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!

    Татьяна П.
    4.2 (6 отзывов)
    Помогаю студентам с решением задач по ТОЭ и физике на протяжении 9 лет. Пишу диссертацию на соискание степени кандидата технических наук, имею опыт годовой стажировки ... Читать все
    Помогаю студентам с решением задач по ТОЭ и физике на протяжении 9 лет. Пишу диссертацию на соискание степени кандидата технических наук, имею опыт годовой стажировки в одном из крупнейших университетов Германии.
    #Кандидатские #Магистерские
    9 Выполненных работ
    Сергей Н.
    4.8 (40 отзывов)
    Практический стаж работы в финансово - банковской сфере составил более 30 лет. За последние 13 лет, мной написано 7 диссертаций и более 450 дипломных работ и научных с... Читать все
    Практический стаж работы в финансово - банковской сфере составил более 30 лет. За последние 13 лет, мной написано 7 диссертаций и более 450 дипломных работ и научных статей в области экономики.
    #Кандидатские #Магистерские
    56 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
    Яна К. ТюмГУ 2004, ГМУ, выпускник
    5 (8 отзывов)
    Помощь в написании магистерских диссертаций, курсовых, контрольных работ, рефератов, статей, повышение уникальности текста(ручной рерайт), качественно и в срок, в соот... Читать все
    Помощь в написании магистерских диссертаций, курсовых, контрольных работ, рефератов, статей, повышение уникальности текста(ручной рерайт), качественно и в срок, в соответствии с Вашими требованиями.
    #Кандидатские #Магистерские
    12 Выполненных работ
    Лидия К.
    4.5 (330 отзывов)
    Образование высшее (2009 год) педагог-психолог (УрГПУ). В 2013 году получено образование магистр психологии. Опыт преподавательской деятельности в области психологии ... Читать все
    Образование высшее (2009 год) педагог-психолог (УрГПУ). В 2013 году получено образование магистр психологии. Опыт преподавательской деятельности в области психологии и педагогики. Написание диссертаций, ВКР, курсовых и иных видов работ.
    #Кандидатские #Магистерские
    592 Выполненных работы
    Екатерина Б. кандидат наук, доцент
    5 (174 отзыва)
    После окончания института работала экономистом в системе государственных финансов. С 1988 года на преподавательской работе. Защитила кандидатскую диссертацию. Преподав... Читать все
    После окончания института работала экономистом в системе государственных финансов. С 1988 года на преподавательской работе. Защитила кандидатскую диссертацию. Преподавала учебные дисциплины: Бюджетная система Украины, Статистика.
    #Кандидатские #Магистерские
    300 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
    Дарья Б. МГУ 2017, Журналистики, выпускник
    4.9 (35 отзывов)
    Привет! Меня зовут Даша, я окончила журфак МГУ с красным дипломом, защитила магистерскую диссертацию на филфаке. Работала журналистом, PR-менеджером в международных ко... Читать все
    Привет! Меня зовут Даша, я окончила журфак МГУ с красным дипломом, защитила магистерскую диссертацию на филфаке. Работала журналистом, PR-менеджером в международных компаниях, сейчас работаю редактором. Готова помогать вам с учёбой!
    #Кандидатские #Магистерские
    50 Выполненных работ
    Александр Р. ВоГТУ 2003, Экономический, преподаватель, кандидат наук
    4.5 (80 отзывов)
    Специальность "Государственное и муниципальное управление" Кандидатскую диссертацию защитил в 2006 г. Дополнительное образование: Оценка стоимости (бизнеса) и госфин... Читать все
    Специальность "Государственное и муниципальное управление" Кандидатскую диссертацию защитил в 2006 г. Дополнительное образование: Оценка стоимости (бизнеса) и госфинансы (Казначейство). Работаю в финансовой сфере более 10 лет. Банки,риски
    #Кандидатские #Магистерские
    123 Выполненных работы

    Другие учебные работы по предмету