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基于閃存的星載大容量存儲(chǔ)器的研究和實(shí)現(xiàn)
摘要：就閃存應(yīng)用于星載大容量存儲(chǔ)器時(shí)的寫(xiě)入速度慢、存在無(wú)效塊等關(guān)鍵問(wèn)題探討了可行性解決方案，并在方案討論的基礎(chǔ)上論述了一個(gè)基于閃存的大容量存儲(chǔ)器的演示樣機(jī)的實(shí)現(xiàn)。空間飛行器的數(shù)據(jù)記錄設(shè)備是衛(wèi)星上的關(guān)鍵設(shè)備之一。自２０世紀(jì)９０年代初起，各航天大國(guó)開(kāi)始研制固態(tài)記錄器（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｒｅｃｏｒｄｅｒ，簡(jiǎn)稱ＳＳＲ）。由于ＳＳＲ使用半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片作為存儲(chǔ)介質(zhì)，所以其存儲(chǔ)密度高、無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件、可靠性高、體積小、重量輕，因而逐漸成為空間飛行器的數(shù)據(jù)記錄器的主流方案。閃速存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱閃存）作為一種新興的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件，以其獨(dú)有的特點(diǎn)得到了迅猛的發(fā)展，其主要特點(diǎn)有：（１）具有非易失性，掉電時(shí)數(shù)據(jù)不丟失，可靠性高；（２）功耗小，不加電的情況下可長(zhǎng)期保持?jǐn)?shù)據(jù)信息；（３）壽命長(zhǎng)，可以在在線工作情況下進(jìn)行寫(xiě)入和擦除，標(biāo)準(zhǔn)擦寫(xiě)次數(shù)可達(dá)十萬(wàn)次；（４）密度大、成本低，存儲(chǔ)單元由一個(gè)晶體管構(gòu)成，具有很高的容量密度，且價(jià)格也在不斷降低；（５）適應(yīng)惡劣的空間環(huán)境，具有抗震動(dòng)、抗沖擊、溫度適應(yīng)范圍寬等特點(diǎn)。由于閃存的這些特點(diǎn)，使它受到了航天領(lǐng)域研究人員的關(guān)注。２０世紀(jì)９０年代中期，Ｆｉｒｅｃｈｉｌｄ公司就曾為Ｆ－１６偵察星成功設(shè)計(jì)了ＳＳＲ?２?，使用的主要存儲(chǔ)芯片就是閃存；國(guó)內(nèi)的ＦＹ－２衛(wèi)星也曾采用閃存作為該星的固態(tài)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)介質(zhì)。雖然有這些成功的應(yīng)用案例，但是閃存也存在一些明顯的缺點(diǎn)，如寫(xiě)入速度較慢、使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)無(wú)效塊等。本文將探討如何解決和突破這些缺點(diǎn)，并依此給出一個(gè)具體的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。
１ 閃存構(gòu)成星載大容量存儲(chǔ)器的關(guān)鍵問(wèn)題
１．１ 寫(xiě)入速度問(wèn)題
目前閃存有多種技術(shù)架構(gòu)，其中以ＮＯＲ技術(shù)和ＮＡＮＤ技術(shù)為主流技術(shù)?３?。ＮＯＲ型閃存是隨機(jī)存取的設(shè)備，適用于代碼存儲(chǔ)；ＮＡＮＤ型閃存是線性存取的設(shè)備，適用于大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)?４?。ＮＡＮＤ型閃存有一定的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具有一些統(tǒng)一的特點(diǎn)，現(xiàn)以三星公司的Ｋ９Ｋ１Ｇ０８Ｕ０Ｍ型芯片為例進(jìn)行介紹。該芯片容量為１Ｇｂｉｔ，由８１９２個(gè)塊組成，每塊又由３２個(gè)頁(yè)組成，一頁(yè)有（５１２＋１６）×８ｂｉｔ，該片的８位Ｉ／Ｏ總線是命令、地址、數(shù)據(jù)復(fù)用的。讀寫(xiě)操作均以頁(yè)為單位，擦除操作則以塊為單位，寫(xiě)入每頁(yè)的典型時(shí)間為２００μｓ?４?，平均每寫(xiě)一個(gè)字節(jié)約需４００ｎｓ，即約２０Ｍｂ／ｓ。這樣的寫(xiě)入（編程）速度對(duì)于要求高速的應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)講是難以滿足的，因此必須采取一定的技術(shù)措施。
１．１．１ 并行總線技術(shù)
