CN110187833A - 一种芯片级的存储阵列的冗余方法 - Google Patents

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周梦
牛永波
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Abstract

本发明公开了一种芯片级的存储阵列的冗余方法，配备M+N个存储芯片，其中N个备用的存储芯片，进行存储时，先检测各个芯片是否有效，若有效则直接存入数据，若无效，则将数据存入备用的存储芯片中，并更新替换表，即使单个或多个存储芯片失效，通过替换后，存储阵列仍可正常工作，可允许单个或多个存储芯片失效，采用该方法后可提高存储阵列的可靠性，提高了卫星产品的可靠性。

Description

一种芯片级的存储阵列的冗余方法
技术领域
本发明属于电子信息技术领域，具体涉及一种芯片级的存储阵列的冗余方法。
背景技术
对地遥感卫星(EOS)以获取飞经地区的地面遥感信息并传输给地面用户加以利用为目的。我国卫星用户的地面数据接收站一般都位于我国境内，为了得到境外的地面遥感信息，就必须将卫星在境外时获取的地面信息暂时保存在星载大容量存储器中，待卫星过境时再通过天线传输给地面数据接收站。
星载大容量固态存储器核心单元是存储阵列，是卫星载荷数据的实际载体。存储阵列由若干存储芯片组成，为了满足在轨高速吞吐的应用，存储阵列的多个存储芯片采用并行工作方式，存储芯片一般采用nand flash。若阵列中的某个存储芯片失效，整个存储阵列功能散失。
存储芯片在使用过程中需要频繁的读写，是存储阵列中寿命最短的芯片，存储芯片的健康状况直接影响存储阵列的可靠性。现有技术中常采用存储阵列冷备份M+M的方式提升可靠性，即配备两个存储阵列，当其中一个存储阵列中的某个存储芯片发生故障时，将另一个存储阵列切换至工作状态，这种方式的优点是可靠性高，缺点是体积和重量较大，成本高；暂无存储阵列应用芯片级的冗余方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种芯片级的存储阵列的冗余方法，提高了存储阵列对存储芯片冗余度，配备M+N个存储芯片，即使单个或多个存储芯片失效，通过冗余替换后，存储阵列仍可正常工作，降低卫星产品的体积、重量和成本，提高卫星产品的可靠性。
为达到上述目的，本发明所述一种芯片级的存储阵列的冗余方法，存储阵列包括M+N个存储芯片，M+N个存储芯片包括M个工作存储芯片和N个备用存储芯片，当任一个存储芯片出现故障时，用备用存储芯片替代故障的存储芯片存储数据。
进一步的，N的取值范围为1～M。
进一步的，包括以下步骤：
步骤1、配置存储阵列，所述存储阵列包括M个工作存储芯片和N个备用存储芯片；初始化存储阵列状态表和存储阵列替换表，存储阵列状态表由M+N个字节构成，字节序号表示物理芯片号，对应的字节内容表示芯片的健康状态，字节内容0x55表示正常，否则表示无效；存储阵列替换表由M+N个字节构成，字节序号表示逻辑芯片号，对应的字节内容表示物理芯片号，工作存储芯片的字节序号为1～M，备用存储芯片的字节序号为M+1～M+N；
步骤2、对存储芯片进行自检，在存储阵列状态表对应的位置进行标记，标记存储芯片是否失效，生成自检后的存储阵列状态表；
步骤3、从步骤2得到的存储阵列状态表读取各个存储芯片的状态，若某个存储芯片无效，则用备用存储芯片替代其工作，并更新存储阵列替换表。
进一步的，依次用逻辑芯片号最大的备用存储芯片，代替无效的存储芯片。
进一步的，步骤3的具体过程为：
S3.1、设A＝1，B＝M+N；
S3.2、从步骤2得到的存储阵列状态表读取序号为A的存储芯片的状态：
当序号为A的存储芯片的状态为有效时，令A＝A+1，然后判断A＝B是否成立，若成立，流程结束；反之则重复S3.2，直至A＝B；
当序号为A的存储芯片的状态为无效时，进入步骤3.3；
S3.3、从步骤2得到的存储阵列状态表读取序号为B的存储芯片的状态：
当序号为B的存储芯片状态为有效，则将存储阵列替换表中的序号为A的存储芯片和序号为B的存储芯片的物理芯片号进行对换，并将A存储芯片中的内容存储至B存储芯片，然后令B＝B-1，判断A＝B是否成立：
若A＝B成立，流程结束；若A＝B不成立：令A＝A+1，再次判断A＝B是否成立，若A＝B不成立，跳转S3.2；若A＝B成立，流程结束；若序号为B的存储芯片无效，则令B＝B-1，然后判断A＝B是否成立：若成立，流程结束；
若A＝B不成立，则重复步骤3.3。
当失效的工作存储芯片的数量大于备用存储芯片的数量时，此种情况可从存储阵列替换表中显示出来，工作人员可根据具体情况及时采取相应的措施。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，配备M+N个存储芯片，即使单个或多个存储芯片失效，通过替换后，存储阵列仍可正常工作。采用该方法后，存储阵列可允许单个或多个存储芯片失效，提高了存储芯片的冗余度，提高了存储阵列的可靠性。本发明主要应用于星载大容量固态存储器中。
