Содержание к диссертации
Введение
Основные параметры массивов памяти... 15;
Системы, спутниковой связи дистанционного зондирования Земли. 15
Основные параметры и характеристики: массивов памяти для= систем спутниковой связи; дистанционного зондирования.
Земли 19
Магнитно-механические элементы памяти. 20;
Оптические элементы памяти 24
Полупроводниковые элементы памяти. 28
Нараметрь^ влияющие: на-., качество» работы энергонезависимых элементовшамяти, вхистемах спутниковой- связи с выг сокой'скоростью обработки-информации*вгжестких условиях:
окружающей среды. .. 37
Современныегмассивьгпамяти на микросхемах FLASH: 42
Анализ возможности улучшения; параметров; массива памяти, влияющих на качество работы вг высокоскоростных системах спутниковой; связи ".. 46
Контроль числа перезаписей ш чтения информации блоков. памяти1микросхем FLASH ; 47
Контроль температуры и напряжения-перезаписи микросхем FLASH...: 49
Выводы 51
Методы. улучшения^ основных параметров* и характеристик массивов памяти для ССС ДЗЗ-
Дифференциальное (временное);разделение информации 54
Интегральное (пространственное)!разделение информации... 56
Смешанное разделения информации... 59е
Массива памяти на микросхемах типа FLASH для систем спутниковой* связи- со скоростями: доступа к данным 10Гбит/си более 60
Надежность микросхем памяти типа FEASH 60
Дублирование массива памяти: 68
Резервирование:массива памяти 72
Резервирование массива памяти с резервирующими элеменг тами памяти повышенной надежности 74
Построение массива памяти для систем спутниковой связи дистанционного зондирования Земли со скоростями доступа
к данным Л 0 Гбит/с и более. 79
Выводы. 83
Распределение информации: по адресному пространству па- мяти массива на микросхемах типа FLASH . 84
3.1. Существующие распределения информации по адресному пространству массивов памяти на микросхемах типа FLASH 85
3.2. Математическая модель массива памяти на микросхемах ти-naFLASH. 86
3.3. Распределение информации без использования данных файловой таблицы 92
3.4. Распределение информации с использованием данных файловой таблицы 99
3.4.1. Повышение вероятности безотказной работы файловой таблицы. 99
3.4.2. Уменьшение объема хранимой информации в файловойтаб-лице для массивов памяти на микросхемах типа FLASH 101
3.4.3. Увеличение срока активного существования МП 107
3.5. Выводы 113
4. Разработка массивов памяти по предложенным методам, результаты их экспериментальных исследований в жестких условиях окружающей'среды 114
4.1. Разработка массивов памяти повышенной надежности 114
4.2. Проведение квалификационных испытаний массивов памяти
на микросхемах типа FLASH. 118
4.3. Анализ результатов проведенных испытаний на радиационную стойкость микросхем FLASH памяти 125
4.4. Методика отбора радиационно-стойких элементов памяти МПССС 127
4.5. Реализация массивов памяти на микросхемах FLASH с повышенной надежностью для систем спутниковой связи дистанционного зондирования Земли 128
4.6. Выводы 134
Заключение 135
Литература
- Оптические элементы памяти
- Анализ возможности улучшения; параметров; массива памяти, влияющих на качество работы вг высокоскоростных системах спутниковой; связи
- Массива памяти на микросхемах типа FLASH для систем спутниковой* связи- со скоростями: доступа к данным 10Гбит/си более
- Методика отбора радиационно-стойких элементов памяти МПССС
Введение к работе
Актуальность темы. Одним из важнейших направлений развития спутниковых телекоммуникационных систем (СТС) является дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) с абонентским доступом к целевой информации и увеличенным, по сравнению с существующим, сроком активного существования (САС). Данные системы обеспечивают доступ абонентов к требуемой видео и радиолокационной информации о заданном районе Земли. При этом из-за низкой пропускной способностью радиолинии (по сравнению со скоростью выдачи данных источником информации) должно быть осуществлено накопление информации, в процессе которого обеспечивается контроль и исправление ошибок. Задачи накопления информации и обеспечения оперативного доступа абонентов к данной информации выполняет массив памяти (МП).
