CN103269361A - 一种用于深空通信的文件传输装置及其设计方法 - Google Patents

Abstract

一种用于深空通信的文件传输装置及其设计方法将国际标准控件传输协议CFDP与高性能固态存储设备相结合，提高深空通信中文件传输的效率和速率，增大深空通信中航天器的数据吞吐量。将CFDP协议嵌入到固态存储设备中，对每个数据操作指令调用CFDP协议建立一个CFDP实体。在固态存储设备中将数据存储区分为若干个虚拟的存储区，建立虚拟存储区与实际存储区之间的映射表，并将映射表保存在非易失存储器中，为每个CFDP实体分配一个虚拟存储区域。CFDP实体间并行工作。一种用于深空通信的文件传输装置，包括CFDP模块、闪存转换层模块、存储模块和高速接口模块。

Description

一种用于深空通信的文件传输装置及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种用于深空通信的文件传输装置及其设计方法，属于深空通信技术领域。

背景技术

近年来，航空航天领域的技术发展迅猛，尤其是深空通信更是各个国家的研究热点。我国的嫦娥登月计划和火星探测计划都在进行或筹备中，因此深空通信领域相关技术的研究有着很广阔的应用前景和实际意义。在现代的深空探测活动中，美国和欧洲各国都在自己的航天系统中应用标准的协议--深空通信协议。深空通信协议是由空间数据系统咨询委员会（CCSDS）制定的协议，国际上很多进行深空通信研究的国家和机构都采用了这个协议。

深空通信中文件的传输和存储也是研究热点。CFDP(CCSDS File DeliveryProtocol)是空间数据咨询委员会(Consultative Committee for Space DataSystem,CCSDS)于2002年提出的新一代空间文件传输协议。CFDP针对长时延、高误码和上下行带宽不对称的空间通信,采用在应用层反馈NAK和错误数据段重传,达到高效可靠传输文件的目的。CFDP已被多个实验室进行实现和最终兼容性测试，将来会广泛的应用于深空通信中。固态存储设备的高可靠性使其特别适合应用在空间任务中，从上世纪90年代初开始，欧美等国的航天器就开始大量使用固态存储设备，如欧洲的“火星快车（Mars Express）”轨道器使用12GB容量的固态存储器，美国的“火星侦察轨道器（Mars Reconnaissance Orbiter）”使用20GB容量的固态存储器。

同时，任何网络协议的处理都需要耗费一定的处理器资源，从目前空间处理器的性能来看（美国最先进的火星着陆探测器“好奇号”使用32位主频133MHZ的PowerPC处理器），运行CFDP协议将占用可观的处理器资源。因此，实现CFDP协议的TOE引擎，并将其与固态存储设备集成，作为空间处理器的协处理器单元不仅可以提高固态存储设备的访问性能，还可以减少空间处理器的负担。这将为未来星际互联网中继节点的实现提供重要的技术支持。

对于CFDP协议和固态存储设备的研究有很多，但是将CFDP嵌入到固态存储设备上并将CFDP协议的优势和固态存储设备的优势进行整合的研究较少，对于将CFDP在固态存储设备上实现的架构的研究也较少。本文的研究目的是在少量增加硬件实现复杂度的情况下提高深空通信中文件传输的效率和速率，充分的发挥CFDP的文件传输优势和固态存储设备的高速率优势。

发明内容

本发明的目的是为提高深空通信链路中数据的传输效率和传输速率，增大深空通信中航天器的数据吞吐量，提出一种用于深空通信的文件传输装置及其设计方法，将国际标准控件传输协议CFDP与高性能固态存储设备相结合，提高深空通信中文件传输的效率和速率。

一种用于深空通信的文件设计方法，其具体步骤如下：

步骤一、将CFDP协议嵌入到固态存储设备中，对每个数据操作指令，调用该固态存储设备中的CFDP协议建立一个CFDP实体。

步骤二、在固态存储设备中将数据存储区分为若干个虚拟的存储区，并建立虚拟存储区与固态存储设备的实际存储区之间的映射表，并将映射表保存在非易失存储器中，同时为每个CFDP实体分配一个虚拟存储区域。如果虚拟存储区域全部用完，则用户的数据操作请求排队等待。当数据操作结束时，释放虚拟存储区域，供新的CFDP实体使用。