进一步的，依次用逻辑芯片号最大的备用芯片，代替无效的存储芯片。使用这种替换方式，正常工作的存储芯片与备用芯片无对应关系，只要失效芯片数量小于备用芯片数量，任意存储芯片失效均可用备用芯片替代，保证存储阵列的正常工作。存储阵列与其周边电路(包括阵列控制器、供电网络、接口器件等)构成了存储阵列功能模块，与传统整个存储阵列功能模块冷备份的方式相比，芯片级的冗余方式无需对周边高可靠性电路重复备份，仅对可靠性相对低的存储芯片进行冗余备份，提高了产品的整体可靠性，并且减小了重量、体积和成本。
进一步的，N的取值范围为1～M。根据存储芯片的可靠性和冗余的成本综合选择。
附图说明
图1为存储阵列检测芯片流程图；
图2为存储阵列控制器数据转换关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图1，本发明包含三部分内容：
(1)存储阵列硬件配备M+N个存储芯片，M个为工作芯片，N个为备用芯片，初始状态下，M个工作芯片处于工作状态。
(2)在上电时对存储阵列M+N个存储芯片逐个检测状态，建立存储阵列状态表和存储芯片替换表。存储阵列状态表由M+N个字节构成，字节序号表示物理芯片号，字节序号1～M+N，对应的字节内容表示对应序号的芯片的健康状态，0x55表示正常，否则表示无效；替换表由M+N个字节构成，字节序号表示逻辑芯片号，对应的字节内容表示物理芯片号。
(3)存储阵列控制器(FPGA)基于(2)建立的替换表的逻辑关系，参照图2，写存储芯片时，将M个数据实时分配到M+N个芯片中，后备芯片的数据用无效数“FF”替代；读存储芯片时，实时从M+N个数据中挑取M个数据进行读取。
通过以上方法，存储阵列配备M+N个存储芯片，若其中出现芯片失效，通过备用芯片替换，提高了存储阵列的可靠性。具体的芯片替换过程如下：
步骤1、初始化存储阵列状态表和存储阵列替换表，状态表和替换表中的序号一一对应；
初始存储阵列状态表如下表所示：
序号 1 2 3 4 5 … M+N
内容 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 … 0x55
初始存储阵列替换表如下表所示：
序号 1 2 3 4 5 … M+N
内容 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 … 0x(M+N)
步骤2、对存储芯片进行自检，存储芯片失效表现为内部坏块数量变多，通过遍历存储内部块是否可用，统计存储芯片的坏块数目，将坏块数目大于可用阈值的芯片在状态表对应的位置标记为无效，生成自检后的存储阵列状态表；
以第4个存储芯片坏块数目超过可用阈值为例，自检后存储阵列状态表如下：
序号 1 2 3 4 5 … M+N
内容 0x55 0x55 0x55 0xAA 0x55 … 0x55
步骤3、根据步骤2建立的存储阵列芯片状态表，将失效芯片通过备用存储芯片替换，生成自检后的存储阵列替换表。
自检后的存储阵列替换表如下：
序号 1 2 3 4 5 … M+N
内容 0x01 0x02 0x03 0x(M+N) 0x05 … 0x04
实施例1
构造一个应用本发明的高速大容量固态存储器。该大容量固态存储器存储阵列工作需21个存储芯片并行工作，配备了22个工作存储芯片，其中，1个存储芯片作为备用，工作存储芯片的序号为1-21，备用芯片的序号为22。
建立初始状态表和替换表分别如表1、表2所示，存储芯片上电检测存储阵列的健康信息。存储阵列读写数据正确。
表1存储阵列初始状态表
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
内容 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55
序号 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
内容 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55
表2存储阵列初始替换表
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
内容 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x0a 0x0b
序号 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
