随着天体物理领域的不断探索，空间探测技术不断提升，对立方星存储技术的要求越来越高，国际上最早研究存储的美国SEAKR公司，在航天大容量存储研究方面处于领先位置，该公司产品中的ModMesh系列，以Flash为存储介质，最大容量高达16 Tbits，数据传输带宽高达36 Gbps^[1]；美国CALCULEX公司研发的可拆卸FlashCache III 模块，以Flash为存储介质，在极严苛环境下，数据写入读出速率可以达到44 MB/s，现已应用在美国空军F-15战机中^[2]。中国科学院空间应用中心研制了我国第一批星载固态存储器，以SDRAM为存储介质，存储带宽为1 Mbps，容量为512 Mbits^[3]；我国发射的嫦娥二号探月卫星，以NAND Flash为存储介质，存储容量高达128 Gbits，数据输入速率超过256 Mbps^[4]。NAND Flash非易失性存储单元是近几年一直采用的存储技术，但是由于存在位偏转、坏块和稳定性差等问题^[5]，MMC协会将高精度NAND Flash和Flash控制器集成在一块小型的BGA芯片中，这种新型的内嵌式多媒体存储卡(Embedded Multi Media Card, eMMC)芯片具有高容量、高稳定性、坏块管理、ECC校验等技术，现已在手机和平板电脑方面广泛使用^[6]。

本项目为X射线偏振探测立方星载荷提供存储方案，该立方星载荷基于Topmetal-II像素芯片，用于在空间中检测X射线(2~10 keV)偏振度、能谱等参数^[7-8]。硬件方面FPGA芯片选用Xilinx的Kintex-7，数据存储选用镁光MTFC64GAJ eMMC芯片。软件方面基于eMMC5.0协议，实现数据读写，满足项目数据吞吐量的需求。

本方案基于Kintex-7系列的FPGA芯片XC7K70TFBG676，实现了对镁光eMMC芯片的总体控制。方案中设计了数据控制模块、命令控制模块、初始化模块、时钟切换模块，并最终封装成一个FIFO IP核，便于使用，结构框图如图1所示。

图  1  eMMC控制器总体结构框图(在线彩图)

eMMC协议的IO接口如表1所列。在CLK接口方面，为降低系统功耗，本文选择High Speed SDR模式(0~52 MHz)，结合设计的BOOT块，整体读写速度满足项目要求。CMD接口共支持63条命令，功能各不相同，如擦除、发送当前状态、进行读操作等，本文根据项目具体情况，选择相关命令。DATA接口共8 bit通道，通过CMD6选择1/4/8 bits位宽，DATA[0]用作忙信号标志位和CRC校验返回值。

eMMC在上电之后，进行硬件复位进入IDLE状态，初始化阶段时钟不得超过400 kHz。协议规定等待大约1 ms后，发送CMD1进行OCR寄存器的验证。对于容量大于2 GB的eMMC返回的值有两种：0x40FF_8080和0xC0FF_8080，两者的差异在于最高位(busy bit)，若最高位为0，则循环发送CMD1，直到最高位出现1，随之进行其他命令的发送。CMD6的发送进行两次，配置工作时钟频率模式和传输数据有效位宽，根据项目需求，这里选择High Speed SDR模式(0~52 MHz)和8比特位宽，至此eMMC协议中规定的初始化流程结束^[9]，时钟切换为50 MHz。由于星上不定时关机和读写速率的原因，引入BOOT块，将BOOT块的读写加入初始化中，初始化顺序如图2所示。

图  2  eMMC初始化命令转换(在线彩图)

数据控制模块包括了读写两部分，使用状态机将流程分为9个状态进行跳转，如图3所示。

图  3  数据控制模块状态机转换(在线彩图)

在eMMC写模块中，写操作通过CMD23(给定Multiple block模式中block数)和CMD25(给定当前写入eMMC的地址)配合使用，CMD23中block数始终设为32。由于CMD16中参数设为512，所以CMD25中地址每加1，代表写入了512 Byte的数据。

eMMC 5.0协议规定，在数据最后一位传输结束后，需发送数据校验值，产生校验值的算法为CRC16/ CCITT，所以对于准确性和实时性的要求较高。CRC校验码为16 bits，生成多项式为17位。数据流左移16位，再除以生成多项式，做不借位的除法运算(相当于按位异或)，所得的余数就是CRC校验码^[10]。特别注意CRC16/CCITT输入以字节为单位进行反转，输入设为1 bit，需多加考虑每次反转问题，所以输入设为8 bits。CRC16计算框图如图4所示。

图  4  CRC16计算原理框图(在线彩图)

eMMC写操作过程中，使用DATA0作为忙信号，如图5所示。每成功写入512 Byte的数据，eMMC会进入Program状态。DATA0信号线拉低(默认为高)作为写数据忙信号，eMMC会阻塞主机的IO request^[11]，且忙信号在每次上电后的第一次写入时间较长，经测试，时间为1 ms，引入BOOT块，将第一次的写操作提前完成，再写入有效数据时，忙信号时间缩减55%。

