基于加權(quán)評(píng)分量化方式的機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)計(jì)

摘 要： 為了更加合理地制定機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)計(jì)方案，根據(jù)機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)規(guī)范，以及結(jié)合功能性能技術(shù)要求制定設(shè)計(jì)方案。由于采用自頂向下的設(shè)計(jì)原則，文中總結(jié)分析了影響設(shè)計(jì)方案制定的幾個(gè)頂層相關(guān)項(xiàng)：傳輸總線、微控單元、存儲(chǔ)接口、存儲(chǔ)介質(zhì)、存儲(chǔ)格式，并提出以加權(quán)評(píng)分?jǐn)?shù)學(xué)模型的量化方式設(shè)計(jì)機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。通過逐步細(xì)化相關(guān)項(xiàng)，對(duì)比分析不同形式方案，按照加權(quán)評(píng)分量化方式的評(píng)分準(zhǔn)則選擇一種基于ARM架構(gòu)芯片的機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)計(jì)模式。文中所設(shè)計(jì)的機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備在某型機(jī)綜合數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中得到應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，該產(chǎn)品設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠，能夠滿足指標(biāo)要求?；诩訖?quán)評(píng)分量化方式的設(shè)計(jì)方案合理有效，對(duì)機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的設(shè)計(jì)研制具有參考意義。

關(guān)鍵詞： 機(jī)載數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)； 加權(quán)評(píng)分； 量化設(shè)計(jì)； 傳輸總線； 數(shù)據(jù)傳輸； 存儲(chǔ)介質(zhì)

中圖分類號(hào)： TN919?34； TP311" " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號(hào)： 1004?373X（2024）08?0175?07

Design of airborne data storage equipment based on weighted score quantification method

WU Shujun

（China National Aeronautical Radio Electronics Research Institute， Shanghai 200241， China）

Abstract： In order to develop more reasonable airborne data storage equipment design scheme， a design plan is made according to the design principles， design specifications， functional and technical requirements of airborne data storage equipment. The several top?level related items that affect the formulation of the design scheme： transmission bus， microcontroller unit， storage interface， storage medium and storage format are summarized and analyzed， and a airborne data storage device is designed by means of the quantitative method of weighted scoring mathematical model. The relevant items are refined gradually， and the comparison analysis of the schemes with different forms are conducted， a airborne data storage equipment design mode based on ARM architecture chip is designed according to the scoring criteria based on weighted scoring quantification. The designed airborne data storage device has been applied in a comprehensive data management system for a certain type of aircraft. The application results show that， the design product is stable and reliable， and can meet the requirements of the index. The design scheme based on weighted score quantification is reasonable and effective， and has reference significance for the design and development of airborne data storage equipment.

Keywords： airborne data; data storage; weighted score; quantitative design; transmission bus; data transmission; storage medium

0" 引" 言

機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備是運(yùn)行飛機(jī)任務(wù)數(shù)據(jù)獲取與存儲(chǔ)的必要組成部分。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)直接影響航空電子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐率，特別是新型飛機(jī)航空電子系統(tǒng)總數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量不斷增大，為了提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速率，需要合理設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸總線、存儲(chǔ)介質(zhì)的寫速度、寫入方式、壓縮數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)標(biāo)記與恢復(fù)等[1?5]。雖然我國在航空工業(yè)方面起步較晚，但是近年來已取得較大進(jìn)展，特別是機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備研制水平得到明顯提高。任敏采用模塊化方式及自定義接口設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的雙通道機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)[6]；張志偉等設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的高速大容量雙冗余機(jī)載雷達(dá)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)[7]；江緒慶使用P2020處理器和eMMC存儲(chǔ)芯片實(shí)現(xiàn)機(jī)載嵌入式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[8]；蔣閔通過1553B、UART等接口，基于Zynq?7000 SOC實(shí)現(xiàn)無人機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)控評(píng)估[9]；王代華等使用FPGA為核心控制器，設(shè)計(jì)一種機(jī)載多路串口數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)[10]；孟若彤采用集成ARM與FPGA的異構(gòu)多核SOC芯片，提出一款太陽能無人機(jī)用機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀[11]。以上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案各有特點(diǎn)。因此，為了更加合理地制定機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)計(jì)方案，針對(duì)機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備頂層相關(guān)項(xiàng)和設(shè)計(jì)架構(gòu)，基于加權(quán)評(píng)分量化方式的數(shù)學(xué)模型，本文介紹分析了當(dāng)前信息傳輸網(wǎng)絡(luò)常用的傳輸總線形式、ARM架構(gòu)嵌入式微控制單元種類、數(shù)據(jù)傳輸通道主流總線、存儲(chǔ)介質(zhì)選型以及數(shù)據(jù)的組織記錄格式，通過方案對(duì)比分析，提出一種基于ARM架構(gòu)四核Cortex A7芯片的機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)計(jì)方案。實(shí)測結(jié)果證明，該加權(quán)評(píng)分量化方式合理有效，所設(shè)計(jì)產(chǎn)品穩(wěn)定可靠、帶寬高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，滿足航空電子系統(tǒng)的一般指標(biāo)性要求。

