隨著合成孔徑雷達（SAR）對分辨率的要求不斷提高,，其中頻采樣后回波信號的數(shù)據(jù)量與信號處理后的二維雷達圖像的數(shù)據(jù)量大大增加,。為了便于后續(xù)分析與處理，通常會將這些海量回波數(shù)據(jù)以及雷達圖像數(shù)據(jù)進行無失真數(shù)據(jù)存儲,。這對數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的設(shè)計提出了兩個方面的要求：(1)接口簡單且有較高的數(shù)據(jù)存儲速率,；(2)由于所需存儲數(shù)據(jù)數(shù)量巨大，要求存儲系統(tǒng)有足夠的容量,。
    傳統(tǒng)的SDRAM存儲方案隨著存儲器容量的增加,，其復(fù)雜性和實現(xiàn)成本也迅速提高，且在系統(tǒng)掉電后所存儲數(shù)據(jù)會丟失,，不適合數(shù)據(jù)的回放分析及處理的應(yīng)用場合[1],。而采用基于Flash的存儲方案，存儲容量大(單片容量可以達到32 GB)，不但數(shù)據(jù)存儲的效率較高(單片讀寫速度可以達到160 Mb/s),而且其接口通用,、設(shè)計簡單,，方便頻繁讀寫操作，因此是大容量雷達數(shù)據(jù)實時存儲的優(yōu)選方案,。
1 系統(tǒng)設(shè)計
1.1系統(tǒng)設(shè)計指標
    本系統(tǒng)是SAR雷達信號處理系統(tǒng)中的子系統(tǒng),，主要實現(xiàn)對中頻采樣數(shù)據(jù)和合成孔徑雷達匹配景象數(shù)據(jù)進行存儲與回放。根據(jù)應(yīng)用需求分析,，設(shè)計的系統(tǒng)應(yīng)具有數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)回傳(上傳至PC機)兩項基本功能,，其中以數(shù)據(jù)存儲為核心功能。在數(shù)據(jù)存儲過程中,，最關(guān)鍵的兩個指標分別是數(shù)據(jù)存儲速率和數(shù)據(jù)存儲量,。這兩項指標直接影響系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)劣。根據(jù)表1列出的SAR工作典型參數(shù),，就上述兩個指標進行分析。
    (1) 存儲速率分析
    由表1可知,，經(jīng)過信號處理后的一幀圖像為4 096×4 096像素,。極限情況下,每秒鐘信號處理模塊會送出3.5幀匹配景象數(shù)據(jù),則圖像存儲的速率必須大于448 Mb/s。存儲中頻采樣數(shù)據(jù)時,，根據(jù)上述采樣率以及A/D的采樣位寬,，可估算每秒采集到的正交兩路中頻雷達信號數(shù)據(jù)量為350 MB，即中頻采樣數(shù)據(jù)的存儲速率要求高于2.8 Gb/s,。

    (2) 存儲量分析
　 由于系統(tǒng)采用非易失存儲介質(zhì),，存儲量與系統(tǒng)開機運行時間相關(guān)。根據(jù)分析,設(shè)定存儲系統(tǒng)工作在最長時間5 min時,可估算規(guī)定時間內(nèi)系統(tǒng)需要存儲102.6 GB的中頻采樣數(shù)據(jù)和16.5 GB的圖像數(shù)據(jù),。這就要求設(shè)計系統(tǒng)板載總數(shù)據(jù)存儲容量大于118.1 GB,。
1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　 為了滿足設(shè)計技術(shù)指標要求，對構(gòu)成系統(tǒng)的主要器件選擇如下： (1)存儲系統(tǒng)主控器選取Altera 公司型號為EP2S90F780 的FPGA芯片,。(2)存儲芯片選取三星公司型號為K9LBG08U0M的NAND Flash,。(3)選取Cypress Semiconductor公司的EZ-USB FX2作為數(shù)據(jù)回傳USB2.0的微處理控制器。(4)選用美光公司型號為ML48LC8M16的SDRAM作為數(shù)據(jù)緩存芯片,。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。

