一種專用高速數(shù)據(jù)記錄器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

在持續(xù)數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。常規(guī)的數(shù)據(jù)記錄器多采用總線型設(shè)計(jì)思路。過去的做法是通過內(nèi)存將采集和存儲聯(lián)系起來。外部采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)由PCI總線送入系統(tǒng)內(nèi)存，然后再由主機(jī)把數(shù)據(jù)寫入磁介質(zhì)存儲器。由于數(shù)據(jù)兩次經(jīng)由PCI總線進(jìn)出內(nèi)存，總線效率降低一半，速度也降低很多。隨著對PCI總線和SCSI總線接口協(xié)議以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的了解愈加深入，現(xiàn)在多采用映射內(nèi)存及總線主控技術(shù)，使SCSI適配器對PCI采集設(shè)備直接進(jìn)行訪問。由于避開了系統(tǒng)內(nèi)存這一環(huán)節(jié)，速度得到了很大的提高。一種常規(guī)的做法是在微機(jī)系統(tǒng)加一塊PCI-SCSI接口卡，使數(shù)據(jù)通過高速PCI接口，由SCSI總線處理器將高速數(shù)據(jù)寫入SCSI硬盤。其缺點(diǎn)在于數(shù)據(jù)速度受到PCI帶寬的限制，而且由于對微機(jī)系統(tǒng)的依賴，系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。本文提出了一種專用的高速數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)脫離了微機(jī)系統(tǒng)，由DSP控制將高速數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)持續(xù)的寫入SCSI硬盤，在存儲容量和傳輸速度等方面都具有很大的優(yōu)勢。此外，設(shè)備還支持?jǐn)?shù)據(jù)的高速回寫。

1.    SCSI總線和硬盤

SCSI是英文Small Computer System Interface的縮寫，譯為小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口。SCSI是美國ANSI9.2委員會定義的計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間的接口標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)采用SCSI硬盤，因?yàn)镾CSI接口本身具有很多優(yōu)點(diǎn)：（1）SCSI提供了一個(gè)高速傳輸通道，目前Ultra320 SCSI總線數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到320MB/s，雖然在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)不到這個(gè)理論值，但百兆比特的數(shù)據(jù)傳輸速度完全可以達(dá)到；（2）由于有專門的SCSI協(xié)議控制器和內(nèi)嵌的處理器處理SCSI信號和數(shù)據(jù)傳輸，因此SCSI設(shè)備對CPU占用率低。此外還支持多任務(wù)工作模式；（3）SCSI總線占用系統(tǒng)資源少，還可以同時(shí)串接多臺不同設(shè)備，最多時(shí)可達(dá)15個(gè)；（4）SCSI硬盤在標(biāo)識硬盤扇區(qū)時(shí)使用了線形的概念，即硬盤只有順序的第1扇區(qū)、第2扇區(qū)，第n扇區(qū)，不像IDE硬盤的“柱面/磁頭/扇區(qū)”三維格局。這種線形編排方式的優(yōu)點(diǎn)是訪問時(shí)間小，可以有效地加快磁盤存取速度，尤其在持續(xù)大容量數(shù)據(jù)存儲時(shí)，優(yōu)勢更為明顯。此外，通過掛接多個(gè)硬盤組成磁盤陣列可以大大地增加數(shù)據(jù)的存儲容量。

2.    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)^[1]框圖如圖1所示，主要包括以下幾部分：高速數(shù)據(jù)源（不在本文設(shè)計(jì)中）、光電轉(zhuǎn)換和串并轉(zhuǎn)換單元、高速大容量的數(shù)據(jù)緩存、微處理器、DMA控制器、SCSI協(xié)議處理器以及高速SCSI硬盤。下面逐一介紹。

2.1 光電轉(zhuǎn)換和串并轉(zhuǎn)換單元

系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)源為光接口，記錄器接收到光信號后，首先經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換變?yōu)榇械碾娦盘?，再?jīng)過串并轉(zhuǎn)換變?yōu)?6位的并行數(shù)據(jù)。

采用光接口的主要原因在于：光纖通道(Fibre Channel) 是一種高性能的串行數(shù)據(jù)接口,支持SCSI、ATM等上層數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,具有可靠性高、速度快和傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn),特別適合高速大容量的信息傳輸。

2.2 高速大容量的數(shù)據(jù)緩存

圖1:高速數(shù)據(jù)記錄器結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)緩存的主要作用在于實(shí)現(xiàn)速度匹配，為高速DMA傳輸做好準(zhǔn)備。

