针对Flash存储特性的航天器大容量固态存储技术

随着航天任务的不断丰富、航天探测技术的不断提高(如探测器种类增多，相机分辨率提高等)，中国空间站等重大战略规划的逐步实施，空间科技数据的采集速度与存储总量需求大幅度攀升，对存储器的容量、吞吐速率、数据管理提出了更高的要求。

目前航天器所携带的固态存储器的基本存储介质以SDRAM和Flash为主，Flash读写速度较SDRAM慢、操作复杂，但因为基础工艺的区别，Flash的存储密度远远超过RAM系列产品，不需要刷新，功耗低，并且拥有非易失存储特性，在重量、功耗、可靠性极其敏感的航天应用上，Flash将保持巨大的生命力和发展潜力。

基于Flash的存储系统主要有固态硬盘和介质直接管理两种方式。前者目前广泛应用在笔记本、服务器等商用领域，在存储设备内部，通过FTL(flash transition Layer，闪存转换层)的转换，可处理SATA命令，但在硬件接口及软件系统方面照搬传统磁盘管理技术，对存储特性利用并不充分：硬件SATA接口标准无法满足Flash存储系统性能要求，成为瓶颈;以文件系统为代表的数据管理策略，大都考虑磁盘环境进行优化，Flash的优势无法充分体现。航天级应用需要采用介质直接管理的方式，针对Flash存储特性，从底层进行硬件结构设计，在满足任务的容量、速度、容错等关键需求的同时，尽量降低系统复杂度，逐步实现数据有效管理策略。

1 Flash器件的存储特性介绍

本文以3D—PLUS公司的NAND型32Gbits(4G×8)Flash叠装模块作为存储介质为例，介绍Flash存储特性。

1.1 并行性

该模块由8片4G位(512Mbits×8)SAMSUNG公司的NAND Flash芯片叠装而成，公用对外的8位宽I/O总线。该Flash芯片每2K字节的主存储区(Main Array)外加64字节的空余区(Spare Array)组成一页(Page)，64页组成一个块(Block)，4096块组成一个器件(Device)。

由于Flash存储模块的指令与数据公用I/O端口，对时序要求较为严格，但从应用的角度来看，由于各组I/O之间无依赖性，非常容易实现并行扩展。3D plus公司提供的存储模块通过简单的片选逻辑，即可封装多个Flash存储芯片。在航天实际任务应用中，我们也可以方便的通过并行总线技术，进行扩展，提高速度、提高容量。

1.2 最小操作单位及编程时间

写操作最小单位为“页”。写FLASH的过程分为两步，首先将命令、地址以及数据以字节方式写入芯片内部缓存(也就是“加载”，最快周期为50 ns)后，芯片内部需要一个内部编程的过程，才可以确定编程是否成功。典型时间tPROG为300μs，最大700μs。在编程过程中，芯片不响应外部命令，极大的降低了Flash的写入速度，是Flash应用的难点之一。

读操作通常也是以页为单位进行，但相对灵活些，也可以通过在输入地址过程中直接定位某一字节读取。在输入命令和地址后，需要一个等待时间tR后才可以将数据通过读脉冲读出。tR最大值为25μs。擦除操作必须以“块”为单位进行，每次必须同时擦除一个块内的全部64页的数据。在擦除的命令和地址输入后，需要等待时间tBERS后才可以确定擦除是否成功。tBERS的典型时间为2 ms，最大为3 ms。

1.3 无效块

NAND型FLASH芯片的特点是在出厂时就存在一定比例的无效块(Invalid Block)，在芯片的使用过程中，有可能还会有新的无效块产生，具体表现为在编程或擦除过程中出现编程失败或擦除失败的情况。对无效块的读操作是允许的，但由于对无效块的写和擦除操作应尽量避免。坏块随机分布，难以从工艺上根本消除。

2 航天存储系统设计及应对技术措施

2.1 系统设计

文中以3D—PLUS公司的NAND型32Gbits(4Gbx8)Flash叠装模块作为存储介质，介绍航天实际应用的Flash存储128Gbits容量方案。存储控制采用FPGA集成全部控制模块，负责系统工作流程执行和状态维护。

在每次系统重新加电后，硬件电路将自动遍历整个存储区的簇使用记录信息，每64簇的簇使用信息组成一条块信息，全部块信息构成“块分配表”，即BAT(Block Assignment Table)，包含Flash的当前使用信息，作为存储状态控制的依据。硬件初始化结束后，BAT表送往计算机内存，计算机软件在完成对CPU初始化设置后，进入常规任务管理，包括数据存储、数据回放、数据读取、数据擦除。FPGA与计算机通过

HPI总线通讯，计算机主板通过CAN总线与上位机通讯，实现指令遥控遥测等功能。存储控制实现以硬件为主，与地面通讯交互功能以软件为主。

为了保证存储数据可靠，实际应用中在存储控制模块中对存储数据进出Flash存储介质的端口进行RS编译码，有效检错、纠错，避免单粒子翻转造