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《中国科学院国家空间科学中心》 2017年
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面向星载一体化综合电子系统的固态存储技术研究

许志宏  
【摘要】:星载固态存储系统作为卫星综合电子系统的关键组成部分,完成对卫星数据处理和数据记录等功能。随着卫星任务向着复杂化和多样化发展,面临以下两方面问题:一方面,现有星载固态存储系统方案设计高度定制化,灵活性差,缺乏可扩展性和可配置性,并且未实现即插即用设计;另一方面由于西方国家严格限制高性能的宇航级和军品级电子元器件对我国的出口,核心、高端和基础元器件国产化水平低,自主研发的进程较慢,致使国内星载固态存储系统整体性能偏低。在此背景下,以现有基于FPGA平台的固态存储控制技术为出发点,针对固态存储技术在一体化综合电子系统中的应用,在通用化、集成化和高可靠性等方面完成以下研究工作:首先,提出了星载固态存储控制器ASIC的设计方案。能够完成对高速、多路并行和大数据量的航天器载荷数据的合路接收、对大容量NAND Flash存储介质的高效控制以及按照CCSDS AOS协议对数据进行复接传输功能。为提高数据传输效率,在虚拟信道调度机制上采用基于紧张度的改进型轮询仲裁机制和多通道高速缓存技术。为具备可扩展性和通用性,采用星上通用1553B总线和SpaceWire总线接口。在系统级应用中,以ASIC为控制核心,实现存储板的标准化和即插即用功能,并在未来星载存储系统中完成对FPGA器件的替代。其次,以下一代抗辐照龙芯处理器SoC升级移植和拓展NAND Flash存储介质应用为目标,提出了基于NAND Flash的固态存储控制器IP核设计。在完成常规数据存储功能的同时,具备对SRAM型FPGA刷新和重加载控制的功能。通过对存储介质接口的时序转换,星载计算机能够对存储介质内全部空间进行读写访问,完成卫星在轨更新FPGA配置文件的功能,并在星载电子系统中实现了NAND Flash对NOR Flash和E2PROM的替代。最后,由于空间环境中单粒子翻转效应(Single Event Upset,SEU),以及存储器芯片在操作过程中因阈值电压偏移导致位比特错误等原因,使得存储数据的可靠性降低。为提高数据存储系统的数据容错性,依据NAND型Flash芯片物理结构和数据存储结构,针对性的提出一种RS(256,252)码+LDPC(8192,7154)码级联的纠检错(Error Detection And Correction,EDAC)并行编码设计,并优化编码算法的电路实现,在有限的硬件资源开销下,提高了整个存储系统的数据可靠性。
【关键词】:星载固态存储器 NAND Flash ASIC 高速并行缓存 即插即用 SoC FPGA刷新与重加载 RS码、LDPC码、级联编码
【学位授予单位】:中国科学院国家空间科学中心
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:V443;TP333
【目录】:
  • 致谢5-7
  • 摘要7-9
  • ABSTRACT9-20
  • 第1章 绪论20-46
  • 1.1 研究背景20-22
  • 1.2 国内外技术发展状况22-41
  • 1.2.1 航天微电子技术发展状况22-33
  • 1.2.1.1 国外航天微电子发展现状及特点22-28
  • 1.2.1.2 国内航天微电子发展现状及特点28-31
  • 1.2.1.3 发展趋势与对策31-33
  • 1.2.2 星载固态存储控制系统发展状况33-41
  • 1.2.2.1 固态存储介质的发展33-34
  • 1.2.2.2 国外星载固态存储控制系统发展现状34-37
  • 1.2.2.3 国内星载固态存储控制系统发展现状37-40
  • 1.2.2.4 国内外星载固态存储控制系统技术差距40-41
  • 1.3 论文研究内容41-42
  • 1.4 论文创新工作42-43
  • 1.5 论文结构43-46
  • 第2章 星载固态存储系统结构46-68
  • 2.1 星载一体化综合电子系统46-48
  • 2.2 星载固态存储系统架构48-49
  • 2.3 存储系统的器件选型和工作原理49-59
  • 2.3.1 NAND Flash芯片的结构49-51
  • 2.3.2 NAND Flash芯片工作原理51-54
  • 2.3.3 DDR2 SDRAM高速缓存芯片的结构54-56
  • 2.3.4 DDR2 SDRAM的工作流程和工作原理56-59
  • 2.4 基于嵌入式操作系统的存储管理软件技术59-66
  • 2.4.1 存储管理系统的安全性61-62
  • 2.4.2 存储管理系统的均匀磨损控制62-63
  • 2.4.3 存储介质坏块管理63-65
  • 2.4.4 中断管理65-66
