适用于FPGA与Nand flash阵列星载固态存储器的坏块管理方法.pdf

第 卷 第 期 年 月空 间 电 子 技 术 .收稿日期:修回日期:引用格式:张朗张建华王鸣涛等.适用于 与 阵列星载固态存储器的坏块管理方法.空间电子技术():.():.:./.适用于 与 阵列星载固态存储器的坏块管理方法张 朗张建华王鸣涛方火能袁素春王元乐崔 倩(.中国空间技术研究院西安分院西安.陕西航天技术应用研究院有限公司西安)摘 要:随着遥感、雷达、通信技术的快速发展卫星有效载荷速率爆发式增长星载固态存储器需要存储的数据量越来越大存储速率越来越高存储读写次数越来越多 作为当前星载固存的主流产品基于 和 的星载固态存储器所需的 数量越来越多单片容量越来越大 受限于 的工艺特性基于 和 的固态存储器在其生命周期内会产生更多的坏块从而影响记录载荷数据的正确性 针对星载固态存储器使用过程中产生再生坏块问题提出了一种基于实时坏块检测、标注和坏块数据自主搬移、坏块自主回收的固态存储器坏块管理方案有效地消除了再生坏块对载荷数据正确性的影响降低了再生超级坏块数据的错误扩散和重复错误概率 方案已经过测试验证并已具有多个型号飞行经历是一种简单、高效、可靠的星载固态存储器坏块管理方法关键词:坏块管理 星载固态存储器中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.().):.年第 期张朗等:适用于 与 阵列星载固态存储器的坏块管理方法 .:引言 固态存储器作为卫星数传分系统不可或缺的部分随着数传分系统的集成化越来越高单板形态的固态存储器已经逐渐成为主流产品 星载固态存储器主要采用 直接对 芯片阵列进行控制以提高存储器的读写速率降低管理的复杂度 星载固态存储器容量从 量级至 量级 阵列则根据容量和吞吐量要求由 片或者多片 芯片组成 存在原生和再生两种坏块这两种坏块均需要在固存正常使用前进行检测、标注并剔除出可用存储空间否则就无法保证卫星载荷数据的完整性 初始坏块的剔除通常是在固存使用前通过读取 的每个 的第一个 的信息建立初始坏块表在记录、回放和擦除操作时通过对初始坏块表的访问屏蔽掉对坏块的操作从而保证对初始坏块剔除 星载固存由于其使用特点需要在研制过程中进行大量测试不可避免的会产生再生坏块当再生坏块产生后需要通过读取 的状态寄存器信息对坏块表进行更新否则依然会影响卫星载荷数据的完整性本文提出了一种实时自主坏块检测、标注并剔除的坏块管理方案提升了坏块表更新的实效性最大程度的减小了再生坏块对卫星载荷数据正确性的影响 固态存储器方案简介本文中的固态存储器以 芯片作为存储介质通过 的 接口采用 协议实现与外部数据的交互 通过 总线实现对固态存储器控制和其遥测状态返回 使用 位 进行数据缓存采用了基于多端口存储控制器实现 及 控制器与 的直连 同时采用 优化调度策略提升带宽利用率 固态存储器原理架构框图如图 所示图 固态存储器的原理架构设计.在本方案中以 为核心构建了一个片上系统()该 作为固态存储的控制中枢 上运行的软件程序负责响应 总线上的各种控制指令并控制 接口的数据收发、控制 接口的数据存取完成系统的记录与回放功能 同时基于 还构建了一个类 的文件系统对 中的数据进行高效管理.阵列控制为满足卫星载荷数据吞吐量需求该固态存储器采用多片 并行操作设计其 存储阵列共有 组独立的物理通道每组物理通道由 片 容量的 芯片组成 设计中采用两个物理通道共享一个逻辑通道 接口控制部分分成两个独立通道方式以达到节约资源的目的如图 所示该固态存储器逻辑上设计了 个独立的 存储单元每个存储单元有 个 每个 有 个 每个 存储容量为 是存储阵列数据管理索引的最小单元在本设计中按照 /段值对一个物理 进行索引 固态存储器控制程序将需要读写 的物理地址以命令形式传给控制器控制器维护命令队列并通过调度机制分别访问各个 存储单元将数据与校验结果返回空间电子技术 年第 期图 控制器逻辑图.存储映射本设计采用逻辑区块地址映射表()实现虚拟线性地址空间到物理空间的映射文件系统构建文件到 的映射每一个 块中使用最后一页存放 中所有页面的 信息同时页内也有一段标识本页 信息的字段固态存储器上电初始化后通过访问 信息页面可以恢复 表从而构建文件系统索引表以便于固态存储器完成按文件的读、写、擦等操作如图 所示图 固态存储器逻辑地址到物理地址映射工作原理.