Технологии и алгоритмы обработки и хранения данных на твердотельных накопителях информации перспективных космических аппаратов

Вайман, Максим Андреевич Кафедра вычислительной техники
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

Введение………………………………………………………………………………………………………..3
1 Постановка задачи……………………………………………………………………………………..6
1.1 Типы памяти твердотельных накопителей………………………………………………..8
1.2 Дестабилизирующие факторы космического пространства…………………….10
1.3 Обзор существующих методов помехоустойчивого кодирования…………….16
1.4 Выводы…………………………………………………………………………………………………19
2 Метод комплексного, помехоустойчивого кодирования данных для
твердотельных накопителей малых космических аппаратов…………………………..21
2.1 Разработка СФ-блоков для кодера/декодера…………………………………………….23
2.2 Разработка кодера и декодера…………………………………………………………………23
2.3 Выводы…………………………………………………………………………………………………27
3 Разработка и тестирование лабораторного демонстратора…………………………28
3.1 Выводы…………………………………………………………………………………………………30
Заключение…………………………………………………………………………………………………..31
Список сокращений………………………………………………………………………………………32
Список использованных источников……………………………………………………………..33
Приложение А………………………………………………………………………………………………38
Приложение Б………………………………………………………………………………………………42
Приложение В………………………………………………………………………………………………45

Актуальность работы: современное развитие космической отрасли
диктует новые требования к объему и скорости обработки информации
получаемой в процессе функционирования перспективных космических
аппаратов. В данной работе под перспективными понимаются малые
космические аппараты (МКА), сверх-малые КА и нано-спутники, снаряженной
массой до 90 кг., функционирующие на орбитах до 1500 км (Далее по тексту
под общим названием МКА).
В настоящее время для долговременного хранения бортовых данных
МКА, применяется память энергонезависимого ОЗУ, функционирующего на
основе ячеек магнитной или магниторезистивной памяти [1]. Данное решение,
оправданно с экономической точки зрения для больших КА, однако его
применение является неприемлемым для МКА в силу высокой стоимости и
отсутствия широкой номенклатуры СБИС, в первую очередь отечественного
производства.
Эксплуатация накопителей в составе МКА накладывает ряд ограничений
связанных с масса-габаритными характеристиками, потребляемой мощности, и
подверженности влиянию дестабилизирующих факторов космического
пространства (ДФКП) [2].
Решение может быть найдено при использовании многоуровневой NAND-
flash памяти. Такой подход будет допустим с учетом специфики применения
МКА, а именно: пониженные требования к защите от воздействия ДФКП, в
силу работы на низкой орбите, ограничения по энергопотреблению и масса-
габаритным характеристикам.
Однако при этом следует обеспечить целостность и сохранность
информации как в режимах хранения, так и при интерфейсном обмене в составе
бортовых систем.
Следовательно, требуется разработка комплексного подхода к
организации процесса функционирования твердотельных накопителей в составе
МКА. В данном случае необходимо применять ряд методов основанных на
помехоустойчивом кодировании в режиме реального времени при
информационном обмене, экранирование накопителей, дублирование или
троирование основных узлов контроллера памяти, а так же алгоритмы поиска и
восстановления потерянных данных в режиме хранения информации.
Исходя из выше изложенного определена основная цель работы:
исследование и разработка метода обеспечения целостности информации при
обмене и хранении данных для твердотельных накопителей МКА,
функционирующих в условиях ДФКП.
Для достижения поставленной цели определены следующие основные
задачи исследования:
1. Выполнить анализ методов обеспечения целостности информации на
твердотельных накопителях (ТН), эксплуатирующихся в условиях ДФКП
и разработать архитектуру специализированного контроллера для ТН.
2. Разработать алгоритмы помехоустойчивого кодирования при обмене и
хранении информации на ТН. Разработать программную модель
контроллера и выполнить имитационное моделирование для отработки
алгоритмов и определения основных требований к аппаратному
обеспечению.
3. На основе полученных результатов моделирования разработать
программное обеспечение и изготовить лабораторный макет контроллера.
4. Выполнить лабораторные исследования макета и анализ полученных
результатов.
Методы исследования: в диссертационной работе использовались
основные положения теории проектирования ЭВМ и систем. При разработке
ПО, использовался язык описания аппаратуры Verilog HDL и инструменты
Anaconda (дистрибутив языка Python).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Разработанные алгоритмы помехоустойчивого кодирования позволяют
обеспечить целостность информации при условиях и ограничениях
эксплуатации, характерных для МКА;
2. Предложенный комплекс средств противодействия ДФКП в необходимой
и достаточной мере способен обеспечить полное функционирование
алгоритмов;
3. Разработанный и изготовленный лабораторный стенд позволяет
отработать основные условия влияния ДФКП и демонстрирует
работоспособность полученных технических решений.
Научная новизна исследования заключается в предложенном методе
обеспечения целостности информации на твердотельных накопителях
эксплуатирующихся в условиях ДФКП, основанном на комплексе
противодействующих мер, в том числе принципа дублирования основных
узлов, алгоритмах помехоустойчивого кодирования и восстановления
целостности данных, реализованных на аппаратном уровне, в совокупности с
технологическими приемами по экранированию позволяющих обеспечить
требуемую степень защищённости от ДФКП, ёмкость накопителя и скорость
обработки информации.
Практическая ценность результатов работы заключается в разработке
комплекта сложно-функциональных блоков и встроенного программного
обеспечения для контроллера NAND-Flash памяти.
Публикации. По результатам проведённых исследований и выполненных
работ опубликована, 1 печатная работа в сборниках конференций, получено 1
регистрационное свидетельство программ для ЭВМ.
Объём и структура диссертации. Полный объем диссертации составляет
45 страниц, в том числе: 5 иллюстрации, 14 таблиц, 3 приложения, список
литературы из 43 источника.
1 Постановка задачи

