一種專用高速數據記錄器的設計和實現

作者：齊亞軍趙鳳軍時間：2008-08-04 來源：無憂電子開發網

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　　在持續數據采集存儲系統中，數據存儲是一項關鍵技術。常規的數據記錄器多采用總線型設計思路。過去的做法是通過內存將采集和存儲聯系起來。外部采集到的數據經由PCI總線送入系統內存，然后再由主機把數據寫入磁介質存儲器。由于數據兩次經由PCI總線進出內存，總線效率降低一半，速度也降低很多。

　　隨著對PCI總線和SCSI總線接口協議以及計算機系統結構的了解愈加深入，現在多采用映射內存及總線主控技術，使SCSI適配器對PCI采集設備直接進行訪問。由于避開了系統內存這一環節，速度得到了很大的提高。

　　一種常規的做法是在微機系統加一塊PCI-SCSI接口卡，使數據通過高速PCI接口，由SCSI總線處理器將高速數據寫入SCSI硬盤。其缺點在于數據速度受到PCI帶寬的限制，而且由于對微機系統的依賴，系統難以實現模塊化設計。

　　本文提出了一種專用的高速數據記錄系統設計。設計脫離了微機系統，由DSP控制將高速數據實時持續的寫入SCSI硬盤，在存儲容量和傳輸速度等方面都具有很大的優勢。此外，設備還支持數據的高速回寫。

本文引用地址：http://www.j9360.com/article/86568.htm

　　1. SCSI總線和硬盤

　　SCSI是英文Small Computer System Interface的縮寫，譯為小型計算機系統接口。SCSI是美國ANSI9.2委員會定義的計算機和外設之間的接口標準。本系統采用SCSI硬盤，因為SCSI接口本身具有很多優點：（1）SCSI提供了一個高速傳輸通道，目前Ultra320 SCSI總線數據傳輸速度可以達到320MB/s，雖然在實際應用中達不到這個理論值，但百兆比特的數據傳輸速度完全可以達到；（2）由于有專門的SCSI協議控制器和內嵌的處理器處理SCSI信號和數據傳輸，因此SCSI設備對CPU占用率低。此外還支持多任務工作模式；（3）SCSI總線占用系統資源少，還可以同時串接多臺不同設備，最多時可達15個；（4）SCSI硬盤在標識硬盤扇區時使用了線形的概念，即硬盤只有順序的第1扇區、第2扇區，第n扇區，不像IDE硬盤的“柱面/磁頭/扇區”三維格局。這種線形編排方式的優點是訪問時間小，可以有效地加快磁盤存取速度，尤其在持續大容量數據存儲時，優勢更為明顯。此外，通過掛接多個硬盤組成磁盤陣列可以大大地增加數據的存儲容量。

　　2. 系統結構設計

整個系統的設計結構[1]框圖如圖1所示，主要包括以下幾部分：高速數據源（不在本文設計中）、光電轉換和串并轉換單元、高速大容量的數據緩存、微處理器、DMA控制器、SCSI協議處理器以及高速SCSI硬盤。下面逐一介紹。

　　2.1 光電轉換和串并轉換單元

　　系統的高速數據源為光接口，記錄器接收到光信號后，首先經過光電轉換變為串行的電信號，再經過串并轉換變為16位的并行數據。

　　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據接口,支持SCSI、ATM等上層數據傳輸協議,具有可靠性高、速度快和傳輸距離遠的特點,特別適合高速大容量的信息傳輸。

　　2.2 高速大容量的數據緩存

圖1:高速數據記錄器結構框圖

　　數據緩存的主要作用在于實現速度匹配，為高速DMA傳輸做好準備。

　　普通的SRAM存儲器只有一套數據、地址和控制總線，無法同時進行讀寫操作。雙口RAM有兩套數據、地址和控制總線，可以同時進行讀寫操作。但其編譯碼電路復雜，而且價格相對較高。由于我們對數據不進行任何處理，只是單純的數據存儲，緩存單元在結構上相當于一個先入先出(FIFO: First In First Out），先到的數據先被存儲。設計中，我們利用現場可編程門陣列（FPGA：Field Programmable Gate Array）實現一個高速FIFO，省去了復雜的編譯碼電路，大大簡化了系統設計。而且，從外部數據接口看來，設備就是一個寫不滿的FIFO，也大大簡化了對設備數據接口的操作。