步骤三、CFDP实体间并行工作，根据数据操作指令调用相应的CFDP文件命令，并将CFDP文件命令映射为固态存储设备中的文件操作命令。具体映射方法为：对不同CFDP实体的文件操作命令映射为相应的虚拟存储区域的文件操作命令，再用虚拟存储区与实际存储区的映射表将数据操作指令映射到实际存储区，进行相应的操作。

步骤四、将高速接口连接至固态存储设备，用于对外通信，将对固态存储设备进行操作后得到的数据传输至航天器中的主处理器。同时通过高速接口接收主处理器发出的操作指令，调用CFDP协议建立CFDP实体。

所述的一种用于深空通信的文件传输装置，包括CFDP模块、闪存转换层模块、存储模块和高速接口模块。

所述CFDP模块包括CFDP协议模块、CFDP文件命令模块和命令映射模块。CFDP文件命令模块分别和CFDP协议模块和命令映射模块相连接。CFDP协议模块包含CFDP协议，供文件传输过程中根据指令调用生成相应的CFDP实体；CFDP文件命令模块包含多种CFDP文件命令，用来实现CFDP实体执行相应的功能时调用相应的命令；命令映射模块实现CFDP文件命令和闪存转换层模块中文件操作命令的相互转换。

所述闪存转换层模块包括虚拟存储区映射模块、地址映射模块、损耗均衡模块和坏块管理模块。虚拟存储区映射模块、损耗均衡模块和坏块管理模块分别和地址映射模块相连接。虚拟存储区映射模块中包含虚拟存储区映射表，用来实现虚拟存储区的分配和虚拟存储区和实际存储区的映射；地址映射模块用来实现逻辑地址到物理地址的映射；损耗均衡模块管理数据写入过程，实现在存储模块中不同的数据存储区域有相同的写入次数；坏块管理模块对损坏的数据存储区进行标记，避免在损坏的数据存储区进行操作。

所述虚拟存储区映射表包括虚拟存储区与实际存储区的映射和CFDP实体与虚拟存储区的映射。对于存储模块根据其容量的大小分为几个虚拟存储区，将虚拟存储区的编号与实际存储区的物理边界间的映射关系存储在虚拟存储区映射表中，这样就建立了虚拟存储区与实际存储区的映射。当有CFDP实体生成时，为其分配一个虚拟存储区，并将CFDP实体的标识与虚拟存储区编号间的映射关系存储在虚拟存储区映射表中；如果有CFDP实体被删除，则将该CFDP实体的标识与虚拟存储区编号间的映射关系从虚拟存储区映射表中删除，从而释放相应的虚拟存储区，这样就建立了CFDP实体与虚拟存储区的映射关系。

所述存储模块分为多个存储区域，用来存储数据。

所述高速接口模块包括高速接口管理模块和高速缓存模块。高速接口模块和高速缓存模块相连。高速接口管理模块实现对输入输出数据的管理，例如以固定的接口协议传输数据以及决定何时将数据存入高速缓存模块或将数据从高速缓存模块读出；高速缓存模块实现对输入输出数据的缓存。

上述各模块的连接关系为：CFDP模块的CFDP协议模块与高速接口管理模块连接，CFDP模块的命令映射模块和闪存转换层模块的虚拟存储区映射模块相连接，闪存转换层模块的地址映射模块和存储模块相连接。

所述深空文件传输装置的工作过程为：数据通过高速接口模块进入到CFDP模块，CFDP协议模块根据数据中的指令生成CFDP实体，CFDP实体根据数据指令调用CFDP文件命令模块中的文件命令，CFDP文件命令经过命令映射模块转换为闪存转换层固态存储设备中的文件操作命令，而后数据进入闪存转换层模块，先经过虚拟存储区映射模块映射到实际的存储区，然后经过地址映射模块映射到实际存储区的物理地址，数据在进行地址映射时损耗均衡模块和坏块管理模块对映射过程进行管理，使得存储模块中各个存储区域的数据写入次数大体相同，同时避免对损坏的存储区域进行数据操作，数据中的文件操作命令经过闪存转换层模块进入到存储模块进行具体的操作。

有益效果

1．在本发明中将实际的存储区域分为多个虚拟的存储区域，并为每个CFDP协议实体分配指定的虚拟存储区域，从而可以让多个CFDP实体并行的执行数据操作，提高了文件传输的效率和速率。

