基于加權評分量化方式的機載數據存儲設備設計

摘 要： 為了更加合理地制定機載數據存儲設備設計方案，根據機載數據存儲設備的設計原則、設計規范，以及結合功能性能技術要求制定設計方案。由于采用自頂向下的設計原則，文中總結分析了影響設計方案制定的幾個頂層相關項：傳輸總線、微控單元、存儲接口、存儲介質、存儲格式，并提出以加權評分數學模型的量化方式設計機載數據存儲設備。通過逐步細化相關項，對比分析不同形式方案，按照加權評分量化方式的評分準則選擇一種基于ARM架構芯片的機載數據存儲設備設計模式。文中所設計的機載數據存儲設備在某型機綜合數據管理系統中得到應用。應用結果表明，該產品設計穩定可靠，能夠滿足指標要求。基于加權評分量化方式的設計方案合理有效，對機載數據存儲設備的設計研制具有參考意義。

關鍵詞： 機載數據； 數據存儲； 加權評分； 量化設計； 傳輸總線； 數據傳輸； 存儲介質

中圖分類號： TN919?34； TP311" " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）08?0175?07

Design of airborne data storage equipment based on weighted score quantification method

WU Shujun

（China National Aeronautical Radio Electronics Research Institute， Shanghai 200241， China）

Abstract： In order to develop more reasonable airborne data storage equipment design scheme， a design plan is made according to the design principles， design specifications， functional and technical requirements of airborne data storage equipment. The several top?level related items that affect the formulation of the design scheme： transmission bus， microcontroller unit， storage interface， storage medium and storage format are summarized and analyzed， and a airborne data storage device is designed by means of the quantitative method of weighted scoring mathematical model. The relevant items are refined gradually， and the comparison analysis of the schemes with different forms are conducted， a airborne data storage equipment design mode based on ARM architecture chip is designed according to the scoring criteria based on weighted scoring quantification. The designed airborne data storage device has been applied in a comprehensive data management system for a certain type of aircraft. The application results show that， the design product is stable and reliable， and can meet the requirements of the index. The design scheme based on weighted score quantification is reasonable and effective， and has reference significance for the design and development of airborne data storage equipment.

Keywords： airborne data; data storage; weighted score; quantitative design; transmission bus; data transmission; storage medium

0" 引" 言

機載數據存儲設備是運行飛機任務數據獲取與存儲的必要組成部分。數據存儲直接影響航空電子系統的數據吞吐率，特別是新型飛機航空電子系統總數據存儲量不斷增大，為了提高數據存儲速率，需要合理設置數據傳輸總線、存儲介質的寫速度、寫入方式、壓縮數據、數據標記與恢復等[1?5]。雖然我國在航空工業方面起步較晚，但是近年來已取得較大進展，特別是機載數據存儲設備研制水平得到明顯提高。任敏采用模塊化方式及自定義接口設計了一種基于FPGA的雙通道機載數據存儲系統[6]；張志偉等設計了一種基于FPGA的高速大容量雙冗余機載雷達數據存儲系統[7]；江緒慶使用P2020處理器和eMMC存儲芯片實現機載嵌入式數據存儲[8]；蔣閔通過1553B、UART等接口，基于Zynq?7000 SOC實現無人機機載數據采集和狀態監控評估[9]；王代華等使用FPGA為核心控制器，設計一種機載多路串口數據采集存儲系統[10]；孟若彤采用集成ARM與FPGA的異構多核SOC芯片，提出一款太陽能無人機用機載數據記錄儀[11]。以上數據存儲方案各有特點。因此，為了更加合理地制定機載數據存儲設備設計方案，針對機載數據存儲設備頂層相關項和設計架構，基于加權評分量化方式的數學模型，本文介紹分析了當前信息傳輸網絡常用的傳輸總線形式、ARM架構嵌入式微控制單元種類、數據傳輸通道主流總線、存儲介質選型以及數據的組織記錄格式，通過方案對比分析，提出一種基于ARM架構四核Cortex A7芯片的機載數據存儲設備設計方案。實測結果證明，該加權評分量化方式合理有效，所設計產品穩定可靠、帶寬高、實時性強，滿足航空電子系統的一般指標性要求。