内容 0x0c 0x0d 0x0e 0x0f 0x10 0x11 0x12 0x13 0x14 0x15 0x16
将序号为2的存储芯片芯片的某个数据管脚抬起，使其功能异常，注入故障。存储芯片上电检测存储阵列的健康信息，建立故障注入后的状态表和替换表分别如表3、表4所示。此时，将用备用的存储芯片和序号为2的存储芯片的序号互换，用备用的存储芯片(即序号为22的存储芯片)替换序号为2的存储芯片进行工作；此时，整个存储阵列读写数据正确，冗余设计有效。
表3故障注入后存储阵列状态表
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
内容 0x55 0xAA 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55
序号 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
内容 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55
表4故障注入后存储阵列替换表
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
内容 0x01 0x16 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x0a 0x0b
序号 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
内容 0x0c 0x0d 0x0e 0x0f 0x10 0x11 0x12 0x13 0x14 0x15 0x02
实施例2
构造一个应用本发明的高速大容量固态存储器。该大容量固态存储器存储阵列工作需21个存储芯片并行工作，配备了23个存储芯片，其中，2个存储芯片作为备用。建立初始状态表和替换表分别如表5、表6所示，其中序号22和23的存储芯片为备用芯片，存储芯片上电检测存储阵列的健康信息，存储阵列读写数据正确。
表5存储阵列初始状态表
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
内容 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55
序号 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
内容 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55
表6存储阵列初始替换表
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
内容 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x0a 0x0b 0x0c
序号 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
内容 0x0d 0x0e 0x0f 0x10 0x11 0x12 0x13 0x14 0x15 0x16 0x17
将序号为2的存储芯片芯片的某个数据管脚抬起，使其功能异常，注入故障。存储芯片上电检测存储阵列的健康信息，建立故障注入后的替换表如表7、表8所示。此时，将备用的存储芯片和序号为2的存储芯片的序号互换，用备用的存储芯片(即序号为23的存储芯片)替换序号为2的存储芯片进行工作；此时，整个存储阵列读写数据正确，冗余设计有效。
表7故障注入后存储阵列状态表
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
内容 0x55 0xAA 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55
序号 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
内容 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55
表8故障注入后存储阵列替换表
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
内容 0x01 0x17 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x0a 0x0b 0x0c
序号 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
内容 0x0d 0x0e 0x0f 0x10 0x11 0x12 0x13 0x14 0x15 0x16 0x02
