0 引言

    星載高速大容量存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器的理想存儲(chǔ)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(cè)糾正(Error Correcting Code,，ECC)技術(shù)對(duì)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(huì)不斷增多,。壞塊的產(chǎn)生將影響存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)速率和存儲(chǔ)信息數(shù)據(jù)的正確性、完整性,，甚至決定航天探測(cè)任務(wù)的成敗,。因此，高效,、可靠的壞塊管理對(duì)星載高速大容量存儲(chǔ)器具有重大意義,。

1 星載存儲(chǔ)器背景

    隨著空間探測(cè)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(chǔ)速率同樣需要提高,，然而NAND Flash固有寫(xiě)操作特性降低了有效吞吐率。Flash寫(xiě)入數(shù)據(jù)分為兩個(gè)過(guò)程,，首先將命令,、地址及數(shù)據(jù)以字節(jié)方式寫(xiě)入芯片內(nèi)部緩存(即“加載”過(guò)程)；其次芯片需要一個(gè)內(nèi)部編程過(guò)程,，才可確定編程是否成功^[11-12],。編程過(guò)程中，芯片不響應(yīng)外部命令,。星載高速大容量存儲(chǔ)器針對(duì)Flash寫(xiě)操作特點(diǎn),，采用四級(jí)流水^[9，11]存儲(chǔ)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(chǔ)區(qū)全速無(wú)間斷數(shù)據(jù)寫(xiě)入。圖1為四級(jí)流水線寫(xiě)操作過(guò)程,。

    空間探測(cè)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?chǔ)管理方式(從前往后存儲(chǔ),，待至存儲(chǔ)空間尾部,，擦除存儲(chǔ)空間首部已寫(xiě)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(chǔ)空間首部繼續(xù)存儲(chǔ))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(chǔ)滿存儲(chǔ)空間尾部后,，環(huán)形隊(duì)列順序?qū)懭氲拇鎯?chǔ)方式將擦除首部空間,；低速設(shè)備所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)很少,，并且由于回放數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)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(chǔ)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?chǔ)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(chǔ)器，采用的是四級(jí)流水存儲(chǔ)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?chǔ)管理,。

2 傳統(tǒng)壞塊管理

2.1 壞塊替換

    存儲(chǔ)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(chǔ)時(shí)，根據(jù)壞塊表中信息,，跳過(guò)已有的壞塊,。若在存儲(chǔ)塊中寫(xiě)入數(shù)據(jù)的過(guò)程中第n頁(yè)失敗則獲得一塊未使用塊，替換正在寫(xiě)入塊,，并將失敗塊的前n-1頁(yè)復(fù)制到有效未使用塊,，并將第n頁(yè)及之后的數(shù)據(jù)寫(xiě)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(chǔ)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(chǔ)時(shí)間開(kāi)銷來(lái)保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的正確性,。若在存儲(chǔ)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(chǔ)的速率,。在整個(gè)存儲(chǔ)過(guò)程中，由于出錯(cuò)塊出錯(cuò)所在的頁(yè)數(shù)不同,，將會(huì)出現(xiàn)存儲(chǔ)速率抖動(dòng),。星載高速存儲(chǔ)器不允許存儲(chǔ)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(chǔ)空間分為4個(gè)區(qū)：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)器使用過(guò)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(duì)壞塊進(jìn)行替換,，并更新邏輯-物理塊地址映射表。若對(duì)已寫(xiě)入數(shù)據(jù)塊修改,，需將整個(gè)存儲(chǔ)塊的數(shù)據(jù)讀到存儲(chǔ)控制器,，對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，然后將修改后的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到交換塊區(qū)的存儲(chǔ)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(duì)已寫(xiě)入數(shù)據(jù)的修改方式,，比直接在原存儲(chǔ)塊中寫(xiě)入速率高,。星載高速大容量存儲(chǔ)器只對(duì)有效載荷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改,。同時(shí),，存儲(chǔ)器采用四級(jí)流水存儲(chǔ)技術(shù)，并對(duì)不同的有效載荷分文件進(jìn)行鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ),。因此,，動(dòng)態(tài)壞塊管理的方法不適合星載高速大容量存儲(chǔ)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(xiě),、擦除等請(qǐng)求的壞塊管理緩沖層。文件系統(tǒng)發(fā)出讀,、寫(xiě),、擦除等請(qǐng)求，獨(dú)立運(yùn)行的異步壞塊管理進(jìn)程將這些請(qǐng)求緩沖到隊(duì)列,，并直接向文件系統(tǒng)返回請(qǐng)求執(zhí)行成功狀態(tài),。異步壞塊管理進(jìn)程在響應(yīng)寫(xiě)請(qǐng)求時(shí)，將其他讀,、寫(xiě),、擦除請(qǐng)求阻塞，直到此次寫(xiě)請(qǐng)求完成為止,。當(dāng)執(zhí)行寫(xiě)請(qǐng)求出現(xiàn)壞塊時(shí),，異步壞塊管理進(jìn)程將復(fù)制已寫(xiě)入壞塊的數(shù)據(jù)到替代塊中，并將請(qǐng)求緩沖隊(duì)列中相應(yīng)寫(xiě)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)寫(xiě)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(xiě),、擦除三種類型的請(qǐng)求,，這將降低星載存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理性能,；寫(xiě)入數(shù)據(jù)出現(xiàn)壞塊，讀取已寫(xiě)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)