1" 方案設計

機載數據存儲設備作為數據存儲部件，用于記錄飛機艙內音視頻及總線數據。此外，機載數據存儲設備還可作為數據的加載容器，用于機上加載任務計劃數據。機載數據存儲設備架構設計如圖1所示。設備硬件和軟件均采用自頂向下的設計原則，頂層的相關項主要包括傳輸總線、微控單元、存儲接口、存儲介質、存儲格式。設計時要考慮以下因素：可靠性、測試性、維修性、保障性、安全性和適應性。機載數據存儲設備外部接口分為數據傳輸總線接口（電信號或光信號接口）、供電接口以及調試接口。設備內部由數據處理模塊、電源模塊和存儲介質三部分組成。機載數據存儲設備上電初始化和自檢測結束后，進入正常工作狀態，并與其他數管類設備建立握手連接，等待命令完成相應任務。

1.1" 模型建立

按照機載數據存儲設備的設計架構建立數學模型。設備方案的任何相關項選擇失誤都會導致功能、性能無法完全實現。在不考慮電源模塊因素條件下，其內部頂層各相關項主要包括傳輸總線、微控單元、存儲接口、存儲介質、存儲格式，如圖2所示。并且所建立的數學模型各相關項為串聯關系。

機載數據存儲設備的加權評分量化方式是根據所有相關項在整個設計中所占的相對重要性制定的，其數學模型如下：

[ω=i=1nλi?ωi] （1）

式中：i=1，2，…，n，通常n≥5；[λi]為第i個相關項權重系數，所有相關項的權重系數之和等于1；ωi為第i個相關項的評分，無量綱，參數越大結果越優；ω為設計的機載數據存儲設備評分。

由于相關項的評分數ωi主要受開發成本、可利用的性能資源、項目指標的符合程度以及環境適應性影響，因此ωi可定義如下：

[ωi=j=14rij] （2）

式中，[rij]為第i個相關項的第j個因素的評分，j=1代表開發成本，j=2代表性能資源水平，j=3代表指標符合程度，j=4代表環境適應性。以上所有因素評分準則詳見表1。

1.2" 評分方法

依據各相關項的開發成本、性能資源、指標符合和環境適應等因素，采取量化評分法進行方案評估。分配遵循準則如下：

1） 開發成本。它是根據當前相關項（傳輸總線、微控單元、存儲接口、存儲介質、存儲格式）綜合考慮工作量、開發難度、制造成本來評定，最低的評10分，最高的評1分。

2） 性能資源。采用相關項的性能技術水平和可利用資源量來評定，最低的評1分，最高的評10分。

3） 指標符合。根據所設計設備滿足指標要求的程度來評定，通常滿足指標評定為10分，最低的評1分，最高的評10分。

4） 環境適應。根據設備所能適應的環境嚴酷類型，包括高低溫、振動、鹽霧、電源特性及EMC特性等，通常滿足指標評定為6分，優于指標根據具體情況評定，是指標符合度的補充。最低的評1分，最高的評10分。根據上述公式（1）和公式（2），確定評分因素的各評分值，計算各相關項評分。最后計算總分，從而獲得量化后的設計方案評分結果。在設備方案設計階段，需要對方案評分進行不斷地修改和完善，以進行合理地分配和預計，尋找設計薄弱環節，加強方案改進，使設備的指標得到不斷提高。

2" 對比分析

2.1" 傳輸總線

機載數據存儲設備從總線鏈路接收數據進行打包處理等操作后，按數據類別寫入存儲介質，或將存儲介質內的數據讀出，進行數據組織后，通過總線鏈路傳給其他數管類設備或子系統，完成數據加載。

