随着载荷种类的增加，针对航天任务中多路载荷数据复接下行和存储量较大的现状，高速数据传输和大容量存储成为航天领域需重点研究的问题[1]。同时，针对航天领域环境特殊，对系统抗辐加固也提出了更高的要求[2]。为了方便数据传输处理，空间系统咨询委员会(CCSDS)提出了高级在轨系统(AOS)标准，以便于多路数据在同一信道的传输[3]。早期星上存储设备主要使用磁带机和磁盘，这类存储介质的可靠性、传输速率和寿命较低[4]。随着半导体技术的发展，大容量、高速率、高可靠的磁随机存储器(MRAM)、可编程只读存储器(PROM)、静态随机存取存储器(SRAM)等固态存储成为航天领域存储器主流选择[5-6]。其中，NAND闪存(Flash)存储器因具有数据不容易丢失、存储效率高和功耗低的特点而成为优先选择[7-8]。我们针对某航天器20路数据复接下行和大容量1T固态存储的需求，使用9片128GNANDFlash芯片叠装成1T的大容量数据储存器。利用现场可编程门阵列(FPGA)芯片的高速数据处理能力和控制灵活性，对NANDFlash芯片进行数据读、写、擦除和坏块管理等操作，使用同步动态随机存取内存(SDRAM)进行数据读、写和下传的缓存，进而提高存储器的吞吐率，实现对多个数据源按要求进行数据记录、数据管理以及数据回放等功能。同时，对国产NANDFlash等芯片增加抗辐加固设计，满足航天领域对元器件可靠性的要求。
1数据复接存储系统简介
数据复接存储系统主要接收异步串行遥控指令并解析，根据遥控指令要求执行并完成对外部20路数据源数据的接收、组帧，完成对数据的接收后，将数据存入固态存储器，并且提供基于VCID和时间码的文件管理服务。实现了对多个数据源按要求进行数据记录、数据管理以及数据回放等功能。系统的主要性能指标见表1。
2数据复接存储系统方案设计
FPGA需要完成多路数据的接收处理、格式编排、存储访问和数据下传功能。数据复接模块主要使用二线制低压差差分信号(LVDS)、异步RS422、三线制LVDS、同步RS422四类接口模块来接收数据，MRAM模块储存关键的文件信息，FPGA控制Flash阵列的读写、擦除等，SDRAM模块实现数据缓存操作，1Tb的NANDFlash实现对多路载荷数据存储功能。
2.1数据复接功能实现
数据复接模块主要使用二线制LVDS、异步RS422、三线制LVDS、同步RS422四类接口模块来接收数据，经过位宽转换至16bit后存入FIFO缓存，当FIFO内数据存够一帧数据量时，FIFO向AOS模块发起读请求，AOS模块将从发起请求的目标FIFO中取出一帧数据，并根据虚拟信道号和帧计数组帧，将数据传向SDRAM控制器。AOS模块以50MHz的主频轮询各路数据源FIFO，数据处理能力可以覆盖最大输入速率。
2.2Flash阵列拓扑结构设计
NANDFlash器件使用VDNF128G08RS50MS8V25，该芯片内部由8片16GbFlash基片叠装而成，采用深度扩展方式来提高存储容量，共用8位IO总线，各层的CE、RE、WE和R/B等信号分别引出(共4层)。1Tb存储阵列由一组叠装存储器组成，每组8+1=9颗器件，一组9颗器件位宽拓展为72位位宽，提高了存储器的并行性和吞吐能力。
2.3提高系统抗辐加固能力
2.3.1选用抗辐存储器为了应对航天领域环境特殊，对抗辐加固要求较高，本文对关键存储器件采用三模冗余设计。本文在使用到的国产存储芯片MRAM、SDRAM、NANDFlash均具有一定的抗辐性能，具体情况见表2。2.3.2数据管理系统数据管理系统是存储器控制系统的核心，一旦数据管理系统失效，存储系统的记录及回放功能将彻底失效，数据管理系统依靠文件信息对存储数据进行管理。本文所述数据管理系统将文件信息存入MRAM内维护，由表2可知，MRAM具有较为优秀的抗辐射能力，将使用到的关键文件信息存放在MRAM中，可以有效降低空间辐射环境对系统的影响。数据管理系统不断维护其写指针，保证在意外复位或者断电时写指针丢失。根据综合电子参数上注指令，不断存储和回放综合电子参数，避免重要信息意外丢失。每次流水页(2Mb)记录结束之后，数据存储FPGA到相应MRAM文件管理空间中修改更新写指针，避免写指针丢失，在擦除操作时，写指针清零。2.3.3FPGA抗辐加固FPGA是本系统的核心控制器，使用高等级的FPGA芯片提高系统可靠性，并采用回读刷新芯片增强FPGA的抗SEU能力。回读刷新芯片对FPGA器件的配置空间进行访问，读出配置数据，并与配置片中的数据进行比对，实时监控单粒子事件的发生。当回读检测到FPGA发生单粒子翻转时，可以采取重新加载方式或部分重配置消除单粒子的影响，使系统功能恢复正常。NANDFLASH器件具有EDCA校验功能，可以检测出1位误码，提高数据的准确性。2.3.4FPGA软件加固采用8片Flash存储有效数据，1片Flash存储EDAC校验码，每存储64bit数据即计算一次EDAC校验码存入Flash，每次读出数据时进行一次校验和纠错。另一方面，由于Flash内的配置区存在SEU的可能性，因此存储控制逻辑中每次操作(读、写、擦)时均会复写Flash配置，以确保每次都是以正确的配置来对Flash执行操作。
3大容量数据复接存储实现