Учитывая невозможность проведения ремонта аппаратуры на борту космического аппарата, одной из основных задач, повышающих САС массива памяти, является селекция сбоев информации и формирование соответствующих сигналов, позволяющих их устранить. С учётом многомерности контролируемого пространства (аргументы: время t, адресное пространство а, вероятность безотказной работы р, скорость поступающей от сканирующей аппаратуры информации v, интенсивность отказов X) имеет место значительное многообразие параметров, обеспечивающих идентификацию сбоя. Дальнейшее наращивание числа параметров, используемых для контроля при поиске сбоев, должно обеспечивать повышение достоверности их идентификации.
Современные массивы памяти СТС обычно работают в режиме обобщенного выявления сбоев в контролируемом адресном пространстве. Идентификация сбоя, являющегося причиной нарушения работоспособности, реализуется уже с привлечением наземных элементов системы, в том числе операторов целевых систем, что не позволяет оперативно реагировать на данный сбой. Нарастание количества сбоев приводит к сокращению объемов информации передаваемой абонентам и уменьшению САС всей телекоммуникационной системы. Поэтому важно последовательно вводить в
массив элементы опознавания сбоев с их соответствующей обработкой; Соответственно^ важными параметрами1 являются, объемы поврежденной информации, частота ее появления, информация о статистике обращения к ячейкам памяти и т.д. При их совокупном контроле должна проводиться ранговая оценка ситуации с установлением приоритетов и учетом специфики адресного пространства памяти без участия наземной части системы и оператора. Это повышает САЄ системы и увеличивает эффективность СТС. В * связи с выше ; изложенным, актуальным в настоящее время является разработка, взаимно? сопряженных методов, обработки; информации о массивах памяти: Эти методы обеспечивают контроль.параметров- определяющих причины сбоев и принятие адекватного решения; что в.свою?очередь обеспечивает увеличение САЄ спутниковой системы.связи на,31..5 лет (до. 10=
ЛЄТИ более):
Диссертация. ориентирована на спутниковые телекоммуникационные системы-дистанционного зондирования Землиц хотя решаемая в.работе задача весьма?актуальна и-в.других областях, в;частности^ в телекоммуникационных системах обработки и хранения информации, прикладном телеви-
і ;
ДЄНИИ И Др:.
Цель изадачи исследования. Цельюнастоящей'диссертации является исследование и разработка методов^контроля параметров, обеспечивающих повышение срока активного существования массива памяти спутниковых телекоммуникационных систем. Для достижения поставленной цели решены следующие научно-практические задачи:
Г. Исследованы параметры существующих элементов и массивов, памяти, получена численная оценкаувеличения срока активного существования массива памяти при использовании различных методов резервирования. 2. Разработана, математическая-модель массива, памяти, учитывающая специфику электрически перепрограммируемых постоянных запоминающих устройств типа FLASH и получена численная? оценка увеличения срока активного существования массива памяти при использовании различных алгоритмов распределения.информации. На основании данной модели про-
веден анализ возможности повышения надежности файловой таблицы массива.
Разработан метод селекции сбоев с относительной пороговой оценкой специфики сбоя информации в массиве памяти типа FLASH.
Разработан метод формирования статистических данных о параметрах элементов памяти с анализом их достоверности и принятием решения о реконфигурации массива.
Проведены комплексные отработочные испытания устройств созданных по разработанным методам и предложен метод отбора элементов памяти по критерию' чувствительности к радиации - одного из основных параметров, влияющих на срок активного существования системы спутниковой связи.
Методы исследования: При решении поставленных задач в работе использованы современные методы анализа, основанные на теории передачи информации в-радиотехнике, включая элементы теории цифровых многомерных сигналов, теории функционального анализа, теории математической статистики, численного анализа и программирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Исследовано влияние параметров элементов памяти типа FLASH на работу высокоскоростного массива спутниковой телекоммуникационной системы- дистанционного зондирования Земли. Показано, что контроль и минимизация дисперсии числа перезаписей и чтений обеспечивает повышение надежности массива в жестких условиях эксплуатации, таких как открытый космос.
Установлено, что повышение вероятности безотказной работы массива памяти на микросхемах типа FLASH, при минимальном увеличении массы и габаритов спутниковой телекоммуникационной системы дистанционного зондирования Земли, обеспечивается неполным нагруженным резервированием элементами памяти с низкой чувствительностью к числу перезаписей.
Предложен метод повышения срока активного существования массива памяти на FLASH для СТС ДЗЗ. Данный метод включает использование
алгоритма адаптивного распределения информации по адресному пространству массива и основан на контроле статистической информации, вынесенной в энергонезависимую память повышенной надежности. А так же применение функции равномерного распределения данных и оценку относительной надежности блоков памяти.