2 硬件設(shè)計
2.1 SDRAM接口設(shè)計
    SDRAM與FPGA的連接示意圖如圖2所示。左邊是SDRAM芯片ML48LC8M16的引腳,，右邊是FPGA中SDRAM數(shù)據(jù)接口模塊對應(yīng)的信號,。系統(tǒng)中運用了兩片ML48LC8M16，圖2是一片SDARM的接口,，另一片接口與之相同,。兩片SDRAM乒乓緩存高速數(shù)據(jù)，可以增加系統(tǒng)存儲的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 NAND Flash存儲模塊設(shè)計
    系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲基本單元由型號為K9LBG08U0M的NAND Flash芯片組成,，K9LBG08U0M是一款低功耗,、高效率的NAND Flash存儲芯片。其內(nèi)部采用典型“塊-頁”組織結(jié)構(gòu)方式,，片內(nèi)總共分為8 192塊,每塊包括128頁,，每頁可存儲4 KB，總存儲空間達到4 GB[2],。其典型編程和擦除時間分別為0.8 ms,、1.5 ms，存儲速度較快,，存儲容量適中,，適合SAR海量數(shù)據(jù)存儲的應(yīng)用場合。系統(tǒng)以FPGA為主控制器,，并行控制4個NAND Flash存儲器工作組,，其接口電路原理圖如圖3所示。每個存儲器組分別由8片K9LBG08U0M芯片組成,。每組中又以4片為一個最小存儲單位,。每個最小存儲單位中，將地址鎖存信號ALE,、命令鎖存信號CLE等控制信號線通過并接的方式連接到一起,，各片數(shù)據(jù)地址復(fù)用線IO0~IO7獨立連接至FPGA的通用I/O中。

    這樣將數(shù)據(jù)通道可擴展至32 bit,，有效地拓寬了數(shù)據(jù)存儲帶寬,，提高了數(shù)據(jù)吞吐量。同時,，因采用了32片NAND Flash芯片,，板載存儲容量達到了128 GB。
2.3 回傳模塊設(shè)計
    數(shù)據(jù)回傳通道通過EZ USB 68013與PC連接,集成了USB2.0收發(fā)器,、串行接口引擎(SIE),、增強型8051微控制器和可編程的外圍接口。設(shè)計中采用USB 68013的GPIF接口,，并運用8 bit的傳輸方式,。EZ-USB FX2可配置成Ports、GPIF Master(主)和Slave FIFO（從）三種不同的接口模式,，在設(shè)計中使用Slave FIFO模式[3],。在該模式下，外部邏輯直接連接到FX2的端點FIFO,，GPIF并沒有被激活,。因為外部邏輯可以直接控制FIFO,，所以FIFO的基本控制信號（標志、片選,、使能）由EZ-USB FX2的引腳引出,，外部控制可以是同步或異步。圖4為在Slave模式下USB芯片外圍電路以及與FPGA連接的原理圖,。

3 存儲系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1控制器軟件模塊
     數(shù)據(jù)傳輸與存儲控制電路的開發(fā)工作主要集中在FPGA上,。根據(jù)上述分析與介紹，結(jié)合NAND Flash以及USB 68013芯片的操作特點,，考慮控制器的通用性與系統(tǒng)的可擴展性,，存儲系統(tǒng)軟件設(shè)計如圖5所示。其中包括USB操作命令解析模塊,、寫時序發(fā)生模塊,、壞塊管理" title="壞塊管理" target="_blank">壞塊管理模塊、數(shù)據(jù)上傳控制模塊,、塊擦除時序發(fā)生器模塊,、讀時序發(fā)生器模塊等。
    圖5中,，虛線框標定的軟件模塊均運用硬件描述語言編寫,，在Quarters II編譯環(huán)境下編譯、綜合并得到了實現(xiàn),。

