CN116361061B - 一种多级数据校验的星载存储系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于星载大容量存储领域，涉及一种多级数据校验的星载存储系统，包括高速数据接收单元，用于接收来自载荷的科学数据，并经校验后发送至高速数据组包单元；高速数据组包单元，用于按照CCSDS分包遥测协议进行数据组包并发送至高速数据缓存单元；高速数据缓存单元，用于利用外部缓存器进行缓存，并支持数据校验；高速数据存储单元，用于利用外部存储器完成缓存数据的存储管理，在轨自检，对功能异常的块进行坏块标记，重新映射地址空间，并对坏块采取静态坏块与动态坏块相结合的策略进行管理；高速数据发送单元，用于在卫星入境后，对高速数据组包单元的实时数据以及高速数据存储单元的回放数据分别组织传输帧，完成数据下传预处理。

Description

一种多级数据校验的星载存储系统
技术领域
本发明属于星载大容量存储领域，尤其涉及一种多级数据校验的星载存储系统。
背景技术
大容量固态存储器是卫星数据传输与存储分系统的重要组成部分。卫星载荷产生的数据首先经过链路层传输至存储系统，然后在存储系统内部经过解析、缓存、存储管理等操作最终存储在星载大容量存储器中；当卫星过境地面站时，存储系统回放大容量存储器中的数据，并通过数传天线下传到地面接收站。
由于太空中复杂的电磁环境，宇宙线或者辐射带的高能粒子具有很强的穿透能力，可能造成存储系统中的半导体存储介质发生翻转，某个数据为从“1”变成“0”，或者从“0”变成“1”，从而导致数据发生异常。受限于存储介质的工作机理，高能粒子对数据造成错误的现象只能降低而不能避免。
目前，传统的星载大容量存储器受限于资源、算法、架构等原因，对于在轨数据异常的检测和纠正存在不足，往往无法满足要求。这就需要一种多级数据校验的存储系统，能够根据数据在不同阶段的处理需求，采用不同的校验方式，对数据位进行校验和纠正，以降低数据出错的概率，保证数据的正确性；同时对存储器在轨自检功能提出了需求，以便存储器在轨进行维护，提高在轨生存能力。
发明内容
本发明的目的是解决目前星载大容量存储系统在轨运行过程中，受空间环境影响，半导体存储介质电路状态发送改变，引起比特位翻转，导致数据异常的问题，提出一种多级数据校验的星载存储系统，能够通过多种校验方式对数据进行错误的检测和纠正，并根据校验信息的结果开启存储在轨自检功能，实现存储单元在轨维护。
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种多级数据校验的星载存储系统，并实现了存储单元的在轨自检功能。
为了实现上述目的，本发明提出了一种多级数据校验的星载存储系统，所述系统包括高速数据接收单元、高速数据组包单元、高速数据缓存单元、高速数据存储单元和高速数据发送单元；其中，
所述高速数据接收单元，用于通过高速串行总线接收来自载荷的科学数据，并经校验后发送至高速数据组包单元；
所述高速数据组包单元，用于按照CCSDS分包遥测协议进行数据组包并发送至高速数据缓存单元；
所述高速数据缓存单元，用于利用外部缓存器进行缓存，并支持数据校验；
所述高速数据存储单元，用于利用外部存储器完成对缓存数据的存储管理，具备在轨自检功能，对功能异常的块进行坏块标记，重新映射地址空间，并对坏块采取静态坏块与动态坏块相结合的策略，进行管理；
所述高速数据发送单元，用于在卫星入境后，对高速数据组包单元的实时数据以及高速数据存储单元的回放数据分别组织传输帧，完成数据下传预处理。
作为上述系统的一种改进，所述高速数据接收单元支持来自高速率接口GTX、中速率接口TLK2711和低速率接口LVDS的串行数据接收和链路层解析，并按照ITU-IEE规范，采用CRC16的算法对接收的数据进行累加和校验，判断经过链路传输是否出现错误。
作为上述系统的一种改进，所述高速数据组包单元按照CCSDS102.0-B-5分包遥测协议进行数据组包，组包后的数据包包括同步码、主导头、副导头以及数据域，并以字节为单位，对数据包进行RS（252,256）编码，在内部进行一级缓存。
作为上述系统的一种改进，所述高速数据缓存单元控制外部缓存器DDR2-SDRAM进行缓存，并对缓存的数据进行ECC校验，对缓存数据在缓存期间受太空环境中的单粒子影响造成的错误进行检测和纠正；
所述外部缓存器采用固定分区的原则，对待处理数据按照一级缓存对应进行二级缓存。
