0 引言

    星載高速大容量存儲器是衛(wèi)星及其他航天器進(jìn)行信息獲取、信息處理及信息傳輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備之一。NAND Flash芯片具有存儲密度大、接口速率高、非易失性、低功耗、抗震性強(qiáng)、工作溫度寬等特點(diǎn)，是星載高速大容量存儲器的理想存儲介質(zhì)^[1-3]。但NAND Flash在空間高能粒子輻射、極高低溫環(huán)境下，極易出現(xiàn)位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤^[4-5]，采用錯(cuò)誤檢測糾正(Error Correcting Code，ECC)技術(shù)對其糾錯(cuò)可一定程度上保證數(shù)據(jù)的正確性^[6-8]。然而，NAND Flash受制造工藝限制，出廠時(shí)存在一定數(shù)量隨機(jī)分布的壞塊^[5，9-10]，并且隨著時(shí)間的推移，F(xiàn)lash達(dá)到擦除極限，壞塊數(shù)量將會不斷增多。壞塊的產(chǎn)生將影響存儲器的存儲速率和存儲信息數(shù)據(jù)的正確性、完整性，甚至決定航天探測任務(wù)的成敗。因此，高效、可靠的壞塊管理對星載高速大容量存儲器具有重大意義。

1 星載存儲器背景

    隨著空間探測任務(wù)的發(fā)展，有效載荷產(chǎn)生的數(shù)據(jù)帶寬急劇增大，存儲速率同樣需要提高，然而NAND Flash固有寫操作特性降低了有效吞吐率。Flash寫入數(shù)據(jù)分為兩個(gè)過程，首先將命令、地址及數(shù)據(jù)以字節(jié)方式寫入芯片內(nèi)部緩存(即“加載”過程)；其次芯片需要一個(gè)內(nèi)部編程過程，才可確定編程是否成功^[11-12]。編程過程中，芯片不響應(yīng)外部命令。星載高速大容量存儲器針對Flash寫操作特點(diǎn)，采用四級流水^[9，11]存儲技術(shù)，充分利用芯片編程時(shí)間加載其他芯片，實(shí)現(xiàn)存儲區(qū)全速無間斷數(shù)據(jù)寫入。圖1為四級流水線寫操作過程。

    空間探測有效載荷不斷增多，各個(gè)有效載荷所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量參差不齊。傳統(tǒng)單分區(qū)環(huán)形隊(duì)列順序?qū)懭氲拇鎯芾矸绞?從前往后存儲，待至存儲空間尾部，擦除存儲空間首部已寫入塊，使其變?yōu)槲词褂脡K，以便尾部空間存滿后，再次從存儲空間首部繼續(xù)存儲)不能適應(yīng)新的需求。若存在兩種不同速率的有效載荷同時(shí)產(chǎn)生數(shù)據(jù)：高速設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存儲滿存儲空間尾部后，環(huán)形隊(duì)列順序?qū)懭氲拇鎯Ψ绞綄⒉脸撞靠臻g；低速設(shè)備所存儲的數(shù)據(jù)很少，并且由于回放數(shù)據(jù)優(yōu)先級的原因，存在低速設(shè)備的數(shù)據(jù)未及時(shí)回放，卻被擦除以得到高速設(shè)備存儲新數(shù)據(jù)所需要的未使用塊。

    因此，傳統(tǒng)的環(huán)形隊(duì)列順序?qū)懭氲拇鎯芾矸绞剑荒苓m用于多載荷。本文所提到的星載高速大容量存儲器，采用的是四級流水存儲技術(shù)，每一個(gè)有效載荷分一個(gè)文件的方式進(jìn)行鏈?zhǔn)酱鎯芾怼?/p>

2 傳統(tǒng)壞塊管理

2.1 壞塊替換

    存儲器初始化時(shí)，讀取相應(yīng)的塊狀態(tài)信息，構(gòu)建壞塊表。數(shù)據(jù)存儲時(shí)，根據(jù)壞塊表中信息，跳過已有的壞塊。若在存儲塊中寫入數(shù)據(jù)的過程中第n頁失敗則獲得一塊未使用塊，替換正在寫入塊，并將失敗塊的前n-1頁復(fù)制到有效未使用塊，并將第n頁及之后的數(shù)據(jù)寫入新塊^{[7，10，12-15]}。如圖2所示。