然后，将序号为5的存储芯片的某个数据管脚抬起，使其功能异常，注入故障。存储芯片上电检测存储阵列的健康信息，建立故障注入后的状态表和替换表分别如表9、表10所示。此时，将序号为22的备用的存储芯片和序号为5的存储芯片的序号互换，用备用的存储芯片(即序号为22的存储芯片)替换序号为5的存储芯片进行工作；此时，整个存储阵列读写数据正确，冗余设计有效。
表7故障注入后存储阵列状态表
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
内容 0x55 0xAA 0x55 0x55 0xAA 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55
序号 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
内容 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55
表4故障注入后存储阵列替换表
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
内容 0x01 0x17 0x03 0x04 0x16 0x06 0x07 0x08 0x09 0x0a 0x0b 0x0c
序号 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
内容 0x0d 0x0e 0x0f 0x10 0x11 0x12 0x13 0x14 0x15 0x05 0x02
上述设计方法在某卫星固态存储器进行了工程使用，经过地面测试考核，存储阵列的芯片级冗余措施有效。
本发明配备M+N个存储芯片，其中N个备用的存储芯片，进行存储时，先检测各个芯片是否有效，若有效则直接存入数据，若无效，则将数据存入备用的存储芯片中，并更新替换表，即使单个或多个存储芯片失效，通过替换后，存储阵列仍可正常工作，可允许单个或多个存储芯片失效，采用该方法后可提高存储阵列的可靠性，提高了卫星产品的可靠性。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种芯片级的存储阵列的冗余方法，其特征在于，存储阵列包括M+N个存储芯片，M+N个存储芯片包括M个工作存储芯片和N个备用存储芯片，当任一个工作存储芯片出现故障时，用备用存储芯片替代故障的存储芯片存储数据。
2.根据权利要求1所述的一种芯片级的存储阵列的冗余方法，其特征在于，N的取值范围为1～M。
3.根据权利要求1所述的一种芯片级的存储阵列的冗余方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、配置存储阵列，所述存储阵列包括M个工作存储芯片和N个备用存储芯片；初始化存储阵列状态表和存储阵列替换表；
存储阵列状态表由M+N个字节构成，字节序号表示物理芯片号，对应的字节内容表示芯片的健康状态，字节序号1～M+N，字节内容0x55表示正常，否则表示无效；
存储阵列替换表由M+N个字节构成，字节序号表示逻辑芯片号，对应的字节内容表示物理芯片号，工作存储芯片的字节序号为1～M，备用存储芯片的字节序号为M+1～M+N；
步骤2、对存储芯片进行自检，在存储阵列状态表对应的位置进行标记，标记存储芯片是否失效，生成自检后的存储阵列状态表；
步骤3、从步骤2得到的存储阵列状态表读取各个存储芯片的状态，若某个存储芯片无效，则用备用存储芯片替代其工作，并更新存储阵列替换表。
4.根据权利要求3所述的一种芯片级的存储阵列的冗余方法，其特征在于，依次用逻辑芯片号最大的备用存储芯片，代替无效的存储芯片。
5.根据权利要求3或4所述的一种芯片级的存储阵列的冗余方法，其特征在于，步骤3的具体过程为：
S3.1、设A＝1，B＝M+N；
S3.2、从步骤2得到的存储阵列状态表读取序号为A的存储芯片的状态：
当序号为A的存储芯片的状态为有效时，令A＝A+1，然后判断A＝B是否成立，若成立，流程结束；反之则重复S3.2，直至A＝B；
当序号为A的存储芯片的状态为无效时，进入步骤3.3；
S3.3、从步骤2得到的存储阵列状态表读取序号为B的存储芯片的状态：
当序号为B的存储芯片状态为有效，则将存储阵列替换表中的序号为A的存储芯片和序号为B的存储芯片的物理芯片号进行对换，并将A存储芯片中的内容存储至B存储芯片，然后令B＝B-1，判断A＝B是否成立：
若A＝B成立，流程结束；若A＝B不成立：令A＝A+1，再次判断A＝B是否成立，若A＝B不成立，跳转S3.2；若A＝B成立，流程结束；若序号为B的存储芯片无效，则令B＝B-1，然后判断A＝B是否成立：若成立，流程结束；
若A＝B不成立，则重复步骤3.3。
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