2.本发明将CFDP协议嵌入到固态存储设备中，在提高了数据操作性能的同时，也可以节省航天飞行器中主处理器的资源。

附图说明

图1是本发明的一种用于深空通信的文件设计方法原理图；

图2是本发明的一种用于深空通信的文件传输装置的组成模块图；

图3是具体实施方式中一种用于深空通信的文件传输装置的多个用户数据操作并行处理的流程图；

图4是具体实施方式中一种用于深空通信的文件传输装置的硬件结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明和详细描述：

图1是深空通信文件传输装置的设计方法原理图。数据和指令输入后由用户发出数据操作，固态存储设备判断是否有空闲的虚拟存储区，如果有，则CFDP协议为该用户操作生成CFDP实体，如果没有则用户的数据操作请求要进行排队等待，直到有空闲的虚拟存储区。对于生成的CFDP实体要分配虚拟存储区，而后CFDP实体调用CFDP文件命令，CFDP实体命令经过命令映射对固态存储系统发出具体的数据操作指令，数据操作指令经过虚拟存储区映射表映射到相应的物理存储区域，数据操作指令经过地址映射对存储区进行数据操作。

图3是本发明提出的一种用于深空通信的文件传输装置中多用户并行处理数据的流程图。用户的多个请求经过CFDP协议的处理会生成多个CFDP实体，这些CFDP协议实体调用CFDP文件命令，而后将CFDP文件命令映射为文件操作命令，而后经过闪存转换层映射到实际的存储区域执行相应的操作。

本实施例中深空通信文件传输装置的硬件结构如图4所示，包括CFDP模块、闪存转换层模块、存储模块和高速接口模块。其中，CFDP模块采用嵌入式编程集成在FPGA中，其内部功能模块包括FPGA和SPI Flash；闪存转换层模块经过编程后存储在SPI Flash中，上电后读取到SRAM中运行，其内部模块包括SPIFlash和SRAM；存储模块包括Flash存储阵列；高速接口模块包括高速接口控制芯片、高速接口和DDR3。从上层发出的指令和数据经过接口传到固态存储系统中，嵌入到固态存储系统中的CFDP协议根据指令生成多个CFDP实体，CFDP实体调用CFDP文件指令，CFDP文件指令映射为闪存转换层的文件操作指令后通过闪存转换层对实际的Flash阵列进行操作。

实施例

参照附图对本发明的具体实施过程进行说明。

首先如图4所示，将CFDP协议编程存入SPI Flash中，系统工作时将CFDP协议用FPGA中的嵌入式处理器运行。

其后，将由Flash芯片组成的存储区域划分为若干虚拟的存储区，并用划分虚拟存储区的信息生成虚拟存储区映射表。

第三，虚拟存储区映射表是闪存转换层的一部分，同闪存转换层的其它算法一起存储在SPI Flash中。

第四，数据经过高速接口进行传输。使用DDR3作为高速接口的高速缓存。

第五，如图3所示，对于多个用户请求，经过FPGA中嵌入的CFDP处理后将会产生多个CFDP实体，每个CFDP实体对应一个虚拟存储区域。对于CFDP实体和虚拟存储区的对应关系要实时的在虚拟存储区映射表中进行更新。用户和CFDP协议之间用服务原语进行通信。

第六，通过闪存转换层最终将数据操作命令映射到具体的物理存储区域。闪存转换层包括虚拟存储区映射算法、地址映射算法、损耗均衡算法和坏块管理算法等。系统工作时将虚拟存储区映射表和地址映射表从SPI Flash中调到SRAM中。

第七，如图3所示，指令和数据经过闪存转换层时先进行虚拟存储区和实际存储区的映射，再进行地址映射。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种用于深空通信的文件传输装置及其设计方法，将国际标准控件传输协议CFDP与高性能固态存储设备相结合，包括一种用于深空通信的文件传输装置及一种用于深空通信的文件设计方法。

其中，一种用于深空通信的文件设计方法，具体步骤如下：

步骤一、将CFDP协议嵌入到固态存储设备中，对每个数据操作指令，调用该固态存储设备中的CFDP协议建立一个CFDP实体。

步骤二、在固态存储设备中将数据存储区分为若干个虚拟的存储区，并建立虚拟存储区与固态存储设备的实际存储区之间的映射表，并将映射表保存在非易失存储器中，同时为每个CFDP实体分配一个虚拟存储区域。如果虚拟存储区域全部用完，则用户的数据操作请求排队等待。当数据操作结束时，释放虚拟存储区域，供新的CFDP实体使用。