1" 方案設(shè)計(jì)

機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部件，用于記錄飛機(jī)艙內(nèi)音視頻及總線數(shù)據(jù)。此外，機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備還可作為數(shù)據(jù)的加載容器，用于機(jī)上加載任務(wù)計(jì)劃數(shù)據(jù)。機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。設(shè)備硬件和軟件均采用自頂向下的設(shè)計(jì)原則，頂層的相關(guān)項(xiàng)主要包括傳輸總線、微控單元、存儲(chǔ)接口、存儲(chǔ)介質(zhì)、存儲(chǔ)格式。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮以下因素：可靠性、測試性、維修性、保障性、安全性和適應(yīng)性。機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備外部接口分為數(shù)據(jù)傳輸總線接口（電信號(hào)或光信號(hào)接口）、供電接口以及調(diào)試接口。設(shè)備內(nèi)部由數(shù)據(jù)處理模塊、電源模塊和存儲(chǔ)介質(zhì)三部分組成。機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備上電初始化和自檢測結(jié)束后，進(jìn)入正常工作狀態(tài)，并與其他數(shù)管類設(shè)備建立握手連接，等待命令完成相應(yīng)任務(wù)。

1.1" 模型建立

按照機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的設(shè)計(jì)架構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型。設(shè)備方案的任何相關(guān)項(xiàng)選擇失誤都會(huì)導(dǎo)致功能、性能無法完全實(shí)現(xiàn)。在不考慮電源模塊因素條件下，其內(nèi)部頂層各相關(guān)項(xiàng)主要包括傳輸總線、微控單元、存儲(chǔ)接口、存儲(chǔ)介質(zhì)、存儲(chǔ)格式，如圖2所示。并且所建立的數(shù)學(xué)模型各相關(guān)項(xiàng)為串聯(lián)關(guān)系。

機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的加權(quán)評(píng)分量化方式是根據(jù)所有相關(guān)項(xiàng)在整個(gè)設(shè)計(jì)中所占的相對(duì)重要性制定的，其數(shù)學(xué)模型如下：

[ω=i=1nλi?ωi] （1）

式中：i=1，2，…，n，通常n≥5；[λi]為第i個(gè)相關(guān)項(xiàng)權(quán)重系數(shù)，所有相關(guān)項(xiàng)的權(quán)重系數(shù)之和等于1；ωi為第i個(gè)相關(guān)項(xiàng)的評(píng)分，無量綱，參數(shù)越大結(jié)果越優(yōu)；ω為設(shè)計(jì)的機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備評(píng)分。

由于相關(guān)項(xiàng)的評(píng)分?jǐn)?shù)ωi主要受開發(fā)成本、可利用的性能資源、項(xiàng)目指標(biāo)的符合程度以及環(huán)境適應(yīng)性影響，因此ωi可定義如下：

[ωi=j=14rij] （2）

式中，[rij]為第i個(gè)相關(guān)項(xiàng)的第j個(gè)因素的評(píng)分，j=1代表開發(fā)成本，j=2代表性能資源水平，j=3代表指標(biāo)符合程度，j=4代表環(huán)境適應(yīng)性。以上所有因素評(píng)分準(zhǔn)則詳見表1。

1.2" 評(píng)分方法

依據(jù)各相關(guān)項(xiàng)的開發(fā)成本、性能資源、指標(biāo)符合和環(huán)境適應(yīng)等因素，采取量化評(píng)分法進(jìn)行方案評(píng)估。分配遵循準(zhǔn)則如下：

1） 開發(fā)成本。它是根據(jù)當(dāng)前相關(guān)項(xiàng)（傳輸總線、微控單元、存儲(chǔ)接口、存儲(chǔ)介質(zhì)、存儲(chǔ)格式）綜合考慮工作量、開發(fā)難度、制造成本來評(píng)定，最低的評(píng)10分，最高的評(píng)1分。