  • 2.5 本章小结66-68
  • 第3章 基于ASIC技术的高速大容量存储控制器设计68-110
  • 3.1 可复用存储系统概述及特点68-70
  • 3.2 高速大容量信息处理ASIC总体设计70-71
  • 3.3 高速大容量信息处理ASIC模块设计71-93
  • 3.3.1 数据输入接口71-72
  • 3.3.2 数据合路模块72-76
  • 3.3.2.1 数据合路模块电路结构及工作原理72-74
  • 3.3.2.2 数据信道调度机制74-76
  • 3.3.3 高速数据缓存控制模块76-81
  • 3.3.3.1 寄存器控制模块77-78
  • 3.3.3.2 缓存控制模块78-79
  • 3.3.3.3 DDR2 SDRAM接口模块79
  • 3.3.3.4 多通道数据缓存策略79-81
  • 3.3.4 1553B总线接口控制模块81-83
  • 3.3.5 SpaceWire数据总线接口模块83-85
  • 3.3.6 CCSDS AOS数据复接模块85-87
  • 3.3.7 存储控制模块87-93
  • 3.3.7.1 初始化机制89-90
  • 3.3.7.2 BAT组织和维护90-91
  • 3.3.7.3 数据存储91-92
  • 3.3.7.4 数据回放92-93
  • 3.3.7.5 数据擦除93
  • 3.4 功能验证和测试93-108
  • 3.4.1 功能仿真与验证平台93-97
  • 3.4.2 功能仿真与验证结果97-104
  • 3.4.2.1 数据接口仿真97-98
  • 3.4.2.2 高速缓存仿真98-99
  • 3.4.2.3 数据合路仿真99
  • 3.4.2.4 数据复接仿真99-100
  • 3.4.2.5 数据存储仿真100-103
  • 3.4.2.6 1553B总线接口仿真103-104
  • 3.4.3 系统级硬件平台测试104-108
  • 3.5 本章小结108-110
  • 第4章 基于SOC的固态存储控制器IP核设计110-142
  • 4.1 抗辐照信息处理SOC体系结构概述110-111
  • 4.2 固态存储控制器IP总体设计方案111-114
  • 4.2.1 IP核硬件电路结构111-113
  • 4.2.2 IP核系统工作状态113-114
  • 4.3 IP核系统设计114-135
  • 4.3.1 刷新与重加载控制模块的设计115-125
  • 4.3.1.1 航天用主流FPGA类型及结构116-118
  • 4.3.1.2 SRAM型FPGA的空间单粒子效应118-120
  • 4.3.1.3 SRAM型FPGA的配置技术120-122
  • 4.3.1.4 SRAM型FPGA的Scrubbing原理122
  • 4.3.1.5 刷新与重加载控制主要功能模块实现122-125
  • 4.3.2 APB总线控制接口模块的设计125-128
  • 4.3.2.1 AMBA APB总线协议125-126
  • 4.3.2.2 AMBA APB总线接口模块实现126-128
  • 4.3.3 数据存储与控制模块的设计128-135
  • 4.3.3.1 存储状态控制模块129
  • 4.3.3.2 存储初始化模块129-130
  • 4.3.3.3 存储数据读取模块130-132
  • 4.3.3.4 存储数据写入模块132-134
  • 4.3.3.5 存储数据擦除模块134
  • 4.3.3.6 存储中断控制模块134-135
  • 4.4 IP核设计仿真与验证135-140
  • 4.4.1 测试床的设计与搭建135-136
  • 4.4.2 仿真结果与说明136-140
  • 4.4.2.1 系统上电初始化仿真结果136-137
  • 4.4.2.2 刷新与重加载功能仿真结果137-138
  • 4.4.2.3 APB总线接口仿真结果138
  • 4.4.2.4 存储控制功能仿真结果138-140
  • 4.5 本章小结140-142
  • 第5章 星载固态存储数据可靠性设计142-154
  • 5.1 数据在存储介质内的组织策略142-143
  • 5.2 固态存储介质BIAWGN信道模型143-145
  • 5.3 EDAC模块总体设计145
  • 5.4 RS编码模块(RS_CODER)的设计145-147
  • 5.5 LDPC编码模块(LDPC_CODER)的设计147-149
  • 5.6 系统测试与验证149-151
  • 5.7 本章小结151-154
  • 第6章 总结与展望154-156
  • 6.1 全文总结154
  • 6.2 下一步工作展望154-156
  • 参考文献156-162
  • 攻读学位期间发表的学术论文与科研工作162

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