CN103646063A - 一种星载高速文件管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载高速文件管理系统，其所占用空间小，处理速度快。该系统包括主控板和存储板；主控板中包括存储控制模块和星载处理器；文件数据存放于存储板，文件信息存放于主控板的非易失性存储空间中，文件信息的索引存放于星载处理器内存；文件信息包括文件系统参数区、属性区和FAT区；属性区存放每个文件数据的属性表，FAT区存放存储板的块逻辑地址，地址既说明该块是否被占用，又能辅助说明下一块地址。星载处理器负责接收和解析卫星平台的指令，根据索引查找所需操作文件的文件信息，由存储控制模块根据文件信息实现文件操作；星载处理器还用于维护属性区和FAT区。

Description

一种星载高速文件管理系统

技术领域

本发明属于星载文件管理技术领域，具体涉及一种星载高速文件管理系统，可应用于星载高速、大容量数据存储器设备内部的文件化管理。

背景技术

目前，星载高速数据存储器读写速率已经达到Gbps量级，容量达到Tb量级，并且飞行时间长，存储数据种类多。然而用户对所存数据的需求实时性要求不同，卫星下行信道带宽也有限，因此对于下行数据提出了选择性要求，要求对存储数据的管理实现选择性、用户指定的回放和下行。同时由于星载处理器的处理能力受限，高速存储的数据不能全部由其进行处理，无法按照地面通用文件系统对存储数据进行管理，因此迫切需要一种能够按照用户需求对高速数据存储进行文件化管理的文件系统。

星载处理器操作系统主要为嵌入式操作系统，然而嵌入式操作系统目前使用的几种主流文件系统在存储时均需要对存储数据处理：指定存储位置、大小等，星载嵌入式系统无能力完成高达几个Gbps的高速数据，因此主流文件系统均无法采用，必须开发一套新架构、新思路的文件管理系统。同时，由于文件信息对整个存储数据来说非常重要，并需要在系统掉电时不丢失，因此该数据区域需要较高可靠的非易失性存储介质，一般选用小容量的EEPROM、MRAM等，因此要求文件系统对存储区的需求要小。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种星载高速文件管理系统，该系统针对星载文件进行设计，将文件管理分摊在星载处理器和存储控制模块中完成，能力较弱的星载处理器负责文件信息和索引的管理，而能力较强的存储控制模块完成负荷较大的数据操作，这样可以提高处理速度。且，文件信息和文件数据分离存储，星载处理器仅管理文件信息，可以实现直接、灵活的进行管理，不需要经过存储控制模块，从而简化存储控制模块操作过程。索引由星载处理器在启动时和文件建立时根据文件信息动态建立，不需要占用文件信息所用的非易失性存储空间。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种星载高速文件管理系统，包括：主控板和存储板；主控板中包括存储控制模块和星载处理器；文件数据存放于存储板，文件信息存放于主控板的非易失性存储空间中，文件信息的索引存放于星载处理器内存；

其中，文件信息包括文件系统参数区、属性区和FAT区；

文件系统参数区存放存储板的硬件信息和文件系统信息；

属性区存放每个文件数据的属性表，属性表中记载了文件状态、文件号、遥感器标识、星时、文件起始块在存储板中的逻辑地址即文件开始地址、文件占用块个数、文件长度、上次回放位置；

FAT区为一个数据表，表项序号代表存储板中的块逻辑地址，表项内容填写方案具体为：当表项内容为FF00时，说明当前表项所代表的逻辑块为可用块；表项内容为0001～3FFF，说明当前表项所代表的逻辑块为已用块，且具体数值表明下个块的块号；表项内容为FFEE，说明当前表项所代表的逻辑块存储了文件数据的最后一块；表项内容为FFFF，说明当前表项所代表的逻辑块为坏块；

