采用eMMC的高可靠性存储系统设计_洪明森.pdf

敬请登录网站在线投稿（）年第期 采用 的高可靠性存储系统设计洪明森，洪应平，刘欣，张会新（中北大学 电子测试技术国家重点实验室，太原 ；北方自动控制技术研究所）摘要：为了满足航空航天领域遥测系统对数据记录器大容量、高速稳定、抗高过载的需求，设计了一种采用内嵌式多媒体存储卡芯片的高可靠性存储系统。该系统以 为主控芯片，通过千兆以太网接口实时解析数据流，解析后数据进行编帧处理，最后通过 缓存写入 存储单元，存储完成后可进行回读验证数据。系统经过实际工况反复测试验证，未发现丢包和误码状况，为航空航天遥测领域高过载环境下数据高可靠性、高速大容量存储提供了解决方案。关键词：；千兆网；缓存中图分类号：文献标识码：，（，；）：，（），：；引言随着航天和测控技术的不断发展，航天器在研制和弹射飞行试验阶段都需要记录大量相关参数，为航天器的优化改进提供数据保障。航天器在弹射飞行过程中面对着复杂恶劣的工况环境，尤其是高温、高冲击和高过载带来的严峻考验，因此对记录器的性能提出了更高的要求，需要记录器具备高稳定性、高通信带宽、高速大容量、抗高过载等特点。当前，国内外在军工遥测领域使用的存储设备还是以非易 失 性 存 储 介 质 为 主 流 方 案。虽然可实现在线读写和擦除操作，且单板速度和容量较高，但由于其结构工艺等原因，存在接口驱动复杂、兼容性较差、易产生坏块和位翻转等问题，增加成本。国内的某些航天院所和高校在军用存储系统方面做了很多工作，如西安电子科大某团队研制的基于 阵列的弹载数据记录器存储速度达到 ，多板总容量约，误码率在 左右。作为一种新型存储介质，其本质是将 和主控芯片封装在一起，相比于传统记录器所采用的 作为存储模块，避免了复杂的坏块处理和系统管理等问题，且在体积和单片容量以及读写速度方面更加优于 ，其工作在 模式下最高速度可达 ，可以满足抗高过载存储系统高可靠性、高速、大容量和小型化等要求。存储系统介绍存储系统遵从模块化、高集成和高可靠性设计原则，系统整体设计框图如图所示，由 主控模块、电源管理模块、缓存模块、存储单元、千兆以太网接口模块和数据模拟信号源组成。主控模块采用 公司的高性价比 系列芯片 ，具备 的容量缓存数据，内核电压为，在保证高性能的同时功耗更低；千兆以太网接口模块使用 年第期 的 芯片为 公司的 ，与 之间的连接采用 接口；芯片型号为 公司的 ，容量为，能够满足大量数据 快 速 缓 存；芯 片 选 用 三 星 公 司 的 ，容量为 ，满足系统所需大容量存储要求。图存储系统设计框图系统上电运行后，上位机下发指令控制数据模拟信号源发送数据，可根据要求指定发送数据的内容格式，方便判读存储的数据是否正确以及是否存在丢包情况，存储系统启动存储后，可通过 进行实时监控。关键技术设计 以太网数据处理及编帧设计该系统中以太网 芯片选用的是 公司的 ，与 之间通信采用 接口方式，通过千兆以太网接口模块实现对数据的收发控制，主要包括数据收发缓存、地址绑定、数据处理以及编帧处理部分。系统上电后 芯片自动复位，准备接收数据，数据模拟信号源先给存储系统发送 格式数据，系统接收后通过 地址解析协议绑定 地址和 地址，系统完成地址绑定后对数据模拟信号源进行 回复，信号源收到 回复后开始发送 数据，存储系统接收后按照 协议解析，提取有效数据、数据包长度和帧数后进行编帧处理，整体以太网数据处理逻辑如图所示。图以太网数据处理逻辑数据模拟信号源发送的 有效数据总长设计为 字节，帧格式如表所列。数据区为 字节的递增数，便于分析存储后的数据是否有误码乱码；帧计数为字节，便于分析存储后的数据是否有丢包情况；帧尾设计为字节的 。完成 有效数据提取后，为了增强数据传输的可靠性以及便于分析数据正确性，对数据进一步进行编帧处理，增加了隔离码和帧长度，对存储的数据进行判读更加方便科学，具体帧格式如表所列。