基于國產抗輻照器件的數據復接存儲技術研究

崔培林 郭黎燁 李毅 田文波 沈奇

（上海航天電子技術研究所/八院智能計算技術重點實驗室，上海，201109）

隨著載荷種類的增加，針對航天任務中多路載荷數據復接下行和存儲量較大的現狀，高速數據傳輸和大容量存儲成為航天領域需重點研究的問題[1]。同時，針對航天領域環境特殊，對系統抗輻加固也提出了更高的要求[2]。

為了方便數據傳輸處理，空間系統咨詢委員會 （CCSDS）提出了高級在軌系統 （AOS）標準，以便于多路數據在同一信道的傳輸[3]。早期星上存儲設備主要使用磁帶機和磁盤，這類存儲介質的可靠性、傳輸速率和壽命較低[4]。隨著半導體技術的發展，大容量、高速率、高可靠的磁隨機存儲器 （MRAM）、可編程只讀存儲器 （PROM）、靜態隨機存取存儲器 （SRAM）等固態存儲成為航天領域存儲器主流選擇[5-6]。其中，NAND閃存（Flash）存儲器因具有數據不容易丟失、存儲效率高和功耗低的特點而成為優先選擇[7-8]。

我們針對某航天器20路數據復接下行和大容量1T固態存儲的需求，使用9片128G NAND Flash芯片疊裝成1T的大容量數據儲存器。利用現場可編程門陣列 （FPGA）芯片的高速數據處理能力和控制靈活性，對NAND Flash芯片進行數據讀、寫、擦除和壞塊管理等操作，使用同步動態隨機存取內存 （SDRAM）進行數據讀、寫和下傳的緩存，進而提高存儲器的吞吐率，實現對多個數據源按要求進行數據記錄、數據管理以及數據回放等功能。同時，對國產NAND Flash等芯片增加抗輻加固設計，滿足航天領域對元器件可靠性的要求。

1 數據復接存儲系統簡介

數據復接存儲系統主要接收異步串行遙控指令并解析，根據遙控指令要求執行并完成對外部20路數據源數據的接收、組幀，完成對數據的接收后，將數據存入固態存儲器，并且提供基于VCID和時間碼的文件管理服務。實現了對多個數據源按要求進行數據記錄、數據管理以及數據回放等功能。系統的主要性能指標見表 1。

表1 主要性能指標

2 數據復接存儲系統方案設計

FPGA需要完成多路數據的接收處理、格式編排、存儲訪問和數據下傳功能。數據復接模塊主要使用二線制低壓差差分信號 （LVDS）、異步RS422、三線制LVDS、同步 RS422四類接口模塊來接收數據，MRAM模塊儲存關鍵的文件信息，FPGA控制Flash陣列的讀寫、擦除等，SDRAM模塊實現數據緩存操作，1Tb的NAND Flash實現對多路載荷數據存儲功能。

2.1 數據復接功能實現

數據復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據，經過位寬轉換至16bit后存入FIFO緩存，當FIFO內數據存夠一幀數據量時，FIFO向AOS模塊發起讀請求，AOS模塊將從發起請求的目標FIFO中取出一幀數據，并根據虛擬信道號和幀計數組幀，將數據傳向SDRAM控制器。AOS模塊以50MHz的主頻輪詢各路數據源FIFO，數據處理能力可以覆蓋最大輸入速率。

2.2 Flash陣列拓撲結構設計

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

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

2.3 提高系統抗輻加固能力

2.3.1 選用抗輻存儲器

為了應對航天領域環境特殊，對抗輻加固要求較高，本文對關鍵存儲器件采用三模冗余設計。本文在使用到的國產存儲芯片MRAM、SDRAM、NAND Flash均具有一定的抗輻性能，具體情況見表2。

表2 國產存儲芯片抗輻指標

2.3.2 數據管理系統

數據管理系統是存儲器控制系統的核心，一旦數據管理系統失效，存儲系統的記錄及回放功能將徹底失效，數據管理系統依靠文件信息對存儲數據進行管理。本文所述數據管理系統將文件信息存入MRAM內維護，由表2可知，MRAM具有較為優秀的抗輻射能力，將使用到的關鍵文件信息存放在MRAM中，可以有效降低空間輻射環境對系統的影響。

數據管理系統不斷維護其寫指針，保證在意外復位或者斷電時寫指針丟失。根據綜合電子參數上注指令，不斷存儲和回放綜合電子參數，避免重要信息意外丟失。每次流水頁 （2Mb）記錄結束之后，數據存儲FPGA到相應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，寫指針清零。

2.3.3 FPGA抗輻加固

FPGA是本系統的核心控制器，使用高等級的FPGA芯片提高系統可靠性，并采用回讀刷新芯片增強FPGA的抗SEU能力。回讀刷新芯片對FPGA器件的配置空間進行訪問，讀出配置數據，并與配置片中的數據進行比對，實時監控單粒子事件的發生。當回讀檢測到FPGA發生單粒子翻轉時，可以采取重新加載方式或部分重配置消除單粒子的影響，使系統功能恢復正常。NAND FLASH器件具有EDCA校驗功能，可以檢測出1位誤碼，提高數據的準確性。