Практическая ценность работы:
Обосновано увеличение срока активного существования массива памяти на FLASH спутниковой телекоммуникационной системы до 10 лет путем использования нагруженного скользящего резервирования (применения элементов памяти nvSRAM в цепи резервирования, объемом, значительно меньшим, чем общий объем массива памяти).
Разработаны эффективный метод и устройства селекции и минимизации сбоев, обеспечивающие запись информации в блоки памяти с наивысшим значением ВБР.
Предложен алгоритм отбора микросхем FLASH памяти, чувствительных к радиации, что обеспечивает повышение надежности системы спутниковой* связи.
Исследованы предложенные методы, алгоритмы и устройства в жестких условиях эксплуатации и функционирования.
Реализация* и внедрение результатов работы. Результаты работы использованы при разработке бортовых систем сбора и передачи информации космических аппаратов дистанционного зондирования Земли «Метеор-М» и «Электро-Л» на Федеральном государственном унитарном предприятии «Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения», что подтверждено соответствующими актами.
Личный вклад. Все научные результаты в диссертационной работе получены автором лично.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих научно-технических конференциях: НТК профессорско-препода-вательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ (2003- 2006 гг.); Межрегиональная конференция МНТОРЭС им. А.С. Попова «Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания» (2003,
2004г.); Межрегиональная конференция МиНРО НТОРЭС им. А.С. Попова «Обработка1 сигналов в системах наземной радиосвязи и оповещения» (2006-2008 гг.); НТК «Космонавтика, радиоэлектроника, геоинформатика», Рязань (2003, 2007г.); Международные научно-практические конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения». Intermatic, Москва, (2004, 2005 г.); VI Международная НТК «Перспективные технологии в-средствах передачи информации», Владимир, (2005 г.); Московская отраслевая НТК «Технологии информационного общества», Москва, (2007 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы.в 24 печатной, работе, в том числе в 19 работах — без соавторства, в том числе 2 опубликованы* в ведущих рецензируемых научных изданиях и, журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией.
Основные положения, выносимые на защиту:
Выявление влияния процедуры записи/чтения блока электрически перепрограммируемой памяти типа FLASH на срок активного существования массива памяти в условиях открытого космоса-. Сокращение срока активного существования достигает 30%.
Метод динамического определения ненадежности блока электрически перепрограммируемой памяти типа FLASH, путем применения разработанного критерия, основанного1 на контроле параметров блоков массива во время записи информации, обеспечивающий увеличение числа перезаписей до 2x105.
3; Метод адаптивной реконфигурации, основанный на анализе данных
о накопленных сбоях и текущей статистической информации о параметрах массива, обеспечивающий увеличение срока активного существования массива электрически перепрограммируемой памяти типа FLASH системы спутниковой связи на 3.. .5 лет.
4. Устройство памяти на электрически перепрограммируемых микро-
схемах типа FLASH спутниковой системы связи, с нагруженным неполным резервированием, имеющее заданное значение вероятности безотказной работы в заданном периоде времени и прошедшее комплексные отработочные
испытания. (Объем массива 500 Гбайт, скорость записи информации 10 Гбит/с, вероятность безотказной работы за 10 лет — не менее 0,99).
Структура диссертации. Диссертационная' работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста. Список литературы включает 124 наименования.
Краткое содержание работы
В первой' главе представлена структура спутниковой телекоммуникационной системы дистанционного зондирования Земли, определена важность массивов памяти в системе и показаны основные параметры массива. Представлен анализ существующих МП и прогноз их роста и роста требований к параметрам, предъявляемые к массивам памяти спутниковых телекоммуникационных систем дистанционного'зондирования Земли. Выявлены недостатки* существующих МП* при их использовании в бортовых системах сбора и передачи информации СТС.
Определены существенные параметры, влияющие на срок активного существования элементов памяти МП для СТС с высокой скоростью регистрации информации, такие как: чувствительность элементов памяти к внешним воздействиям, объем хранимой информации, скорость доступа к данным, энергопотребление, масса и вероятность безотказной работы. Показана необходимость использования в качестве элементов памяти микросхем типа FLASH. Проведен анализ и выявлены недостатки существующих МП на FLASH и подтверждена невозможность непосредственного использования существующих массивов вперспективных СТС Д331
Рассмотрена возможность улучшения параметров МП, влияющих на качество работы, в СТС ДЗЗ, выявлены параметры элементов памяти FLASH, контроль которых необходим при использовании МП в жестких условиях окружающей среды. Показана целесообразность ведения контроля динамических параметров, таких как число перезаписей и чтений каждой ячейки памяти, текущего напряжения питания- во время записи и чтения информации.