表信号源数据包帧格式数据区（递增数）帧计数（递增）帧尾 表重新编帧后数据包帧格式数据区（有效数据）隔离码帧计数（递增）帧长度 隔离码 缓存逻辑设计为保证以太网数据高速可靠写入 存储单元，系统引入 芯片作为缓存模块，本系统选用的 模块容量为，满足缓存需求。系统以太网采取 接口，数据位宽为位，解析编帧后利用 同步 将位宽转为 位，使用 核驱动控制 芯片，设置时钟为 ，写入读出位宽均设置为 位，因此通过同步 得到的 位数据需要使用 异步 写入 ，同样 向 控制器写入数据时也通过 异步 过渡，其控制流程如图所示。图数据缓存框图 的整体控制逻辑通过两个 异步 和 来实现，若 和 同时拉高，则 进入正常读写模式，缓存是为了防止数据丢包，因此 的时钟和读写数据位宽要远大于以太网。一旦 敬请登录网站在线投稿（）年第期 半满且 处于正常工作模式即开始读取 中的数据写入 ，有了数据且 没有满，就会向 里面写入数据，这个过程机制能够保证缓存的可靠性，使数据完整被写入 存储单元。访问控制逻辑设计 存储单元的访问控制逻辑设计是系统逻辑控制的核心，包括 模块的初始化设计和工作模式设计。芯 片 内 部 集 成 了 控 制 器 和 存储阵列，其 对 外 接 口 为 标 准 的 接口，外部接口有 根数据总线：包括根时钟线 、根双向命令线、根数据锁存线 和根数据线 。协议定义了种总线速度 模 式，分 别 为 兼 容 模 式、高 速 模 式、高 速 模式、模式和 模式 。为了满足抗高过载和便于安装的要求，本系统采用存储单元外挂的方式，考虑到外挂方式会带来传输线延迟和损耗误差等问题，本系统采用高速 模式进行读写存储，该模式下支持的最高时钟频率为 ，传输带宽最高为 ，在该模式下数据传输存储可靠性高，适合实际工况环境，满足系统整体要求。图 存储工作模式流程图 数据总线的整个传输过程由命令、响应和数据包组成，主控制器通过双向命令线发送命令控制 芯片，收到命令后又会通过 信号线反馈相应的响应，表示命令成功接收并执行 。标准中定义了 个 寄 存 器：、和 ，主控制器通过 信号线发送命令配置相关寄存器即可达到控制 的目的 。在对 芯 片 进 行 读写操作前，首先需要完成芯片的初始化工作，具体流程如图所示。芯片上电后首先发送 命令进行软复位，然后发送相关命令进行器件识别、模式配置和总线测试，配置为 模式，当配置模式完成后发送总线数据进行测试，测试通过即 可 进 入 正 常 传 输 工作。根据 的协议规定，初 始 化 时 使 用 低速时钟进行配置，工作模式确定后时钟频率切换为 ，开始进行高速数据读写。图 初始化流程 主控制器完成 芯片初始化以后即可开始对 存储单元进行擦除、读、写等操作，遥测系统数据记录器根据实际工况要求一般需要在如下种工作模式间切换：正常记录模式、硬启动模式（飞行状态中）、擦除模式和回读模式（飞行结束后用于数据读取），其具体操作流程如图所示。当记录器与地面设备联试时采用记录模式进行检测，当记录器随航天器进入飞行状态后传输模式需配置为硬启动模式。在硬启动模式中 控制 年第期 器首先进入擦除模式保证存储芯片内没有数据，然后进入记录模式根据实际需要记录大概 左右的时间即可结束，记录器完成记录数据后可通过读数设备读取 存储单元里所存储的数据，这时传输模式即配置为回读模式，在记录模式和回读模式中如果写入或读出的数据没有通过 校验，控制器会发送 指令停止当前操作并重新配置相关读写地址和空间，重新完成读写操作直至数据准确无误。存储系统配置在这种工作模式间满足遥测系统实际工况所需记录条件，能保证数据高速可靠的存储与读出，满足系统整体需求。系统测试与分析记录器总体结构如图（）所示，系统最终的 存储主控板卡如图（）所示。单独进行功能调试时可将 小板直接插在 接口上，千兆以太网接口与模拟信号源连接在一起，接收来自信号源的 数据，可直接进行数据存储和回读验证。为了满足系统抗高过载的要求，设计了以炮钢为材料的机械防护结构，包括机械防护外壳和存储芯片保护筒，此时 小板和 存储主控板卡之间采用外挂方式，利用高速电缆进行连接，同时为了提高系统存储数据的可靠性进行了双冗余设计，可保证数据准确无误地被存储。