基于國產(chǎn)抗輻照器件的數(shù)據(jù)復(fù)接存儲(chǔ)技術(shù)研究

崔培林 郭黎燁 李毅 田文波 沈奇

（上海航天電子技術(shù)研究所/八院智能計(jì)算技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，201109）

隨著載荷種類的增加，針對(duì)航天任務(wù)中多路載荷數(shù)據(jù)復(fù)接下行和存儲(chǔ)量較大的現(xiàn)狀，高速數(shù)據(jù)傳輸和大容量存儲(chǔ)成為航天領(lǐng)域需重點(diǎn)研究的問題[1]。同時(shí)，針對(duì)航天領(lǐng)域環(huán)境特殊，對(duì)系統(tǒng)抗輻加固也提出了更高的要求[2]。

為了方便數(shù)據(jù)傳輸處理，空間系統(tǒng)咨詢委員會(huì) （CCSDS）提出了高級(jí)在軌系統(tǒng) （AOS）標(biāo)準(zhǔn)，以便于多路數(shù)據(jù)在同一信道的傳輸[3]。早期星上存儲(chǔ)設(shè)備主要使用磁帶機(jī)和磁盤，這類存儲(chǔ)介質(zhì)的可靠性、傳輸速率和壽命較低[4]。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大容量、高速率、高可靠的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器 （MRAM）、可編程只讀存儲(chǔ)器 （PROM）、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 （SRAM）等固態(tài)存儲(chǔ)成為航天領(lǐng)域存儲(chǔ)器主流選擇[5-6]。其中，NAND閃存（Flash）存儲(chǔ)器因具有數(shù)據(jù)不容易丟失、存儲(chǔ)效率高和功耗低的特點(diǎn)而成為優(yōu)先選擇[7-8]。

我們針對(duì)某航天器20路數(shù)據(jù)復(fù)接下行和大容量1T固態(tài)存儲(chǔ)的需求，使用9片128G NAND Flash芯片疊裝成1T的大容量數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器。利用現(xiàn)場可編程門陣列 （FPGA）芯片的高速數(shù)據(jù)處理能力和控制靈活性，對(duì)NAND Flash芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)讀、寫、擦除和壞塊管理等操作，使用同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存 （SDRAM）進(jìn)行數(shù)據(jù)讀、寫和下傳的緩存，進(jìn)而提高存儲(chǔ)器的吞吐率，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)源按要求進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)管理以及數(shù)據(jù)回放等功能。同時(shí)，對(duì)國產(chǎn)NAND Flash等芯片增加抗輻加固設(shè)計(jì)，滿足航天領(lǐng)域?qū)υ骷煽啃缘囊蟆?/p>

1 數(shù)據(jù)復(fù)接存儲(chǔ)系統(tǒng)簡介

數(shù)據(jù)復(fù)接存儲(chǔ)系統(tǒng)主要接收異步串行遙控指令并解析，根據(jù)遙控指令要求執(zhí)行并完成對(duì)外部20路數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)的接收、組幀，完成對(duì)數(shù)據(jù)的接收后，將數(shù)據(jù)存入固態(tài)存儲(chǔ)器，并且提供基于VCID和時(shí)間碼的文件管理服務(wù)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)源按要求進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)管理以及數(shù)據(jù)回放等功能。系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)見表 1。

表1 主要性能指標(biāo)

2 數(shù)據(jù)復(fù)接存儲(chǔ)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

FPGA需要完成多路數(shù)據(jù)的接收處理、格式編排、存儲(chǔ)訪問和數(shù)據(jù)下傳功能。數(shù)據(jù)復(fù)接模塊主要使用二線制低壓差差分信號(hào) （LVDS）、異步RS422、三線制LVDS、同步 RS422四類接口模塊來接收數(shù)據(jù)，MRAM模塊儲(chǔ)存關(guān)鍵的文件信息，F(xiàn)PGA控制Flash陣列的讀寫、擦除等，SDRAM模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存操作，1Tb的NAND Flash實(shí)現(xiàn)對(duì)多路載荷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