索引是对文件信息中的遥感器标识和星时进行索引运算得到的；索引在系统每次启动时或文件建立时由星载处理器动态建立，并存放于星载处理器内存中；

星载处理器负责接收和解析卫星平台的指令，根据索引查找所需操作文件的文件信息，由存储控制模块根据文件信息实现文件操作；星载处理器还用于维护属性区和FAT区。

其中，系统首次使用时，需要进行格式化，以建立文件系统基本信息，其过程如下：首先，星载处理器命令存储板进行坏块扫描、替换，结束后存储板返回信息给星载处理器，由星载处理器将存储板信息进行整合后形成文件系统参数写入所述文件系统参数区；然后在属性区填写所有文件的属性表，其中属性表内容全部初始化为0；对FAT区，所有可用块初始化为0，块坏区初始化为FFFF；

文件建立时，星载处理器接收来自卫星平台的存储指令，从中解析出所需存储文件的文件号、遥感器标识、星时，开始构建文件信息，然后从FAT区找到尚未占用的块地址，该块地址即为文件开始地址，将多个尚未占用的块地址构成可用块列表；同时建立所需存储文件数据的索引；

文件写入时，星载处理器将文件开始地址及可用块列表下发到存储控制模块，存储控制模块将写入指针定位到文件开始地址；当文件数据到来时，存储控制模块开始写入文件数据，在写入过程中，存储控制模块将当前写入的数据量上报给星载处理器，星载处理器在空闲时更新当前写入文件数据的属性及FAT区；

在卫星平台发送停止存储指令后，星载处理器接收该指令，向存储控制模块发出停止存储指令，存储控制模块将写入的总数据量上报给星载处理器，星载处理器更新文件数据的属性表后，关闭当前文件，从而完成文件写入；

文件回放时，卫星平台发送指令通知星载处理器需要读出的文件，需要读出的文件通过文件号或通过遥感器标识和星时指定，如果根据文件号指定，则星载处理器直接查找属性表，如果根据遥感器标识和星时指定，则星载处理器计算索引，按照索引找到需要读出的文件的属性表；然后，星载处理器根据属性表中描述的文件开始地址和文件长度，或根据指令指定的数据偏移和长度，从FAT区查找所要读出的地址块列表；星载处理器将所要读出的地址块列表和数据长度下发给存储控制模块，由存储控制模块读出数据，直至到达指定的长度；回放完毕后，星载处理器将属性表中的文件状态改写为文件已回放状态，并更新上次回放位置后，关闭文件。

文件删除时，由星载处理器将要删除文件的属性表中的文件状态修改为文件已删除。

文件擦除时，星载处理器查找文件状态为文件已删除的文件，根据该文件的属性表和FAT区的记载，获取文件数据的地址块列表下发给存储控制模块，由存储控制模块完成文件数据的物理擦除，擦除完成后，星载处理器更新文件状态为文件不存在。

有益效果：

（1）现有技术通常将文件数据及其文件信息存储到同一个存储介质中，并采用星载处理器进行存储控制和文件管理。其缺点是星载处理器需要强大计算能力。本发明将文件管理分摊在星载处理器和存储控制模块中完成，星载处理器能力较弱，负责文件信息和索引的管理，而能力较强的存储控制模块完成负荷较大的数据操作，这样可以提高处理速度。

（2）本发明将文件信息和文件数据分离存储，文件信息存放于非易失性存储芯片（EEPROM\MRAM等）内，放置在主控板，可以由星载处理器直接、灵活的进行管理，而不需要经过存储控制模块，从而简化存储控制模块操作过程。文件数据存放于若干阵列在一起的大容量NAND FLASH芯片内，放置在存储板，由存储控制模块负责进行管理控制。

（3）索引由星载处理器在启动时和文件建立时根据文件信息动态建立，不需要占用文件信息所用的非易失性存储空间。而且根据索引进行数据查找可以在不增加星载处理器工作负荷的情况下完成数据快速查找。

（4）根据星载文件及其处理操作不负责的特点，本发明所设计的文件信息存储量很小，处理灵活，能够在最小存储量的基础上，达到对文件数据的足够全面的描述。

附图说明

图1为本发明的系统组成框图。

图2为本发明文件信息的组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

按照航天任务性质特点：采集、存储、回放任务不是随机产生的，而是按照计划、预约式进行。存储的文件个数一般不需要太多，对存储器的使用一般是记录和回放、擦除，不需要修改。因此，星载文件系统与通用的文件系统不同，可采用文件信息和索引、文件数据分离存储，简化操作的方法进行文件化管理。