    傳統(tǒng)的壞塊替換方法是將存儲出錯(cuò)塊中的有效數(shù)據(jù)復(fù)制到新的替代塊中，以增加額外的存儲時(shí)間開銷來保證數(shù)據(jù)存儲的正確性。若在存儲塊的尾部出錯(cuò)，那么將復(fù)制出錯(cuò)塊近一塊的數(shù)據(jù)到替代塊中，這大大降低了存儲的速率。在整個(gè)存儲過程中，由于出錯(cuò)塊出錯(cuò)所在的頁數(shù)不同，將會出現(xiàn)存儲速率抖動(dòng)。星載高速存儲器不允許存儲速率的抖動(dòng)，否則將可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)的丟失。

2.2 動(dòng)態(tài)壞塊管理

    動(dòng)態(tài)壞塊管理^{[2，4-5，13]}將存儲空間分為4個(gè)區(qū)：數(shù)據(jù)存儲區(qū)、交換塊區(qū)、替換(保留)塊區(qū)^{[10，15-16]}和壞塊區(qū)。其思想是在存儲器使用過程中出現(xiàn)壞塊，采用動(dòng)態(tài)方式標(biāo)記壞塊，將壞塊加入壞塊映射區(qū)，從替換(保留)塊區(qū)選擇有效未使用塊對壞塊進(jìn)行替換，并更新邏輯-物理塊地址映射表。若對已寫入數(shù)據(jù)塊修改，需將整個(gè)存儲塊的數(shù)據(jù)讀到存儲控制器，對其數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，然后將修改后的數(shù)據(jù)寫入到交換塊區(qū)的存儲塊，最后更新邏輯-物理塊地址映射表^[10，13]。

    動(dòng)態(tài)壞塊管理對已寫入數(shù)據(jù)的修改方式，比直接在原存儲塊中寫入速率高。星載高速大容量存儲器只對有效載荷數(shù)據(jù)存儲，不對數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。同時(shí)，存儲器采用四級流水存儲技術(shù)，并對不同的有效載荷分文件進(jìn)行鏈?zhǔn)酱鎯ΑＲ虼?，?dòng)態(tài)壞塊管理的方法不適合星載高速大容量存儲管理。

2.3 異步壞塊管理

    異步壞塊管理^[6]是基于嵌入式文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)讀、寫、擦除等請求的壞塊管理緩沖層。文件系統(tǒng)發(fā)出讀、寫、擦除等請求，獨(dú)立運(yùn)行的異步壞塊管理進(jìn)程將這些請求緩沖到隊(duì)列，并直接向文件系統(tǒng)返回請求執(zhí)行成功狀態(tài)。異步壞塊管理進(jìn)程在響應(yīng)寫請求時(shí)，將其他讀、寫、擦除請求阻塞，直到此次寫請求完成為止。當(dāng)執(zhí)行寫請求出現(xiàn)壞塊時(shí)，異步壞塊管理進(jìn)程將復(fù)制已寫入壞塊的數(shù)據(jù)到替代塊中，并將請求緩沖隊(duì)列中相應(yīng)寫請求的數(shù)據(jù)寫入到未使用塊，從而保證數(shù)據(jù)的完整性和正確性。

    異步壞塊管理中不能同時(shí)執(zhí)行讀、寫、擦除三種類型的請求，這將降低星載存儲器的數(shù)據(jù)存儲管理性能；寫入數(shù)據(jù)出現(xiàn)壞塊，讀取已寫入壞塊數(shù)據(jù)將增加星載CPU運(yùn)行內(nèi)存資源消耗；異步壞塊管理是一種基于嵌入式文件系統(tǒng)的管理算法，星載存儲器不宜采用不成熟的星載文件系統(tǒng)技術(shù)。因此，星載高速大容量存儲器不能采用異步壞塊管理方法。