Во второй/главе рассмотрены существующие алгоритмы-повышения? скорости «чтения/записи» данных (временного и пространственного) МП на микросхемах FLASH. Показана целесообразность последовательной комбинации данных алгоритмов. Предложен расчет структуры МП, обеспечивающий скорость регистрации информации до 25 Гбит/с, содержащий при этом до 512"микросхем типа FLASH.
Проведен анализ надежности микросхем и массивов FLASH-памяти СТС учитывающий специфические характеристики микросхем FLASH, выведена формула вероятности безотказной работы (ВБР). Показано что зависимость ВБР от числа перезаписей блока — является, одним из важнейших параметров FLASH, т.к. есть ограничение числа перезаписей, в каждую ячейку памяти (10б при использовании1 корректирующего кодирования. Выведена формула нахожденшгВБР блока памяти типа FLASH от числа пере-записей И'доказана,невозможность организации высокоскоростных МП для, CGC без использования1 методов повышения надежности.
Проанализированы варианты повышения- надежности; основанные на различных типах резервирования. Показано, что использование ненагруженного дублирования МП на микросхемах типа FLASH в спутниковых системах связи нецелесообразно, так как при использовании ненагруженного резерва микросхемы памяти имеют большую накопленную дозу радиации. Использование нагруженного резерва (дублирование) приводит к незначительным улучшениям, общее число перезаписей при заданном значении ВБР1 (0.995) увеличивается в полтора раза, что не достаточно для СТС со САС, равным 10 лет.
Разработана математическая модель,(ММ) МП для СТС. С использованием данной ММ проведены расчеты, которые показали, что использование неполного нагруженного резервирования информации в МС nvSRAM позволяет получить наилучшие значения ВБР МП в заданном интервале числа перезаписей при ограничении таких параметров, как
энергопотребление и габариты. Использование ненагруженного резервирования приводит к резкому снижению скорости доступа к информации.
Основываясь на проведенный анализ разработан новый метод по-строения МП на микросхемах типа FLASH. В основу данного метода вошел алгоритм записи информации, использующий неполный нагруженный резерв, позволяющий повысить число полных перезаписей высокоскоростного массива памяти СТС ДЗЗ до 105 и более.
В третьей главе проведен анализ существующих методов распределения информации по адресному пространству массива памяти. Показаны их недостатки, при использовании в СТС ДЗЗ: высокие требования» к производительности контроллера и увеличенный объем памяти, необходимый для хранения файловой таблицы.
На ММ проведены исследования различных видов распределений информации по адресному пространству памяти. На данной модели рассмотрено большинство функций распределения и сортировки информации, получены результаты неравномерности распределения данных по адресному пространству памяти.
Показана необходимость хранения ФАТ в блоках памяти с пониженной чувствительностью к числу перезаписей и предложено применение микросхем nvSRAM для. хранения данной информации.
Показана недопустимость неверной интерпретации типа сбоя, так каю это приводит к потере большего объема данных и значительно сокращает срок службы МП СТС. Квалифицированны сбои внутри МП. Предложен алгоритм определения критерия одиночного сбоя. Выведена формула нахождения текущего порогового значения критерия блочной ошибки. Определено, что для нахождения критерия одиночных сбоев необходимо проведение форматирования массива памяти.
Разработан алгоритм статистического снижения вероятности появления сбоя за счет контроля динамически изменяющихся параметров, таких как число перезаписей в ячейку памяти и число чтений.
Разработанные алгоритмы динамического- изменения достоверности информации и статистического отбора «ненадежных» блоков памяти позволили разработать новый метод повышения САС МП, за счет обеспечения всестороннего анализа основных характеристик и параметров МП и последующего адекватного реагирования в части реконфигурации структуры массива.
В четвертой главе описана реализация МП с использованием предложенных методов и алгоритмов, а так же предложена методика отбора эле-ментов памяти типа FLASH и регламент проведения квалификационных испытаний массивов памяти.
