【摘要】：航天實驗數(shù)據(jù)是航天任務的主要產(chǎn)出。星載固態(tài)存儲器能夠為星載探測設備的數(shù)據(jù)采集、存儲、在軌處理及回放提供支撐,是航天綜合電子系統(tǒng)的重要組成設備之一,在一定程度上影響整個航天任務完成的情況。隨著太空探測技術(shù)的飛速發(fā)展,空間探測任務的多樣性對星載固態(tài)存儲器提出了更多、更高的要求。本文結(jié)合國外星載固態(tài)存儲器發(fā)展現(xiàn)狀,從存儲芯片,容量,吞吐量,可擴展性,可靠性措施五個角度進行分析,總結(jié)星載固態(tài)存儲系統(tǒng)集成度高,靈活性好,易擴展及通用性強的發(fā)展趨勢,對相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)展開針對性的研究。提高存儲器容量、吞吐量的基本方法是采用并行擴展技術(shù)以及流水技術(shù)提高NAND FLASH接口寫入速度,使用速度快容量大的SDRAM替換SRAM提高緩存吞吐率,擴大存儲陣列并相應的提高驅(qū)動能力。結(jié)合芯片工作原理與實際工作流程,提出SDRAM與NAND FLASH的合理吞吐量配比,避免特定環(huán)節(jié)瓶頸影響存儲器真實性能,提高存儲區(qū)的實際吞吐量。同時為了實現(xiàn)FPGA的ASIC化帶來的資源不足的問題,提出優(yōu)化連接方案,保證驅(qū)動能力、控制操作便捷的條件下,減少引線布線占用ASIC I/O資源,降低擴展成本,提高系統(tǒng)整體集成度。針對星載固態(tài)存儲器啟動時間過長、靈活性差的問題,深入分析星載固態(tài)存儲器的工作特點,并且結(jié)合大型科研衛(wèi)星以及微小衛(wèi)星對存儲器的不同需求,提出了兩種快速啟動算法。微小衛(wèi)星對研制成本,設備的體積、質(zhì)量要求嚴格,本文提出了基于保留區(qū)的快速啟動算法,靈活利用原始存儲區(qū),在原始存儲區(qū)中劃分出一塊區(qū)域集中存儲BAT表,提高BAT表存儲集成度,減少啟動掃描用時;將保留區(qū)中BAT表根據(jù)內(nèi)容劃分,選用不同可靠性措施,在節(jié)省資源的基礎(chǔ)上提高BAT表存儲的可靠性;采用流水更新的策略實現(xiàn)保留區(qū)BAT表更新,提高更新效率,縮短更新用時,提高固態(tài)存儲器的可靠性。該算法在功能重啟時啟動時間僅為傳統(tǒng)管理方法的0.1%左右,故障重啟時啟動時間僅為傳統(tǒng)管理方法的0.2%左右。大型科研任務對存儲器的壽命、可靠性、啟動時間要求更嚴格,本文引入新型非易失存儲器MRAM輔助FPGA管理BAT表。新型非易失存儲器MRAM,存儲密度高,抗輻射能力強,讀寫速度快,壽命長的特點非常適合存儲BAT表。FPGA并行管理BAT表與NAND FLASH幾乎能夠保證同步更新BAT表,極大的降低由于異常掉電引起的數(shù)據(jù)可靠性問題的概率;通過優(yōu)化MRAM中BAT表格式,采用NAND FLASH地址直接映射MRAM地址,實現(xiàn)硬件快速索引降低了BAT表建立、更新的資源、時間消耗。該算法可進一步縮短啟動時間,甚至不足傳統(tǒng)管理方法的0.1%。以上兩種技術(shù)能夠有效的提高存儲器基本性能,對存儲架構(gòu)的研究能夠進一步提升星載固態(tài)存儲器的擴展性及通用性。結(jié)合現(xiàn)代衛(wèi)星研制的時間、成本、可靠性要求,針對傳統(tǒng)架構(gòu)BAT表臃腫,存儲管理軟件化過高,軟硬件耦合緊密的缺點,提出一套通用化、模塊化、集成度高、可靠性好的星載固態(tài)存儲器架構(gòu)方案,并且為適應微小衛(wèi)星的需求,對架構(gòu)進行調(diào)整,以實現(xiàn)更高的管理效率、存儲密度,更低的功耗、更小的體積。硬件上,將傳統(tǒng)架構(gòu)中的多個組成部分獨立為功能模塊,將內(nèi)部接口與外部接口分開,將管理總線與數(shù)據(jù)傳輸總線分開,統(tǒng)一總線接口,將對外接口集成在復接合路模塊,精簡接口提高存儲器模塊化通用性。使用CPCI總線作為管理總線,保證了架構(gòu)的靈活,結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,便于各模塊間的互換、調(diào)整,提升系統(tǒng)架構(gòu)的可擴展性。連接上,使用高速串行總線作為存儲區(qū)的數(shù)據(jù)總線,點對點的連接,保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆�(wěn)定性、可靠性,可支持并發(fā)傳輸方式,提高存儲區(qū)的整體吞吐量。供電方面,每個模塊獨立供電,確保各存儲模塊間的獨立性,提高架構(gòu)抗單模塊異常的能力。FPGA設計上,深入研究傳統(tǒng)管理方案,提出了更靈活的半自主管理方案,利用MRAM配合FPGA進行BAT的檢索、更新等工作,減少了軟件的工作量,提升存儲管理過程中硬件的自主性,提高了管理效率,降低了軟硬件的耦合程度,減少管理過程對總線交互的依賴。經(jīng)數(shù)學模型計算驗證,半自主管理算法能夠有效縮短存儲區(qū)寫入、回放、擦除操作的總時間,以及操作中與CPU交互所占用的總線時長,降低各操作過程產(chǎn)生中斷的頻率。
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(空間科學與應用研究中心)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TP333
【圖文】：

