高速大容量固态电子记录器制造技术

本发明专利技术公开了一种高速大容量固态电子记录器，涉及数据记录器技术，其存储模块用NandFlash芯片作存储介质。存储模块将NandFlash芯片阵列以并行和串行扩展相结合的方式组合起来，通过并行扩展提高存储速率，通过串行扩展提高存储容量；FPGA完成NandFlash芯片阵列管理；数据分发模块接收并缓存外界输入数据，在存储模块处于空闲时，将数据组包后传输给存储模块；控制模块受控于上位机，它控制数据分发模块和存储模块，共同完成记录器的全部功能；底板模块实现各模块的电气和机械连接，用来传输电源、命令和数据。本发明专利技术体系结构合理，使得记录器整体性能得到了大幅提高：记录速度达到GB/s量级，容量达到TB量级。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及数据记录器
，特别涉及合成孔径雷达(SAR)、红外、可见光 CCD相机、高光谱仪等的原始数据记录器。
技术介绍
数据记录器是合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)系统的一个重要组成部分。它记录SAR的原始数据和辅助数据(飞参、SAR的状态、控制等信息)。等SAR 停止工作时，将数据记录器的数据回放到通用计算机中，以便地面成像处理中心对它们进行精确成像处理，获取高质量的SAR图像。数据记录器除了应用到SAR系统外，还广泛应用于红外、可见光CCD相机、高光谱仪等原始数据记录，高能物理和自动测试设备中，起到了非常重要的作用。以SAR为例，说明随着技术的发展对数据记录器提出的要求。衡量SAR的几个重要指标是分辨率和测绘带宽等。这两个指标的提高，意味着需要记录的SAR原始数据量成倍增加。所以就SAR这种典型的有效载荷而言，为了满足它日新月异的发展，对原始数据记录器提出了非常严格的要求 记录速率持续记录速率达到300MB/S以上；·记录容量达到TB量级； 在环境适应性方面，能够满足GJB150-1986的要求。目前主流的数据存储设备使用SCSI磁盘作为存储介质，其工作原理框图如图1所示。外界的高速数据流进入记录器后首先被缓存下来，保证记录器内外数据传输速度的匹配，为内部数据记录作准备。缓存一般使用FIFO实现，FIFO的输入端对应外界输入的数据流，在数据记录时，外界源源不断将数据写入大容量FIFO中；FIFO的输出端由内部控制器控制，在各个磁盘空闲的情况下，数据分发模块将FIFO中的数据读出来，分发到各个数据记录通道中。之所以采用多个通道，主要是考虑到单个磁盘的记录速度是有限的，为了提高整个记录器的记录速度，将多个磁盘并列起来，作为一个磁盘阵，那样就能够极大地提高记录器的记录速度。每个通道主要由SCSI磁盘控制器和SCSI磁盘两个部分组成。SCSI磁盘控制器接收到数据分发模块发过来的数据后，将数据打包，然口按照一定的格式输入到专门的SCSI协议转换器中(常用的芯片有FAS466)，实现通用的数据格式到SCSI协议的转换。转换后的数据流输入到SCSI磁盘中，按照一定的顺序写入到磁盘。整个记录器在核心微控制器的控制下，完成记录器的各种功能。另外，记录器作为一个系统的部件，它与系统主控之间通过串行接口实现通信和控制。基于SCSI磁盘的记录器通过并行扩展SCSI磁盘极大地提高了记录容量和记录速率。按照图1所示的结构，只要空间和功耗允许，这种记录器能够将记录容量提高到TB量级，记录速率达到GB/s。这种结构能够得到广泛应用的另一个重要原因是开发难度相对简单，成本低廉。不过基于SCSI磁盘的数据记录器也存在一些缺点1)抗振动性能差；2)功耗大；3)工作温度范围比较窄。自20世纪90年代以来各航天大国开始研制固态记录器(Solid StateRecorder, 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中数据记录器的主流方案。SSR应用于SAR系统还是2005年以后的事情。随着单片半导体存储芯片的容量增加，成本下降，SSR作为SAR原始数据记录器逐渐成为现实。另外，SSR克服了磁盘记录器的缺点也是其得到重视的重要原因。半导体存储器件的种类有许多，常见的有DRAM，SRAM,闪存，EPROM和EEPROM等。 目前比较实用的存储介质为DRAM和闪存。DRAM的单片容量大，存取速率高，但是需要定时刷新，掉电数据丢失，以及与其他芯片相比较功耗较大等。SSR研究早期，以DRAM为主的大容量固态记录器是主流技术。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，已经应用于多个领域。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；( 功耗低，不加电的情况下可以长期保持数据信息；C3)寿命长，可以在工作的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， 具有抗振动、抗冲击、温度适应范围宽等。从当前的发展来看，单片闪存的容量已经超过了单片DRAM的容量。可以预见，以闪存为主的数据存储设备将会成为主流。