Выполнен анализ действующих технологий и алгоритмов обеспечения
целостности информации, твердотельных накопителей и условий ДФКП. В
результате разработана архитектура специализированного контроллера для
твердотельных накопителей.
На основе предварительного исследования были простроены алгоритмы
помехоустойчивого кодирования при обмене и хранении информации на ТН. С
использованием математических библиотек описана модель контроллера. Для
отработки алгоритмов и определения основных требований к аппаратному
обеспечению произведено имитационное моделирование.
На основе полученной модели разработаны на языке описания
аппаратуры IP-блоки и собран лабораторный демонстратор. Выполнены
лабораторные исследования макета и анализ полученных результатов.
В продолжение данного исследования предполагается модифицировать
стандартный код Рида-Маллера под необходимую длину кодового слова, что
позволит сократить аппаратные затраты, уменьшить задержку на операцию
декодирования и повысить корректирующую способность кода при том же
количестве проверочных символов. Кроме того, необходимо рассмотреть другие
перспективные кодовые конструкции, например, коды с малым количеством
проверок на чётность, полярные коды и каскадные коды (гибридные).
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

БМК — Базовый матричный кристалл
БРЭА – Бортовая радиоэлектронная аппаратура
ВС – Вычислительная система
ДЗЗ – Дистанционное зондирование земли
ДФКП – Дестабилизирующие факторы космического пространства
ИИ – Ионизирующего излучение
ИС – Интегральная схема
КА – Космические аппараты
КМОП – комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-
полупроводник
КП – Космическое пространство
МКА – Малые космические аппараты
ПЗУ – Постоянное запоминающее устройство
ПЛИС – Программируемая логическая интегральная схема
ПНД – Предельная накопленная доза
ПО – Программное обеспечение
РЭА – Радио-электронная аппаратура
СБИС – Сверхбольшая интегральная схема
ТЗЧ – Тяжёлые заряженные частицы
ТН – Твердотельный накопитель
ЭВМ – Электронная вычислительная машина