作为上述系统的一种改进，所述二级缓存根据特定字节将不同载荷的科学数据组织成不同的文件，按照固定分区进行存储。
作为上述系统的一种改进，所述高速数据存储单元利用外部存储器完成对缓存数据的存储管理，具体包括：高速数据存储单元控制外部存储器对缓存数据进行存储管理，对存储期间受太空环境中的单粒子影响造成的错误进行检测和纠正；在任务阶段，存储RS（252,256）编码后的缓存数据；在卫星入境时，回放存储数据，并进行RS（252,256）解码，所述外部存储器为SLC型NAND Flash。
作为上述系统的一种改进，所述高速数据存储单元具备在轨自检功能，对功能异常的块进行坏块标记，重新映射地址空间；具体包括：
接收地面指令，高速数据存储单元进入自检模式；
自主关闭外部数据接口；
对外部存储器的全存储空间数据进行擦除操作；
读出全部块数据，逐一与0X0FF进行比对，如果某块比对不一致，则记录异常存储区地址，对异常块进行坏块标记；
全地址写入指定数据，并监测存储状态，如果出现写入失败，则记录异常存储区地址，并对异常块进行坏块标记；
以页为单位读出写入的数据，并与指定数据同步进行比对，如果某块比对不一致，则记录异常存储区地址，并对异常块进行坏块标记；
擦除全存储空间数据，重新进行物理地址和逻辑地址的映射；
自主打开外部数据源，等待存储任务，同时将坏块信息经遥测传送至地面。
作为上述系统的一种改进，所述对坏块采取静态坏块与动态坏块相结合的策略，进行管理；具体包括：将出厂坏块作为静态坏块，在地址映射时自主跳过坏块，任务阶段不使用；新增坏块作为动态坏块由软件和硬件共同管理，在数据存储时出现的坏块，由正常块重新写入待存储数据，以保证数据的连续性；动态坏块的处理为今后不再使用或经存储区维护后再次使用。
作为上述系统的一种改进，所述高速数据发送单元采用AOS空间数据链路协议进行数据组帧，数据帧包括同步码、传输帧主导头、传输帧数据域和校验符号填充。
作为上述系统的一种改进，所述系统还包括统计模块，用于对校验信息进行统计，判断数据异常类型实现数据在轨异常监测。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明根据数据在不同阶段的处理需求，采用不同的校验方式，对数据位进行校验和纠正，降低了数据出错的概率，实现了星载存储器在轨数据的多级校验，降低了空间粒子造成数据异常所带来的影响，提高了星载存储系统的可靠性；
2、本发明根据对校验信息的统计，易于定位数据出现异常的环节，为后续采取针对性措施提供依据；
3、本发明根据高速数据接收单元对数据的解析，将来自载荷的科学数据按照类型进行文件化缓存和存储；
4.本发明根据统计的异常数据信息，具备存储单元的在轨自检功能，通过地面指令发起，基于在轨自检策略，由存储单元自主进行，并对坏块进行管理。
附图说明
图1是本发明的多级数据校验的星载存储系统组成原理图。
图2是本发明的存储单元在轨自检的流程图。
图3是本发明的坏块管理示意图。
具体实施方式
本发明提出了一种多级数据校验的星载存储系统，该系统包括：
高速数据接收单元，用于通过高速串行总线接收来自载荷的科学数据，并经校验后发送至高速数据组包单元；
高速数据组包单元，用于按照CCSDS分包遥测协议进行数据组包并发送至高速数据缓存单元；
高速数据缓存单元，用于利用外部缓存器进行缓存，并支持数据校验；
高速数据存储单元，用于利用外部存储器完成对缓存数据的存储管理，具备在轨自检功能，对功能异常的块进行坏块标记，重新映射地址空间，并对坏块采取静态坏块与动态坏块相结合的策略，进行管理；
高速数据发送单元，用于在卫星入境后，对高速数据组包单元的实时数据以及高速数据存储单元的回放数据分别组织传输帧，完成数据下传预处理。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例
如图1所示，本发明的实施例提供了一种多级数据校验的星载存储系统，所述系统包括高速数据接收单元、高速数据组包单元、高速数据缓存单元、高速数据存储单元、高速数据发送单元；所述高速数据接收单元通过高速串行总线接收来自载荷的科学数据，并对数据按照CRC-16进行校验；所述数据组包单元支持数据按照CCSDS分包遥测协议，进行数据组包；所述高速数据缓存单元，利用外部缓存器对数据进行缓存，支持数据ECC校验；所述高速数据存储单元，利用外部存储器完成在轨数据的存储管理，支持数据RS（252,256）校验；所述高速数据发送单元在卫星入境后，对数据组织传输帧，完成数据下传预处理。
