采用FPGA和DSP直接控制硬盤實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)控制的方法

 摘  要  介紹了采用FPGA和DSP直接控制硬盤進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的方法，并采用一片F(xiàn)IFO作為數(shù)據(jù)緩存，能夠滿足80Khz數(shù)據(jù)采樣率系統(tǒng)的存盤要求。
    關(guān)鍵詞  FPGA；DSP；硬盤；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
 
1　引言
    數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，目前大部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)都是用內(nèi)置工控機(jī)的方法完成數(shù)據(jù)保存任務(wù)，這種方法系統(tǒng)功耗大，硬件成本高，不適用于具有內(nèi)記功能要求的系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用FPGA和DSP直接控制硬盤進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并采用一片F(xiàn)IFO 作為數(shù)據(jù)緩存，設(shè)計(jì)思路比較新穎，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，直接控制硬盤的方法可將系統(tǒng)功耗降至最低，具有自動(dòng)內(nèi)記功能，能及時(shí)存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于某信號(hào)采集設(shè)備中，實(shí)踐證明可滿足使用要求，能夠滿足80Khz數(shù)據(jù)采樣率系統(tǒng)的存盤要求。
2　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案
    本設(shè)計(jì)采用FPGA和DSP直接控制硬盤[1][2]，并采用一片F(xiàn)IFO作為數(shù)據(jù)緩存，系統(tǒng)采用DSP完成文件管理工作，利用FPGA實(shí)現(xiàn)DSP與硬盤的接口。具體框圖如圖1所示。

圖1  方案實(shí)現(xiàn)框圖
    首先由采集控制板FPGA將FIFO復(fù)位，需要儲(chǔ)存數(shù)據(jù)時(shí)數(shù)據(jù)流直接將數(shù)據(jù)寫入FIFO，當(dāng)存儲(chǔ)控制板FPGA查詢到FIFO的狀態(tài)為非空時(shí)就輸出BIO信號(hào)通知DSP啟動(dòng)存盤程序。DSP先訪問(wèn)硬盤確定所需參數(shù)，如下一個(gè)文件應(yīng)使用的文件名，保存文件的邏輯扇區(qū)號(hào)等。然后DSP向硬盤發(fā)出存盤命令，當(dāng)硬盤響應(yīng)控制命令后，DSP通知FPGA可以向硬盤傳輸數(shù)據(jù)。存盤時(shí)FPGA從FIFO中讀出數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)打包，由8bit變?yōu)?6bit，并寫入硬盤數(shù)據(jù)寄存器。當(dāng)存滿40M時(shí)，DSP通知采集控制系統(tǒng)已寫滿一個(gè)文件，采集控制系統(tǒng)將FIFO復(fù)位完成一次存盤操作。
3　存儲(chǔ)控制程序流程
    程序啟動(dòng)后，首先將硬盤Device register中的SRST置1使硬盤復(fù)位，在硬盤復(fù)位后讀取MBR0和BPB0，在FAT中找到Special Sector并檢查是否有標(biāo)志位0x55FF，如果沒(méi)有則說(shuō)明硬盤是第1次被使用，如果有則從中讀取參數(shù)準(zhǔn)備傳輸數(shù)據(jù)。
    (1) 為了在每次啟動(dòng)程序后能迅速查找到應(yīng)使用的文件名、下一個(gè)空簇的位置、正在使用的磁盤等參數(shù)，將硬盤第3簇中第1扇區(qū)標(biāo)志為Special Sector，用于儲(chǔ)存這些參數(shù)。