選擇應用何種通信協議總線作為數據主干道是實現新一代航空電子系統通信業務的關鍵。通常根據系統功能使用不同的總線，常用的機載數據傳輸總線有1394B、FC、AFDX、TTE等[12]。其中：1394B成本低、傳輸速率高，適合長距離傳輸；FC具有高帶寬、抗電磁干擾能力強，并且穩定可靠的特點，常用于構建大型的數據傳輸與通信網絡；AFDX最多可支持1 024個終端節點，且具有高可靠性和強實時性；TTE是時間觸發以太網，通過全局時鐘精確同步，使其具有高數據量、高實時性和高可靠性的特點，作為分布式高確定性安全信息傳輸網絡平臺，兼容AFDX與以太網。數據傳輸總線對比如圖3所示，機載數據傳輸總線簡介見表2。

2.2" 微控單元

微控單元（MCU）是機載數據存儲設備的主要控制中樞，負責任務調度、數據組織處理、管理控制等工作。目前，主要的幾種MCU架構分別是X86、ARM、MIPS等。其中，ARM在嵌入式領域被廣泛應用，其架構已經發展到ARM V8，32/64兼容指令集。由于ARM芯片的芯核結構以及內部功能配置組合較多，廠商在ARM的IP核上開發出自己的ARM芯片，生產廠家多達幾十家。其中，ARM Cortex A系列為功能性較強的應用處理器，ARM Cortex R系列為實時性較強的實時處理器，ARM Cortex M系列為超低功耗的微控制處理器；ARM7、ARM9、ARM11屬于經典版本系列。國內廠商如中國電子集團、華為海思、瑞星微、復旦微等采用的是ARM架構，而中科院采用的是龍芯架構。部分廠商MCU的基本參數見表3。

在對MCU選型時，主要依據普遍性、供期短、持續性、可替代、性價比高等原則，同時要注意以下幾點處理器指標，包括：處理器架構、系統時鐘（主頻）、高速緩存、指令集、操作處理數據位、存儲器類型（哈佛或馮諾依曼）、內存容量、操作系統、浮點運算、DMA、支持的中斷、控制器、接口類型及數量、功耗、芯片尺寸、封裝、溫度范圍等[13]。其中，片內的存儲器多用于可執行程序的存儲，對存儲器要求主要考慮BootLoader的大小。

2.3" 存儲接口

機載數據存儲設備接收并記錄大量的數據。當前操作系統的驅動層主要支持三種數據存儲接口規范，分別是高級主機控制器接口規范（AHCI）、非易失性內存主機控制器接口規范（NVMe）和小型計算機系統接口規范（SCSI），而采用其他協議標準的接口方式是將FLASH作為外設處理[14]。其中：AHCI適用于部分卡、機械硬盤和固態硬盤（SSD）；而NVMe只適用于部分卡和SSD；SCSI主要應用在服務器高端存儲上。根據接口規范主流總線主要有三種，分別是串行高級技術附件總線（SATA）、高速串行計算機擴展總線（PCIe）和串行連接SCSI總線（SAS）。SATA記錄模式功耗低、容量大，具有數據管理功能，但是存在帶寬相對低且不穩定、數據卸載慢等缺陷。FPGA通過PCIe接口控制NVMe固態硬盤，誤碼率極低，帶寬持續穩定，速度快，輕便易攜；但是，PCIe SSD由于閃存顆粒和主控品質問題，成本較高，且占用總線通道。SAS是新一代SCSI串行技術，具有更高的傳輸速率，可向下與SATA硬盤兼容。存儲介質接口分類框架如圖4所示。

與SATA和SAS存儲技術相比，PCIe（NVMe協議）更昂貴、更難加固、功耗更高，低溫下要保證最佳性能狀態挑戰性較高。因此，PCIe（NVMe協議）商業應用更加成熟。PCIe不如SATA和SAS數據存儲堅固耐用，在極端溫度、沖擊、振動下封裝困難，并且NVMe的M.2（二代mini硬件接口）和U.2驅動器不堅固。除上述外，在選擇存儲接口時，還要考慮存取速度、容量分配、更高的吞吐能力（IOPS）、操作效率等。常用總線接口數據傳輸速率如圖5所示。