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Александр О. Спб государственный университет 1972, мат - мех, преподав...
    4.9 (66 отзывов)
    Читаю лекции и веду занятия со студентами по матанализу, линейной алгебре и теории вероятностей. Защитил кандидатскую диссертацию по качественной теории дифференциальн... Читать все
    Читаю лекции и веду занятия со студентами по матанализу, линейной алгебре и теории вероятностей. Защитил кандидатскую диссертацию по качественной теории дифференциальных уравнений. Умею быстро и четко выполнять сложные вычислительные работ
    #Кандидатские #Магистерские
    117 Выполненных работ
    Юлия К. ЮУрГУ (НИУ), г. Челябинск 2017, Институт естественных и т...
    5 (49 отзывов)
    Образование: ЮУрГУ (НИУ), Лингвистический центр, 2016 г. - диплом переводчика с английского языка (дополнительное образование); ЮУрГУ (НИУ), г. Челябинск, 2017 г. - ин... Читать все
    Образование: ЮУрГУ (НИУ), Лингвистический центр, 2016 г. - диплом переводчика с английского языка (дополнительное образование); ЮУрГУ (НИУ), г. Челябинск, 2017 г. - институт естественных и точных наук, защита диплома бакалавра по направлению элементоорганической химии; СПХФУ (СПХФА), 2020 г. - кафедра химической технологии, регулирование обращения лекарственных средств на фармацевтическом рынке, защита магистерской диссертации. При выполнении заказов на связи, отвечаю на все вопросы. Индивидуальный подход к каждому. Напишите - и мы договоримся!
    #Кандидатские #Магистерские
    55 Выполненных работ
    Кирилл Ч. ИНЖЭКОН 2010, экономика и управление на предприятии транс...
    4.9 (343 отзыва)
    Работы пишу, начиная с 2000 года. Огромный опыт и знания в области экономики. Закончил школу с золотой медалью. Два высших образования (техническое и экономическое). С... Читать все
    Работы пишу, начиная с 2000 года. Огромный опыт и знания в области экономики. Закончил школу с золотой медалью. Два высших образования (техническое и экономическое). Сейчас пишу диссертацию на соискание степени кандидата экономических наук.
    #Кандидатские #Магистерские
    692 Выполненных работы
    Олег Н. Томский политехнический университет 2000, Инженерно-эконо...
    4.7 (96 отзывов)
    Здравствуйте! Опыт написания работ более 12 лет. За это время были успешно защищены более 2 500 написанных мною магистерских диссертаций, дипломов, курсовых работ. Явл... Читать все
    Здравствуйте! Опыт написания работ более 12 лет. За это время были успешно защищены более 2 500 написанных мною магистерских диссертаций, дипломов, курсовых работ. Являюсь действующим преподавателем одного из ВУЗов.
    #Кандидатские #Магистерские
    177 Выполненных работ
    Екатерина П. студент
    5 (18 отзывов)
    Работы пишу исключительно сама на основании действующих нормативных правовых актов, монографий, канд. и докт. диссертаций, авторефератов, научных статей. Дополнительно... Читать все
    Работы пишу исключительно сама на основании действующих нормативных правовых актов, монографий, канд. и докт. диссертаций, авторефератов, научных статей. Дополнительно занимаюсь английским языком, уровень владения - Upper-Intermediate.
    #Кандидатские #Магистерские
    39 Выполненных работ
    Сергей Е. МГУ 2012, физический, выпускник, кандидат наук
    4.9 (5 отзывов)
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым напра... Читать все
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым направлениям физики, математики, химии и других естественных наук.
    #Кандидатские #Магистерские
    5 Выполненных работ
    Дмитрий К. преподаватель, кандидат наук
    5 (1241 отзыв)
    Окончил КазГУ с красным дипломом в 1985 г., после окончания работал в Институте Ядерной Физики, защитил кандидатскую диссертацию в 1991 г. Работы для студентов выполня... Читать все
    Окончил КазГУ с красным дипломом в 1985 г., после окончания работал в Институте Ядерной Физики, защитил кандидатскую диссертацию в 1991 г. Работы для студентов выполняю уже 30 лет.
    #Кандидатские #Магистерские
    2271 Выполненная работа
    Андрей С. Тверской государственный университет 2011, математический...
    4.7 (82 отзыва)
    Учился на мат.факе ТвГУ. Любовь к математике там привили на столько, что я, похоже, никогда не перестану этим заниматься! Сейчас работаю в IT и пытаюсь найти время на... Читать все
    Учился на мат.факе ТвГУ. Любовь к математике там привили на столько, что я, похоже, никогда не перестану этим заниматься! Сейчас работаю в IT и пытаюсь найти время на продолжение диссертационной работы... Всегда готов помочь! ;)
    #Кандидатские #Магистерские
    164 Выполненных работы
    Родион М. БГУ, выпускник
    4.6 (71 отзыв)
    Высшее экономическое образование. Мои клиенты успешно защищают дипломы и диссертации в МГУ, ВШЭ, РАНХиГС, а также других топовых университетах России.
    Высшее экономическое образование. Мои клиенты успешно защищают дипломы и диссертации в МГУ, ВШЭ, РАНХиГС, а также других топовых университетах России.
    #Кандидатские #Магистерские
    108 Выполненных работ

    Другие учебные работы по предмету