Разработана методика селекции элементов памяти, чувствительных к радиации, в основу которой/вошел процесс облучения средней интенсивности на установке с активным материалом — Кобальт 60, с непрерывным контролем работоспособности каждого? элемента МП. Уточнены задачи при проведении квалификационных испытаний МП СТС на FLASH. Предложен метод проведения квалификационных испытаний на подтверждение допустимости использования таких МП в СТС. Проведены радиационные испытания ,МП типа FLASH
Полученные значения' параметров разработанных МП превышают заявленные в требованиях к МП для СТС ДЗЗ, что позволяет рекомендовать их применение в этих системах.
Показано что разработанные методы и алгоритмы построения высокоскоростных МП повышенной надежности на микросхемах типа FLASH были реализованы в бортовых системах сбора данных (БССД) дляї малых космических аппаратов негеостационарной орбиты Земли на предприятии ФГУП «РНИИ КП», что подтверждается соответствующими актами о внедрении. В заключении приведены основные выводы и результаты работы. В приложении представлены акты о внедрении разработанных в диссертации методов.
Оптические элементы памяти
Большинство оптических элементов энергонезависимой памяти, так же как и магнитно-механические, содержат механические элементы, необходимые для позиционирования оптической ячейки памяти [82].
Отсутствие двигателя позиционирования существует только в голо-графическом типе памяти формата HVC [115]. Первые продукты потребительского класса, использующие голографическую технологию записи, мо I гут появиться на массовом рынке не ранее 2009 года. Параллельно с дисковыми устройствами формата HVD сотрудники фирмы Optware разработали конструкцию топографических накопителей, рассчитанных на использование специальных карточек HVC (Holographic Versatile Card — универсальная голографическая карта). Согласно обнародованной информации, пластиковый носитель размером с кредитную карту позволит хранить до 30 Гбайт данных. Для работы с HVC будут выпускаться как считывающие, так и записывающие накопители. Коммерциализация данного проекта запланирована на 2008 год.
Перспективной технологией записи информации является многослойные флуоресцентные диски FMD {Fluorescent Multilayer Disc), предложенные компанией Constellation 3D еще в конце прошлого века [112].
Технология FMD основана на явлении фотохромизма, открытом российскими химиками. Его суть заключается в том, что некоторые органические вещества под воздействием мощного лазерного луча способны переходить в особое фазовое состояние - т.н. «стабильный фотохром», после чего начинают излучать свет при облучении лазерным лучом. Свечение это возникает лишь при строго определенной длине волны лазера, а излучаемый свет имеет большую длину волны. Поэтому при воспроизведении FMD очень легко отфильтровать «полезное» свечение информационного слоя от считывающего луча. К тому же мощность лазера в режиме воспроизведения значительно ниже, чем при записи, что еще больше упрощает задачу.
Поскольку фотохромный материал в нерабочем состоянии практически прозрачен, появляется возможность прессовать диски в пакет и записывать информацию на них отдельно. При этом ничто не мешает организовать параллельное считывание данных сразу с нескольких слоев с общей скоростью потока до 1 Гб/с. Запись на FMD осуществляется аналогично считыванию, ношри значительно большей мощности лазерного луча. Для стирания же данных используется другая длина волны, которая приводит к обратимому изменению фазового состояния флуоресцентного вещества, в котором оно перестает светиться Дляг восстановления способности излучать свет достаточно воздействия записывающего лазерного луча.
По сравнению с другими типами носителей флуоресцентный диск обладает следующими преимуществами: принципиальная возможность изготовления пакетов с 20 слоями; информационная емкость, сравнимая с Blu-ray Disc и HD-DVD: При записи лазером с длиной волны 532 нм на 12 слоев емкость FMD-пакета диаметром 12 см составит 50 Гб.
Но как в НЖМД, так и во всех оптических МП, позиционирование считывающего (записывающего) луча осуществляется механическим способом, даже в случае отсутствия двигателя позиционирования как такового, существуют электромагнитные направляющие, что требует защиты от механических ударов, а таюке недопущения воздействия вибрации с большими амплитудами. Еще одним из важнейших недостатков оптических накопителей является невозможность частичной перезаписи информации, что недопустимо в большинстве случаев, когда речь идет об обработке и длительном хранении информации, что требуется в ССС, а не об архивации данных.
Полупроводниковых элементов энергонезависимой памяти существу ет огромное множество, основное их достоинство — отсутствие механиче ских частей, что позволяет применить их в различных системах обработки информации с минимальными ограничениями. Ниже приведена таблица па раметров основных из них, далее идет краткое их описание и область при менения [24,27,117-120].