技术实现思路
本专利技术的目的是公开一种高速大容量固态电子记录器，解决现有技术存在的问题，达到高速海量记录原始数据。为达到上述目的，本专利技术的技术解决方案是一种高速大容量固态电子记录器，包括通信控制模块、数据分发模块、存储模块、 底板模块和电源模块；其存储介质为NandFlash芯片，包括多数个NandFlash芯片，整个记录器的体系结构采用并行扩展和串行扩展相结合的方式，将多数个NandFlash芯片并行扩展提高存储速度，串行扩展提高存储容量；其中，通信控制模块采用ARM9作为微控制单元，通过RS422/RS485总线与上位机通信，使用自定义的ISA总线与存储模块和数据分发模块通信，实现各种控制功能；数据分发模块充当外界的数据源和存储模块之间的桥接器作用，它接收外界输入的数据流，然后按照存储模块的要求对数据进行组包处理后传输给存储模块；在存储模块处于编程的时候，将输入数据缓存下来，等到存储模块空闲后，再将这些数据快速传输给存储模块；数据分发模块由四个通道组成，每个通道的缓存大小为256MB，这四个通道在FPGA 的控制下根据需要实现任意组合；存储模块将输入的数据存入到NandFlash芯片中，其中多数个NandFlash芯片采用串行扩展和并行扩展相结合的方式组织起来，由一片FPGA实现对多数个NandFlash芯片的控制，一个记录器由若干个存储模块组成；底板模块在总线布局上采用级联方式，保证当前存储模块是后面存储模块的主控制器，使便于扩展记录器的存储容量，并且不会因为模块的增加而加重控制总线的负担；电源模块提供整个记录器所需要的全部电源。所述的高速大容量固态电子记录器，其所述多数个NandFlash芯片，为1 片，并行扩展总线为128bits。所述的高速大容量固态电子记录器，其所述数据分发模块用SDRAM作为缓存，采用FPGA控制SDRAM实现乒乓FIFO的功能，在一片FPGA内部集成了两个SDRAM控制器，极大地节省了成本和功耗，能够很好地满足高速记录器的要求。所述的高速大容量固态电子记录器，其所述一片FPGA内部集成了两个SDRAM控制器，是一个协议转换器；SDRAM控制器提供两个接口 应用接口和SDRAM接口 ；SDRAM接口具有控制SDRAM所需要的全部控制信号，包括地址和数据总线，产生的时序遵循SDRAM的操作时序，实现了与SDRAM的无缝连接；应用接口提供了非常简单的类似于操作SRAM的控制时序，通过该接口，SDRAM控制器获取目的地址和数据内容，然后将它们转换成为SDRAM的控制时序，实现向SDRAM写入或读出数据的目的；同时，SDRAM控制器在不需要用户介入的情况下实现了对SDRAM的自动刷新，防止数据的丢失。SDRAM控制器对SDRAM进行了协议封装，并且由于其使用硬件描述语言实现， 可以在不同类型的FPGA上进行移植和复制，极大地简化了本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种高速大容量固态电子记录器，包括通信控制模块、数据分发模块、存储模块、底板模块和电源模块；其特征在于，存储介质为ＮａｎｄＦｌａｓｈ芯片，包括多数个ＮａｎｄＦｌａｓｈ芯片，整个记录器的体系结构采用并行扩展和串行扩展相结合的方式，将多数个ＮａｎｄＦｌａｓｈ芯片并行扩展提高存储速度，串行扩展提高存储容量；其中，通信控制模块采用ＡＲＭ９作为微控制单元，通过ＲＳ４２２／ＲＳ４８５总线与上位机通信，使用自定义的ＩＳＡ总线与存储模块和数据分发模块通信，实现各种控制功能；数据分发模块充当外界的数据源和存储模块之间的桥接器作用，它接收外界输入的数据流，然后按照存储模块的要求对数据进行组包处理后传输给存储模块；在存储模块处于编程的时候，将输入数据缓存下来，等到存储模块空闲后，再将这些数据快速传输给存储模块；数据分发模块由四个通道组成，每个通道的缓存大小为２５６ＭＢ，这四个通道在ＦＰＧＡ的控制下根据需要实现任意组合；存储模块将输入的数据存入到ＮａｎｄＦｌａｓｈ芯片中，其中多数个ＮａｎｄＦｌａｓｈ芯片采用串行扩展和并行扩展相结合的方式组织起来，由一片ＦＰＧＡ实现对多数个ＮａｎｄＦｌａｓｈ芯片的控制，一个记录器由若干个存储模块组成；底板模块在总线布局上采用级联方式，保证当前存储模块是后面存储模块的主控制器，使便于扩展记录器的存储容量，并且不会因为模块的增加而加重控制总线的负担；电源模块提供整个记录器所需要的全部电源。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李和平，张弛，李先楚，董海，张琦，
申请(专利权)人：中国科学院电子学研究所，
类型：发明
国别省市：11