3 文件化壞塊管理

3.1 塊狀態(tài)信息存儲

    星載高速大容量存儲器，F(xiàn)PGA和CPU協(xié)調(diào)配合共同控制管理數(shù)據(jù)存儲。存儲器塊狀態(tài)信息存儲在每個(gè)塊的空余區(qū)，當(dāng)系統(tǒng)第一次啟動(dòng)時(shí)，F(xiàn)PGA掃描存儲器中所有塊空余區(qū)，獲取所有塊狀態(tài)信息，并由FPGA組建OBAT(Original Block Allocate Table)存儲到掉電非易失型存儲器MRAM，再由CPU將OBAT從MRAM中讀到CPU運(yùn)行內(nèi)存，最后由CPU組建成IBAT(Index Block Allocate Table)，并將組建好的IBAT寫回MRAM。系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，存儲塊狀態(tài)發(fā)生改變，F(xiàn)GPA修改相應(yīng)塊空余區(qū)，并實(shí)時(shí)維護(hù)MRAM中的IBAT表。這樣的存儲機(jī)制，能夠保證大容量存儲管理系統(tǒng)快速可靠的啟動(dòng)。系統(tǒng)正常斷電，將CPU運(yùn)行內(nèi)存中的IBAT寫回MRAM，系統(tǒng)重啟時(shí)，CPU直接從MRAM快速讀取IBAT即可。當(dāng)系統(tǒng)異常斷電啟動(dòng)，F(xiàn)PGA校驗(yàn)MRAM中的數(shù)據(jù)，若校驗(yàn)成功，CPU直接從MRAM中快速讀取IBAT表即可；若校驗(yàn)失敗，系統(tǒng)的啟動(dòng)過程和第一次啟動(dòng)過程一樣。 因此，系統(tǒng)只是第一次啟動(dòng)和系統(tǒng)異常斷電校驗(yàn)失敗時(shí)的啟動(dòng)時(shí)間較長。OBAT表和IBAT表分別如表1、表2所示。

    表1、表2中：(1)塊狀態(tài)表示正常寫入塊、正常替代塊、正常失敗塊、替代失敗塊、未使用塊和無效塊。(2)塊尾頁地址，表示塊的正常寫入頁地址。(3)文件號，表示不同有效載荷。(4)本文件內(nèi)塊計(jì)數(shù)，表示該文件已經(jīng)寫入的塊數(shù)。(5)本文件下一流水級指針，即下一流水級的塊序號。

3.2 文件化組織結(jié)構(gòu)

    星載高速大容量存儲器，為解決低速寫入單塊速率的限制，采用四級流水并行寫入的方式，以提高系統(tǒng)的存儲速率。同時(shí)，為了對多有效載荷的管理，存儲系統(tǒng)采用文件化的管理方式。所謂文件化管理，即根據(jù)不同的有效載荷分不同的文件對其進(jìn)行存儲，將未使用塊根據(jù)四個(gè)流水級分為四個(gè)文件進(jìn)行管理，以及無效塊作為一個(gè)文件進(jìn)行管理。

    存儲器系統(tǒng)第一次啟動(dòng)，F(xiàn)PGA從塊的空余區(qū)掃描塊狀態(tài)組織成OBAT結(jié)構(gòu)存放于MRAM中，CPU從MRAM讀取OBAT到內(nèi)存的一塊連續(xù)存儲空間，并由OBAT組建成IBAT，也是一個(gè)文件化的過程。其OBAT變?yōu)镮BAT，文件化的過程為：(1)根據(jù)塊狀態(tài)、流水級和文件號分為不同的塊組；(2)針對各個(gè)有效載荷文件，根據(jù)OBAT中的本文件內(nèi)塊計(jì)數(shù)按照從小到大進(jìn)行排序；(3)各有效載荷文件根據(jù)排序結(jié)果，將OBAT中的塊計(jì)數(shù)的存儲位置修改為指向下一流水級的指針，即塊序號。分流水級的未使用塊和無效塊無需排序，直接將其修改為后續(xù)的塊序號。

    OBAT組建成IBAT，得到文件化鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)(如圖3所示)后，原存放OBAT的連續(xù)內(nèi)存空間大小不改變，相應(yīng)塊狀態(tài)信息物理位置及序號不變，只是在內(nèi)存中增加了相應(yīng)文件的頭信息(文件ID、文件大小、指向第一塊塊序號指針等)。分流水級的未使用塊文件中指針指向本流水級塊序號，無效塊文件中指針不分流水級，直接指向無效塊序號。