2.1 數(shù)據(jù)復(fù)接功能實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)復(fù)接模塊主要使用二線制LVDS、異步RS422、三線制LVDS、同步 RS422四類接口模塊來接收數(shù)據(jù)，經(jīng)過位寬轉(zhuǎn)換至16bit后存入FIFO緩存，當(dāng)FIFO內(nèi)數(shù)據(jù)存夠一幀數(shù)據(jù)量時(shí)，F(xiàn)IFO向AOS模塊發(fā)起讀請(qǐng)求，AOS模塊將從發(fā)起請(qǐng)求的目標(biāo)FIFO中取出一幀數(shù)據(jù)，并根據(jù)虛擬信道號(hào)和幀計(jì)數(shù)組幀，將數(shù)據(jù)傳向SDRAM控制器。AOS模塊以50MHz的主頻輪詢各路數(shù)據(jù)源FIFO，數(shù)據(jù)處理能力可以覆蓋最大輸入速率。

2.2 Flash陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

NAND Flash器件使用VDNF128G08RS50 MS8V25，該芯片內(nèi)部由8片16Gb Flash基片疊裝而成，采用深度擴(kuò)展方式來提高存儲(chǔ)容量，共用8位IO總線，各層的CE、RE、WE和R/B等信號(hào)分別引出 （共4層）。

1Tb存儲(chǔ)陣列由一組疊裝存儲(chǔ)器組成，每組8+1=9顆器件，一組9顆器件位寬拓展為72位位寬，提高了存儲(chǔ)器的并行性和吞吐能力。

2.3 提高系統(tǒng)抗輻加固能力

2.3.1 選用抗輻存儲(chǔ)器

為了應(yīng)對(duì)航天領(lǐng)域環(huán)境特殊，對(duì)抗輻加固要求較高，本文對(duì)關(guān)鍵存儲(chǔ)器件采用三模冗余設(shè)計(jì)。本文在使用到的國產(chǎn)存儲(chǔ)芯片MRAM、SDRAM、NAND Flash均具有一定的抗輻性能，具體情況見表2。

表2 國產(chǎn)存儲(chǔ)芯片抗輻指標(biāo)

2.3.2 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是存儲(chǔ)器控制系統(tǒng)的核心，一旦數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)失效，存儲(chǔ)系統(tǒng)的記錄及回放功能將徹底失效，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)依靠文件信息對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。本文所述數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)將文件信息存入MRAM內(nèi)維護(hù)，由表2可知，MRAM具有較為優(yōu)秀的抗輻射能力，將使用到的關(guān)鍵文件信息存放在MRAM中，可以有效降低空間輻射環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響。

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)不斷維護(hù)其寫指針，保證在意外復(fù)位或者斷電時(shí)寫指針丟失。根據(jù)綜合電子參數(shù)上注指令，不斷存儲(chǔ)和回放綜合電子參數(shù)，避免重要信息意外丟失。每次流水頁 （2Mb）記錄結(jié)束之后，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)FPGA到相應(yīng)MRAM文件管理空間中修改更新寫指針，避免寫指針丟失，在擦除操作時(shí)，寫指針清零。

2.3.3 FPGA抗輻加固

FPGA是本系統(tǒng)的核心控制器，使用高等級(jí)的FPGA芯片提高系統(tǒng)可靠性，并采用回讀刷新芯片增強(qiáng)FPGA的抗SEU能力?；刈x刷新芯片對(duì)FPGA器件的配置空間進(jìn)行訪問，讀出配置數(shù)據(jù)，并與配置片中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，實(shí)時(shí)監(jiān)控單粒子事件的發(fā)生。當(dāng)回讀檢測到FPGA發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)時(shí)，可以采取重新加載方式或部分重配置消除單粒子的影響，使系統(tǒng)功能恢復(fù)正常。NAND FLASH器件具有EDCA校驗(yàn)功能，可以檢測出1位誤碼，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.3.4 FPGA軟件加固