3.2 系統(tǒng)工作流程
    系統(tǒng)工作流程如下：上電后，由壞塊管理程序掃描所有存儲塊,，同時記錄壞塊地址值,，并存入FPGA內(nèi)建立的RAM壞塊表中；然后系統(tǒng)等待接收并解析USB控制命令,；若控制命令為數(shù)據(jù)存儲,，首先進行寫數(shù)據(jù)目標塊擦除操作，然后在壞塊管理程序監(jiān)管下,，由寫時序發(fā)生模塊存儲SDRAM接口準備好的數(shù)據(jù),，數(shù)據(jù)存儲完畢后系統(tǒng)進入待命狀態(tài)。若控制命令為數(shù)據(jù)讀取,，首先從USB控制命令中解析出目標數(shù)據(jù)地址,，之后由讀取時序發(fā)生模塊將數(shù)據(jù)讀入USB芯片的FIFO中；最后系統(tǒng)根據(jù)FIFO標志位將數(shù)據(jù)上傳至PC機,。整個存儲系統(tǒng)工作的流程圖如圖6所示,。

3.3存儲速度優(yōu)化
    從存儲芯片的存儲機制出發(fā)，優(yōu)化控制器軟件結(jié)構(gòu)可以達到提高系統(tǒng)存儲速度的目的[4],。單片NAND Flash將數(shù)據(jù)寫入的過程是：通過數(shù)據(jù)總線向存儲芯片發(fā)送寫數(shù)據(jù)命令80 h,，緊接著寫目的頁地址，然后寫4 096 B數(shù)據(jù)（計算數(shù)據(jù)寫入所需要時間為Tdata-in），最后輸入結(jié)束命令10 h[2],。這一系列操作完成后Flash進入忙碌狀態(tài),，同時將4 KB數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)緩存區(qū)搬移到內(nèi)核，計算搬移所需要的時間為Tprog,。則4 KB數(shù)據(jù)寫入的總時間如下：
 
由此可得到單片寫入速度為96 Mb/s,。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計時將4片存儲器作為最小單元級聯(lián)，采用該方式數(shù)據(jù)寫入速度可以提高到384 Mb/s,。為進一步提高速度,，可將數(shù)據(jù)搬移時間Tprog充分利用起來?？刂破鬈浖軐崿F(xiàn)對兩個不同的單元進行乒乓操作,，即在一個存儲單元進入忙狀態(tài)時，另一個存儲單元開始寫,。這樣交替操作,，寫入速度可達到768 Mb/s?？刂破魍瑫r驅(qū)動4個存儲器組并行工作,，則其數(shù)據(jù)存儲速度可進一步提升到3 072 Mb/s(即3 Gb/s)。
3.4  NAND Flash壞塊管理
    由于NAND Flash 在出廠和使用過程中都會出現(xiàn)壞塊 (無法或錯誤地存儲數(shù)據(jù)),，這將對所存儲數(shù)據(jù)的準確性造成影響,。為了準確無失真地存儲數(shù)據(jù)，必須對NAND Flash中隨機出現(xiàn)的壞塊進行有效的處理,。本設(shè)計采用一種自適應(yīng)(可變長度)狀態(tài)機方法,，簡單有效地實現(xiàn)了壞塊的管理。系統(tǒng)上電運行時,，將由主控制器掃描得到的所有壞塊地址值存入FPGA內(nèi)建立的RAM表中[5],。
    采取這樣的方式，可使片上RAM資源消耗降低[6],。在進行數(shù)據(jù)寫操作時（地址線性增加）,，判斷壞塊地址與當前寫地址之間的距離，通過內(nèi)部計數(shù)器操作可避開壞塊,。壞塊管理狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖7所示,。