本系统由于考虑到抗高过载防护性能，将 芯片与电路板之间采用外挂式连接，破坏了信号线之间的严格等长，同时增加了线路上的延时时间，增加了高速数据传输的难度，因此需要进行多次试验调整数据写入的速率，在不牺牲太多存储速率的前提下尽可能提高系统的稳定性和可靠性。试验时将系统放置于高低温实验室箱中，环境温度为 左右，数据流速率为 左右，以固定数据量写入 芯片，由内部逻辑中的计数器计数来计算出完全写入所需要的时间，之后将写入的数据读出，通过上位机进行数据拆包解析，由于写入的数据为递增数，因此可方便判读出错误的位数，进而计算出误码率。按照上述方法完成的吞吐率测试，试验结果如表所列，其中当模式配置为 时，平均写入速率为 左右，误码率最小，远远高于 ，符合产品设计指标，其中图所示分别是 实时监控的数据和回读后验证的数据。表 吞吐率测试测试次数写时间计数平均存储写入速率错误位数误码率 图系统最终实物图图数据监测及回读验证敬请登录网站在线投稿（）年第期 结语本文提出的采用 的高可靠性存储系统，满足了航空航天领域遥测系统对数据记录器大容量、高速稳定、抗高过载的需求，创新采用了 存储芯片外挂方式，为了保证数据传输的高可靠性，将 的传输模式配置为 模式，整体平均存储速度高于 ，瞬间存储速度峰值可达 。通过信号源以及上位机对本系统进行了多次反复测试以及模拟实际工况测试，结果表明，本系统对高速以太网数据在保证一定存储速度的同时可以实现高可靠性存储，误码率远远优于 ，系统整体设计合理，满足设计指标以及需求。参考文献孙晓磊，王红亮，陈航 基于 的双 数据记录器设计与实现 电子测量技术，（）：王子懿，沈三民，杨峰，等 基于 的高速大容量存储与传输系统 电子测量技术，（）：李金强基于 的弹载高速多参数采集存储系统设计太原：中北大学，陈佳楠，马永涛，李松，等嵌入式存储器动态故障诊断数据压缩设计电子测量与仪器学报，（）：谭维凤，王淦，窦骄，等 采用 的新型小卫星大容量存储技术研究西北工业大学学报，（）：古月，姜威，刘跃泽，等 基于 的千兆以太网数据记录器设计测控技术，（）：周生奎，陈应兵，白云鹏 基于 的群延迟模拟技术研究与实现 国外电子测量技术，（）：彭宇，姬森展，于希明，等 语义分割网络的 加速计算方法综述仪器仪表学报，（）：孙巍，吕勇，马士全基于 系列的 阵列控制器设计与实现数据采集与处理，（）：胡科基于 的星上 控制器设计与实现武汉：华中科技大学，李菲，辛海华，张会新 基于 的高速固态存储系统设计与实现 电测与仪表，（）：侯天喜 基于 阵列的高速固态存储器的研究与设计 太原：中北大学，丁红晖，马游春，张衡，等 基于高速 阵列的视频存储系统设计仪表技术与传感器，（）：赖佳彬基于 的高速 阵列数据存储系统的设计与实现南京：南京理工大学，宋师军，吴宏斌，王存宝基于 的 路无线数据存储系统设计中北大学学报（自然科学版），（）：姜俊宏基于 阵列的高速大容量存储与传输系统 南京：南京理工大学，洪明森（硕士研究生）、张会新（副教授），主要研究方向为测试计量技术及仪器。通信作者：洪明森，。（责任编辑：薛士然收稿日期：）操作结果都会被上位机 程序的接收模块处理。接收模块为单独的线程，它回读数据位流时，将回读数据位流写入回读文件，以便进行读写文件对比。回读位流后接收模块会自动回读 计算的 ，并与上位机计算的 进行对比。烧写数据位流为单独的线程，它的生命周期是发送位流开始到结束。在发送位流前，它会检测文件类型（编码文件还是二进制编码文件）并进行相应的 计算和发送处理。计算值用于与 计算值对比。上位机 程序操作界面截图如图 所示。图 上位机 操作界面上位机 程序还支持一键自动升级，它实际上是发送模块 支 持 的 各 种 指 令 的 时 序 组 合，对 于 的位流文件，一键自动升级整个过程为 左右，包括寄存器操作、擦除、位流烧写、位流回读校验和热启动。结语在带网口的 应用中，当 主业务逻辑