基于闪存的星载大容量存储器的研究和实现

空间飞行器的数据记录设备是卫星上的关键设备之一。自２０世纪９０年代初起，各航天大国开始研制固态记录器（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｒｅｃｏｒｄｅｒ，简称ＳＳＲ）。由于ＳＳＲ使用半导体存储芯片作为存储介质，所以其存储密度高、无转动部件、可靠性高、体积小、重量轻，因而逐渐成为空间飞行器的数据记录器的主流方案。闪速存储器（简称闪存）作为一种新兴的半导体存储器件，以其独有的特点得到了迅猛的发展，其主要特点有：（１）具有非易失性，掉电时数据不丢失，可靠性高；（２）功耗小，不加电的情况下可长期保持数据信息；（３）寿命长，可以在在线工作情况下进行写入和擦除，标准擦写次数可达十万次；（４）密度大、成本低，存储单元由一个晶体管构成，具有很高的容量密度，且价格也在不断降低；（５）适应恶劣的空间环境，具有抗震动、抗冲击、温度适应范围宽等特点。由于闪存的这些特点，使它受到了航天领域研究人员的关注。２０世纪９０年代中期，Ｆｉｒｅｃｈｉｌｄ公司就曾为Ｆ－１６侦察星成功设计了ＳＳＲ煟菠牐使用的主要存储芯片就是闪存；国内的ＦＹ－２卫星也曾采用闪存作为该星的固态存储器的存储介质。虽然有这些成功的应用案例，但是闪存也存在一些明显的缺点，如写入速度较慢、使用过程中会出现无效块等。本文将探讨如何解决和突破这些缺点，并依此给出一个具体的系统实现方案。

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１．１ 写入速度问题

目前闪存有多种技术架构，其中以ＮＯＲ技术和ＮＡＮＤ技术为主流技术煟长牎＃危希倚蜕链媸撬婊存取的设备，适用于代码存储；ＮＡＮＤ型闪存是线性存取的设备，适用于大容量数据存储煟搐牎＃危粒危男蜕链嬗幸欢ǖ墓ひ当曜迹具有一些统一的特点，现以三星公司的Ｋ９Ｋ１Ｇ０８Ｕ０Ｍ型芯片为例进行介绍。该芯片容量为１Ｇｂｉｔ，由８１９２个块组成，每块又由３２个页组成，一页有（５１２＋１６）×８ｂｉｔ，该片的８位Ｉ／Ｏ总线是命令、地址、数据复用的。读写操作均以页为单位，擦除操作则以块为单位，写入每页的典型时间为２００μｓ煟搐牐平均每写一个字节约需４００ｎｓ，即约２０Ｍｂ／ｓ。这样的写入（编程）速度对于要求高速的应用场合来讲是难以满足的，因此必须采取一定的技术措施。

１．１．１ 并行总线技术

并行总线技术亦称宽带总线技术，即通过拓宽数据总线的带宽实现数据宏观上的并行操作。比如，由四片Ｋ９Ｋ１Ｇ０８Ｕ０Ｍ型闪存芯片组成一个３２位宽的闪存子模块，它们共用相同的控制信号，包括片选信号、读写信号、芯片内部地址等。子模块总是被看做一个整体而进行相同的操作，只是数据加载的时候是不同的数据。这样，数据量将是使用单独一块芯片时的４倍，所以理论上速度也将是非并行时的４倍。

１．１．２ 流水线技术

借鉴现今高性能计算机中的流水线操作原理，可在时间片上实现微观并行。针对闪存的写入速度慢的问题，可以对其进行流水处理。Ｋ９Ｋ１Ｇ０８Ｕ０Ｍ型闪存的写入操作可分为三个步骤：（１）加载操作，即完成命令、地址和数据的载入工作；（２）自动编程操作，即由闪存芯片自动完成编程操作，将载入到页寄存器的数据写到内部存储单元的；（３）检测操作，即在自动编程结束后检测写入的数据是否正确。如果不正确，需要重新编程；如果正确，继续下一步的操作。写流水原理图如图１所示。由图１可以看到，流水线运行起来后，在任一时间片上总有若干小操作在同时进行，即在时间片上实现了复用，因此从整体上看速度将会提高。