2） 性能資源。采用相關(guān)項(xiàng)的性能技術(shù)水平和可利用資源量來評(píng)定，最低的評(píng)1分，最高的評(píng)10分。

3） 指標(biāo)符合。根據(jù)所設(shè)計(jì)設(shè)備滿足指標(biāo)要求的程度來評(píng)定，通常滿足指標(biāo)評(píng)定為10分，最低的評(píng)1分，最高的評(píng)10分。

4） 環(huán)境適應(yīng)。根據(jù)設(shè)備所能適應(yīng)的環(huán)境嚴(yán)酷類型，包括高低溫、振動(dòng)、鹽霧、電源特性及EMC特性等，通常滿足指標(biāo)評(píng)定為6分，優(yōu)于指標(biāo)根據(jù)具體情況評(píng)定，是指標(biāo)符合度的補(bǔ)充。最低的評(píng)1分，最高的評(píng)10分。根據(jù)上述公式（1）和公式（2），確定評(píng)分因素的各評(píng)分值，計(jì)算各相關(guān)項(xiàng)評(píng)分。最后計(jì)算總分，從而獲得量化后的設(shè)計(jì)方案評(píng)分結(jié)果。在設(shè)備方案設(shè)計(jì)階段，需要對(duì)方案評(píng)分進(jìn)行不斷地修改和完善，以進(jìn)行合理地分配和預(yù)計(jì)，尋找設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，加強(qiáng)方案改進(jìn)，使設(shè)備的指標(biāo)得到不斷提高。

2" 對(duì)比分析

2.1" 傳輸總線

機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備從總線鏈路接收數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理等操作后，按數(shù)據(jù)類別寫入存儲(chǔ)介質(zhì)，或?qū)⒋鎯?chǔ)介質(zhì)內(nèi)的數(shù)據(jù)讀出，進(jìn)行數(shù)據(jù)組織后，通過總線鏈路傳給其他數(shù)管類設(shè)備或子系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)加載。

選擇應(yīng)用何種通信協(xié)議總線作為數(shù)據(jù)主干道是實(shí)現(xiàn)新一代航空電子系統(tǒng)通信業(yè)務(wù)的關(guān)鍵。通常根據(jù)系統(tǒng)功能使用不同的總線，常用的機(jī)載數(shù)據(jù)傳輸總線有1394B、FC、AFDX、TTE等[12]。其中：1394B成本低、傳輸速率高，適合長距離傳輸；FC具有高帶寬、抗電磁干擾能力強(qiáng)，并且穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，常用于構(gòu)建大型的數(shù)據(jù)傳輸與通信網(wǎng)絡(luò)；AFDX最多可支持1 024個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，且具有高可靠性和強(qiáng)實(shí)時(shí)性；TTE是時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)，通過全局時(shí)鐘精確同步，使其具有高數(shù)據(jù)量、高實(shí)時(shí)性和高可靠性的特點(diǎn)，作為分布式高確定性安全信息傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，兼容AFDX與以太網(wǎng)。數(shù)據(jù)傳輸總線對(duì)比如圖3所示，機(jī)載數(shù)據(jù)傳輸總線簡介見表2。

2.2" 微控單元

微控單元（MCU）是機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的主要控制中樞，負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)組織處理、管理控制等工作。目前，主要的幾種MCU架構(gòu)分別是X86、ARM、MIPS等。其中，ARM在嵌入式領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，其架構(gòu)已經(jīng)發(fā)展到ARM V8，32/64兼容指令集。由于ARM芯片的芯核結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部功能配置組合較多，廠商在ARM的IP核上開發(fā)出自己的ARM芯片，生產(chǎn)廠家多達(dá)幾十家。其中，ARM Cortex A系列為功能性較強(qiáng)的應(yīng)用處理器，ARM Cortex R系列為實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理器，ARM Cortex M系列為超低功耗的微控制處理器；ARM7、ARM9、ARM11屬于經(jīng)典版本系列。國內(nèi)廠商如中國電子集團(tuán)、華為海思、瑞星微、復(fù)旦微等采用的是ARM架構(gòu)，而中科院采用的是龍芯架構(gòu)。部分廠商MCU的基本參數(shù)見表3。