2.4" 存儲介質

機載數據記錄存儲的數據量大，數據種類多樣，同時需要保證實時數據快速處理，因此對存儲介質性能要求較高。便攜式存儲介質采用NAND型FLASH直接訪問存儲架構，以宏塊（Block）為單位擦寫的EPROM，存儲數據允許被多次擦或寫，已經是數據存儲設備首選存儲介質[15?16]。Block是執行擦除操作的最小單元，由數據ID號相同并且在物理位置上相鄰的頁（Page）所構成。Page是執行編程和讀操作的最小單元，由多個存儲單元（Cell）組成。Cell是執行擦讀寫的最小單元，通常稱為顆粒。在數據存儲時，小數據塊操作速度慢，大數據塊操作速度快。FLASH存儲數據分層如圖6所示。

根據Cell內存儲比特個數的不同，NAND FLASH分為SLC、MLC、TLC和QLC四種類型，具體區別如表4所示。

目前，數據存儲設備的存儲介質大多采用MLC和TLC的解決方案，而SLC主要針對讀寫速率、出錯率及耐久性要求高的技術產品應用，QLC更適合數據存儲量大的產品。

為解決FLASH電荷泄露、讀寫干擾、按塊擦寫和擦寫次數局限的問題，采用存儲介質軟件處理（即FTL）來實現錯誤檢查和糾正（ECC）壞塊管理、擦寫均衡等智能功能。主流FLASH存儲卡種類及參數如表5所示。

機載數據存儲設備的存儲介質廣泛使用SSD盤，支持熱插拔方式。將拔出的存儲介質經適配器和地面任務支持系統連接后，可對其進行加卸載操作。

2.5" 存儲格式

數據的組織記錄格式直接關系著機載數據存儲設備數據記錄的穩定性和可讀性。

FAT32文件系統分區最大容量為32 GB，不支持傳輸或存放單個大于4 GB的文件，否則會提示磁盤空間不足；而NTFS文件系統沒有限制，分區最大容量也達到了2 TB，同時增加了文件安全設置，支持磁盤配額和文件壓縮[17?18]。但是，這種FAT32或NTFS文件系統是為了適應PC（DOS、Windows及MAC系列操作系統）機上組織的通用性，帶來的問題是其可靠性降低，如在突然掉電等異常情況下，文件分配表有所損壞時將導致整個文件無法讀取。

記錄類產品的文件組織管理采用以“邏輯塊操作”的數據組織存儲方式。在地面，按照每一次飛行時所需記錄的數據種類、各種類數據流量和飛行時間來估算其容量大小，并且在任務支持系統上預先進行容量的配置，分配其空間大小；在機上，軟件按照預先配置好的數據種類及其對應的數據塊區域向其中存入相應的數據，并且數據記錄時將連續存放在某一個特定的數據塊中，使得存儲過程透明化，數據寫入地址可控，確保數據組織、存儲的可靠性。

3" 應用情況

3.1" 硬件組成

在符合產品要求的前提下，通過比較擇優方式量化評分后，提出一種基于ARM架構四核Cortex A7芯片的機載數據存儲設備。設計的機載數據存儲設備由數據處理模塊、電源模塊和存儲介質三部分組成。設備外部接口分為電信號接口和光信號接口。設備傳輸總線采用FC?AE協議，符合E8T標準光纖。主控芯片選用復旦微ARM架構FMQL45T900芯片。存儲接口為SATA 3.0，功耗低、容量大。存儲介質使用SLC類型NAND FLASH的SSD盤，并以“邏輯塊操作”的數據組織存儲方式。機載數據存儲設備上電初始化和自檢測結束后，進入正常工作狀態，等待命令，完成相應的自檢、加載和記錄任務。

