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星载大容量存储器的研究与实现
空间飞行器的数据记录设备是卫星上的关键设备之一。自20世纪90年代初起,各航天大国开始研制固态记录器。由于SSR使用半导体存储芯片作为存储介质,所以其存储密度高、无转动部件、可靠性高、体积小、重量轻,因而逐渐成为空间飞行器的数据记录器的主流方案。闪速存储器(简称闪存)作为一种新兴的半导体存储器件,以其独有的特点得到了迅猛的发展,其主要特点有:(1)具有非易失性,掉电时数据不丢失,可靠性高;(2)功耗小,不加电的情况下可长期保持数据信息;(3)寿命长,可以在在线工作情况下进行写入和擦除,标准擦写次数可达十万次;(4)密度大、成本低,存储单元由一个晶体管构成,具有很高的容量密度,且价格也在不断降低;(5)适应恶劣的空间环境,具有抗震动、抗冲击、温度适应范围宽等特点。由于闪存的这些特点,使它受到了航天领域研究人员的关注。20世纪90年代中期,Firechild公司就曾为F-16侦察星成功设计了SSR2,使用的主要存储芯片就是闪存;国内的FY-2卫星也曾采用闪存作为该星的固态存储器的存储介质。虽然有这些成功的应用案例,但是闪存也存在一些明显的缺点,如写入速度较慢、使用过程中会出现无效块等。本文将探讨如何解决和突破这些缺点,并依此给出一个具体的系统实现方案。
1 闪存构成星载大容量存储器的关键问题
写入速度问题
目前闪存有多种技术架构,其中以NOR技术和NAND技术为主流技术3。NOR型闪存是随机存取的设备,适用于代码存储;NAND型闪存是线性存取的设备,适用于大容量数据存储4。NAND型闪存有一定的工业标准,具有一些统一的特点,现以三星公司的K9K1G08U0M型芯片为例进行介绍。该芯片容量为1Gbit,由8192个块组成,每块又由32个页组成,一页有(512+16)×8bit,该片的8位I/O总线是命令、地址、数据复用的。读写操作均以页为单位,擦除操作则以块为单位,写入每页的典型时间为200μs4,平均每写一个字节约需400ns,即约20Mb/s。这样的写入(编程)速度对于要求高速的应用场合来讲是难以满足的,因此必须采取一定的技术措施。
并行总线技术
并行总线技术亦称宽带总线技术,即通过拓宽数据总线的带宽实现数据宏观上的并行操作。比如,由四片K9K1G08U0M型闪存芯片组成一个32位宽的闪存子模块,它们共用相同的控制信号,包括片选信号、读写信号、芯片内部地址等。子模块总是被看做一个整体而进行相同的操作,只是数据加载的时候是不同的数据。这样,数据量将是使用单独一块芯片时的4倍,所以理论上速度也将是非并行时的4倍。
流水线技术
借鉴现今高性能计算机中的流水线操作原理,可在时间片上实现微观并行。针对闪存的写入速度慢的问题,可以对其进行流水处理。K9K1G08U0M型闪存的写入操作可分为三个步骤:(1)加载操作,即完成命令、地址和数据的载入工作;(2)自动编程操作,即由闪存芯片自动完成编程操作,将载入到页寄存器的数据写到内部存储单元的;(3)检测操作,即在自动编程结束后检测写入的数据是否正确。如果不正确,需要重新编程;