在對(duì)MCU選型時(shí)，主要依據(jù)普遍性、供期短、持續(xù)性、可替代、性價(jià)比高等原則，同時(shí)要注意以下幾點(diǎn)處理器指標(biāo)，包括：處理器架構(gòu)、系統(tǒng)時(shí)鐘（主頻）、高速緩存、指令集、操作處理數(shù)據(jù)位、存儲(chǔ)器類型（哈佛或馮諾依曼）、內(nèi)存容量、操作系統(tǒng)、浮點(diǎn)運(yùn)算、DMA、支持的中斷、控制器、接口類型及數(shù)量、功耗、芯片尺寸、封裝、溫度范圍等[13]。其中，片內(nèi)的存儲(chǔ)器多用于可執(zhí)行程序的存儲(chǔ)，對(duì)存儲(chǔ)器要求主要考慮BootLoader的大小。

2.3" 存儲(chǔ)接口

機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備接收并記錄大量的數(shù)據(jù)。當(dāng)前操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)層主要支持三種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接口規(guī)范，分別是高級(jí)主機(jī)控制器接口規(guī)范（AHCI）、非易失性內(nèi)存主機(jī)控制器接口規(guī)范（NVMe）和小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口規(guī)范（SCSI），而采用其他協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的接口方式是將FLASH作為外設(shè)處理[14]。其中：AHCI適用于部分卡、機(jī)械硬盤和固態(tài)硬盤（SSD）；而NVMe只適用于部分卡和SSD；SCSI主要應(yīng)用在服務(wù)器高端存儲(chǔ)上。根據(jù)接口規(guī)范主流總線主要有三種，分別是串行高級(jí)技術(shù)附件總線（SATA）、高速串行計(jì)算機(jī)擴(kuò)展總線（PCIe）和串行連接SCSI總線（SAS）。SATA記錄模式功耗低、容量大，具有數(shù)據(jù)管理功能，但是存在帶寬相對(duì)低且不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)卸載慢等缺陷。FPGA通過PCIe接口控制NVMe固態(tài)硬盤，誤碼率極低，帶寬持續(xù)穩(wěn)定，速度快，輕便易攜；但是，PCIe SSD由于閃存顆粒和主控品質(zhì)問題，成本較高，且占用總線通道。SAS是新一代SCSI串行技術(shù)，具有更高的傳輸速率，可向下與SATA硬盤兼容。存儲(chǔ)介質(zhì)接口分類框架如圖4所示。

與SATA和SAS存儲(chǔ)技術(shù)相比，PCIe（NVMe協(xié)議）更昂貴、更難加固、功耗更高，低溫下要保證最佳性能狀態(tài)挑戰(zhàn)性較高。因此，PCIe（NVMe協(xié)議）商業(yè)應(yīng)用更加成熟。PCIe不如SATA和SAS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)堅(jiān)固耐用，在極端溫度、沖擊、振動(dòng)下封裝困難，并且NVMe的M.2（二代mini硬件接口）和U.2驅(qū)動(dòng)器不堅(jiān)固。除上述外，在選擇存儲(chǔ)接口時(shí)，還要考慮存取速度、容量分配、更高的吞吐能力（IOPS）、操作效率等。常用總線接口數(shù)據(jù)傳輸速率如圖5所示。

2.4" 存儲(chǔ)介質(zhì)

機(jī)載數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)種類多樣，同時(shí)需要保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)快速處理，因此對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)性能要求較高。便攜式存儲(chǔ)介質(zhì)采用NAND型FLASH直接訪問存儲(chǔ)架構(gòu)，以宏塊（Block）為單位擦寫的EPROM，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)允許被多次擦或?qū)懀呀?jīng)是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備首選存儲(chǔ)介質(zhì)[15?16]。Block是執(zhí)行擦除操作的最小單元，由數(shù)據(jù)ID號(hào)相同并且在物理位置上相鄰的頁（Page）所構(gòu)成。Page是執(zhí)行編程和讀操作的最小單元，由多個(gè)存儲(chǔ)單元（Cell）組成。Cell是執(zhí)行擦讀寫的最小單元，通常稱為顆粒。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，小數(shù)據(jù)塊操作速度慢，大數(shù)據(jù)塊操作速度快。FLASH存儲(chǔ)數(shù)據(jù)分層如圖6所示。

根據(jù)Cell內(nèi)存儲(chǔ)比特個(gè)數(shù)的不同，NAND FLASH分為SLC、MLC、TLC和QLC四種類型，具體區(qū)別如表4所示。

目前，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)介質(zhì)大多采用MLC和TLC的解決方案，而SLC主要針對(duì)讀寫速率、出錯(cuò)率及耐久性要求高的技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)用，QLC更適合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大的產(chǎn)品。