3.2" 軟件組成

機載數據存儲設備采用自頂向下的設計方式，使所開發的軟件應具有高可靠性和可維護性。機載數據存儲設備軟件劃分為邏輯固件、操作系統軟件和應用軟件三部分，如圖7所示。其中：邏輯固件為bin文件，由FSBL、bit和uboot打包生成，bit文件包含了各種IP及相應的邏輯；操作系統軟件包括板級支持包、壓縮驅動軟件包、FC驅動軟件包、SATA接口驅動軟件和調試接口驅動軟件等，機載數據存儲設備使用天脈嵌入式實時操作系統；應用軟件主要完成數據的記錄和加載功能，且資源占用率不超過70%。

軟件能力組成如圖8所示。設備上電自檢測，對FC總線接口、存儲介質進行初始化；接收控制信息，并根據命令控制設備工作狀態，同時根據命令字向數據管理軟件發送響應信息；對存儲介質中的任務計劃數據進行讀取和校驗操作，通過FC總線發送任務計劃數據；通過FC總線接收數據并進行存儲，將數據通過SATA接口寫入到存儲介質中，對記錄文件實現目錄化的管理方式；通過FC總線與數據管理軟件進行數據通信；具備光纖通信鏈路檢測、異常中斷處理以及日志文件維護等功能；支持上電自檢測、周期自檢測、維護自檢測三種自檢測模式。

3.3" 量化評分

根據第2.1～2.5節相關項傳輸總線、微控單元、存儲接口、存儲介質、存儲格式的對比分析，選擇適合本項目方案的相關項來確定評分因子rij，然后計算各相關項的評分數ωi，最后計算所設計的機載數據存儲設備總分。各相關項的權重系數與項目成熟度有關，可以視情況進行分配，本文各相關項的權重系數僅作為舉例，按照平均分配原則以0.2設計。由于對比項較多，受篇幅所限，使用本文設計的機載數據存儲設備設計方案，最終加權評分量化方式ω總分為2 720，對比最優。機載數據存儲設備的設計方案評分分配參考見表6。

3.4" 實測結果

機載數據存儲設備嚴格按照標準要求完成分析設計，保證產品的可靠性、測試性、維修性、保障性、安全性和適應性。在產品設計中進行合理布線，采用屏蔽、接地、搭接、濾波、隔離、旁路等措施滿足電磁兼容性要求。根據機載數據存儲設備的數學模型，得出它的基本可靠性平均故障間隔時間（MTBF）為11 258 h。機載數據存儲設備的測試與診斷采用“自檢測+驗收測試環境+人工輔助判別”的方式。通過對數據處理模塊的主控芯片剩余資源進行自檢測，機載數據存儲設備的故障檢測率達到90%。通過維修性預計、故障率及設計特性，獲得其平均修復時間（MTTR）預計值為8.5 min。設備內存儲介質的數據順序寫入速度不低于60 MB/s，讀取速度不低于120 MB/s。本文設計的機載數據存儲設備在某型機綜合數據管理系統中得到應用。實踐證明，該產品設計滿足指標要求。

4" 結" 論

為了更加合理地制定航空電子系統機載數據存儲設備設計方案，提出了一種基于加權評分數學模型的量化方式設計機載數據存儲設備。根據設備自頂向下的設計原則，對比分析了所設計的頂層相關項：傳輸總線、微控單元、存儲接口、存儲介質以及存儲格式。在此分析基礎上，并且符合產品要求的前提下，通過比較擇優方式量化評分后，提出一種基于ARM架構四核Cortex A7芯片的機載數據存儲設備的硬件和軟件設計方案。將該方案應用于工程實踐，實測結果表明，產品穩定可靠，設計滿足指標要求。本文設計的加權評分量化方式和設計方案對機載數據存儲設備的設計研制具有參考意義。

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作者簡介：吳樹軍（1987—），男，吉林長春人，碩士，工程師，研究方向為數據管理技術。