1、概述

數據存儲設備是航天器的關鍵設備之一，為各種空間試驗或探測數據的采集、存儲以及在軌處理等方面提供了重要的支撐平臺。隨著航天電子技術的發展，人們面臨的數據處理任務愈來愈繁重，對數據采集速率、數據采集系統的存儲量等都提出了越來越高的技術要求。當前，以FLASH（閃速存儲器）為基本存儲介質的大容量固態存儲器己經成為當前航天器數據存儲的主流方案之一。閃速存儲器（ flash memory，簡稱閃存）是由EEPROM發展起來的一種新興的存儲器件，由于其具有非易失性、成本低、密度大、功耗小、可在線重復編程和擦除、具有抗震動和沖擊、溫度適應范圍寬等特點，得到了非常廣泛的應用。同時，由于目前的FPGA技術比較成熟、編程方便、控制靈活，而且可以通過軟件實現各種接口功能，因此在高速數據采集和存儲中采用FPGA作為控制部分，可以提高系統處理得速度及系統的靈活性和適應性。

本文介紹了一種以FPGA作為控制器，FLASH MEMORY作為主存儲器的大容量高速存儲系統方案，并對關鍵技術及實現途徑進行了論述，在存儲容量及存儲速度上實現了突破。

2 、系統方案設計

超大容量高速存儲系統主要由高速總線、中心控制邏輯以及存儲單元組成，其中存儲單元是核心部分。該系統要實現超大容量數據的存儲，達到96GB的存儲容量，共使用了三個存儲模塊，其原理框圖如圖1所示。其中，每個存儲模塊有兩個存儲通道，每個通道采用16片1GB的FLASH，則可達到單通道存儲容量為16GB，單個存儲模塊的存儲容量為32GB，要想繼續增大存儲容量，則可通過增加存儲器組的方式。其中，由于存儲模塊的容量要求非常大，因此選取K9K8G08U0M作為存儲模塊的組成單元，每片容量為1GB，讀寫速度高達40MB/s。

每組存儲器按40MB/s的讀寫速度，Flash Memory每頁（2KB）的編程時間最高為700us，則每頁（2KB）所需的時間TW為：

TW=1/40M×2048=25ns×2048=51.2us

用分頁寫入的方式來讀寫Flash，一共需要≥700÷51.2=14片串聯，就可以以40MB/s的全速寫入速度操作Flash。每組存儲器的讀寫速度為Sc（這里設存儲器的讀寫速度為40MB/s），存儲器的數據總線寬度為8位（1字節），共有n組存儲器讀寫接口可以并行完成讀寫操作，則總的讀寫速度Sg為：

Sg = Sc × n = 40MB/s ×n

圖1 高速大容量存儲模塊原理框圖

3、 系統工作時序及邏輯控制

存儲模塊共有三個工作狀態：讀、寫及擦除。系統上電后進入初始化狀態，可編程邏輯器件根據輸入狀態判斷是進入讀、寫、擦除中的哪一個狀態。所有的邏輯控制都是由可編程邏輯控制器（FPGA）來完成。

3.1 FLASH數據循環寫入技術

本設計采用16片FLASH數據循環寫入技術，在每次讀、寫及擦除操作前都要對每一片FLASH進行無效塊判斷操作。若判斷某一緩沖區為無效塊，則跳過，繼續下一塊操作。每一片FLASH一頁的數據緩沖區為2KB，最快寫入速度為40MB/s，可計算出寫入一頁緩沖區數據需要時間約為50us，而對一頁緩沖區的數據進行編程典型時間為200us，最長時間為700us，將16片FLASH構成存儲器陣列，共32KB的數據緩沖區，其連續循環寫入速度為40MB/s，完成16片FLASH的寫操作需要800us，大于頁編程的最長時間，使得循環16片頁寫入操作，保證第一頁編程操作完成。依次操作，直至將所有存儲器寫滿。在一個通道存儲完畢之后，由FPGA內部的通道切換模塊將通道切換至另一通道繼續存儲。

3.2 無效塊的處理

在使用大容量FLASH存儲器時無效塊的處理是首要考慮的問題，本設計中在每次讀、寫和擦除操作前都要對每一片FLASH進行無效塊判斷操作。過程是：上電判斷無效塊，無效塊標志在每一塊的第1頁或第2頁的2048列地址上，為非11111111時為無效塊，先判斷第一

頁為無效，跳到下一塊；若第一頁為有效再判斷第二頁，若第二頁為非11111111，則該塊也是無效塊，跳到下一塊進行處理。無效塊識別時序如圖2所示。

圖2 無效塊識別時序

3.3 程序流程及地址管理

使用VHDL編寫程序的流程如圖3所示，由于在對FLASH的操作中有對無效塊的操作，所以如果順序進行讀寫擦除操作，在單路16片FLASH芯片的地址管理上將會出現混亂。所以采取的地址管理方法是：

（1） 在進行讀、寫、擦除之前，均先對無效塊進行識別；

（2） 確定是無效塊時，直接跳至下一片，塊地址不變；

（3） 確定不是無效塊時，直接對其進行讀、寫、擦除操作；

（4） 在讀和擦除狀態時，通過等待R/B信號進入下一塊的操作，而在寫狀態時不等待R/B信號，在上一塊編程的同時下一塊也開始進入寫操作，在一次片選循環完成后統計無效塊的個數，等待16片全部編程完成后，再將片選加一進入下一次循環。

圖3 程序流程圖

3.4 多模塊同時寫入方式

要想達到大容量存儲，必須采用多個存儲模塊同時存儲的方式，具體是由外部的主控制模塊調度采集模塊向具體的存儲模塊傳輸數據，可采用輪詢的方式來選擇存儲模塊。如圖4所示，通過外部的控制卡設置存儲模塊的地址，先存001號存儲模塊，然后002號，之后003號，再返回001號，每次傳輸X個字節后切換存儲模塊（X可根據需要自行設定），由主控制模塊來控制傳輸的方向。

4、 結束語

本文提出了一種實現超大容量數據存儲的方案，采用層次化設計思想，將整個系統分成幾個模塊，再將整個存儲區間分成若干個獨立的子模塊分別進行存儲，每個模塊可以自行管理，可根據需要靈活改變存儲容量；采用分頁并行存儲及拓寬總線的方式以提高存取速度；研究了針對FLASH芯片的存儲區管理策略，包括多塊FLASH芯片的地址管理以及無效塊管理等。

文章創新點：

1、超大容量數據的存儲：采用層次化設計思想，將整個系統分成幾個模塊，再將整個存儲區間分成若干個獨立的子模塊分別進行存儲，每個模塊可以自行管理，可根據需要靈活改變存儲容量；

2、采用分頁并行存儲及拓寬總線的方式以提高存儲速度；

3、研究針對FLASH芯片的存儲區管理策略，包括多塊FLASH芯片的地址管理以及無效塊管理等。

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