    (2)每個(gè)磁盤被劃分出200M空間為保留區(qū)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)磁盤空間不足200M時(shí)即顯示磁盤已滿，不在用當(dāng)前磁盤存儲(chǔ)數(shù)據(jù)而是使用下一個(gè)磁盤。
    (3)每個(gè)磁盤第2簇為目錄區(qū)，因使用短文件名無(wú)子目錄，所以當(dāng)每簇為16扇區(qū)時(shí)目錄區(qū)共可儲(chǔ)存256個(gè)文件名。
    (4)數(shù)據(jù)文件大小固定為40M。
    如果硬盤是第一次被使用，則主機(jī)順次讀取MBR0、BPB0、MBR1、BPB1直到查詢到最后一個(gè)硬盤分區(qū)，并將相關(guān)參數(shù)如每個(gè)分區(qū)的大小、分區(qū)的邏輯地址、每個(gè)分區(qū)數(shù)據(jù)空間起始段的邏輯地址、FAT表邏輯地址等信息寫入Special Sector，并做一個(gè)文件的目錄（32字節(jié)）將第一個(gè)文件命名為“000.dat”。
    當(dāng)FAT中第三簇被標(biāo)志為壞簇時(shí)，表明已經(jīng)在硬盤上劃分Special Sector并已存入硬盤參數(shù)。主機(jī)從Special Sector中讀取下一個(gè)可用空簇，并計(jì)算這一簇在FAT中的位置并將FAT讀入C54的RAM中，讀取Special Sector中的文件名及相關(guān)參數(shù)并將其寫入目錄區(qū)。然后查詢BIO，當(dāng)BIO為低電平時(shí)開始傳輸數(shù)據(jù)（參見儲(chǔ)存板接口），傳輸數(shù)據(jù)時(shí)FPGA啟動(dòng)元件 trans_data，由主機(jī)發(fā)出XF作為啟動(dòng)信號(hào)。FPGA從FIFO中每讀出2Bytes向硬盤寫一次，連續(xù)寫256次，即向硬盤傳輸512字節(jié)數(shù)據(jù)。主機(jī)每發(fā)出一個(gè)XF下降沿FPGA就從FIFO中讀取512字節(jié)數(shù)據(jù)并存入硬盤。
    傳輸40M數(shù)據(jù)結(jié)束后，主機(jī)將根據(jù)傳輸?shù)纳葏^(qū)數(shù)填寫FAT表，判斷硬盤空間是否小于200M、已儲(chǔ)存的文件數(shù)是否大于256，如果為真則再次存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)將使用下一個(gè)磁盤分區(qū)。
4　硬盤操作控制流程
    我們一般習(xí)慣稱硬盤接口為IDE接口[3]，對(duì)硬盤的操作如讀寫扇區(qū)，發(fā)送命令等都是通過(guò)讀寫寄存器來(lái)完成的，每向硬盤發(fā)送一組命令后都要讀取狀態(tài)寄存器中的信息，通過(guò)狀態(tài)寄存器的值來(lái)判斷硬盤是否已經(jīng)執(zhí)行完所發(fā)送的命令。
4.1  硬盤啟動(dòng)操作
    硬盤加電后應(yīng)先將硬盤復(fù)位，硬盤復(fù)位方式有三種，本設(shè)計(jì)采用的是將SRST置1，當(dāng)SRST被置1后硬盤立即復(fù)位，這時(shí)應(yīng)至少等待2ms才讀取Status register。如果Status register的值為80h，則表明硬盤已完成復(fù)位。硬盤啟動(dòng)流程見圖2。

圖3  扇區(qū)讀寫操作程序流程圖
4.2  扇區(qū)讀寫操作
    首先應(yīng)向硬盤發(fā)送命令參數(shù)，將要讀寫的扇區(qū)數(shù)目寫入Sector count register，將扇區(qū)的邏輯地址寫入LBA High register、LBA Mid register和LBA Low register，將要接收命令的設(shè)備號(hào)寫入Device register。流程見圖3。
    LBA＝（柱面編號(hào)×磁頭數(shù)＋磁頭編號(hào)）×扇區(qū)數(shù)＋扇區(qū)編號(hào)－1
    將命令READ SECTOR或WRITE SECTOR寫入Command register后，在400ns內(nèi)Status register的值并不可靠，所以需等待400ns才能讀取Status register，這段等待時(shí)間可以通過(guò)讀取Alternate Status register和Error register度過(guò)，讀取的數(shù)值應(yīng)被丟棄。當(dāng)狀態(tài)寄存器的值為58h時(shí)，表示硬盤已經(jīng)可以從Data register接收或傳輸數(shù)據(jù)。                    
4.3  DMA操作流程
    DMA操作與I/O操作相似，流程見圖4，首先應(yīng)向硬盤發(fā)送命令參數(shù)，將要讀寫的扇區(qū)數(shù)目寫入 Sector count register，將扇區(qū)的邏輯地址寫入LBA High register、LBA Mid register和LBA Low register，將要接收命令的設(shè)備號(hào)寫入Device register。將命令READ DMA或 WRITE DMA寫入Command register后，在400ns內(nèi)Status register的值并不可靠，所以需等待400ns才能讀取Status register，這段等待時(shí)間可以通過(guò)讀取Alternate Status register和Error register度過(guò)，讀取的數(shù)值應(yīng)被丟棄。當(dāng)狀態(tài)寄存器值為58h時(shí)主機(jī)應(yīng)給出DMA初始化時(shí)序開始傳輸數(shù)據(jù)。