普通的SRAM存儲器只有一套數(shù)據(jù)、地址和控制總線，無法同時(shí)進(jìn)行讀寫操作。雙口RAM有兩套數(shù)據(jù)、地址和控制總線，可以同時(shí)進(jìn)行讀寫操作。但其編譯碼電路復(fù)雜，而且價(jià)格相對較高。由于我們對數(shù)據(jù)不進(jìn)行任何處理，只是單純的數(shù)據(jù)存儲，緩存單元在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于一個(gè)先入先出(FIFO: First In First Out），先到的數(shù)據(jù)先被存儲。設(shè)計(jì)中，我們利用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA：Field Programmable Gate Array）實(shí)現(xiàn)一個(gè)高速FIFO，省去了復(fù)雜的編譯碼電路，大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。而且，從外部數(shù)據(jù)接口看來，設(shè)備就是一個(gè)寫不滿的FIFO，也大大簡化了對設(shè)備數(shù)據(jù)接口的操作。

2.3 微處理器

用來控制設(shè)備中各部分的工作，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的特定功能。高速數(shù)據(jù)記錄器主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)持續(xù)高速存儲，對數(shù)據(jù)處理的速度要求較高。通常采用數(shù)字信號處理器（DSP：Digital Signal Processing）作為微處理器。

2.4 DMA控制器

設(shè)計(jì)中，為保證大量數(shù)據(jù)的高速持續(xù)傳輸，采用直接存儲器訪問（DMA：Direct Memory Access）方式,因此需要DMA控制器單元。為了簡化電路，提高效率，設(shè)備采用FPGA構(gòu)造一個(gè)單獨(dú)的DMA控制器。

2.5 SCSI協(xié)議處理器

無論DSP還是FPGA，通常都不會集成SCSI協(xié)議控制器。因此我們用專門的SCSI協(xié)議控制器來實(shí)現(xiàn)SCSI協(xié)議，輔助DSP來實(shí)現(xiàn)SCSI協(xié)議和通信。

2.6 SCSI硬盤

采用SCSI硬盤可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速存儲，而且通過增加磁盤數(shù)目可以很方便的擴(kuò)展存儲容量。

3.    硬件電路的實(shí)現(xiàn)

前面我們已經(jīng)逐一介紹了系統(tǒng)各部分的功能，下面我們介紹一下高速數(shù)據(jù)記錄器的硬件電路的實(shí)現(xiàn)。

由于設(shè)備采用光接口，當(dāng)高速數(shù)據(jù)流進(jìn)入設(shè)備后，首先我們需要進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和串并轉(zhuǎn)換。光電轉(zhuǎn)換可以通過專門的光電轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)，而串并轉(zhuǎn)換我們利用某些FPGA內(nèi)嵌的收發(fā)器模塊（Transceiver）來實(shí)現(xiàn)。這樣做既可以保證數(shù)據(jù)的高速傳輸，又可以有效地保證時(shí)鐘同步，實(shí)現(xiàn)字對齊，可靠性高。

高速數(shù)據(jù)緩存通常采用專用FIFO，但價(jià)格較高。我們利用FPGA來實(shí)現(xiàn)一個(gè)大容量的FIFO，即簡化了系統(tǒng)，又提高了效率。前面已經(jīng)介紹過專用的DMA控制器連接電路復(fù)雜，我們用FPGA來設(shè)計(jì)一個(gè)單獨(dú)的DMA控制器同樣可以簡化電路，提高效率。

設(shè)計(jì)中，串并轉(zhuǎn)換單元、高速數(shù)據(jù)緩存和DMA控制器都利用FPGA編程實(shí)現(xiàn)（如圖1虛線所示）。用高度集成的FPGA取代分立元件進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)是本文的一個(gè)重要特點(diǎn)。

微處理器我們采用德克薩斯儀器（TI：Texas Instruments）公司生產(chǎn)的數(shù)字信號處理器MS320F206；SCSI協(xié)議控制器則選用Qlogic公司的FAS660。

下面我們對SCSI協(xié)議控制器FAS660^[3]做進(jìn)一步的介紹。

FAS660是Qlogic公司推出的一款高性能SCSI引擎，它源于Qlogic公司的TEC485三重嵌入式控制器系列?？商峁〧ast-160的同步傳輸速率，支持先進(jìn)的SCSI自動配置模式SCAM的1層和2層協(xié)議。內(nèi)部嵌有微控制器，能夠用編程的方法靈活的協(xié)調(diào)SCSI作業(yè)隊(duì)列。FAS660和主流SCSI接口芯片最大的區(qū)別在于：主流SCSI接口芯片采用的是PCI總線接口，而FAS660采用的是微處理器和DMA接口的結(jié)構(gòu)。這使得FAS660更為靈活，可以根據(jù)需要進(jìn)行多種接口設(shè)計(jì)，尤其適合應(yīng)用在一些專用SCSI總線控制場合。