ROM и EPROM — микросхемы с однократным программированием содержимого ячеек памяти. (EPROM можно стирать ультрафиолетом, если микросхема имеет корпус с прозрачным окном) Невозможность изменения хранимой информации- основная причина, по которой их нельзя применить в МП. Они чаще всего используются для хранения кодов программ-загрузчиков микроконтроллеров.
E2PROM— Микросхема с возможностью многократной перезаписи. Запись и стирание информации в данных микросхемах выполняется электрическим образом. Микросхемы этой группы обладают сравнительно большой емкостью, высокой скоростью доступа при чтении и крайне низкой скоростью» при записи. Число циклов записи, хотя велико, но все-таки огра 1-І Q ниченно (10 " ). Перед выполнением записи новых данных, как правило, требуется выполнить стирание всей памяти. Это очень неудобно и к тому же отнимает много времени. Основное применение E2PROM — хранение кодов программ и некоторых констант в микроконтроллерных системах. Производители — десятки (если не сотни) компаний, среди которых есть и отечественные заводы. Из основных производителей следует назвать Atmel, AMD, Microchip, ST, Winbond, Toshiba.
Анализ возможности улучшения; параметров; массива памяти, влияющих на качество работы вг высокоскоростных системах спутниковой; связи
В большинстве существующих массивов FLASH памяти основным параметром, который контролирует система, является» признак успешности проведения операции, представляющий собой регистр внутри самой микро-схемы типа FLASH, к которому производится доступ после каждой операции. Алгоритм работы-такой системы: определение доступности микросхемы (проверка сигнала готовности); ввод команды и последующий ввод данных, если операция — запись; ожидание выполнения операции (сигнал готовности); вывод данных, если это операция.чтения; чтение регистра статуса.
При получении негативного ответа при чтении регистра1 система в зависимости от типа операции- может ее продублировать, либо скорректиро-вать-адрес данной операции. При дублированном сбое блока памяти система выводит данный блок из списка рабочих и заменяет его резервным, если резервная область памяти доступна:
Некоторые системы доступа к информации МП так же делают попытки контроля общего числа перезаписей каждого блока памяти типа FLASH, для чего система постоянно производит сортировку адресов за счет формирования нового адресного пространства, доступного пользователю, в котором после стирания« части информации, блоки памяти, которые ее содержали, переходят в конец списка доступных. Данный метод фактически- не позволяет обеспечить повышенный срок .службы системы в условиях записей файлов, объемами, соизмеримыми общему объему МП, что подтверждается путем проведения исследований на математической модели, описанной в третьей главе данной диссертации. Но использование алгоритма выравнивания числа перезаписей по всему массиву памяти необходимо для нормальной работы массива памяти CCG ДЗЗ.
Кроме контроля информации1, во время чтения; и записи для/МПГ существует контроль еще нескольких, параметров вс время;- форматирования;массива это число сбойных битов внутри блока отношение объема.резервной области к объему рабочей области. Так во время форматирования, при условии, что число ошибочных битов больше, чем; может исправить существующий алгоритмисправления ошибок, данныш блок помечается как.не рабочий и? выводится из і рабочего- объема. Критерий уровня ошибок в блоке таких системах всегдашостоянен, что; сокращает срок службы системы, так как одним из параметров системьь является; достоверность, например 1-ОЇ9. Такой; подход не, позволяет получить, максимальный срок службы, спутниковой системы, где нет возможности? ремонта. Следовательно существующие ме- тоды;контроля параметров влияющих- ншработоспособность,МЩ. не позволяют обеспечить, наилучший? режим работы системы- вследствие-контроля неполного? перечня, необходимых для;анализа параметров. Так. кроме; контроля: регистров статусаінеобходима система реального выравнивания» пара-метровїчисла записей; а так же чтениягблоковшамяти; так как число чтений информации одного блока так; же ограниченна5105 перезаписями: Для создав ния метода; с более г подробным контролем динамически изменяемых пара-метров; необходимо? квалифицировать существующие4 в; МИ; сбои; обеспечивающие, так называемое «мягкое» решение о/работоспособности блока. Дан-наяшеобходимость .обусловлена не:только дляшовышения..ЄАЄ массива?па-мяти нош обеспечения?его частичной работоспособности пригчастичнойшо-тери памяти, что является .одним из; важнейших факторов для СЄЄ ДЭЗ; так как возможности замены аппаратуры на околоземной:орбите нет.