实时模式下，外部数据源输入数据复接存储模块的数据实时的从指定下传信道下传。由于存在两路下传信道同时工作的情况，因此实时模式下将接收到的数据使用两组FIFO(每组20个)同步接收数据，通过SDRAM的分时复用写入将输入数据缓存至相应的分区，并且根据指令从SDRAM中将数据实时的传入下传信道。延时模式下，数据复接及存储模块模块完成外部数据的接收、组帧、存储，建立和维护基于VCID和时间码的文件管理服务。并根据地面指令，按照虚拟信道和时间范围检索固存数据，并将检索出的历史记录数据通过制定信道下传地面。由于数据源路数较多，存在输入突发速率较大的情况，故使用一片1Gb的SDRAM作为存储、回放的缓存资源。系统的数据流如图1和图2所示。
3.1文件管理
数据复接及存储模块模块初次上电时，依据出厂设置指令将PROM中存储的出厂坏块导入MRAM中，生成工作坏块表，并在擦除过程中自主管理坏块表。数据存储FPGA接收数载荷数据，缓存满一个流水页时，数据存储FPGA启动Flash阵列写操作，Flash写操作启动时，数据存储FPGA从上而下检索MRAM中空白未用的好块，进行数据记录，并标记相应的记录数据写入的时间和写入的载荷类型，表示存储空间为被该文件占用。每完成一个流水页记录时，更新写指针，保证写指针掉电不丢失。一组Flash阵列包含8个128GbFlash芯片作为有效存储，位宽64位，每个Flash具有4层，每层具有220页存储空间，每页大小为8KB，故一个流水页大小为2Mb。根据Flash存储阵列介质特性，最小存储颗粒为一个流水页(2Mb)，即文件的最小单位为1个流水页，文件管理信息也是具体到一个流水页(2Mb)的数据量。文件管理信息包含流水页数据载荷ID属性、记录时间属性，此外页包含坏块表属性、读写指针、等信息。MRAM总空间为64Mb，每个流水页使用7Byte标识文件信息。MRAM文件信息管理总共维护Flash存储阵列220个流水页的文件信息。此外，MRAM内部还存储Flash存储阵列图像区和通信字区的两套写指针。
3.2存储控制操作
由于VDNF128G08RS50MS8V25芯片采用8片叠装的拓扑结构，因此FLASH控制器采用8级流水控制方法来避开各级芯片的编程时间，以提高FLASH操作效率。数据存储FPGA接收数载荷数据，缓存满一个流水页时，数据存储FPGA启动Flash阵列写操作。Flash写操作启动时，数据存储FPGA从上而下检索MRAM中空白未用的好块，进行数据记录，并标记相应的记录数据写入的时间和写入的载荷类型，表示存储空间为被该文件占用。每完成一个流水页记录时，更新写指针，保证写指针掉电不丢失。存储控制器主要用于控制Flash阵列的读写和擦除，存储控制器将Flash阵列分为通信字区和图像区。两个分区具有独立的读写指针，支持独立读写、独立擦除。存储控制器采用循环写入、边写边擦的管理方式。存储控制器在每次写操作时要从非易失性存储器MRAM内部查询坏块表并来获取写指针，在写操作结束后更新MRAM中的文件信息和写指针。存储控制器在每次读操作时要从非易失性存储器MRAM内部查询坏块表和文件信息(VCID和时间码)来获取读指针，在读操作结束后更新MRAM中的读指针。数据复接及存储模块模块初次上电时，依据出厂设置指令将PROM中存储的出厂坏块导入MRAM中，生成工作坏块表，并在擦除过程中自主管理坏块表。
4系统测试分析
为了验证本文所设计的数据复接存储系统的性能，使用地面测试设备模拟20路载荷数据源，结合固存测试软件发送相应的指令数据对系统性能进行验证。测试系统主要由地测设备、电源、复接存储模块、测试计算机组成。为了验证系统存储性能，对系统数据进行存储与回放测试，通过平台固存测试软件发送相应的遥控指令，如图3所示，地测设备模拟数据源发送20路载荷数据。地面测试设备发送载荷数据，将数据存储到Flash存储器中，最后将数据回放接收。将回放的数据通过分包比对软件进行解析，回放3G载荷数据，从结果可以看出系统正确的接收存储了载荷数据并将其完整的回放出来，满足了系统整体需求。我们以国产MRAM、SDRAM、NANDFlash芯片为基础，使用FPGA为核心器件实现对NANDFlash器件的读、写、擦除操作，并对坏块进行有效的管理，设计并实现了对20路载荷数据的有效传输、管理、存储回放等功能。根据航天领域特殊的环境要求，增加抗辐加固设计，提高系统的可靠性。设计测试实验对系统功能进行验证表明，系统符合型号总体要求。
参考文献
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[2]张东伟，王宇，张善从.星载高速数据路由技术的应用研究[J].微计算机信息，2008(17)：132-133.
[3]司锋，张强.基于数据路由的星载高速数据处理系统研究[J].测绘通报，2014(S1)：27-31.
[4]王九龙.卫星综合电子系统现状和发展建议[J].航天器工程，2007(5)：68-73.
[5]周宇昌，李小军，周诠.空间高速数据传输技术新进展[J].空间电子技术，2009(3)：43-48.
《抗辐照器件数据复接存储技术研究》来源：《航天标准化》，作者：崔培林 郭黎烨 李毅 田文波 沈奇