图  5  数据写入eMMC过程(在线彩图)

eMMC读模块中，读操作通过CMD23(给定Multiple block模式中block数)和CMD18(给定当前读入eMMC的地址)配合使用。eMMC读操作过程中，读命令发送完毕，DATA端口主动拉高，如图6所示。在每次上电后的第一次N_AC时间较长，引入BOOT块，将第一次的读操作提前完成，在读出有效数据时，DATA端口主动拉高时间大大缩减。

图  6  eMMC读出数据过程(在线彩图)

卫星载荷运行期间，侦测到的X射线相关信息，全部缓存到防冲突FIFO中，再存储到eMMC中。在突发X射线暴情况下，会出现有效数据量骤增问题。由于eMMC初始化所需时间较长，因此防冲突FIFO的设计深度需要尽可能大。因此，本文将FPGA片上60%的BRAM资源用来作为FIFO缓存。

eMMC写操作选择Multiple-block write模式，块数为32，由此设计的防冲突FIFO中prog_full信号的触发条件参数设为32×512=16 384，在prog_full信号拉高时，eMMC可进行一次写入操作。立方星运行中，南北极和南大西洋异常区信号的干扰较大，需关机运行^[12]。若防冲突FIFO中数据量未达到16 384，断电即会数据丢失，严重影响数据分析。因此，需要设计BOOT块解决关机前的数据存储问题。

卫星载荷关机时会提前发出关机指令，此时防冲突FIFO停止数据写入，判断prog_full信号，高电平即进行正常32块 乘以 512 bits的有效数据写入eMMC；低电平需判断防冲突FIFO输出的empty信号，若为高电平，说明此时防冲突FIFO内无数据，跳转到结束状态，eMMC停止工作。若empty信号为低电平，将防冲突FIFO中有效数据存入深度为16 384、位宽为8的RAM中，RAM中未填满区用0填充，并同时执行写命令，写入eMMC中，使用一级流水线，加快关机前eMMC操作的运行速度。至此，侦测的所有X-ray数据全部存储到eMMC，之后进行BOOT块的编写。该BOOT块由16位的帧头“0x5050”、32位的eMMC中残缺块(不足16 384 bits的有效数据和0补充的数据)起始地址位、32位的RAM中有效数据地址位、32位的eMMC读操作后地址信息和400位无效数据“0”构成，如图7所示。通过移位寄存器循环32次，写入eMMC的起始地址中，为卫星载荷重新上电后的读操作做准备。

图  7  BOOT块结构构成(在线彩图)

卫星上电及eMMC初始化完成后，先进行BOOT块的读出并判断帧头是否匹配，若匹配错误，用0刷新BOOT块，完成第一次eMMC的写操作。全零BOOT块成功写入eMMC之后，eMMC的写入地址重新回到0x20。若匹配正确，则继续读取eMMC残缺块的数据，同时存入深度为16 384、位宽为8的RAM中，用0刷新BOOT块，完成第一次全零BOOT块的eMMC写操作。RAM中未填满区等待prog_full拉高，用防冲突FIFO中有效数据填充，并且eMMC的写入地址变为上次断电前eMMC中残缺块起始地址位，至此BOOT块运行流程结束。

引入BOOT块的另一个优势可以把eMMC的读写性能提高，因为在eMMC上电后第一次写入和读出时，有一段较长的忙信号时间，先进行一次BOOT块的读写，可以在正常写入读出时提前渡过第一个忙信号时间。

命令控制模块包括发送和接收两部分。命令发送模块中使用ROM存调试好的24条CMD命令，功能各不相同，命令长度为48 bits，包含起始位0，主机从机选择位1, 6比特索引位，32比特参数，CRC7校验和结束位1。待命令发送完毕，2~64个时钟周期后eMMC在CMD接口会返回响应，共五种类型，R1、R3、R4、R5长度为48 bits，包含起始位0，主机从机选择位0，6比特索引位，32比特设备状态参数，CRC7校验和结束位1。R2长度为136 bits，包含起始位0，主机从机选择位0，6比特索引位，127比特CID或CSD参数和结束位1^[13]。命令接收模块通过136 bits长度的移位寄存器寄存响应的数值，根据移位寄存器的响应参数判断CMD命令发送是否成功。

本项目所用时钟共4个，由PLL锁相环输出的相位相同的50/100/125 MHz时钟和一个由50 MHz分频的400 kHz时钟。通过使能信号，切换所需时钟，为避免切换时产生毛刺，采用了一种新型的电路结构^[14]，如图8所示。

图  8  无毛刺时钟切换电路

由于存在单比特的脉冲跨时钟处理的问题，50 MHz时钟频率下采样125和100 MHz的脉冲，两个快时钟下的脉冲对整个系统的运行起着很大作用，为保证成功采样，采用了一种新型的电路结构^[15]，如图9所示。

图  9  跨时钟采样电路

本项目组搭建了一套功能测试平台，如图10所示。通过eMMC存储有效数据，检测是否成功写入以及读出的数据是否正确。

图  10  eMMC读写测试平台(在线彩图)

