基于闪存的星载大容量存储器的研究与实现
基于闪存的星载大容量存储器的研究与实现 基于闪存的星载大容量存储器的研究和实现 摘要：就闪存应用于星载大容量存储器时的写入速度慢、存在无效块 等关键问题探讨了可行性解决方案，并在方案讨论的基础上论述了一个基于闪存 的大容量存储器的演示样机的实现。关键词：闪速存储器 固态记录器 并行 流水线 无效块 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９ ０年代初起，各航天大国开始研制固态记录器（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｒｅｃ ｏｒｄｅｒ，简称ＳＳＲ）。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ＳＳＲ ２ ，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 １．１ 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２００μｓ ４ ，平均每写一个字节约需４００ｎｓ，即约２０ Ｍｂ／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。
１．１．１ 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。
１．１．２ 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。Ｋ９Ｋ１Ｇ０８ Ｕ０Ｍ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；
如果正确，继续下 一步的操作。写流水原理图如图１所示。由图１可以看到，流水线运行起来后， 在任一时间片上总有若干小操作在同时进行，即在时间片上实现了复用，因此从 整体上看速度将会提高。
１．２ 无效块的管理 三星闪存芯片在使用过程中会出现无效块。无效块是指一个块中存在 一个或多个无效位，其可靠性不能得到保证，必须加以标识和旁路（当然无效块 不会影响到其它块的有效性） ４ 并进行数据备份。为了对无效块实现管理， 可以建立一张无效块到冗余区有效块的映射表。映射表结构如图２所示。映射原 理如下：
开始是一张初始无效块映射表，这张表可以根据三星公司技术手册给 出的算法建立起来。按照图示的映射数据结构对整个存储区进行编号，并根据这个编号对映射表进行排序。进行写操作时，按照上述的映射结构将写地址与映射 表进行比较，比较到块级即可。如果是无效块，将待写入的数据写到被映射到的 块；
如果不是，则直接写入该块。如果在写某块的某页时出现编程错误，则将该 块添加进无效块映射表（当编程出错时就表明出错页对应的块无效），同时从该 出错页开始，将该块后面的页数据都写入到对应的映射块。这样，在数据读出时， 可将读地址与映射表比较，并且需要比较到页级以确定每一页的确切存放位置。
如果该页编程正确，则直接读出；
如果错误，则到被映射的块的对应页读数据， 并且该页之后的页也从被映射块中读数据。根据三星的技术资料，对无效块进行 读操作是允许的，即对于编程出错页前面的那些编程正确的页是可以正确读出的， 而对无效块进行编程和擦除的操作是不推荐的，因为有时这些操作会使邻近的块 也失效 ４ 。所以读操作要查找到每一页的对应存放位置，而写操作只要查找 到块就行。查找时采用二分查找算法。擦除完后，将擦除出错的块也添加进无效 块映射表。无效块映射表需要不断维护和更新。
２ 闪存构成星载大容量存储器的系统实现方案 ２．１ 系统的组成 该实现方案将上述关键问题的解决方法融合进来，系统由存储区模块、 接口模块、数据缓冲模块及主控模块四部分组成，系统原理图如图３所示。
２．１．１ 存储区模块 为了实现并行和流水技术，整个存储区模块按如下方式构成：由４片 Ｋ９Ｋ１Ｇ０８Ｕ０Ｍ型三星闪存芯片组成一个子模块，８个子模块组成８级流 水的大模块，而这个大模块即是整个存储区，其总容量为３２Ｇｂｉｔ。无效块 备份的冗余区可以设在每个子模块内部，即从子模块的每块芯片中预留出一部分 空间。这种模块化管理的方式既便于系统扩展，又可以在不影响系统正常工作的 情况下旁路已损坏的存储块。