    壞塊管理狀態(tài)機包括3個狀態(tài)：Idle(空狀態(tài))、Get_timer(取壞塊距離狀態(tài)),、Addr_change(塊地址改變狀態(tài)),。其操作流程如下：(1)系統(tǒng)復(fù)位時狀態(tài)機進入Idle狀態(tài)，等待不執(zhí)行任何操作,。(2)當頁地址標志位不為0時（寫操作開始）,，狀態(tài)機進入Get_timer狀態(tài),，此狀態(tài)下取下一個壞塊到當前塊的距離，并賦給定時器timer,，若timer為“0”繼續(xù)停留在該狀態(tài),，同時連續(xù)壞塊地址自加；若timer不為“0”,，則狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到Addr_change,。(3)在Addr_change狀態(tài)下，等待一個Block中所有頁寫完后,，判斷timer是否為非“0”,，若是塊地址自加，同時timer自減,；反之輸出塊地址為原地址加上連續(xù)壞塊寄存器的值,。
    該方法實現(xiàn)的壞塊管理程序，能有效避開隨機出現(xiàn)的壞塊,，降低片上資源消耗,，提高了工作效率，確保了雷達數(shù)據(jù)存儲的完整性與準確性,。
4 系統(tǒng)實驗結(jié)果
    通過軟硬件協(xié)同設(shè)計,，最終實現(xiàn)了整個存儲控制系統(tǒng)，包括板載32片F(xiàn)lash芯片（正面16片,，背面16片）,、主控FPGA芯片、USB控制芯片,、SDRAM芯片,、配置芯片等。
    將同一幀灰度圖像數(shù)據(jù)分別存儲在經(jīng)過壞塊管理的存儲器組1和未經(jīng)過壞塊管理的存儲器組2中,然后通過讀時序操作分別讀取數(shù)據(jù),，在PC機上整合成一幀完整的圖像并做對比，其結(jié)果如圖8所示,?？梢娢唇?jīng)壞塊管理存儲的圖像數(shù)據(jù)出現(xiàn)失真，壞塊區(qū)域輸出成片“0”值,，圖像出現(xiàn)帶狀白色噪聲點,，這些干擾噪聲會嚴重影響后續(xù)信號處理結(jié)果。

    經(jīng)過壞塊管理后讀出的數(shù)據(jù)形成如圖8(b)的圖像可以發(fā)現(xiàn),，完全不存在圖8(a)所示現(xiàn)象,，圖像中只有包含有真實目標的匹配成像信息。說明經(jīng)過壞塊處理后數(shù)據(jù)被完整準確地存儲起來,，不會對后續(xù)的信號處理造成影響,。
    本文介紹的系統(tǒng)作為子模塊已在SAR成像系統(tǒng)中成功應(yīng)用,。實踐證明,本存儲回放系統(tǒng)能夠高效、穩(wěn)定,、可靠地工作,，而且數(shù)據(jù)存儲無失真。在后續(xù)工作中,，可在Flash控制邏輯上采用雙線程操作（Two Plane）方式,，能將數(shù)據(jù)寫入速度提高約1.6倍；也可驗證控制器的通用性,，在存儲板上搭載單片容量更大的存儲芯片,，簡單修改配置參數(shù)就可將目前板載總?cè)萘繛?28 GB的存儲系統(tǒng)將其容量擴至4 TB，使其適應(yīng)未來大容量存儲設(shè)備的發(fā)展趨勢,。
參考文獻
[1] 黃偉,，羅新民.基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計,2006(4):35-36
[2] Samsung.NAND flash assignment recommendation [EB/OL].www.sumsung.com.2008.
[3] 李鵬勃，張洪平.基于USB2.0的高數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2009,35(10):109-111.
[4] 邱華,，黃少珉，張萌.提高Nand Flash性能的方法[J].計算機工程與應(yīng)用,2009,45(8):84-86.
[5] 夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計教程[M].北京：北京航空航天大學(xué),，2003.
[6] 張勝勇,，高世杰.基于FPGA的NAND Flash壞塊處理方法[J].計算機工程,2010(6):239-240.