2025-02-04

Tuxera: 航空、國防與太空電子設備資料儲存軟體

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航太領域的難題 – 可靠的通訊和導航系統

可靠無誤的導航資料對於航行安全與關鍵任務是否能成功達成的重要關鍵，由機載感測器資料和預先儲存的數位地圖結合產生的即時導航數據是航太、國防與太空任務的最重要基本要求。此外通訊設備必須盡最大可能的保持運作，並且要能承受長時間的使用，不論是在陸地、海上、空中甚至太空中。

TUXERA的儲存管理軟體就是為了讓設備儲存媒體能承受住每天週期性的大量讀取、寫入和擦除，並且具有優秀的電源故障保護功能，在發生故障時可以快速重啟。

TUXERA在這類型的關鍵領域有許多成功案例：

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NASA Space Technology 8 (ST8) 任務

ST8的任務是驗證四個太空領域的新子系統技術，這些技術中的每一項都與NASA未來規劃的科學任務息息相關，Tuxera 為其中的強固嵌入式設備實現高性能和可靠性，提高數據吞吐量，並且協助技術團隊進行整合。

 

20多年來，Aitech一直致力於為國防和太空研究項目建立堅固耐用的嵌入式運算解決方案，Aitech作為NASA ST8任務中的供應商，在審查了多個選項後，Aitech選擇了TUXERA軟體作為S950單板電腦和S990快閃記憶體模組的資料管理基礎。

 

S950被客製用來提供幾個關鍵的功能：包含冗餘任務計算機、飛行引導和導航計算機、命令和數據處理計算機、固態紀錄器、影像控制器和機器手控制器；S990 是一款高容量快閃記憶體模組，具有耐輻射和閂鎖保護功能。

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保護衛星中的關鍵數據

衛星資料是驅動世界的關鍵組成部分，衛星時時刻刻在外太空運行、儲存以及傳輸大量的資料，在通訊、國防、農業、交通、氣象、測繪….發揮著重要作用，這些數據的儲存和處理影響了人類的生活日常。

 

嵌入式設計人員需要克服太空中的嚴苛環境與確保衛星能可靠地執行任務，為了實現資料的可靠性和完整性，選擇合適的資料儲存媒體是成功的第一步，現代衛星多已採用SSD快閃記憶體作為儲存體，較舊的衛星使用磁帶儲存數據、雖然經濟實惠、抗輻射，但是缺乏效率以及耗費空間，透過使用品質保證的快閃記憶體控制器和快閃記憶體友善的檔案系統在硬體成本和儲存可靠性方面能發揮絕佳的效益，特別是在外太空這樣對資料儲存嚴苛的環境。

透過容錯(Fault tolerance)保護太空中的快閃記憶體

即使採用正確的資料儲存方法，故障仍可能發生。為了防止太空中的快閃記憶體儲存故障，可以設計硬體和軟體堆疊來實現容錯。即某些組件發生故障或斷電狀況時也能夠繼續運作的系統，考慮到太空任務存在對資料完整性所帶來的重大風險，這是一項極其重要的功能。

「實現資料儲存容錯的最佳方法之一是透過冗餘」，一般來說，所有容錯系統都以某種形式實現冗餘。對於太空環境中的設備來說，容錯能力更加重要，甚至需要複製硬體組件，以便更好地處理可能出現的錯誤。在太空嵌入式系統中，有兩種​​冗餘特別令人感興趣：物理冗餘和功能冗餘。

 

冗餘涉及在裝置上儲存多個資料副本，以確保該資料的某些版本有效。還需要一種方法，讓軟體確定這些副本中的哪些副本可能因影響設備的宇宙災難而損壞。偵測和處理媒體上出現的位元錯誤是一個主要問題，可以透過錯誤校正碼 (ECC) 來解決，其中資訊的多個副本和一致性檢查有助於確保冗餘。如果發現損壞的數據，快閃記憶體管理軟體可以快速啟動自我修復和糾正措施。另外重要的是最大限度地減少電源中斷的影響，這可以透過最小操作(atomic operation)來實現。