并行總線技術(shù)亦稱寬帶總線技術(shù)，即通過(guò)拓寬數(shù)據(jù)總線的帶寬實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)宏觀上的并行操作。比如，由四片Ｋ９Ｋ１Ｇ０８Ｕ０Ｍ型閃存芯片組成一個(gè)３２位寬的閃存子模塊，它們共用相同的控制信號(hào)，包括片選信號(hào)、讀寫(xiě)信號(hào)、芯片內(nèi)部地址等。子模塊總是被看做一個(gè)整體而進(jìn)行相同的操作，只是數(shù)據(jù)加載的時(shí)候是不同的數(shù)據(jù)。這樣，數(shù)據(jù)量將是使用單獨(dú)一塊芯片時(shí)的４倍，所以理論上速度也將是非并行時(shí)的４倍。
１．１．２ 流水線技術(shù)
借鑒現(xiàn)今高性能計(jì)算機(jī)中的流水線操作原理，可在時(shí)間片上實(shí)現(xiàn)微觀并行。針對(duì)閃存的寫(xiě)入速度慢的問(wèn)題，可以對(duì)其進(jìn)行流水處理。Ｋ９Ｋ１Ｇ０８Ｕ０Ｍ型閃存的寫(xiě)入操作可分為三個(gè)步驟：（１）加載操作，即完成命令、地址和數(shù)據(jù)的載入工作；（２）自動(dòng)編程操作，即由閃存芯片自動(dòng)完成編程操作，將載入到頁(yè)寄存器的數(shù)據(jù)寫(xiě)到內(nèi)部存儲(chǔ)單元的；（３）檢測(cè)操作，即在自動(dòng)編程結(jié)束后檢測(cè)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)是否正確。如果不正確，需要重新編程；如果正確，繼續(xù)下一步的操作。寫(xiě)流水原理圖如圖１所示。由圖１可以看到，流水線運(yùn)行起來(lái)后，在任一時(shí)間片上總有若干小操作在同時(shí)進(jìn)行，即在時(shí)間片上實(shí)現(xiàn)了復(fù)用，因此從整體上看速度將會(huì)提高。
１．２ 無(wú)效塊的管理
三星閃存芯片在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)無(wú)效塊。無(wú)效塊是指一個(gè)塊中存在一個(gè)或多個(gè)無(wú)效位，其可靠性不能得到保證，必須加以標(biāo)識(shí)和旁路（當(dāng)然無(wú)效塊不會(huì)影響到其它塊的有效性）?４?并進(jìn)行數(shù)據(jù)備份。為了對(duì)無(wú)效塊實(shí)現(xiàn)管理，可以建立一張無(wú)效塊到冗余區(qū)有效塊的映射表。映射表結(jié)構(gòu)如圖２所示。映射原理如下： 開(kāi)始是一張初始無(wú)效塊映射表，這張表可以根據(jù)三星公司技術(shù)手冊(cè)給出的算法建立起來(lái)。按照?qǐng)D示的映射數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行編號(hào)，并根據(jù)這個(gè)編號(hào)對(duì)映射表進(jìn)行排序。進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，按照上述的映射結(jié)構(gòu)將寫(xiě)地址與映射表進(jìn)行比較，比較到塊級(jí)即可。如果是無(wú)效塊，將待寫(xiě)入的數(shù)據(jù)寫(xiě)到被映射到的塊；如果不是，則直接寫(xiě)入該塊。如果在寫(xiě)某塊的某頁(yè)時(shí)出現(xiàn)編程錯(cuò)誤，則將該塊添加進(jìn)無(wú)效塊映射表（當(dāng)編程出錯(cuò)時(shí)就表明出錯(cuò)頁(yè)對(duì)應(yīng)的塊無(wú)效），同時(shí)從該出錯(cuò)頁(yè)開(kāi)始，將該塊后面的頁(yè)數(shù)據(jù)都寫(xiě)入到對(duì)應(yīng)的映射塊。這樣，在數(shù)據(jù)讀出時(shí)，可將讀地址與映射表比較，并且需要比較到頁(yè)級(jí)以確定每一頁(yè)的確切存放位置。如果該頁(yè)編程正確，則直接讀出；如果錯(cuò)誤，則到被映射的塊的對(duì)應(yīng)頁(yè)讀數(shù)據(jù)，并且該頁(yè)之后的頁(yè)也從被映射塊中讀數(shù)據(jù)。根據(jù)三星的技術(shù)資料，對(duì)無(wú)效塊進(jìn)行讀操作是允許的，即對(duì)于編程出錯(cuò)頁(yè)前面的那些編程正確的頁(yè)是可以正確讀出的，而對(duì)無(wú)效塊進(jìn)行編程和擦除的操作是不推薦的，因?yàn)橛袝r(shí)這些操作會(huì)使鄰近的塊也失效?４?。所以讀操作要查找到每一頁(yè)的對(duì)應(yīng)存放位置，而寫(xiě)操作只要查找到塊就行。查找時(shí)采用二分查找算法。擦除完后，將擦除出錯(cuò)的塊也添加進(jìn)無(wú)效塊映射表。無(wú)效塊映射表需要不斷維護(hù)和更新。
２ 閃存構(gòu)成星載大容量存儲(chǔ)器的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案
２．１ 系統(tǒng)的組成
該實(shí)現(xiàn)方案將上述關(guān)鍵問(wèn)題的解決方法融合進(jìn)來(lái)，系統(tǒng)由存儲(chǔ)區(qū)模塊、接口模塊、數(shù)據(jù)緩沖模塊及主控模塊四部分組成，系統(tǒng)原理圖如圖３所示。
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