Каквидно из графиков на-рисунках 1.11 и 1.12 большему воздействию на перечисленные параметры поддаются режимы записи и стирания информации, в микросхемах TrniaFLASH, что связанно с работоспособностью ум ножителя напряжения внутри микросхемы и ростом порогового значения записи при увеличении числа перезаписей. Проблема зависимости работоспособности умножителя напряжения внутри микросхем типа FLASH обусловлена технологией изготовления СМОР и упирается в сложность реализации емкостей с малыми токами утечки.
Решение данной проблемы при условии отсутствия возможности реализации собственной архитектуры микросхемы данного типа - вынос умножителя напряжения во вне корпуса микросхем типа FLASH и его замена более качественным преобразователем напряжения типа DC/DC. Примером такой реализации внешнего умножителя является микросхемы серии МАХ662 фирмы MAXIM, в которых используются внешние емкости. Не целесообразно проводить запись с использованием напряжения значительно превышающего пороговое, так как это приводит к росту скорости «старения» ячеек памяти.
Массива памяти на микросхемах типа FLASH для систем спутниковой* связи- со скоростями: доступа к данным 10Гбит/си более
Структурная схема временного разделения информации Информация поочередно записывается пакетами в ОЗУ каждого из выходов, а из ОЗУ уже более медленно переносится в микросхемы FLASH-памяти. Как видно из рисунка 2.4 частота поступающей информации на элементы памяти максимум в п раз ниже, чем частота поступающей информации из системы ввода/вывода, что позволяет добиться необходимого числа п МС типа FLASH, такого чтобы получить возможность записи поступающей информации с заданной скоростью. То есть: п Fex/Fmca_FLASH, (2-12) где Fmax_FLASH - максимальная частота поступающей информации, для микросхем FLASH-памяти, F — частота поступающей информации.
Определим общее число МС типа FLASH и динамических буферов (ОЗУ), необходимых для записи потока информации 10 Гбит/с, при условии, что максимальная частота поступающей информации, для МС типа FLASH, составляет (при равной разрядности 8 бит) 6 МГц, а источника 1,25 ГГц. Получаем, что число микросхем памяти типа FLASH (п) составляет не менее 208. Столько же требуется МС ОЗУ.
Данный алгоритм записи информации снижает достоверность хранимой информации, что связанно с резким увеличением используемых при чтении и записи микросхем памяти, и высокоскоростных буферов.ОЗУ, работающих на частоте, поступающей1 из системы ввода/вывода информации. При этом, чем выше рабочая частота буфера, тем он более чувствителен к радиации, климатическим условиям и помехам [62].
ВБР МП с данным алгоритмом записи информации определяется как произведение ВБР всех микросхем ОЗУ и FLASH-памя-іи, что объясняется определением выхода из строя МП как потеря информации при ее записи. Потеря информации происходит при выходе из строя одной из микросхем массива. РобіЦ = (Р ОЗУ] Р 1 FLASH) (Р ОЗУ2 Р2 FLASH) (Р ОЗУп Рп FLASH) , (2.13) где РОЗУ - ВБР ОЗУ; PFUSH - ВБР МС типа FLASH. Из формулы видно, что данный, алгоритм записи имеет низкую надежность. На сегодняшний день такой алгоритм обычно используетсяпри условии, что п 16, так как работа на частотах, близких к гигагерцам резко снижает надежность аппаратуры [27].
Применение алгоритма временного разделения информации: ОЗУ процессоров в персональных и индустриальных компьютерах (п = 2); получение информации от АЦП (п до 16); получение информации от цифровых регистров.
Таким образом, применение временного разделения информации не целесообразно при частотах смены данных близких к одному гигагерцу, что не позволяет добиться требуемых скоростей ввода информации (1,25 ГГц).
Пространственное разделение информации1 основано на разделении данных в пространстве, то есть источник информации в определенный момент времени соединен с одним определенным получателем информации. В следующий момент времени источник, информации будет соединен со следующим определенным получателем. В отличие от временного разделения информации в пространственном происходит потактовое распределение данных, то есть отсутствует пакет, а существуют одиночные слова записи в заданной последовательности.
Алгоритм пространственного разделения информации не требует высокоскоростных ОЗУ, достаточно одного демультиплексора, работающего на частоте, поступающей из системы ввода/вывода информации, что допустимо для реализации и повышает общую надежность, но не устраняет другие недостатки дифференциального алгоритма.