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TUXERA & Airbus 從國際太空站將影像串流至地面

歐洲知名的空中巴士公司(Airbus Defense and Space) 選擇 Tuxera Reliance Nitro™ 和 FlashFX Tera™ 用於其民用航太設備以實現國際太空站的關鍵任務視訊資料紀錄。

 

哥倫布固態硬碟(Columbus Solid State Disk, COL-SSD)影像紀錄器專案取代了哥倫布上的舊錄影設備，哥倫布是國際太空站(ISS)之中的歐洲科學實驗室模組，該系統紀錄高階影像和標準影像，也能夠在下行鏈路傳輸到地面之前儲存來自科學衛星酬載的高速資料位元流(High-rate data bit streams)。

 

在 COL-SSD 的中心，一個 32 位元 SPARC 處理器控制著一個 128 GB 原始 NAND 快閃記憶體陣列，Video資料透過該陣列即時傳輸。這個記憶體記錄器是讓國際太空站在預期使用壽命內完美運作的關鍵。為了最大限度地延長 NAND 快閃記憶體的使用壽命，資料需要均勻地分佈在所有儲存單元上。由於原始 NAND 快閃記憶體依賴快閃記憶體媒體驅動程式來處理此問題以及執行壞區塊管理，因此會給 CPU 帶來負擔。由於資料可能需要儲存在 SSD 上，因此還需要可靠的檔案系統。所選檔案系統不能偷取CPU的工作週期，也不得導致系統在突然斷電後進入未定義的狀態。

 

為了解決這個難題、TUXERA結合了FlashFX Tera快閃記憶媒體驅動程式軟體與Reliance Nitro高效能檔案系統一起使用，這些解決方案可無縫融入客戶使用的VxWorks作業系統。此外也還支援必要的儲存容量大小和可靠性要求，特別是滿足寫入作業期間斷電要能維持檔案系統完整性的要求。

 

TUXERA的解決方案通過了廣泛的航太測試，被證明並滿足了客戶的期望，AirBus的自我評估寫道 ”文件系統的歷史完整性令人印象深刻”

在國際太空站科學實驗中捕獲的影片和數據具有非常高的價值，因為由於樣本數量或乘員時間有限（樣本必須透過太空飛行器上傳，而太空飛行器非常有限），許多實驗只能進行一次。因此，在任何情況下，科學數據都不能遺失或損壞。因此，可靠的數據記錄器是國際太空站上使用的任何數據管理系統的關鍵組成部分。

Tuxera 可靠資料儲存軟體的優勢

容錯、電源故障安全

極端條件和資源限制可能導致組件故障、資料損壞或斷電。 Tuxera 的檔案系統擁有專利方法，可保護有風險的數據，偵測並提供即將發生的快閃記憶體故障和/或資料不一致的早期預警，並在意外斷電或系統故障期間提供不妥協的容錯能力。

 

關鍵任務儲存專業知識

Tuxera 的資料儲存管理軟體已經在外太空、天空、海上以及地面車輛上使用。我們的工程師擁有數十年與領先的航空航天和國防承包商合作完成許多成功專案的經驗。我們擁有美國、歐洲和亞洲地區的公民來滿足國家安全要求，並可以滿足客製化的軟體交付需求。

 

強大的快閃記憶體儲存耐用性

軌道航空器和遠端現場設備有可能失效故障。此外，更換太空級和國防級硬體的成本很高。我們的嵌入式儲存軟體可以應對快閃記憶體寫入和擦除放大以及磨損的壽命耗盡效應。動態和靜態磨損均衡等專利方法以及智慧資料分配演算法可防止快閃記憶體過早燒壞(burnout)。

 

品質有保證且可認證

我們的客製化設計測試是我們開發和驗證過程中不可或缺的一部分。這些測試可確保實際工作負載和環境條件下的故障安全性、效能和使用壽命。我們也提供符合 MISRA C:2012 標準的產品。

適用於通訊&導航的Tuxera儲存軟體

案例分享與參考資料連結

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