2.3.4 FPGA軟件加固

采用8片Flash存儲有效數據，1片Flash存儲EDAC校驗碼，每存儲64bit數據即計算一次EDAC校驗碼存入Flash，每次讀出數據時進行一次校驗和糾錯。另一方面，由于Flash內的配置區存在SEU的可能性，因此存儲控制邏輯中每次操作 （讀、寫、擦）時均會復寫Flash配置，以確保每次都是以正確的配置來對Flash執行操作。

3 大容量數據復接存儲實現

實時模式下，外部數據源輸入數據復接存儲模塊的數據實時的從指定下傳信道下傳。由于存在兩路下傳信道同時工作的情況，因此實時模式下將接收到的數據使用兩組FIFO（每組20個）同步接收數據，通過SDRAM的分時復用寫入將輸入數據緩存至相應的分區，并且根據指令從SDRAM中將數據實時的傳入下傳信道。

延時模式下，數據復接及存儲模塊模塊完成外部數據的接收、組幀、存儲，建立和維護基于VCID和時間碼的文件管理服務。并根據地面指令，按照虛擬信道和時間范圍檢索固存數據，并將檢索出的歷史記錄數據通過制定信道下傳地面。

由于數據源路數較多，存在輸入突發速率較大的情況，故使用一片1Gb的SDRAM作為存儲、回放的緩存資源。系統的數據流如圖1和圖2所示。

圖1 數據存儲數據流圖

圖2 數據回放數據流圖

3.1 文件管理

數據復接及存儲模塊模塊初次上電時，依據出廠設置指令將PROM中存儲的出廠壞塊導入MRAM中，生成工作壞塊表，并在擦除過程中自主管理壞塊表。數據存儲FPGA接收數載荷數據，緩存滿一個流水頁時，數據存儲FPGA啟動Flash陣列寫操作，Flash寫操作啟動時，數據存儲FPGA從上而下檢索MRAM中空白未用的好塊，進行數據記錄，并標記相應的記錄數據寫入的時間和寫入的載荷類型，表示存儲空間為被該文件占用。每完成一個流水頁記錄時，更新寫指針，保證寫指針掉電不丟失。

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

MRAM總空間為64Mb，每個流水頁使用7Byte標識文件信息。MRAM文件信息管理總共維護Flash存儲陣列220個流水頁的文件信息。此外，MRAM內部還存儲Flash存儲陣列圖像區和通信字區的兩套寫指針。

3.2 存儲控制操作

由于VDNF128G08RS50MS8V25芯片采用8片疊裝的拓撲結構，因此FLASH控制器采用8級流水控制方法來避開各級芯片的編程時間，以提高FLASH操作效率。

數據存儲FPGA接收數載荷數據，緩存滿一個流水頁時，數據存儲FPGA啟動Flash陣列寫操作。Flash寫操作啟動時，數據存儲FPGA從上而下檢索MRAM中空白未用的好塊，進行數據記錄，并標記相應的記錄數據寫入的時間和寫入的載荷類型，表示存儲空間為被該文件占用。每完成一個流水頁記錄時，更新寫指針，保證寫指針掉電不丟失。

存儲控制器主要用于控制Flash陣列的讀寫和擦除，存儲控制器將Flash陣列分為通信字區和圖像區。兩個分區具有獨立的讀寫指針，支持獨立讀寫、獨立擦除。存儲控制器采用循環寫入、邊寫邊擦的管理方式。存儲控制器在每次寫操作時要從非易失性存儲器MRAM內部查詢壞塊表并來獲取寫指針，在寫操作結束后更新MRAM中的文件信息和寫指針。

存儲控制器在每次讀操作時要從非易失性存儲器MRAM內部查詢壞塊表和文件信息 (VCID和時間碼)來獲取讀指針，在讀操作結束后更新MRAM中的讀指針。數據復接及存儲模塊模塊初次上電時，依據出廠設置指令將PROM中存儲的出廠壞塊導入MRAM中，生成工作壞塊表，并在擦除過程中自主管理壞塊表。

4 系統測試分析

為了驗證本文所設計的數據復接存儲系統的性能，使用地面測試設備模擬20路載荷數據源，結合固存測試軟件發送相應的指令數據對系統性能進行驗證。測試系統主要由地測設備、電源、復接存儲模塊、測試計算機組成。

為了驗證系統存儲性能，對系統數據進行存儲與回放測試，通過平臺固存測試軟件發送相應的遙控指令，如圖3所示，地測設備模擬數據源發送20路載荷數據。

圖3 遙測遙控界面

地面測試設備發送載荷數據，將數據存儲到Flash存儲器中，最后將數據回放接收。將回放的數據通過分包比對軟件進行解析，回放3G載荷數據，從結果可以看出系統正確的接收存儲了載荷數據并將其完整的回放出來，滿足了系統整體需求。

我們以國產MRAM、SDRAM、NAND Flash芯片為基礎，使用FPGA為核心器件實現對NAND Flash器件的讀、寫、擦除操作，并對壞塊進行有效的管理，設計并實現了對20路載荷數據的有效傳輸、管理、存儲回放等功能。根據航天領域特殊的環境要求，增加抗輻加固設計，提高系統的可靠性。設計測試實驗對系統功能進行驗證表明，系統符合型號總體要求。