高速大容量雷达存储系统的研究与设计

论文摘要

机载SAR成像处理的特点是数据量大、计算量大。这就对作为机载SAR成像系统基础设备之一的存储设备提出了容量和速度上的严格要求。为了满足这一要求,本文设计了一种基于FLASH的高速大容量固态存储系统,具有2TByte的容量和1GByte/s的数据率,为机载SAR提供了高速度、大容量、高实时性和高可靠性的原始数据记录及回放解决方案。调研表明,本文设计的存储系统在性能指标上领先于国内市场上的同类产品。本文从系统结构、存储策略、差错恢复等方面进行了详尽的需求分析和方案阐述,并给出了主控设备FPGA的控制逻辑设计和硬件电路设计。本文首先分析了现有的存储介质的特点和使用范围,根据实际需求选择了NAND型FLASH作为系统的存储主体。经过对NAND型FLASH特性的分析,提出了并行加流水线的存储策略,在提供高容量的前提下极大的提高了数据率,保证了系统的实时性;针对FLASH在使用过程中出现新坏块的特点,设计了基于FPGA片内缓冲的差错恢复机制,保证了系统的可靠性;同时设计了一种实用的文件系统,对多文件的存储提供支持,并保证了系统的可靠性和数据完整性。本文通过对现有数据传输接口的分析,选择RocketIO作为高速的数据接口,并结合Aurora协议设计了基于RocketIO的高速数据通信结构。该通信结构包括物理层和数据链路层,提供高达1GByte/s的数据率和良好的数据传输可靠性。针对多个RocketIO并行工作中可能出现的数据不对齐问题,设计了一种帧同步的方法以保证数据完整性。本文设计了FPGA中的控制逻辑,为数据接口,存储主体和文件系统间提供了高效衔接并为系统的各种工作模式提供主控并设计了存储板的硬件电路。最后,对系统的记录和回放的速率进行了理论上推算,并分析了实际应用中的速率与理论值之间的差别及出现的原因。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 存储系统发展现状
• 1.2.1 国内发展现状
• 1.2.2 国外发展现状
• 1.3 数据存储介质简介
• 1.3.1 磁记录技术
• 1.3.2 光记录技术
• 1.3.3 固态存储技术
• 1.4 本文工作
• 第二章 存储系统需求分析及器件选型
• 2.1 存储芯片选择
• 2.1.1 K9WBG08U1M 的接口说明
• 2.1.2 K9WBG08U1M 型FLASH 中的关键技术
• 2.1.3 K9WBG08U1M 的常用命令
• 2.2 控制器件的选择
• 2.2.1 Virtex-II Pro XC2VP50 关键技术
• 2.3 数据接口的选择
• 2.4 本章小节
• 第三章 存储系统方案设计
• 3.1 数据接口ROCKETIO 及相关协议设计
• 3.1.1 物理层设计
• 3.1.2 数据链路层设计
• 3.1.3 多RocketIO 间的数据同步设计
• 3.2 存储策略及差错恢复方案设计
• 3.2.1 系统存储策略
• 3.2.2 系统的差错恢复机制
• 3.3 文件系统设计
• 3.3.1 目录表
• 3.3.2 block（块）信息表
• 3.3.3 勘误表
• 3.4 存储系统与主控设备之间通信设计
• 3.5 本章小节
• 第四章 FPGA 中控制逻辑的设计与实现
• 4.1 建立初始BLOCK 信息表的控制逻辑设计
• 4.2 存储板控制逻辑设计
• 4.2.1 数据记录功能的实现
• 4.2.2 数据回放功能的实现
• 4.2.3 删除文件功能和格式化功能的实现
• 4.2.4 碎片整理功能的实现
• 4.2.5 目录表回放功能的实现
• 4.3 本章小节
• 第五章 存储板硬件设计要点
• 5.1 数据接口ROCKETIO 设计
• 5.1.1 电源
• 5.1.2 时钟
• 5.1.3 高速差分信号线的布线
• 5.2 FLASH 与FPGA 间接口设计
• 5.3 串口设计
• 5.4 FPGA 配置加载方式的设计
• 5.5 存储板供电的分析与设计
• 5.6 本章小节
• 第六章 存储系统性能分析
• 6.1 实时记录速度分析
• 6.2 脱机回放速度分析
• 第七章 总结与展望
• 7.1 研究成果总结
• 7.2 工作展望
• 7.2.1 系统升级空间
• 7.2.2 进一步研究的方向
• 附录1 缩略语
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文