采用8片F(xiàn)lash存儲(chǔ)有效數(shù)據(jù)，1片F(xiàn)lash存儲(chǔ)EDAC校驗(yàn)碼，每存儲(chǔ)64bit數(shù)據(jù)即計(jì)算一次EDAC校驗(yàn)碼存入Flash，每次讀出數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行一次校驗(yàn)和糾錯(cuò)。另一方面，由于Flash內(nèi)的配置區(qū)存在SEU的可能性，因此存儲(chǔ)控制邏輯中每次操作 （讀、寫、擦）時(shí)均會(huì)復(fù)寫Flash配置，以確保每次都是以正確的配置來對(duì)Flash執(zhí)行操作。

3 大容量數(shù)據(jù)復(fù)接存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)

實(shí)時(shí)模式下，外部數(shù)據(jù)源輸入數(shù)據(jù)復(fù)接存儲(chǔ)模塊的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的從指定下傳信道下傳。由于存在兩路下傳信道同時(shí)工作的情況，因此實(shí)時(shí)模式下將接收到的數(shù)據(jù)使用兩組FIFO（每組20個(gè)）同步接收數(shù)據(jù)，通過SDRAM的分時(shí)復(fù)用寫入將輸入數(shù)據(jù)緩存至相應(yīng)的分區(qū)，并且根據(jù)指令從SDRAM中將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳入下傳信道。

延時(shí)模式下，數(shù)據(jù)復(fù)接及存儲(chǔ)模塊模塊完成外部數(shù)據(jù)的接收、組幀、存儲(chǔ)，建立和維護(hù)基于VCID和時(shí)間碼的文件管理服務(wù)。并根據(jù)地面指令，按照虛擬信道和時(shí)間范圍檢索固存數(shù)據(jù)，并將檢索出的歷史記錄數(shù)據(jù)通過制定信道下傳地面。

由于數(shù)據(jù)源路數(shù)較多，存在輸入突發(fā)速率較大的情況，故使用一片1Gb的SDRAM作為存儲(chǔ)、回放的緩存資源。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流如圖1和圖2所示。

圖1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)流圖

圖2 數(shù)據(jù)回放數(shù)據(jù)流圖

3.1 文件管理

數(shù)據(jù)復(fù)接及存儲(chǔ)模塊模塊初次上電時(shí)，依據(jù)出廠設(shè)置指令將PROM中存儲(chǔ)的出廠壞塊導(dǎo)入MRAM中，生成工作壞塊表，并在擦除過程中自主管理壞塊表。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)FPGA接收數(shù)載荷數(shù)據(jù)，緩存滿一個(gè)流水頁時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)FPGA啟動(dòng)Flash陣列寫操作，F(xiàn)lash寫操作啟動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)FPGA從上而下檢索MRAM中空白未用的好塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，并標(biāo)記相應(yīng)的記錄數(shù)據(jù)寫入的時(shí)間和寫入的載荷類型，表示存儲(chǔ)空間為被該文件占用。每完成一個(gè)流水頁記錄時(shí)，更新寫指針，保證寫指針掉電不丟失。

一組Flash陣列包含8個(gè)128Gb Flash芯片作為有效存儲(chǔ)，位寬64位，每個(gè)Flash具有4層，每層具有220頁存儲(chǔ)空間，每頁大小為8KB，故一個(gè)流水頁大小為2Mb。根據(jù)Flash存儲(chǔ)陣列介質(zhì)特性，最小存儲(chǔ)顆粒為一個(gè)流水頁（2Mb），即文件的最小單位為1個(gè)流水頁，文件管理信息也是具體到一個(gè)流水頁 （2Mb）的數(shù)據(jù)量。文件管理信息包含流水頁數(shù)據(jù)載荷ID屬性、記錄時(shí)間屬性，此外頁包含壞塊表屬性、讀寫指針、等信息。

MRAM總空間為64Mb，每個(gè)流水頁使用7Byte標(biāo)識(shí)文件信息。MRAM文件信息管理總共維護(hù)Flash存儲(chǔ)陣列220個(gè)流水頁的文件信息。此外，MRAM內(nèi)部還存儲(chǔ)Flash存儲(chǔ)陣列圖像區(qū)和通信字區(qū)的兩套寫指針。