本发明文件管理系统运行于星载高速数据存储器中，硬件包括主控板和存储板；主控板中包括存储控制模块和星载处理器。本发明将文件的具体内容称为文件数据，文件的相关信息称为文件信息。本发明的文件管理系统基于文件数据与文件信息独立存储的架构，文件数据存放于存储板，文件信息存放于主控板的非易失性存储芯片中，例如EEPROM\MRAM等，文件信息的索引存放于星载处理器内存。

系统的文件信息采用基于FAT（文件分配表）的文件系统，文件信息主要包括文件系统参数区、属性区和FAT区三个部分，构成如图1所示。

文件系统参数区记录了存储板的硬件信息及文件系统信息，该区域存放的是静态参数，在实际运行中不发生修改。其内容如表1所示，包括：

参数项	宽度（字节）	典型值
			文件系统标识	2	EBAAh
每页字节数	2	32768
			每逻辑块中页数	2	128
总块数	4	16384
			属性区中的属性表大小	2	40
属性区中的属性表项数	2	1024
			保留	242
合计	256

表1

属性区中存储了每个文件数据的属性表，该区域数据根据文件操作结果，动态修改，属性表内容如表2所示，包括：

表2

属性区存放的是已经建立好的文件信息，每个文件占用P字节。

FAT区为一个数据表，如表3所示，表项序号代表存储板中的块逻辑地址，表项内容填写具体为：当表项内容为FF00时，说明当前表项所代表的逻辑块为可用块；表项内容为0000～3FFF，说明当前表项所代表的逻辑块为已用块，且具体数值表明下个块的块号；表项内容为FFEE，说明当前表项所代表的逻辑块存储了文件数据的最后一块；表项内容为FFFF，说明当前表项所代表的逻辑块为坏块。本发明可以采用不连续存储方式，从而充分利用存储控制，而FAT区就是在不连续存储方式下，辅助进行数据关联的。

下面举个例子，对FAT表的使用做介绍。文件系统建立时，已知逻辑块1、3、4、5……是可用块，因此FAT表初始化为表3所示。文件建立时，星载处理器将已知可用逻辑块1、3、4、5……依次发送给存储控制模块，存储控制模块在接收到数据后，会依次向这些块中顺序存储数据。当存储停止时，存储控制模块向星载处理器报告存储的文件大小，星载处理器将该数据换算为逻辑块大小后，得出该次存储使用了3个块，星载处理器将逻辑块1、3、4标记为已用块。按照存储先后顺序，具体应为块1存储满后使用的下一块为3，块3存储满后使用下一块为4，块4为最后一块。因此，表项1地址存储内容修改为0003，表项3地址存储内容修改为0004，表项4地址存储内容修改为FFEE，如表4所示。

表3

假设在需要读取的文件属性表中，文件开始地址为0001，则在FAT区中找到地址（即表项一栏）为1的位置，其存储内容为0003，说明下一块地址为0003，则找到地址为3的位置，其存储内容为0004，说明下一块地址为0004，则找到地址为4的位置，其存储内容为FFEE，说明当前文件结束。那么，将1、3和4依次发送给存储控制模块，由存储控制模块进行文件操作。同样，对于一个从0开始的文件，其只占用0、2两个块。

表4

本发明文件管理系统的文件信息存储量很小，处理灵活。一般的，假设需要管理N个文件，每个文件对应的文件属性表大小为P字节，存储板所用NAND FLASH芯片块数为B，每一块地址长度为L字节，文件系统参数占用256字节，则文件信息需占用存储空间为P*N+L*B+256字节。在大多数星载应用场合，N取值不大于4096，P取值不大于64，B取值为4096、8192、16384等几种，L取值为2，因此可计算出对文件信息需要存储的空间需求最大不超过300K字节，完全可用一颗芯片完成该信息的存储。