為解決FLASH電荷泄露、讀寫干擾、按塊擦寫和擦寫次數(shù)局限的問題，采用存儲(chǔ)介質(zhì)軟件處理（即FTL）來實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤檢查和糾正（ECC）壞塊管理、擦寫均衡等智能功能。主流FLASH存儲(chǔ)卡種類及參數(shù)如表5所示。

機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)介質(zhì)廣泛使用SSD盤，支持熱插拔方式。將拔出的存儲(chǔ)介質(zhì)經(jīng)適配器和地面任務(wù)支持系統(tǒng)連接后，可對(duì)其進(jìn)行加卸載操作。

2.5" 存儲(chǔ)格式

數(shù)據(jù)的組織記錄格式直接關(guān)系著機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)記錄的穩(wěn)定性和可讀性。

FAT32文件系統(tǒng)分區(qū)最大容量為32 GB，不支持傳輸或存放單個(gè)大于4 GB的文件，否則會(huì)提示磁盤空間不足；而NTFS文件系統(tǒng)沒有限制，分區(qū)最大容量也達(dá)到了2 TB，同時(shí)增加了文件安全設(shè)置，支持磁盤配額和文件壓縮[17?18]。但是，這種FAT32或NTFS文件系統(tǒng)是為了適應(yīng)PC（DOS、Windows及MAC系列操作系統(tǒng)）機(jī)上組織的通用性，帶來的問題是其可靠性降低，如在突然掉電等異常情況下，文件分配表有所損壞時(shí)將導(dǎo)致整個(gè)文件無法讀取。

記錄類產(chǎn)品的文件組織管理采用以“邏輯塊操作”的數(shù)據(jù)組織存儲(chǔ)方式。在地面，按照每一次飛行時(shí)所需記錄的數(shù)據(jù)種類、各種類數(shù)據(jù)流量和飛行時(shí)間來估算其容量大小，并且在任務(wù)支持系統(tǒng)上預(yù)先進(jìn)行容量的配置，分配其空間大??；在機(jī)上，軟件按照預(yù)先配置好的數(shù)據(jù)種類及其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)塊區(qū)域向其中存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)記錄時(shí)將連續(xù)存放在某一個(gè)特定的數(shù)據(jù)塊中，使得存儲(chǔ)過程透明化，數(shù)據(jù)寫入地址可控，確保數(shù)據(jù)組織、存儲(chǔ)的可靠性。

3" 應(yīng)用情況

3.1" 硬件組成

在符合產(chǎn)品要求的前提下，通過比較擇優(yōu)方式量化評(píng)分后，提出一種基于ARM架構(gòu)四核Cortex A7芯片的機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。設(shè)計(jì)的機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備由數(shù)據(jù)處理模塊、電源模塊和存儲(chǔ)介質(zhì)三部分組成。設(shè)備外部接口分為電信號(hào)接口和光信號(hào)接口。設(shè)備傳輸總線采用FC?AE協(xié)議，符合E8T標(biāo)準(zhǔn)光纖。主控芯片選用復(fù)旦微ARM架構(gòu)FMQL45T900芯片。存儲(chǔ)接口為SATA 3.0，功耗低、容量大。存儲(chǔ)介質(zhì)使用SLC類型NAND FLASH的SSD盤，并以“邏輯塊操作”的數(shù)據(jù)組織存儲(chǔ)方式。機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備上電初始化和自檢測結(jié)束后，進(jìn)入正常工作狀態(tài)，等待命令，完成相應(yīng)的自檢、加載和記錄任務(wù)。

3.2" 軟件組成

機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備采用自頂向下的設(shè)計(jì)方式，使所開發(fā)的軟件應(yīng)具有高可靠性和可維護(hù)性。機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備軟件劃分為邏輯固件、操作系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件三部分，如圖7所示。其中：邏輯固件為bin文件，由FSBL、bit和uboot打包生成，bit文件包含了各種IP及相應(yīng)的邏輯；操作系統(tǒng)軟件包括板級(jí)支持包、壓縮驅(qū)動(dòng)軟件包、FC驅(qū)動(dòng)軟件包、SATA接口驅(qū)動(dòng)軟件和調(diào)試接口驅(qū)動(dòng)軟件等，機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備使用天脈嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；應(yīng)用軟件主要完成數(shù)據(jù)的記錄和加載功能，且資源占用率不超過70%。