3.2 存儲(chǔ)控制操作

由于VDNF128G08RS50MS8V25芯片采用8片疊裝的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此FLASH控制器采用8級(jí)流水控制方法來避開各級(jí)芯片的編程時(shí)間，以提高FLASH操作效率。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)FPGA接收數(shù)載荷數(shù)據(jù)，緩存滿一個(gè)流水頁時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)FPGA啟動(dòng)Flash陣列寫操作。Flash寫操作啟動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)FPGA從上而下檢索MRAM中空白未用的好塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，并標(biāo)記相應(yīng)的記錄數(shù)據(jù)寫入的時(shí)間和寫入的載荷類型，表示存儲(chǔ)空間為被該文件占用。每完成一個(gè)流水頁記錄時(shí)，更新寫指針，保證寫指針掉電不丟失。

存儲(chǔ)控制器主要用于控制Flash陣列的讀寫和擦除，存儲(chǔ)控制器將Flash陣列分為通信字區(qū)和圖像區(qū)。兩個(gè)分區(qū)具有獨(dú)立的讀寫指針，支持獨(dú)立讀寫、獨(dú)立擦除。存儲(chǔ)控制器采用循環(huán)寫入、邊寫邊擦的管理方式。存儲(chǔ)控制器在每次寫操作時(shí)要從非易失性存儲(chǔ)器MRAM內(nèi)部查詢壞塊表并來獲取寫指針，在寫操作結(jié)束后更新MRAM中的文件信息和寫指針。

存儲(chǔ)控制器在每次讀操作時(shí)要從非易失性存儲(chǔ)器MRAM內(nèi)部查詢壞塊表和文件信息 (VCID和時(shí)間碼)來獲取讀指針，在讀操作結(jié)束后更新MRAM中的讀指針。數(shù)據(jù)復(fù)接及存儲(chǔ)模塊模塊初次上電時(shí)，依據(jù)出廠設(shè)置指令將PROM中存儲(chǔ)的出廠壞塊導(dǎo)入MRAM中，生成工作壞塊表，并在擦除過程中自主管理壞塊表。

4 系統(tǒng)測試分析

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)復(fù)接存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能，使用地面測試設(shè)備模擬20路載荷數(shù)據(jù)源，結(jié)合固存測試軟件發(fā)送相應(yīng)的指令數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行驗(yàn)證。測試系統(tǒng)主要由地測設(shè)備、電源、復(fù)接存儲(chǔ)模塊、測試計(jì)算機(jī)組成。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)存儲(chǔ)性能，對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與回放測試，通過平臺(tái)固存測試軟件發(fā)送相應(yīng)的遙控指令，如圖3所示，地測設(shè)備模擬數(shù)據(jù)源發(fā)送20路載荷數(shù)據(jù)。

圖3 遙測遙控界面

地面測試設(shè)備發(fā)送載荷數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到Flash存儲(chǔ)器中，最后將數(shù)據(jù)回放接收。將回放的數(shù)據(jù)通過分包比對(duì)軟件進(jìn)行解析，回放3G載荷數(shù)據(jù)，從結(jié)果可以看出系統(tǒng)正確的接收存儲(chǔ)了載荷數(shù)據(jù)并將其完整的回放出來，滿足了系統(tǒng)整體需求。

我們以國產(chǎn)MRAM、SDRAM、NAND Flash芯片為基礎(chǔ)，使用FPGA為核心器件實(shí)現(xiàn)對(duì)NAND Flash器件的讀、寫、擦除操作，并對(duì)壞塊進(jìn)行有效的管理，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了對(duì)20路載荷數(shù)據(jù)的有效傳輸、管理、存儲(chǔ)回放等功能。根據(jù)航天領(lǐng)域特殊的環(huán)境要求，增加抗輻加固設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性。設(shè)計(jì)測試實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行驗(yàn)證表明，系統(tǒng)符合型號(hào)總體要求。