 
                           
圖4 　DMA操作流程圖
5　設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)
5.1  采樣率問(wèn)題
    數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)系統(tǒng)一般都有采樣率要求，采樣率一般要求大于50K，才能滿足快速實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的要求。本系統(tǒng)中速度較慢的環(huán)節(jié)是硬盤存儲(chǔ)環(huán)節(jié)，硬盤接口設(shè)計(jì)存盤速度為7.8Mbyte/S，顯然采集速率與存盤速率并不匹配，解決的措施為采用一片 FIFO作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。由于對(duì)硬盤操作過(guò)程中，需不斷查詢其狀態(tài)，而硬盤狀態(tài)改變時(shí)間又不確定，所以要選用存儲(chǔ)深度較大的FIFO作為緩存，IDT公司的72V2101滿足設(shè)計(jì)要求[5]。工作時(shí)數(shù)據(jù)直接將數(shù)據(jù)寫入FIFO，FPGA查詢FIFO的狀態(tài)，為非空時(shí)，協(xié)調(diào)DSP訪問(wèn)硬盤，進(jìn)行存儲(chǔ)操作，這樣采用FIFO作為緩存的方案解決了速率匹配問(wèn)題[4]，當(dāng)采樣率為80k時(shí)，數(shù)據(jù)流為5Mbyte/S，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)存盤速度為7.8Mbyte/S，可以滿足80K以內(nèi)數(shù)據(jù)采樣率系統(tǒng)的存盤要求。
5.2  硬盤存儲(chǔ)地址問(wèn)題
    硬盤中數(shù)據(jù)如何存儲(chǔ)是本設(shè)計(jì)中另一個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題，主要考慮文件存儲(chǔ)的地址及文件目錄情況。本設(shè)計(jì)中硬盤文件的存儲(chǔ)采用FAT32文件系統(tǒng)，引導(dǎo)扇區(qū)記錄了文件分配表的地址、個(gè)數(shù)、大小、簇的大小等信息。文件邏輯地址＝數(shù)據(jù)段起始地址＋（簇號(hào)— RootClus）×SecPerClus；數(shù)據(jù)段起始地址＝BPB地址＋RsvdSecCn＋FATSz32×NumFATs。）文件目錄設(shè)計(jì)采用短文件名，每個(gè)文件名和相關(guān)信息占用32字節(jié)，每個(gè)磁盤第2簇為目錄區(qū)，因使用短文件名無(wú)子目錄，所以當(dāng)每簇為16扇區(qū)時(shí)目錄區(qū)共可儲(chǔ)存256個(gè)文件名。
6　結(jié)束語(yǔ)
    本系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量較大，較傳統(tǒng)使用工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功耗較低，適合于工作環(huán)境局限、系統(tǒng)要求具有自動(dòng)內(nèi)記功能的工況下。本系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于某信號(hào)采集設(shè)備中，實(shí)踐證明可滿足使用要求，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，沒(méi)有數(shù)據(jù)溢出現(xiàn)象。當(dāng)然本系統(tǒng)還有一定不足，如不能存儲(chǔ)任意長(zhǎng)度數(shù)據(jù)文件，只能存儲(chǔ)40M長(zhǎng)度文件，還需進(jìn)一步完善。