    星載高速大容量存儲(chǔ)器，F(xiàn)PGA和CPU協(xié)調(diào)配合共同控制管理數(shù)據(jù)存儲(chǔ),。存儲(chǔ)器塊狀態(tài)信息存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)到掉電非易失型存儲(chǔ)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(xiě)回MRAM。系統(tǒng)正常運(yùn)行過(guò)程中,，存儲(chǔ)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(chǔ)機(jī)制,，能夠保證大容量存儲(chǔ)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(xiě)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(guò)程和第一次啟動(dòng)過(guò)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(zhǎng)。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(xiě)入塊,、正常替代塊,、正常失敗塊,、替代失敗塊,、未使用塊和無(wú)效塊,。(2)塊尾頁(yè)地址，表示塊的正常寫(xiě)入頁(yè)地址,。(3)文件號(hào),，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(xiě)入的塊數(shù),。(5)本文件下一流水級(jí)指針，即下一流水級(jí)的塊序號(hào),。

3.2 文件化組織結(jié)構(gòu)

    星載高速大容量存儲(chǔ)器,，為解決低速寫(xiě)入單塊速率的限制，采用四級(jí)流水并行寫(xiě)入的方式,，以提高系統(tǒng)的存儲(chǔ)速率,。同時(shí)，為了對(duì)多有效載荷的管理,，存儲(chǔ)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(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ),，將未使用塊根據(jù)四個(gè)流水級(jí)分為四個(gè)文件進(jìn)行管理,，以及無(wú)效塊作為一個(gè)文件進(jìn)行管理。

    存儲(chǔ)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(chǔ)空間，并由OBAT組建成IBAT,，也是一個(gè)文件化的過(guò)程,。其OBAT變?yōu)镮BAT，文件化的過(guò)程為：(1)根據(jù)塊狀態(tài),、流水級(jí)和文件號(hào)分為不同的塊組,；(2)針對(duì)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(chǔ)位置修改為指向下一流水級(jí)的指針，即塊序號(hào),。分流水級(jí)的未使用塊和無(wú)效塊無(wú)需排序,，直接將其修改為后續(xù)的塊序號(hào)。

    OBAT組建成IBAT,，得到文件化鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(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(hào)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(hào)指針等)。分流水級(jí)的未使用塊文件中指針指向本流水級(jí)塊序號(hào),，無(wú)效塊文件中指針不分流水級(jí),，直接指向無(wú)效塊序號(hào)。

3.3 文件化壞塊替換

    星載高速大容量存儲(chǔ)器,，CPU向FPGA提供有效的未使用塊,，F(xiàn)PGA采用四級(jí)流水存儲(chǔ)技術(shù)向未使用塊中寫(xiě)入數(shù)據(jù)，二者協(xié)同配合,，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)有效載荷數(shù)據(jù)高速有效穩(wěn)定的存儲(chǔ),。FPGA內(nèi)部為每個(gè)有效載荷文件創(chuàng)建四級(jí)流水乒乓緩沖塊空間，即存放8個(gè)塊序號(hào),。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(xiě)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(jí)的未使用塊序號(hào)ABCD,，并發(fā)送給FPGA。如表3所示,。

    (2)FPGA將ABCD移入正在寫(xiě)入塊緩沖空間,，并向CPU申請(qǐng)第0流水級(jí)的未使用塊。CPU收到FPGA的申請(qǐng)后,，首先將ABCD添加到文件鏈表,，其次將ABCD移入正在寫(xiě)入塊緩沖，最后分別從四個(gè)流水級(jí)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(kāi)始對(duì)A塊寫(xiě)入數(shù)據(jù)。如表4所示,。

    (3)當(dāng)FGPA再次向CPU正常申請(qǐng)第0水級(jí)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(jí)塊F寫(xiě)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(xiě)入塊緩沖,。FGPA向CPU申請(qǐng)?zhí)娲鷫K,，并告知出錯(cuò)塊的有效尾頁(yè)地址。CPU收到申請(qǐng)后，首先設(shè)置塊F正常失敗狀態(tài)和有效尾頁(yè)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(jí)未使用塊文件中快速申請(qǐng)塊M,，如表6所示。