卫星在轨产生的数据通过高速率接口GTX（≤12Gbps）、中速率接口TLK2711（≤2Gbps）和低速率接口LVDS（≤100Mbps）串行数据，由高速数据接收单元进入多级数据校验的星载大容量存储系统；数据完成解析后，按照ITU-IEE规范,采用CRC16（CRC多项式为X16+X12+X5+1，CRC初始值为0xFFFF）的算法进行累加和的校验，判断数据经过链路层的传输后是否出现错误。
高速数据组包单元支持数据按照CCSDS102.0-B-5分包遥测协议进行数据组包。数据包定义了遥测源包结构，包括同步码、主导头、副导头以及数据域，利于数据在下传后进行标准化处理。同时，以字节为单位，对数据进行RS（252,256）编码，并在内部进行一级缓存。
高速数据缓存单元控制外部缓存器DDR2-SDRAM，完成数据的缓存，实现高速入口与存储接口之间数据速率的平衡，同时具备对缓存的数据进行ECC校验，对数据在缓存期间受太空环境中的单粒子影响造成的错误进行检测和纠正（检测2比特错误，并对1比特错误进行纠正）；外部缓存空间采用固定分区的原则，对待处理数据按照一级缓存的对应进行二级缓存。
高速数据存储单元能够控制SLC型NAND Flash完成数据的存储管理：在任务阶段，将RS（252,256）编码后的科学数据进行存储；在入境时，将存储中的数据进行回放，同时对数据进行RS（252,256）解码。RS（252,256）编解码对数据在存储期间受太空环境中的单粒子影响造成的错误进行检测和纠正（检测2比特错误，并对1比特错误进行纠正）。
从NAND Flash回放后的数据经高速数据发送单元按照“CCSDS 732.0-B-2，July2006，AOS空间数据链路协议”的标准进行数据组帧。协议定义了传输帧的结构，包括同步码、传输帧主导头、传输帧数据域和校验符号填充。根据传输帧协议，组织实时数据下传帧和回放数据下传帧。
如图2所示，存储单元在轨自检过程如下：（1）接收地面指令，存储系统进入自检模式；（2）主动关闭外部数据接口；（3）原数据在入境时已全部下传完成，在原数据使用意义不大的前提下，进行存储维护。自主进行全存储空间数据擦除操作；（4）读出全部数据，正常情况下，数据全部擦除后，存储空间的内容是0xFF，并非随机数，因此可以读出后与0xFF进行比对，并记录异常存储区地址，并对异常块进行标记；（5）全地址写入指定数据，并监测存储状态，如果出现写入失败，则记录异常块地址，并对异常块进行标记；（6）以页为单位读出上一步写入存储区的数据，并与写入的指定数据同步进行比对，并记录异常存储区地址；（7）全存储空间数据擦除，重新进行物理地址和逻辑地址映射；（8）自主打开外部数据源，等待存储任务，同时将坏块信息通过遥测传送至地面。
系统采用多个芯片并行操作的架构，提出虚拟并行块的概念，存储单元出现的坏块采用静态坏块和动态坏块相结合的管理方式：其中出厂坏块作为静态坏块，芯片厂商会在空余区第一个字节处进行标识，每个LUN（Logical Unit）坏块数不超过80，在进行地址映射时，逻辑地址自主跳过物理地址中的坏块，任务过程中不进行使用；新增坏块作为动态坏块由软件和硬件共同进行管理，在另一个正常块中进行重新写入，由1个逻辑地址与2个不完整的物理块构成的新的物理块进行映射，以保证数据的连续性，同时对出错块进行标记，动态坏块可选择今后不再使用，也可选择进行存储区维护后再次使用。
具体来说，如图3所示，对于坏块的管理策略如下：多个存储芯片并行使用，构成虚拟并行块，将每个出厂坏块对应的虚拟并行块作为一个完整的静态坏块进行处理，在逻辑地址映射时自主跳过坏块，任务过程中不进行使用。而新增坏块作为动态坏块由软件和硬件共同进行管理，具体方法如下：对于出现编程失败的块，在该块内已经完成正常编程的页可以进行数据的读操作，但是需要避免以后对该块的进性写操作或擦除操作；对于编程失败页中的数据，需要在另一个正常块中进行重新写入，以保证数据的连续性，因此在当次写操作过程中，逻辑地址p保持不变，而其对应的物理地址i和i+1则构成新的物理存储块，二者对应的存储空间与一个完整块一致，同时对出错块进行标记。动态坏块可选择今后不再使用，也可选择进行存储区维护后再次使用。通过设计软硬件协同配合的坏块管理机制，可以保证数据的存储正确性和有效性。