圖小增長據(jù)務1制務用二代吐量1-1 中，。從圖中可長緩慢，且。1995 年，的數(shù)據(jù)都無1997 年由美公司（現(xiàn)為中，這就是4Mbits DR代存儲器問量可達 20M圖 1-藍色線表可以看出 1且不能夠滿Galileo 任無法使用。美國宇航局美國 VCI是第一代星RAM 構(gòu)成問世于本世Mbps。由于-1 大容量存示實際的任997 年是大足實際需求任務中由于磁從那以后，噴氣推進實公司）聯(lián)合載大容量固成陣列，存儲紀初期，其SRAM(Sta存儲器歷史任務中應用大容量存儲求。因為，磁帶表面的再也沒有實驗室（Jet合研制的大容固態(tài)存儲器儲容量為 2G其主要存儲芯atic Random史需求及實際的容量，綠器發(fā)展歷史在此之前的的靜電使得其有任務使用磁Propulsion容量固態(tài)存器。第一代固Gbits，輸入芯片為 SDRm Access M際容量圖綠色表示當史上的分水的任務都是其發(fā)生編碼磁帶來記錄n Laboratory存儲器應用在固態(tài)存儲器入和輸出數(shù)據(jù)RAM，每個Memory)存儲時任務對容水嶺時期，再是使用磁帶來碼錯誤，幾乎錄數(shù)據(jù)了[5]。y, JPL）和 T在了NASA器由 DRAM據(jù)速率只有個存儲模塊可儲密度低，成容量的需求再次之前容來記錄任務乎導致整個TRW 衛(wèi)星A 的 CassiniM 構(gòu)成，其有 2Mbps�？蛇_ 2Gbits成本較高，求容務個星i其s

低必存存量 倍展低的方向發(fā)片的產(chǎn)品，必須通過刷存，無需刷存儲芯片為量1997 年第一倍。由圖 1，任務量的展歷程圖，目前在研方發(fā)展。SDRA分別適用刷新保持，刷新。因此主為 NAND FL一代大容量1-1 可知，的增多，星可見其公方向之一。AM 和 NA于不同的應功耗較大。主要存儲芯LASH 的產(chǎn)量存儲器問世星載固態(tài)存載固態(tài)存儲司的產(chǎn)品容第 1 章 緒論AND FLAS應用場合。NAND F片為 SDRA產(chǎn)品吞吐量較世到現(xiàn)在，存儲器的容儲器的容量容量也在不論H 的各有所SDRAM 芯LASH 芯片AM 的產(chǎn)品較小，容量短短 17 年量一直都在量需求必定不斷的增大，所長，各公芯片的讀寫片讀寫速度吞吐量更高量大，而且功年大容量存在快速增長不斷增加。并且不斷公司大都同時速度較快，度較慢，控制高，容量小，功耗低。存儲器的容量長。日后隨著圖 1-2 為斷擴大單板的時生產(chǎn)基控制簡制復雜，，功耗大量翻了近著太空探SEAKR 的容量也

可度。到看作應le E子燒可以清晰的度在飛速增因此，多到更大的容看出 SEAKR作環(huán)境惡劣應(Total IoniEvent Latch燒毀（Singl圖 1-3 M看到，深空長。雖然芯個公司的產(chǎn)量。通過圖R 公司目前，空間中充izing Dose,Th up (SEL)）e Event BurModified M空探測任務芯片的存儲產(chǎn)品都采用圖 1-2 對 S前產(chǎn)品都是通充斥著大量TID)，單粒），單粒子功rnout (SEB[10]Mesh 樣機圖中對大容量密度不斷提模塊化的結(jié)EAKR 公司通過多板擴帶電粒子，粒子翻轉(zhuǎn)（S功能中斷（)），單粒子,[11],[12],[13],[1圖量存儲器容提高，但仍結(jié)構(gòu)，可以司各產(chǎn)品性擴展的形式實對大容量Single EvenSingle Even子瞬態(tài)脈沖 S4]容量的仍舊無根據(jù)性能及實現(xiàn)量存儲nt Upnt FuSingl

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 吳曉薇;郭子政;;磁阻隨機存取存儲器(MRAM)的原理與研究進展[J];信息記錄材料;2009年02期

2 陳志列;龐觀士;劉志永;沈航;;基于FPGA的LPC-ISA總線橋接設計與實現(xiàn)[J];工業(yè)控制計算機;2011年05期

3 詹辛農(nóng),胡其正,詹昂;航天數(shù)據(jù)固態(tài)記錄器設計問題(上)[J];遙測遙控;1999年01期

本文編號：2743191