本发明根据星载文件的特点，采用遥感器标识和星时作为建立索引的信息。通过对遥感器标识和星时进行诸如Hash运算之类的索引运算获得索引。索引在系统每次启动时或文件建立时由星载处理器动态建立，并存放于星载处理器内存中，这样可以不占用星载处理器的存储空间。

下面对文件操作进行详细描述。

1.文件系统建立

文件系统在首次使用时，需要进行格式化，以建立文件系统基本信息，其过程如下：

首先，星载处理器命令存储板进行坏块扫描、替换，结束后存储板返回信息给星载处理器，由其将存储板信息进行整合后形成文件系统参数写入“文件系统参数区”，然后在属性区写入1024个（个数为任务决定，非本发明文件系统限制）文件的属性信息，全部初始化为0，对FAT区16K的属性信息，全区域中可用块位置初始化为FF00，坏块区初始化为FFFF。至此，文件系统建立，此后，仅需要对存储区进行写入、擦除操作，对文件系统进行修改操作，一般不需要再次进行格式化。

2.文件建立

星载处理器接收来自卫星平台的存储指令，从中解析出需要存储的文件号、遥感器标识、星时等信息，开始构建文件信息，然后从FAT区找到尚未占用的块地址，该块地址即为文件开始地址，将多个尚未占用的块地址构成可用块列表，并且在FAT区中本次被占用的块逻辑地址处按照上述表项内容填写方案具体填入相应信息。同时建立所需存储文件数据的索引。

3.文件写入

文件建立后，星载处理器将文件开始地址及可用块列表下发到存储控制模块，存储控制模块将写入指针定位到存储板中的文件开始地址。当文件数据到来时，存储控制模块即按照每个逻辑块编程一页的方式开始写入文件数据。在存储过程中，存储控制模块将当前存储的数据量上报星载处理器，星载处理器可在空闲时更新当前记录的数据量及FAT表。更新FAT表时，在FAT区中本次被占用的块逻辑地址处按照所述表项内容填写方案具体填入相应信息。

在卫星平台发送停止存储指令后，星载处理器接收该指令，向存储控制模块发出停止存储指令，存储控制模块将写入的总数据量上报给星载处理器，星载处理器根据该数据更新文件属性信息中的文件状态标志（将标志改写为文件有效）、文件长度（写入当前文件长度），并更新校验信息后关闭该文件，从而完成文件写入。

4.文件回放

卫星平台发送指令通知星载处理器需要读出的文件，需要读出的文件通过文件号或通过遥感器标识和星时指定，如果根据文件号指定，则星载处理器直接查找属性表，如果根据遥感器标识和星时指定，则星载处理器计算索引，按照索引找到需要读出的文件的属性表。然后，星载处理器根据属性表中描述的文件开始地址和文件长度，或者根据指令也可读出指定的数据偏移和长度，从FAT区查找所要读出的地址块列表。星载处理器将所要读出的地址块列表和数据长度下发给存储控制模块，由存储控制模块读出数据，直至到达指定的长度。

回放完毕后，星载处理器将属性表中的文件状态标志改写为文件已回放状态，并更新上次回放位置后，并关闭文件。

5.文件删除

文件删除时，由星载处理器将要删除文件的属性表中的文件状态标志修改为文件已删除即可完成，待进行数据擦除时进行对应存储区的物理擦除。

6.数据擦除

对用户要求永久删除的文件进行空间回收，星载处理器查找文件状态为文件已删除的文件，根据该文件的属性表和FAT区的记载，获取文件数据的地址块列表下发给存储控制模块，由存储控制模块完成文件数据的物理擦除，擦除完成后更新文件状态标志为文件不存在，从而可以继续进行该文件号的新数据存储。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种星载高速文件管理系统，其特征在于，包括：主控板和存储板；主控板中包括存储控制模块和星载处理器；文件数据存放于存储板，文件信息存放于主控板的非易失性存储空间中，文件信息的索引存放于星载处理器内存；

