0 引言

    星載高速大容量存儲器是衛星及其他航天器進行信息獲取、信息處理及信息傳輸的關鍵設備之一。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、極高低溫環境下，極易出現位翻轉錯誤^[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據的正確性^[6-8]。然而，NAND Flash受制造工藝限制，出廠時存在一定數量隨機分布的壞塊^[5，9-10]，并且隨著時間的推移，Flash達到擦除極限，壞塊數量將會不斷增多。壞塊的產生將影響存儲器的存儲速率和存儲信息數據的正確性、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展，有效載荷產生的數據帶寬急劇增大，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寫入數據分為兩個過程，首先將命令、地址及數據以字節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，實現存儲區全速無間斷數據寫入。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據量參差不齊。傳統單分區環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，使其變為未使用塊，以便尾部空間存滿后，再次從存儲空間首部繼續存儲)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據：高速設備產生的數據存儲滿存儲空間尾部后，環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據很少，并且由于回放數據優先級的原因，存在低速設備的數據未及時回放，卻被擦除以得到高速設備存儲新數據所需要的未使用塊。

    因此，傳統的環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，讀取相應的塊狀態信息，構建壞塊表。數據存儲時，根據壞塊表中信息，跳過已有的壞塊。若在存儲塊中寫入數據的過程中第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頁及之后的數據寫入新塊^{[7，10，12-15]}。如圖2所示。

    傳統的壞塊替換方法是將存儲出錯塊中的有效數據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據存儲的正確性。若在存儲塊的尾部出錯，那么將復制出錯塊近一塊的數據到替代塊中，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不同，將會出現存儲速率抖動。星載高速存儲器不允許存儲速率的抖動，否則將可能出現數據的丟失。

2.2 動態壞塊管理

    動態壞塊管理^{[2，4-5，13]}將存儲空間分為4個區：數據存儲區、交換塊區、替換(保留)塊區^[10，15-16]和壞塊區。其思想是在存儲器使用過程中出現壞塊，采用動態方式標記壞塊，將壞塊加入壞塊映射區，從替換(保留)塊區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。若對已寫入數據塊修改，需將整個存儲塊的數據讀到存儲控制器，對其數據進行修改，然后將修改后的數據寫入到交換塊區的存儲塊，最后更新邏輯-物理塊地址映射表^[10，13]。

    動態壞塊管理對已寫入數據的修改方式，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據存儲，不對數據進行修改。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實現讀、寫、擦除等請求的壞塊管理緩沖層。文件系統發出讀、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，并直接向文件系統返回請求執行成功狀態。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。當執行寫請求出現壞塊時，異步壞塊管理進程將復制已寫入壞塊的數據到替代塊中，并將請求緩沖隊列中相應寫請求的數據寫入到未使用塊，從而保證數據的完整性和正確性。

    異步壞塊管理中不能同時執行讀、寫、擦除三種類型的請求，這將降低星載存儲器的數據存儲管理性能；寫入數據出現壞塊，讀取已寫入壞塊數據將增加星載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的管理算法，星載存儲器不宜采用不成熟的星載文件系統技術。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 塊狀態信息存儲

    星載高速大容量存儲器，FPGA和CPU協調配合共同控制管理數據存儲。存儲器塊狀態信息存儲在每個塊的空余區，當系統第一次啟動時，FPGA掃描存儲器中所有塊空余區，獲取所有塊狀態信息，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。系統正常運行過程中，存儲塊狀態發生改變，FGPA修改相應塊空余區，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快速可靠的啟動。系統正常斷電，將CPU運行內存中的IBAT寫回MRAM，系統重啟時，CPU直接從MRAM快速讀取IBAT即可。當系統異常斷電啟動，FPGA校驗MRAM中的數據，若校驗成功，CPU直接從MRAM中快速讀取IBAT表即可；若校驗失敗，系統的啟動過程和第一次啟動過程一樣。 因此，系統只是第一次啟動和系統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，表示該文件已經寫入的塊數。(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，以提高系統的存儲速率。同時，為了對多有效載荷的管理，存儲系統采用文件化的管理方式。所謂文件化管理，即根據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。

    存儲器系統第一次啟動，FPGA從塊的空余區掃描塊狀態組織成OBAT結構存放于MRAM中，CPU從MRAM讀取OBAT到內存的一塊連續存儲空間，并由OBAT組建成IBAT，也是一個文件化的過程。其OBAT變為IBAT，文件化的過程為：(1)根據塊狀態、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OBAT中的本文件內塊計數按照從小到大進行排序；(3)各有效載荷文件根據排序結果，將OBAT中的塊計數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的連續內存空間大小不改變，相應塊狀態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，FPGA采用四級流水存儲技術向未使用塊中寫入數據，二者協同配合，共同實現對有效載荷數據高速有效穩定的存儲。FPGA內部為每個有效載荷文件創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，創建同樣類似的緩沖塊空間。以某一有效載荷向Flash中寫入數據為例：

    (1)系統啟動初始化，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塊寫入數據。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，FGPA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申請替代塊，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)當后續正常申請時，與步驟(2)和(3)的操作相同。

    當出現出錯塊時，保持出錯塊中已寫入數據不變，從出錯塊的出錯頁地址開始向替代塊中寫入數據，避免了數據存儲過程中的數據抖動，保持一定的速率寫入數據。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據時相對應的算法，對存儲塊中的數據進行回放。

4 結論

    傳統壞塊管理方法是將已寫入的數據復制到緩沖空間中，增大了緩沖空間資源占用；將已寫入壞塊數據重新寫入未使用塊的方式，造成數據存儲速率抖動；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據分文件進行管理。文件化壞塊管理將已寫入數據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，避免了數據存儲速率抖動，保證了星載高速大容量存儲器高效穩定運行。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）