写入数据方面，发送一个512 Byte的数据后，等待eMMC在DATA[0]发送返回值，若为010，说明已成功写入；若为101，说明写入失败，需重新写入。写入失败的原因有很多种，CMD命令发送错误、数据高低位顺序错误、CRC16结果错误等。本项目组自主研发基于德国XFAB350nm工艺的Topmetal-II硅像素芯片，长72宽72，共5 184个像素点^[16-17]。有效数据主要来自于AD9629采样Topmetal-II芯片所侦测到的电压值，采样分辨率12 bits，为提高冗余容错率并方便数据分析，在最高位补齐4 bits 0，再加上2 Byte的地址信息，使每个像素一次采样大小为4 Byte。在系统处于工作状态时，其采样率为2 MHz，两块像素芯片同时工作。若芯片所有像素均侦测到X射线，则有效数据产生速率的最大值为2×2 MHz×4 Byte=16 MB/s， 由此eMMC的写入速度应大于16 MB/s。本文使用Vivado内ILA IP核进行了信号抓取测试，在写入32×512 Byte的数据的情况下，大概需要47 500个周期，平均速率为17 MB/s，大于16 MB/s，满足速率需求。若未加BOOT块，第一次写入的忙信号时间持续大概5万个周期，写入平均速率为6 MB/s，不满足写入速度大于16 MB/s要求。

读出数据方面，发送读命令之后，有效数据从eMMC通过以太网发送至上位机，并通过上位机程序进行检错，判断数据是否有丢失、错位等。经长时间测试，eMMC读写功能运行稳定，将检测到的alpha源径迹数据成功在上位机显示，如图11。其中，行列分别代表Topmetal-II芯片的72个像素点，右侧为color bar。

图  11  alpha源径迹(在线彩图)

本项目选用X光机进行辐照测试如图12所示。本文将X光机直接对准CXPD电子学进行辐照测试，上方红色区域内为X光机，下方蓝色方框内是CXPD电子学系统。

图  12  X光机测试实物(在线彩图)

本文通过调整不同剂量的X光进行了长时间测试。系统的数据来源于AD9629采样的原始数据，原始数据量约为13.41 GB/h。数据样本越大，对辐照性能的测试将有越强的参考性。

测试结果如下表2所列。本文将X光机剂量参数配置为50 kV，1 μA (kV代表X光机能量，μA代表电子数)，共采集到321.84 GB大小的数据，未发现数据错误；将X光机剂量参数配置为50 kV，10 μA，共采集到379.16 GB大小的数据，未发现数据错误。继续提高剂量，将X光机剂量参数配置为60 kV，10 μA，共采集到384.57 GB大小的数据，未发现数据错误；最后将X光机剂量参数配置为60 kV，20 μA，共采集到382.21 GB大小的数据，发现数据错误共2 Byte。经过数据分析，发现在数据发生错误后，CXPD电子学系统也能正常运行，后面的数据能正常读出。

本项目选择High Speed SDR(0~52 MHz)模式。在eMMC5.0协议中，SDR模式读写操作的时钟范围为26~52 MHz，为测试存储系统的极限速率以及检测系统的鲁棒性，将时钟提升到规定范围之外。在alpha源30 min连续取数下，时钟频率小于76.9 MHz时，读写功能均能正常运行，误码率为0，直到时钟超过76.9 MHz，eMMC不能正常工作。26~76.9 MHz时钟频率下的数据的读写速度，如图13所示。为处理瞬时并发数据，双腔室最大事件率为16 MB/s，eMMC工作频率为30 MHz时，数据写入速率为13 MB/s；工作频率为40 MHz时，数据写入速率为16 MB/s；工作频率为50 MHz时，数据写入速率为17.5 MB/s；为保证数据不丢失，最终将实际工作频率设为50 MHz。

图  13  eMMC读写性能(在线彩图)

CXPD电子学系统在中国空间技术研究院总装与环境工程部(北京卫星环境工程研究所)，按照试验技术规范，如表3所列，在DL-5400-60电动振动试验系统和MPA712/M544A电动振动试验系统上完成了振动实验。

在高低温实验中，记录时钟频率为50 MHz时，通过以太网传输各温度下，eMMC写入速率的情况，如图14所示。通过测试，发现温度在10至150 ºC之间，存储系统性能参数达标，符合实验要求，无潜在隐患。

图  14  高低温实验eMMC写入速率(在线彩图)

本文设计了一套基于eMMC5.0协议的小型卫星存储系统，存储容量达到64 Gbit。本文采用BOOT块和一级流水线，在High Speed SDR(50 MHz)模式下，写入速率大于130 Mb/s，读出速率大于82 Mb/s。本文解决了第一次写入时忙信号对整体读写速率的限制，并实现了星上断电防止数据丢失的功能。为了防范在空间辐射环境下半导体器件发生单粒子翻转效应，提高系统安全性，未来将增加抗辐射设计，代码设计层面上增加三模冗余、汉明码编码等^[18]，并且结合eMMC自带的抗辐射命令CMD30，在硬件层面上增加抗辐射水平。