其中，文件信息包括文件系统参数区、属性区和FAT区；

文件系统参数区存放存储板的硬件信息和文件系统信息；

属性区存放每个文件数据的属性表，属性表中记载了文件状态、文件号、遥感器标识、星时、文件起始块在存储板中的逻辑地址即文件开始地址、文件占用块个数、文件长度、上次回放位置；

FAT区为一个数据表，表项序号代表存储板中的块逻辑地址，表项内容填写方案具体为：当表项内容为FF00时，说明当前表项所代表的逻辑块为可用块；表项内容为0001～3FFF，说明当前表项所代表的逻辑块为已用块，且具体数值表明下个块的块号；表项内容为FFEE，说明当前表项所代表的逻辑块存储了文件数据的最后一块；表项内容为FFFF，说明当前表项所代表的逻辑块为坏块；

索引是对文件信息中的遥感器标识和星时进行索引运算得到的；索引在系统每次启动时或文件建立时由星载处理器动态建立，并存放于星载处理器内存中；

星载处理器负责接收和解析卫星平台的指令，根据索引查找所需操作文件的文件信息，由存储控制模块根据文件信息实现文件操作；星载处理器还用于维护属性区和FAT区。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，系统首次使用时，需要进行格式化，以建立文件系统基本信息，其过程如下：首先，星载处理器命令存储板进行坏块扫描、替换，结束后存储板返回信息给星载处理器，由星载处理器将存储板信息进行整合后形成文件系统参数写入所述文件系统参数区；然后在属性区填写所有文件的属性表，其中属性表内容全部初始化为0；对FAT区，所有可用块初始化为0，块坏区初始化为FFFF；

文件建立时，星载处理器接收来自卫星平台的存储指令，从中解析出所需存储文件的文件号、遥感器标识、星时，开始构建文件信息，然后从FAT区找到尚未占用的块地址，该块地址即为文件开始地址，将多个尚未占用的块地址构成可用块列表；同时建立所需存储文件数据的索引；

文件写入时，星载处理器将文件开始地址及可用块列表下发到存储控制模块，存储控制模块将写入指针定位到文件开始地址；当文件数据到来时，存储控制模块开始写入文件数据，在写入过程中，存储控制模块将当前写入的数据量上报给星载处理器，星载处理器在空闲时更新当前写入文件数据的属性及FAT区；

在卫星平台发送停止存储指令后，星载处理器接收该指令，向存储控制模块发出停止存储指令，存储控制模块将写入的总数据量上报给星载处理器，星载处理器更新文件数据的属性表后，关闭当前文件，从而完成文件写入；

文件回放时，卫星平台发送指令通知星载处理器需要读出的文件，需要读出的文件通过文件号或通过遥感器标识和星时指定，如果根据文件号指定，则星载处理器直接查找属性表，如果根据遥感器标识和星时指定，则星载处理器计算索引，按照索引找到需要读出的文件的属性表；然后，星载处理器根据属性表中描述的文件开始地址和文件长度，或根据指令指定的数据偏移和长度，从FAT区查找所要读出的地址块列表；星载处理器将所要读出的地址块列表和数据长度下发给存储控制模块，由存储控制模块读出数据，直至到达指定的长度；回放完毕后，星载处理器将属性表中的文件状态改写为文件已回放状态，并更新上次回放位置后，关闭文件。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，文件删除时，由星载处理器将要删除文件的属性表中的文件状态修改为文件已删除。

4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，文件擦除时，星载处理器查找文件状态为文件已删除的文件，根据该文件的属性表和FAT区的记载，获取文件数据的地址块列表下发给存储控制模块，由存储控制模块完成文件数据的物理擦除，擦除完成后，星载处理器更新文件状态为文件不存在。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述文件系统参数区内容如表1所示：

参数项 宽度（字节） 文件系统标识 2 每页字节数 2 每逻辑块中页数 2 总块数 4 属性区中的属性表大小 2 属性区中的属性表项数 2 保留 242 合计 256

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述属性表内容如表2所示：

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