0 引言

    星載高速大容量存儲器是衛(wèi)星及其他航天器進行信息獲取,、信息處理及信息傳輸?shù)年P鍵設備之一。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,、工作溫度寬等特點，是星載高速大容量存儲器的理想存儲介質^[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)位翻轉錯誤^[4-5],，采用錯誤檢測糾正(Error Correcting Code，ECC)技術對其糾錯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，出廠時存在一定數(shù)量隨機分布的壞塊^[5,，9-10],，并且隨著時間的推移，F(xiàn)lash達到擦除極限,，壞塊數(shù)量將會不斷增多,。壞塊的產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

    隨著空間探測任務的發(fā)展，有效載荷產生的數(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)方式寫入芯片內部緩存(即“加載”過程),；其次芯片需要一個內部編程過程，才可確定編程是否成功^[11-12],。編程過程中,，芯片不響應外部命令。星載高速大容量存儲器針對Flash寫操作特點,，采用四級流水^[9,，11]存儲技術，充分利用芯片編程時間加載其他芯片,，實現(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,，各個有效載荷所產生的數(shù)據(jù)量參差不齊,。傳統(tǒng)單分區(qū)環(huán)形隊列順序寫入的存儲管理方式(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)不能適應新的需求,。若存在兩種不同速率的有效載荷同時產生數(shù)據(jù)：高速設備產生的數(shù)據(jù)存儲滿存儲空間尾部后，環(huán)形隊列順序寫入的存儲方式將擦除首部空間,；低速設備所存儲的數(shù)據(jù)很少,，并且由于回放數(shù)據(jù)優(yōu)先級的原因，存在低速設備的數(shù)據(jù)未及時回放,，卻被擦除以得到高速設備存儲新數(shù)據(jù)所需要的未使用塊,。

    因此，傳統(tǒng)的環(huán)形隊列順序寫入的存儲管理方式,，不能適用于多載荷,。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,，每一個有效載荷分一個文件的方式進行鏈式存儲管理,。

2 傳統(tǒng)壞塊管理

2.1 壞塊替換

    存儲器初始化時，讀取相應的塊狀態(tài)信息,，構建壞塊表,。數(shù)據(jù)存儲時，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塊中的有效數(shù)據(jù)復制到新的替代塊中，以增加額外的存儲時間開銷來保證數(shù)據(jù)存儲的正確性,。若在存儲塊的尾部出錯,，那么將復制出錯塊近一塊的數(shù)據(jù)到替代塊中，這大大降低了存儲的速率,。在整個存儲過程中,，由于出錯塊出錯所在的頁數(shù)不同，將會出現(xiàn)存儲速率抖動,。星載高速存儲器不允許存儲速率的抖動,，否則將可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)的丟失。

2.2 動態(tài)壞塊管理

    動態(tài)壞塊管理^{[2,，4-5,，13]}將存儲空間分為4個區(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,，采用動態(tài)方式標記壞塊，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,，需將整個存儲塊的數(shù)據(jù)讀到存儲控制器,，對其數(shù)據(jù)進行修改，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)進行修改,。同時,，存儲器采用四級流水存儲技術,，并對不同的有效載荷分文件進行鏈式存儲。因此,，動態(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,，獨立運行的異步壞塊管理進程將這些請求緩沖到隊列，并直接向文件系統(tǒng)返回請求執(zhí)行成功狀態(tài),。異步壞塊管理進程在響應寫請求時,，將其他讀、寫,、擦除請求阻塞,，直到此次寫請求完成為止。當執(zhí)行寫請求出現(xiàn)壞塊時,，異步壞塊管理進程將復制已寫入壞塊的數(shù)據(jù)到替代塊中,，并將請求緩沖隊列中相應寫請求的數(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運行內存資源消耗,；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。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)信息存儲在每個塊的空余區(qū),，當系統(tǒng)第一次啟動時，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運行內存,，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)正常運行過程中，存儲塊狀態(tài)發(fā)生改變,，F(xiàn)GPA修改相應塊空余區(qū),，并實時維護MRAM中的IBAT表。這樣的存儲機制,，能夠保證大容量存儲管理系統(tǒng)快速可靠的啟動,。系統(tǒng)正常斷電，將CPU運行內存中的IBAT寫回MRAM,，系統(tǒng)重啟時,，CPU直接從MRAM快速讀取IBAT即可。當系統(tǒng)異常斷電啟動,，F(xiàn)PGA校驗MRAM中的數(shù)據(jù),，若校驗成功，CPU直接從MRAM中快速讀取IBAT表即可,；若校驗失敗,，系統(tǒng)的啟動過程和第一次啟動過程一樣。 因此,，系統(tǒng)只是第一次啟動和系統(tǒng)異常斷電校驗失敗時的啟動時間較長,。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)本文件內塊計數(shù),，表示該文件已經寫入的塊數(shù),。(5)本文件下一流水級指針，即下一流水級的塊序號,。

3.2 文件化組織結構

    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,，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行存儲，將未使用塊根據(jù)四個流水級分為四個文件進行管理,，以及無效塊作為一個文件進行管理,。

    存儲器系統(tǒng)第一次啟動，F(xiàn)PGA從塊的空余區(qū)掃描塊狀態(tài)組織成OBAT結構存放于MRAM中,，CPU從MRAM讀取OBAT到內存的一塊連續(xù)存儲空間,，并由OBAT組建成IBAT，也是一個文件化的過程,。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)針對各個有效載荷文件,，根據(jù)OBAT中的本文件內塊計數(shù)按照從小到大進行排序；(3)各有效載荷文件根據(jù)排序結果,，將OBAT中的塊計數(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，得到文件化鏈式存儲結構(如圖3所示)后,，原存放OBAT的連續(xù)內存空間大小不改變,，相應塊狀態(tài)信息物理位置及序號不變，只是在內存中增加了相應文件的頭信息(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向未使用塊中寫入數(shù)據(jù)，二者協(xié)同配合,，共同實現(xiàn)對有效載荷數(shù)據(jù)高速有效穩(wěn)定的存儲,。FPGA內部為每個有效載荷文件創(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)啟動初始化，CPU為相應文件分配四個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緩沖空間,，并開始對A塊寫入數(shù)據(jù),。如表4所示。

    (3)當FGPA再次向CPU正常申請第0水級流未使用塊時,，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,，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,，并告知出錯塊的有效尾頁地址,。CPU收到申請后，首先設置塊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)當后續(xù)正常申請時,，與步驟(2)和(3)的操作相同,。

    當出現(xiàn)出錯塊時，保持出錯塊中已寫入數(shù)據(jù)不變,，從出錯塊的出錯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，保持一定的速率寫入數(shù)據(jù),。對于任何一個流水級的塊出錯,，都能夠得到快速高效的響應。星載存儲器采用與寫入數(shù)據(jù)時相對應的算法,，對存儲塊中的數(shù)據(jù)進行回放,。

4 結論

    傳統(tǒng)壞塊管理方法是將已寫入的數(shù)據(jù)復制到緩沖空間中，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；只針對單流水級存儲塊實施壞塊管理,。

    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,，能夠同時對多個有效載荷產生的數(shù)據(jù)分文件進行管理。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，保證了星載高速大容量存儲器高效穩(wěn)定運行,。此方案已在某型號任務中得到驗證和應用,。

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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.中國科學院國家空間科學中心，北京100190,；2.中國科學院大學,，北京100190）