На рисунке 2.5 представлена структурная схема данного алгоритма. Информация «из системы ввода/вывода поступает в демультиплексор, где поочередно защелкивается в каждом из т регистров, частота записи в каждый из регистров должна быть равна частоте записи информации из регистров в МС типа FLASH. Следовательно, число регистров пропорционально частному частот поступающих от источника информации и записываемой в МП. То есть данный алгоритм понижает частоту поступления информации выходной шины, за счет увеличения разрядности информации.
Методика отбора радиационно-стойких элементов памяти МПССС
Всю файловую таблицу устранить из МП невозможно, так как при записи данных в массив памяти информация в файловой таблице так же изменяется, что приводит к ухудшению вероятности безотказной работы блоков памяти, в которых расположена файловая таблица. Существующие способы решения данной проблемы основаны на создании области специализированных адресов для файловой таблицы, где она постоянной меняет адрес блоков памяти, в которой хранится в данный момент времени. Обычно объем такого адресного пространства для файловой таблицы составляет до 16 объемов самой файловой таблицы [93].
Рассчитаем вероятность безотказной работы файловой таблицы при записи аудиоданных, что обоснованно тем, что файлы аудиоданных достаточно малы, а их число в устройстве энергонезависимой памяти может составлять до нескольких тысяч. Допустим, что один аудио файл может поместиться в один блок FLASH памяти, тогда число перезаписей блоков і іХЯ-памяти содержащей файловую таблицу можно описать в виде одной шестнадцатой суммы перезаписей каждого блока памяти. 1 " =1. -. (3.18)
Другими словами, число перезаписей в блоках памяти файловой таблице кратно не только числу перезаписей в каждый блок, но и числу блоков — т. А, следовательно, раньше других из строя выйдет файловая таблица, что приведет к полной потере данных в устройстве энергонезависимой памяти. Тогда график вероятности безотказной работы устройства энергонезависимой памяти (64 микросхемы) будет выглядеть следующим образом (при условии, что за один цикл записи заполняется не менее 50% от общего объема памяти):
Решением данной проблемы - вывод файловой таблицы из энергонезависимой памяти типа FLASH, и хранение ее в памяти с минимальной чувствительностью к числу перезаписей. Как уже было сказано во второй главе - наилучшим вариант для этого является память типа nvSRAM, что обусловлено объемами файловой таблицы, объем которой в тысячу раз меньше чем общий объем энергонезависимой памяти, а это соответствует объемам хранимой информации в одной микросхеме nvSRAM. Тогда вероятность безотказной работы файловой таблицы, минимально зависящий от распределения записей информации будет выглядеть, как показано на рисунке 3.10 Р0(п) — показанной для устройства энергонезависимой памяти, содержащей 64 микросхемы типа FLASH.
При использовании существующих методов распределения информации по адресному пространству объем файловой таблицы значительно увеличивается, за счет добавления в нее информации о количестве перезаписей в каждый блок памяти. Из-за этого файловая таблица может увеличиться в два и более раза. Так же данные методы имеют ограничения по скоростным характеристика МП.
Целесообразно уменьшить общий объем файловой таблицы, за счет уменьшения объема данных содержащие информацию о количестве перезаписей каждого блока.
Предлагается алгоритм, который после каждой записи файла сортирует физическое адресное пространство так, чтобы предоставляемое адресное пространство в начале содержало блоки памяти с наименьшим количеством перезаписей, а в конце — с наибольшим.. Тогда: используя существующие мег тоды записи»можно: записывать информацию без использования, какого либо распределения, причем; уже при количестве перезаписей более тысячи, разность числа перезаписей по, всему адресному пространству устройства энергонезависимой памяти будет минимально. ДЛЯЇ подтверждения; сказанного выше проведем анализ данного алгоритма на разработанной математической модели.
Ниже представлены: графики распределения информации;, при условии, что объем записываемых данных до стирания некоторой части данной, информации составляет около50% от общего объема;,
Как подтверждает анализ на5 математической, модели, разность между числом перезаписей во всем адресном пространстве энергонезависимой памяти на микросхемах типа FLASH значительно меньше, чем у существующих алгоритмов и не превышает 200J что, позволяет накаждый блок памяти резервировать не; более одного- байта:, и контролировать только разность между максимальным1 и минимальным значением числа перезаписей в; адресном Пространстве блоков памяти.
Данный метод так же основан на уже существующих алгоритмах, что позволяет его включить в созданные устройства с минимальными доработками; Ерафики вероятностей1 данного метода максимально близки к графикам, представленным на рисунке 3.8 и показаны на следующем рисунке:
