仅为传统管理方法的0.1%左右,故障重启时启动时间仅为传统管理方法的0.2%左右。大型科研任务对存储器的寿命、可靠性、启动时间要求更严格,本文引入新型非易失存储器MRAM辅助FPGA管理BAT表。新型非易失存储器MRAM,存储密度高,抗辐射能力强,读写速度快,寿命长的特点非常适合存储BAT表。FPGA并行管理BAT表与NAND FLASH几乎能够保证同步更新BAT表,极大的降低由于异常掉电引起的数据可靠性问题的概率;通过优化MRAM中BAT表格式,采用NAND FLASH地址直接映射MRAM地址,实现硬件快速索引降低了BAT表建立、更新的资源、时间消耗。该算法可进一步缩短启动时间,甚至不足传统管理方法的0.1%。以上两种技术能够有效的提高存储器基本性能,对存储架构的研究能够进一步提升星载固态存储器的扩展性及通用性。结合现代卫星研制的时间、成本、可靠性要求,针对传统架构BAT表臃肿,存储管理软件化过高,软硬件耦合紧密的缺点,提出一套通用化、模块化、集成度高、可靠性好的星载固态存储器架构方案,并且为适应微小卫星的需求,对架构进行调整,以实现更高的管理效率、存储密度,更低的功耗、更小的体积。硬件上,将传统架构中的多个组成部分独立为功能模块,将内部接口与外部接口分开,将管理总线与数据传输总线分开,统一总线接口,将对外接口集成在复接合路模块,精简接口提高存储器模块化通用性。使用CPCI总线作为管理总线,保证了架构的灵活,结构的稳定,便于各模块间的互换、调整,提升系统架构的可扩展性。连接上,使用高速串行总线作为存储区的数据总线,点对点的连接,保证数据传输的稳定性、可靠性,可支持并发传输方式,提高存储区的整体吞吐量。供电方面,每个模块独立供电,确保各存储模块间的独立性,提高架构抗单模块异常的能力。FPGA设计上,深入研究传统管理方案,提出了更灵活的半自主管理方案,利用MRAM配合FPGA进行BAT的检索、更新等工作,减少了软件的工作量,提升存储管理过程中硬件的自主性,提高了管理效率,降低了软硬件的耦合程度,减少管理过程对总线交互的依赖。经数学模型计算验证,半自主管理算法能够有效缩短存储区写入、回放、擦除操作的总时间,以及操作中与CPU交互所占用的总线时长,降低各操作过程产生中断的频率。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP333
【图文】：

蓝色,磁带,固态存储器,存储器

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历程,公司,存储器,产品

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样机,单粒子

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【参考文献】