再生坏块实时检测标注自主数据搬移和坏块回收方案 为防止固态存储器再生坏块对卫星载荷数据正确性产生影响该方案联合采用了数据存储加扰处理、纠检错、校验以及 机制的数据可靠性策略固态存储器进行数据记录时按页进行数据加扰处理在数据写入 之前进行随机化操作让 年第 期张朗等:适用于 与 阵列星载固态存储器的坏块管理方法一页数据的 和 均匀分布使 中存储的数据尽量避免出现过多的全 或者全 从而降低数据出现 错误的概率另外该固态存储器还采用了 纠检错设计和 校验 首先对即将写入 的数据进行了 编码再对数据进行按页的 校验、计算和记录 本方案所采用的 纠检错算法纠错能力达到/容错能力更高同时也提高了 的使用寿命固态存储器进行数据回放时首先对读出数据进行 纠错检错之后再按页进行 校验和复算比对当某个页发生 校验和不一致错误时将校验错误页面所在 中所有 读出后同样进行前述 纠检错、校验和复算比对 如果该 中其它页面 校验和均正确则启动 机制通过数学运算恢复出 校验错误页面的正确数据并将正确数据从回放端口放出同时将此页所在的块做标记为再生坏块 如果该 中其它页面仍有 校验和错误则将该 校验错误页数据直接输出同时将此页所在的超级块标记为再生超级坏块固态存储器依次回放后续页面直至完成此次回放 流程如图 所示图 回放数据安全策略执行流程图.如果在回放过程中产生了再生坏块或者再生超级坏块则固态存储器在系统空闲时(待机状态持续 后)进行再生坏块/再生超级坏块数据自主搬移和再生坏块自主回收 在流程执行中再生超级坏块的所有块数据搬移处理流程与再生坏块相同仅在数据搬移完成后标记时进行区分 再生坏块数据搬移完成后释放再生坏块标记重新当做好块进行使用再生超级坏块的坏块会被标记为待自检坏块且 文件系统控制器将其暂时禁止使用 该待自检坏块会根据芯片自检的结果判断是否释放为好快或者标记为永久坏块更新到文件系统的坏块表中具体执行流程如图 所示图 再生坏块/超级坏块自主数据搬移和回收执行流程./空间电子技术 年第 期 试验及应用情况 本文使用前述固态存储器搭建了测试环境固态存储器软件使用了一段内存制造一组模拟卫星载荷数据 记录时将此模拟测试数据写入固存中回放时将数据读入 内存中通过扫描内存数据检测其连续性从而判断记录、回放以及自主坏块数据搬移和自主坏块回收功能本文中通过手动覆盖写 制造 读出数据 纠检错后 校验出错的产生再生坏块的场景设计了如下测试用例进行模拟)在一个 中制造一个 错误再次回放触发数据恢复操作再执行回放读取数据错误检测标识)在一个 中制造多个 错误(可恢复)再次回放触发数据恢复操作再执行回放读取数据错误检测标识)在一个 的一个 中制造两个 错误(不可恢复)再次回放触发数据恢复操作再执行回放读取数据错误检测标识)在多个 中各制造 个 错误再次回放触发数据恢复操作再执行回放读取数据错误检测标识)测试极限条件下无法恢复情况下是否会影响其他数据经测试该方案均可以按照设计有效完成数据恢复再生坏块/再生超级坏块标注自主数据搬移以及待自检坏块的标注和回收、释放和剔除另外本文还对自主坏块数据搬移和自主坏块回收期间接收到记录、回放指令以及固存断电等情况下退出自主坏块数据搬移和自主坏块回收后相关命令响应以及命令响应结束或恢复加电后继续执行情况执行结果进行了测试自主坏块数据搬移和自主坏块回收流程均可以正常执行完成本文介绍的固态存储器设计及其再生坏块数据自主搬移和自主回收设计已应用于某新技术验证卫星星座的一颗中枢星和一颗成员星的数传分系统路由处理器和 卫星数传分系统智能处理器等多个宇航型号目前各型号均在轨正常工作数据稳定可靠 结论综上所述本文设计的再生坏块实时检测标注自主数据搬移和坏块回收方案在发生再生坏块时通过 纠检错、校验和 恢复机制联合作用保证首次回放的卫星载荷数据正确无误当超出机制的恢复能力时实时自主对坏块数据进行搬移并将坏块标注回收减小了再生坏块数据的错误扩散和重复错误概率 该方案可以大幅提高星载固态存储器存储卫星载荷数据的可靠性使用了该方案的基于 与 阵列形态固态存储器已被用于多个重要领域目前在轨及正样研制交付超过 台涵盖军民及国内外多个宇航项目参考文献:任海刘伟亮唐振刚等.一种高效的星载高速固态存储器坏块管理算法.计算机测量与控制():.闫梦婷安军社江源源.实现流水存储及坏块处理的 控制器设计.电子设计工程():.周朋.基于 的 存储器测试系统.西安:西安电子科技大学.杨士宁张虹李盛杰等.基于大容量 存储器的 重构系统的设计与实现.电子测量技术():.付振凯.基于 的存储控制器设计.西安:西安电子科技大学.白玉尤文斌丁永红等.弹载固态存储器防护结构的隔热研究.国外电子测量技术():.李宪强薛长斌安军社.基于 的 控制器设计.空间电子技术():.李欣禹霁阳牛跃华等.基于分级缓存加速的高可靠高速星载固存设计.计算机测量与控制():.徐勇曾连连.面向 的通用星载 存储器设计.飞行器测控学报():.郑晶晶袁素春王娜等.用于 的纠检错算法的 实现.空间电子技术():.姚戈.云存储数据完整性验证机制研究.北京:北京交通大学.年第 期张朗等:适用于 与 阵列星载固态存储器的坏块管理方法 曾祥伟邓玉辉.利用页面重构与数据温度识别的闪存缓存算法.计算机科学与探索():.杨修.一种 类型纠错算法的设计与实现.成都:电子科技大学.沙晶钱伟.闪存芯片数据恢复和案例分析.信息网络安全():.江志敏.磁盘阵列系统掉电保护技术研究与实现.武汉:华中科技大学.苏伟冯曦周芝梅等.非易失性存储器数据掉电保护的硬件解决方案.电子技术应用():.作者简介:张朗()陕西西安人硕士高级工程师 主要研究方向为数传技术:.通讯作者:崔倩()陕西咸阳人硕士工程师 主要研究方向为信号分析:.