    (5)當(dāng)后續(xù)正常申請(qǐng)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(xiě)入數(shù)據(jù)不變,，從出錯(cuò)塊的出錯(cuò)頁(yè)地址開(kāi)始向替代塊中寫(xiě)入數(shù)據(jù)，避免了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過(guò)程中的數(shù)據(jù)抖動(dòng),，保持一定的速率寫(xiě)入數(shù)據(jù),。對(duì)于任何一個(gè)流水級(jí)的塊出錯(cuò)，都能夠得到快速高效的響應(yīng),。星載存儲(chǔ)器采用與寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)相對(duì)應(yīng)的算法,，對(duì)存儲(chǔ)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(xiě)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(xiě)入壞塊數(shù)據(jù)重新寫(xiě)入未使用塊的方式，造成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速率抖動(dòng),；只針對(duì)單流水級(jí)存儲(chǔ)塊實(shí)施壞塊管理,。

    文件化壞塊管理采用四倍于單塊寫(xiě)入速率的四級(jí)流水存儲(chǔ)技術(shù)，能夠同時(shí)對(duì)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(xiě)入數(shù)據(jù)的壞塊保留在有效載荷文件存儲(chǔ)塊鏈表中,，從相應(yīng)流水級(jí)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(chǔ)速率抖動(dòng),，保證了星載高速大容量存儲(chǔ)器高效穩(wěn)定運(yùn)行,。此方案已在某型號(hào)任務(wù)中得到驗(yàn)證和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐永剛,，任國(guó)強(qiáng),，吳欽章，等.NAND Flash圖像記錄系統(tǒng)壞塊管理關(guān)鍵技術(shù)[J].紅外與激光工程,，2012,，41(4)：1101-1106.

[2] 喬立巖，張鵬,，魏德寶,，等.一種新型NAND Flash壞塊管理算法的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2015，38(11)：37-41.

[3] ASHRAF M N,，DASTUR J.Software based nand flash management techniques[C].2009 International Conference on Computing, Engineering and Information,，2009：168-171.

[4] 張小萌.NAND Flash存儲(chǔ)管理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2014.

[5] 張鵬.NAND Flash壞塊管理算法研究與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),，2015.

[6] MAHESH S,SAUGATA D P.Asynchronous bad block management in nand flash memory[P/OL]：United States,，US 2013/0205072 A1.(2013-8-8)[2017-4-5].http：//kns.cnki.net/kns/detail/detail.aspx?FileName=US9483395(B2)&DbName=SOPD2016.

[7] PELEATO B，TABRIZI H,，AGARWAL R,，et al.Ber-based wear leveling and bad block management for nand flash[C].2015 IEEE International Conference on Communications(icc)，2015：295-300.

[8] MA Y,，DU H,，YANG S.Independent bad block management for mass storage flash memory arrays[C].2015 6th IEEE International Conference on Software Engineering and Service Science(icsess)，2015：388-391.

[9] 趙亞慧,，金龍旭,，陶宏江，等.基于NAND Flash的高速大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電光與控制,，2016,，23(5)：71-75，79.

[10] SUPRIYA K P.Study of bad block management and wear leveling in nand flash memories[J].International Journal of Research in Engineering and Technology,，2013,，2(10)：284-288.

[11] 閆夢(mèng)婷，安軍社,江源源.實(shí)現(xiàn)流水存儲(chǔ)及壞塊處理的Flash控制器設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,，2016,，24(16)：50-53.

[12] Samsungelectronics.1Gx8bit-2Gx8bit Nand flash memory_K9F8G08UXM[EB/OL].Samsung Corporation.2006-9-26(2007-3-31)[2017-4-6].https：//wenku.baidu.com/view/96a00d00bed5b9f3f90f1cbe.html.

[13] 邢旺，郁聰沖.數(shù)據(jù)記錄器中NAND Flash的壞塊管理方法[J].艦船電子工程,，2016,，36(8)：132-134，160.

[14] 舒文麗,，吳云峰,，趙啟義，等.NAND Flash存儲(chǔ)的壞塊管理方法[J].電子器件,，2011,，34(5)：580-583.

[15] 寧飛.大容量存儲(chǔ)中NAND Flash壞塊的管理方法[J].電子測(cè)試，2010,，38(12)：64-68.

[16] 湯瑞.一種基于NAND Flash固態(tài)硬盤(pán)的壞塊管理方法[J].電子科技,，2014，27(8)：40-42.

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