4.    系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還需要軟件模塊

負(fù)責(zé)對相關(guān)硬件進(jìn)行控制和協(xié)調(diào)，最終實(shí)現(xiàn)SCSI協(xié)議、硬盤的控制和DMA傳輸?shù)取＼浖K的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。本系統(tǒng)中，軟件設(shè)計(jì)主要分為兩部分：DSP控制軟件和FPGA實(shí)現(xiàn)的DMA控制器，此外還有FPGA實(shí)現(xiàn)的串并轉(zhuǎn)換和高速FIFO。程序的優(yōu)劣關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲的性能，下面分別進(jìn)行討論。

4.1 FPGA設(shè)計(jì)

FPGA設(shè)計(jì)主要包括異步收發(fā)器模塊、高速異步FIFO緩沖模塊、DMA控制器模塊以及時(shí)鐘生成模塊。FPGA作為設(shè)計(jì)中的重要一部分，用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)備（包括串并轉(zhuǎn)換、高速緩沖以及加入奇偶校驗(yàn)、CRC校驗(yàn)）和對讀寫邏輯的控制。

圖2 DMA控制器狀態(tài)機(jī)

DMA控制器是FPGA設(shè)計(jì)的主要工作。我們通過DMA控制器，實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的控制邏輯，同時(shí)對前端傳來的數(shù)據(jù)（沒有任何保護(hù)）加以保護(hù)（通常指奇偶校驗(yàn)保護(hù)和CRC校驗(yàn)保護(hù)）。它的控制邏輯相當(dāng)簡單。當(dāng)FAS660發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸請求（聲明DREQ）,如果FIFO非空，則經(jīng)過延時(shí)后，開始數(shù)據(jù)傳輸（聲明DACK）。FAS660的讀寫操作非常相似，但也有一些差別。讀操作在DACK有效后的第二個(gè)DMA時(shí)鐘周期開始傳輸，而寫操作在DACK有效后的第一個(gè)DMA時(shí)鐘周期開始傳輸。在FPGA設(shè)計(jì)的內(nèi)部邏輯時(shí)尤其需要注意。

Altera公司為StratixGX系列FPGA提供了gxb（吉比特收發(fā)器） 、fifo（先入先出）、pll（鎖相環(huán)）等MEGAFUCTION，通過對它們進(jìn)行例化可以很方便地實(shí)現(xiàn)高速收發(fā)器，高速FIFO和時(shí)鐘生成等模塊。

4.2 DSP控制軟件

基于FAS660的系統(tǒng)可以通過DSP微處理器和FAS660（內(nèi)部有單獨(dú)的微控制器和SCSI控制器用來實(shí)現(xiàn)SCSI協(xié)議）的協(xié)調(diào)工作來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。一般來說，要完成一次數(shù)據(jù)交換必須完成SCSI總線的仲裁、選擇、消息、命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)等階段，這些階段通過為處理器TMS320F206對FAS660寄存器^[4]的讀寫命令來實(shí)現(xiàn)。

SCSI控制軟件流程如圖3所示。首先初始化設(shè)備，然后建立同步傳輸協(xié)議，檢測硬盤。硬盤準(zhǔn)備好后就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 DSP控制軟件流程

5.    結(jié)束語

本文介紹了一種光接口的專用高速數(shù)據(jù)記錄器的設(shè)計(jì)。它脫離了微機(jī)平臺，用DSP微處理器做控制，用專門的SCSI總線控制器處理SCSI總線信號，并建立了一個(gè)高速DMA通道，將數(shù)據(jù)高速持續(xù)的存儲到SCSI磁盤陣列中。設(shè)計(jì)速度高，容量大，可移植性好，可以靈活應(yīng)用到各種系統(tǒng)中。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：

1.專用型記錄器的設(shè)計(jì)思路，避免了總線帶寬限制，可以達(dá)到更高的傳輸速度。

2.用DSP做為本地CPU，控制整個(gè)系統(tǒng)，脫離了微機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)。

3.用高度集成的FPGA取代了多個(gè)分立元件（FIFO，串并轉(zhuǎn)換，DMA控制器）。

4.源端數(shù)據(jù)采用光接口傳輸，可靠性高，速度快。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜鳳山，雷宏. 一種基于FAS466的合成孔徑雷達(dá)高速數(shù)據(jù)記錄器的設(shè)計(jì).電子技術(shù)應(yīng)用，2004.6。

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[4]Qlogic Corporation.FAS660 Fast Architecture SCSI Processor Designer’Guide，2003.1。

[5]吳志祥，汪波，基于ISCSI的存儲系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法. 微計(jì)算機(jī)信息，2006，3-3。