本发明实现了星载存储器在轨数据的多级校验，降低了空间粒子造成数据异常带来的影响，提高了系统可靠性。同时，针对异常数据提出了存储单元在轨自检策略，以及存储单元坏块的管理方案。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种多级数据校验的星载存储系统，所述系统包括高速数据接收单元、高速数据组包单元、高速数据缓存单元、高速数据存储单元和高速数据发送单元；其中，
所述高速数据接收单元，用于通过高速串行总线接收来自载荷的科学数据，并经校验后发送至高速数据组包单元；
所述高速数据组包单元，用于按照CCSDS分包遥测协议进行数据组包并发送至高速数据缓存单元；
所述高速数据缓存单元，用于利用外部缓存器进行缓存，并支持数据校验；
所述高速数据存储单元，用于利用外部存储器完成对缓存数据的存储管理，具备在轨自检功能，对功能异常的块进行坏块标记，重新映射地址空间，并对坏块采取静态坏块与动态坏块相结合的策略进行管理；
所述高速数据发送单元，用于在卫星入境后，对高速数据组包单元的实时数据以及高速数据存储单元的回放数据分别组织传输帧，完成数据下传预处理；
所述对坏块采取静态坏块与动态坏块相结合的策略进行管理；具体包括：将出厂坏块作为静态坏块，在地址映射时自主跳过坏块，任务阶段不使用；新增坏块作为动态坏块由软件和硬件共同管理，在数据存储时出现的坏块，由正常块重新写入待存储数据，以保证数据的连续性；动态坏块的处理为今后不再使用或经存储区维护后再次使用。
2.根据权利要求1所述的多级数据校验的星载存储系统，其特征在于，所述高速数据接收单元支持来自高速率接口GTX、中速率接口TLK2711和低速率接口LVDS的串行数据接收和链路层解析，并按照ITU-IEE规范，采用CRC16的算法对接收的数据进行累加和校验，判断经过链路传输是否出现错误。
3.根据权利要求1所述的多级数据校验的星载存储系统，其特征在于，所述高速数据组包单元按照CCSDS102.0-B-5分包遥测协议进行数据组包，组包后的数据包包括同步码、主导头、副导头以及数据域，并以字节为单位对数据包进行RS（252,256）编码，在内部进行一级缓存。
4.根据权利要求3所述的多级数据校验的星载存储系统，其特征在于，所述高速数据缓存单元控制外部缓存器DDR2-SDRAM进行缓存，并对缓存的数据进行ECC校验，对缓存数据在缓存期间受太空环境中的单粒子影响造成的错误进行检测和纠正；
所述外部缓存器采用固定分区的原则，对待处理数据按照一级缓存对应进行二级缓存。
5.根据权利要求4所述的多级数据校验的星载存储系统，其特征在于，所述二级缓存根据特定字节将不同载荷的科学数据组织成不同的文件，按照固定分区进行存储。
6.根据权利要求3所述的多级数据校验的星载存储系统，其特征在于，所述高速数据存储单元利用外部存储器完成对缓存数据的存储管理，具体包括：高速数据存储单元控制外部存储器对缓存数据进行存储管理，对存储期间受太空环境中的单粒子影响造成的错误进行检测和纠正；在任务阶段，存储RS（252,256）编码后的缓存数据；在卫星入境时，回放存储数据，并进行RS（252,256）解码，所述外部存储器为SLC型NAND Flash。
7.根据权利要求3所述的多级数据校验的星载存储系统，其特征在于，所述高速数据存储单元具备在轨自检功能，对功能异常的块进行坏块标记，重新映射地址空间；具体包括：
接收地面指令，高速数据存储单元进入自检模式；
自主关闭外部数据接口；
对外部存储器的全存储空间数据进行擦除操作；
读出全部块数据，逐一与0X0FF进行比对，如果某块比对不一致，则记录异常存储区地址，对异常块进行坏块标记；
全地址写入指定数据，并监测存储状态，如果出现写入失败，则记录异常存储区地址，并对异常块进行坏块标记；
以页为单位读出写入的数据，并与指定数据同步进行比对，如果某块比对不一致，则记录异常存储区地址，并对异常块进行坏块标记；
擦除全存储空间数据，重新进行物理地址和逻辑地址的映射；
自主打开外部数据源，等待存储任务，同时将坏块信息经遥测传送至地面。
8.根据权利要求1所述的多级数据校验的星载存储系统，其特征在于，所述高速数据发送单元采用AOS空间数据链路协议进行数据组帧，数据帧包括同步码、传输帧主导头、传输帧数据域和校验符号填充。
9.根据权利要求1所述的多级数据校验的星载存储系统，其特征在于，所述系统还包括统计模块，用于对校验信息进行统计，判断数据异常类型实现数据在轨异常监测。
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