4. 参数存储介质与文件系统

星务软件的在轨参数管理，最终要落到具体的物理存储介质上。参数能否在掉电后保持、能否在轨反复改写、写入一次需要多长时间、能承受多少次擦写，这些问题的答案都由存储介质决定。本节从介质特性出发，讨论文件系统选型，并给出参数区、备份区与日志区的布局设计方法。

一、四类非易失存储介质的特性对比

星载参数存储常用的非易失介质主要有四类：EEPROM、NOR/NAND Flash、MRAM 和 FRAM。它们的写入机理完全不同，导致在写入粒度、写入寿命、写入功耗和写入时间上差异显著。

EEPROM 基于浮栅隧穿效应写入，支持字节级随机改写，不需要先擦除整块。缺点是写入速度慢（典型字节写入时间在毫秒量级），擦写寿命约 10⁵～10⁶ 次，单元面积大、容量小。它适合存放写入频次极低但要求字节可改的关键参数，例如出厂标定系数、整星标识。

Flash 同样基于浮栅，但按页写入、按块擦除，写入前必须先擦除整块。NOR Flash 支持随机读取、可执行代码，适合存放程序与少量参数；NAND Flash 容量大、单位成本低，但存在坏块和位翻转，需要 ECC 与坏块管理。Flash 擦写寿命通常为 10⁴～10⁵ 次，且擦除时间长（毫秒到秒量级），不适合高频写入。

MRAM 利用磁隧道结的磁化方向存储数据，写入速度快（纳秒量级）、几乎无限次擦写（10¹⁴ 次以上）、掉电保持且抗辐射能力较好。缺点是容量偏小、成本高，写入时存在翻转电流，需关注功耗。

FRAM 基于铁电材料的极化方向存储，写入速度快（与 MRAM 同量级）、擦写寿命极高（10¹² 次以上）、写入功耗极低，且支持字节级改写。缺点是容量小、单比特成本高，高温下保持特性需评估。

选型的基本判断是：先看写入频次，再看容量需求，最后看成本与抗辐射约束。写入频次低于每天一次的参数，用 EEPROM 或 NOR Flash 即可；写入频次达到每秒甚至每毫秒的参数（如姿态控制积分项、累计计数），必须用 MRAM 或 FRAM，否则介质寿命会在轨耗尽。

二、文件系统选型

星载参数存储不一定需要完整文件系统。是否引入文件系统，取决于参数的组织方式和访问模式。

如果参数数量少、结构固定、按固定地址访问，直接采用裸地址分区管理最简单可靠：把存储空间划分为若干固定偏移的区域，每个区域对应一组参数，读写时直接计算地址。这种方式没有元数据开销，掉电安全性容易保证，适合参数表稳定的型号。

如果参数需要按名称检索、动态增删、或需要记录版本，则应引入轻量文件系统。常见选择有：LittleFS，掉电安全、支持磨损均衡，适合 NOR/NAND Flash；SPIFFS，结构简单但磨损均衡较弱；YAFFS/JFFS2，面向 NAND，带坏块管理。对于 MRAM/FRAM 这类字节可改、寿命极高的介质，文件系统反而可能引入不必要的元数据写入，通常直接用带校验的键值结构更合适。

三、参数区、备份区与日志区的布局设计

无论是否使用文件系统，参数存储空间都应划分为三个逻辑区域：参数区存放当前生效的参数值；备份区存放上一版或出厂默认参数，用于回滚；日志区记录参数变更历史，用于在轨追溯与故障分析。

布局设计要解决三个问题：一是掉电时如何保证参数区不出现半写状态；二是参数区损坏时如何从备份区恢复；三是日志区如何在不耗尽介质寿命的前提下长期记录。

一种经过验证的做法是双副本加校验：参数区分为 A、B 两个副本，每个副本包含参数数据、版本号和 CRC。写入时先写非活动副本，校验通过后再更新活动副本指针。这样任意时刻至少有一个副本是完整的，掉电不会破坏全部数据。备份区存放出厂默认值，只在参数区与备份区都校验失败时使用。日志区采用环形缓冲，每条记录包含时间戳、参数标识、旧值、新值和校验，写满后覆盖最旧记录。

四、布局设计中的关键参数与示例

下面给出一组可用于教学参考的示例参数，实际型号需按存储容量和参数规模调整。

参数区 A：0x00000–0x2FFFF，128 KB，含 512 条参数，每条 256 B
参数区 B：0x30000–0x5FFFF，128 KB，与 A 同构
备份区：  0x60000–0x7FFFF，128 KB，出厂默认值 + 版本号
日志区：  0x80000–0xFFFFF，512 KB，环形，每条记录 64 B，可存 8192 条

参数记录格式：
  [参数ID:4B][版本:2B][长度:2B][数据:240B][CRC32:4B][保留:4B]

日志记录格式：
  [时间戳:4B][参数ID:4B][旧值:8B][新值:8B][操作码:1B][CRC16:2B][保留:37B]

按上述布局，参数区每条记录 256 B，512 条共 128 KB，正好占满一个副本。日志区 512 KB、每条 64 B，可存 8192 条；若每天产生 20 条变更记录，可覆盖约 400 天，之后环形覆盖最旧记录。这个容量与在轨寿命的匹配关系，是布局设计时必须核算的。

五、介质与分区的匹配关系

把介质特性和分区用途对应起来，可以得到一条清晰的匹配原则：高频写入的日志区优先用 FRAM 或 MRAM，因为它们支持字节改写、寿命极高，不需要擦除，环形覆盖时不会因擦除次数受限；参数区可用 NOR Flash 或 EEPROM，写入频次低，双副本加校验即可保证掉电安全；备份区写入次数最少，可用 EEPROM 或 Flash 的独立块，甚至可与参数区共用介质但划分独立擦除块。

如果整星只配置一种介质，例如全部使用 NOR Flash，则必须通过磨损均衡和写入频次限制来保护介质：日志区采用追加写而非原地改写，参数区采用双副本轮换，避免同一擦除块被反复擦写。若配置了 FRAM，则把累计计数、积分项、掉电快照等高频参数放在 FRAM，把低频配置参数放在 Flash，形成分层存储结构。

最终判断布局是否合理，可以看三个指标：掉电后参数是否可恢复、介质寿命是否覆盖任务周期、日志是否足以追溯异常。这三点在轨验证时可通过注入掉电、模拟擦写次数、回读日志来确认。