3.3 文件化壞塊替換

    星載高速大容量存儲器，CPU向FPGA提供有效的未使用塊，F(xiàn)PGA采用四級流水存儲技術(shù)向未使用塊中寫入數(shù)據(jù)，二者協(xié)同配合，共同實(shí)現(xiàn)對有效載荷數(shù)據(jù)高速有效穩(wěn)定的存儲。FPGA內(nèi)部為每個(gè)有效載荷文件創(chuàng)建四級流水乒乓緩沖塊空間，即存放8個(gè)塊序號。CPU和FPGA一致，創(chuàng)建同樣類似的緩沖塊空間。以某一有效載荷向Flash中寫入數(shù)據(jù)為例：

    (1)系統(tǒng)啟動(dòng)初始化，CPU為相應(yīng)文件分配四個(gè)流水級的未使用塊序號ABCD，并發(fā)送給FPGA。如表3所示。

    (2)FPGA將ABCD移入正在寫入塊緩沖空間，并向CPU申請第0流水級的未使用塊。CPU收到FPGA的申請后，首先將ABCD添加到文件鏈表，其次將ABCD移入正在寫入塊緩沖，最后分別從四個(gè)流水級未使用塊文件中快速獲得未使用塊EFGH發(fā)送給FPGA。FPGA將獲得的未使用塊添加到相應(yīng)緩沖空間，并開始對A塊寫入數(shù)據(jù)。如表4所示。

    (3)當(dāng)FGPA再次向CPU正常申請第0水級流未使用塊時(shí)，和上一步驟操作類似。如表5所示。

    (4)若FPGA向第1流水級塊F寫入出錯(cuò)，F(xiàn)GPA將J直接作為其替代塊，將J放入到正在寫入塊緩沖。FGPA向CPU申請?zhí)娲鷫K，并告知出錯(cuò)塊的有效尾頁地址。CPU收到申請后，首先設(shè)置塊F正常失敗狀態(tài)和有效尾頁地址，其次將J作為F的替代塊，并將J添加到文件鏈表之后，設(shè)置J的塊狀態(tài)為正常替代塊，最后從第1流水級未使用塊文件中快速申請塊M，如表6所示。

    (5)當(dāng)后續(xù)正常申請時(shí)，與步驟(2)和(3)的操作相同。

    當(dāng)出現(xiàn)出錯(cuò)塊時(shí)，保持出錯(cuò)塊中已寫入數(shù)據(jù)不變，從出錯(cuò)塊的出錯(cuò)頁地址開始向替代塊中寫入數(shù)據(jù)，避免了數(shù)據(jù)存儲過程中的數(shù)據(jù)抖動(dòng)，保持一定的速率寫入數(shù)據(jù)。對于任何一個(gè)流水級的塊出錯(cuò)，都能夠得到快速高效的響應(yīng)。星載存儲器采用與寫入數(shù)據(jù)時(shí)相對應(yīng)的算法，對存儲塊中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放。

4 結(jié)論

    傳統(tǒng)壞塊管理方法是將已寫入的數(shù)據(jù)復(fù)制到緩沖空間中，增大了緩沖空間資源占用；將已寫入壞塊數(shù)據(jù)重新寫入未使用塊的方式，造成數(shù)據(jù)存儲速率抖動(dòng)；只針對單流水級存儲塊實(shí)施壞塊管理。

    文件化壞塊管理采用四倍于單塊寫入速率的四級流水存儲技術(shù)，能夠同時(shí)對多個(gè)有效載荷產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分文件進(jìn)行管理。文件化壞塊管理將已寫入數(shù)據(jù)的壞塊保留在有效載荷文件存儲塊鏈表中，從相應(yīng)流水級未使用塊文件快速獲取新塊作為其替代塊，避免了數(shù)據(jù)存儲速率抖動(dòng)，保證了星載高速大容量存儲器高效穩(wěn)定運(yùn)行。此方案已在某型號任務(wù)中得到驗(yàn)證和應(yīng)用。

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作者信息：

楊志勇1，2，董振興1，2，朱  巖1，2，董文濤1

（1.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100190）