軟件能力組成如圖8所示。設(shè)備上電自檢測，對(duì)FC總線接口、存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行初始化；接收控制信息，并根據(jù)命令控制設(shè)備工作狀態(tài)，同時(shí)根據(jù)命令字向數(shù)據(jù)管理軟件發(fā)送響應(yīng)信息；對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)中的任務(wù)計(jì)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和校驗(yàn)操作，通過FC總線發(fā)送任務(wù)計(jì)劃數(shù)據(jù)；通過FC總線接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)，將數(shù)據(jù)通過SATA接口寫入到存儲(chǔ)介質(zhì)中，對(duì)記錄文件實(shí)現(xiàn)目錄化的管理方式；通過FC總線與數(shù)據(jù)管理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；具備光纖通信鏈路檢測、異常中斷處理以及日志文件維護(hù)等功能；支持上電自檢測、周期自檢測、維護(hù)自檢測三種自檢測模式。

3.3" 量化評(píng)分

根據(jù)第2.1～2.5節(jié)相關(guān)項(xiàng)傳輸總線、微控單元、存儲(chǔ)接口、存儲(chǔ)介質(zhì)、存儲(chǔ)格式的對(duì)比分析，選擇適合本項(xiàng)目方案的相關(guān)項(xiàng)來確定評(píng)分因子rij，然后計(jì)算各相關(guān)項(xiàng)的評(píng)分?jǐn)?shù)ωi，最后計(jì)算所設(shè)計(jì)的機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備總分。各相關(guān)項(xiàng)的權(quán)重系數(shù)與項(xiàng)目成熟度有關(guān)，可以視情況進(jìn)行分配，本文各相關(guān)項(xiàng)的權(quán)重系數(shù)僅作為舉例，按照平均分配原則以0.2設(shè)計(jì)。由于對(duì)比項(xiàng)較多，受篇幅所限，使用本文設(shè)計(jì)的機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)計(jì)方案，最終加權(quán)評(píng)分量化方式ω總分為2 720，對(duì)比最優(yōu)。機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的設(shè)計(jì)方案評(píng)分分配參考見表6。

3.4" 實(shí)測結(jié)果

機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求完成分析設(shè)計(jì)，保證產(chǎn)品的可靠性、測試性、維修性、保障性、安全性和適應(yīng)性。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中進(jìn)行合理布線，采用屏蔽、接地、搭接、濾波、隔離、旁路等措施滿足電磁兼容性要求。根據(jù)機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，得出它的基本可靠性平均故障間隔時(shí)間（MTBF）為11 258 h。機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的測試與診斷采用“自檢測+驗(yàn)收測試環(huán)境+人工輔助判別”的方式。通過對(duì)數(shù)據(jù)處理模塊的主控芯片剩余資源進(jìn)行自檢測，機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的故障檢測率達(dá)到90%。通過維修性預(yù)計(jì)、故障率及設(shè)計(jì)特性，獲得其平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）預(yù)計(jì)值為8.5 min。設(shè)備內(nèi)存儲(chǔ)介質(zhì)的數(shù)據(jù)順序?qū)懭胨俣炔坏陀?0 MB/s，讀取速度不低于120 MB/s。本文設(shè)計(jì)的機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備在某型機(jī)綜合數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中得到應(yīng)用。實(shí)踐證明，該產(chǎn)品設(shè)計(jì)滿足指標(biāo)要求。

4" 結(jié)" 論

為了更加合理地制定航空電子系統(tǒng)機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)計(jì)方案，提出了一種基于加權(quán)評(píng)分?jǐn)?shù)學(xué)模型的量化方式設(shè)計(jì)機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。根據(jù)設(shè)備自頂向下的設(shè)計(jì)原則，對(duì)比分析了所設(shè)計(jì)的頂層相關(guān)項(xiàng)：傳輸總線、微控單元、存儲(chǔ)接口、存儲(chǔ)介質(zhì)以及存儲(chǔ)格式。在此分析基礎(chǔ)上，并且符合產(chǎn)品要求的前提下，通過比較擇優(yōu)方式量化評(píng)分后，提出一種基于ARM架構(gòu)四核Cortex A7芯片的機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的硬件和軟件設(shè)計(jì)方案。將該方案應(yīng)用于工程實(shí)踐，實(shí)測結(jié)果表明，產(chǎn)品穩(wěn)定可靠，設(shè)計(jì)滿足指標(biāo)要求。本文設(shè)計(jì)的加權(quán)評(píng)分量化方式和設(shè)計(jì)方案對(duì)機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的設(shè)計(jì)研制具有參考意義。

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作者簡介：吳樹軍（1987—），男，吉林長春人，碩士，工程師，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)管理技術(shù)。