步骤三、CFDP实体间并行工作，根据数据操作指令调用相应的CFDP文件命令，并将CFDP文件命令映射为固态存储设备中的文件操作命令。具体映射方法为：对不同CFDP实体的文件操作命令映射为相应的虚拟存储区域的文件操作命令，再用虚拟存储区与实际存储区的映射表将数据操作指令映射到实际存储区，进行相应的操作。

步骤四、将高速接口连接至固态存储设备，用于对外通信，将对固态存储设备进行操作后得到的数据传输至航天器中的主处理器。同时通过高速接口接收主处理器发出的操作指令，调用CFDP协议建立CFDP实体。

2.一种用于深空通信的文件传输装置，包括CFDP模块、闪存转换层模块、存储模块和高速接口模块。

所述CFDP模块包括CFDP协议模块、CFDP文件命令模块和命令映射模块。CFDP文件命令模块分别和CFDP协议模块和命令映射模块相连接。CFDP协议模块包含CFDP协议，供文件传输过程中根据指令调用生成相应的CFDP实体；CFDP文件命令模块包含多种CFDP文件命令，用来实现CFDP实体执行相应的功能时调用相应的命令；命令映射模块实现CFDP文件命令和闪存转换层模块中文件操作命令的相互转换。

所述闪存转换层模块包括虚拟存储区映射模块、地址映射模块、损耗均衡模块和坏块管理模块。虚拟存储区映射模块、损耗均衡模块和坏块管理模块分别和地址映射模块相连接。虚拟存储区映射模块中包含虚拟存储区映射表，用来实现虚拟存储区的分配和虚拟存储区和实际存储区的映射；地址映射模块用来实现逻辑地址到物理地址的映射；损耗均衡模块管理数据写入过程，实现在存储模块中不同的数据存储区域有相同的写入次数；坏块管理模块对损坏的数据存储区进行标记，避免在损坏的数据存储区进行操作。

所述虚拟存储区映射表包括虚拟存储区与实际存储区的映射和CFDP实体与虚拟存储区的映射。对于存储模块根据其容量的大小分为几个虚拟存储区，将虚拟存储区的编号与实际存储区的物理边界间的映射关系存储在虚拟存储区映射表中，这样就建立了虚拟存储区与实际存储区的映射。当有CFDP实体生成时，为其分配一个虚拟存储区，并将CFDP实体的标识与虚拟存储区编号间的映射关系存储在虚拟存储区映射表中；如果有CFDP实体被删除，则将该CFDP实体的标识与虚拟存储区编号间的映射关系从虚拟存储区映射表中删除，从而释放相应的虚拟存储区，这样就建立了CFDP实体与虚拟存储区的映射关系。

所述存储模块分为多个存储区域，用来存储数据。

所述高速接口模块包括高速接口管理模块和高速缓存模块。高速接口模块和高速缓存模块相连。高速接口管理模块实现对输入输出数据的管理，例如以固定的接口协议传输数据以及决定何时将数据存入高速缓存模块或将数据从高速缓存模块读出；高速缓存模块实现对输入输出数据的缓存。

上述各模块的连接关系为：CFDP模块的CFDP协议模块与高速接口管理模块连接，CFDP模块的命令映射模块和闪存转换层模块的虚拟存储区映射模块相连接，闪存转换层模块的地址映射模块和存储模块相连接。

所述深空文件传输装置的工作过程为：数据通过高速接口模块进入到CFDP模块，CFDP协议模块根据数据中的指令生成CFDP实体，CFDP实体根据数据指令调用CFDP文件命令模块中的文件命令，CFDP文件命令经过命令映射模块转换为闪存转换层固态存储设备中的文件操作命令，而后数据进入闪存转换层模块，先经过虚拟存储区映射模块映射到实际的存储区，然后经过地址映射模块映射到实际存储区的物理地址，数据在进行地址映射时损耗均衡模块和坏块管理模块对映射过程进行管理，使得存储模块中各个存储区域的数据写入次数大体相同，同时避免对损坏的存储区域进行数据操作，数据中的文件操作命令经过闪存转换层模块进入到存储模块进行具体的操作。

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