　　2.3 微處理器

　　用來控制設備中各部分的工作，實現設備的特定功能。高速數據記錄器主要實現數據持續高速存儲，對數據處理的速度要求較高。通常采用數字信號處理器（DSP：Digital Signal Processing）作為微處理器。

　　2.4 DMA控制器

　　設計中，為保證大量數據的高速持續傳輸，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，設備采用FPGA構造一個單獨的DMA控制器。

　　2.5 SCSI協議處理器

　　無論DSP還是FPGA，通常都不會集成SCSI協議控制器。因此我們用專門的SCSI協議控制器來實現SCSI協議，輔助DSP來實現SCSI協議和通信。

　　2.6 SCSI硬盤

　　采用SCSI硬盤可以實現數據高速存儲，而且通過增加磁盤數目可以很方便的擴展存儲容量。

　　3. 硬件電路的實現

　　前面我們已經逐一介紹了系統各部分的功能，下面我們介紹一下高速數據記錄器的硬件電路的實現。

　　由于設備采用光接口，當高速數據流進入設備后，首先我們需要進行光電轉換和串并轉換。光電轉換可以通過專門的光電轉換芯片實現，而串并轉換我們利用某些FPGA內嵌的收發器模塊（Transceiver）來實現。這樣做既可以保證數據的高速傳輸，又可以有效地保證時鐘同步，實現字對齊，可靠性高。

　　高速數據緩存通常采用專用FIFO，但價格較高。我們利用FPGA來實現一個大容量的FIFO，即簡化了系統，又提高了效率。前面已經介紹過專用的DMA控制器連接電路復雜，我們用FPGA來設計一個單獨的DMA控制器同樣可以簡化電路，提高效率。

　　設計中，串并轉換單元、高速數據緩存和DMA控制器都利用FPGA編程實現（如圖1虛線所示）。用高度集成的FPGA取代分立元件進行高速數據傳輸設計是本文的一個重要特點。

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

　　下面我們對SCSI協議控制器FAS660[3]做進一步的介紹。

　　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。可提供Fast-160的同步傳輸速率，支持先進的SCSI自動配置模式SCAM的1層和2層協議。內部嵌有微控制器，能夠用編程的方法靈活的協調SCSI作業隊列。FAS660和主流SCSI接口芯片最大的區別在于：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接口的結構。這使得FAS660更為靈活，可以根據需要進行多種接口設計，尤其適合應用在一些專用SCSI總線控制場合。

　　4. 系統的軟件設計

　　在硬件設計的基礎上，還需要軟件模塊

　　負責對相關硬件進行控制和協調，最終實現SCSI協議、硬盤的控制和DMA傳輸等。軟件模塊的設計是本系統的難點和重點。本系統中，軟件設計主要分為兩部分：DSP控制軟件和FPGA實現的DMA控制器，此外還有FPGA實現的串并轉換和高速FIFO。程序的優劣關系到整個系統數據存儲的性能，下面分別進行討論。

　　4.1 FPGA設計

　　FPGA設計主要包括異步收發器模塊、高速異步FIFO緩沖模塊、DMA控制器模塊以及時鐘生成模塊。FPGA作為設計中的重要一部分，用來實現數據傳輸的準備（包括串并轉換、高速緩沖以及加入奇偶校驗、CRC校驗）和對讀寫邏輯的控制。

圖2 DMA控制器狀態機

　　DMA控制器是FPGA設計的主要工作。我們通過DMA控制器，實現傳輸數據的控制邏輯，同時對前端傳來的數據（沒有任何保護）加以保護（通常指奇偶校驗保護和CRC校驗保護）。它的控制邏輯相當簡單。當FAS660發送數據傳輸請求（聲明DREQ）,如果FIFO非空，則經過延時后，開始數據傳輸（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DMA時鐘周期開始傳輸，而寫操作在DACK有效后的第一個DMA時鐘周期開始傳輸。在FPGA設計的內部邏輯時尤其需要注意。

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

　　4.2 DSP控制軟件

　　基于FAS660的系統可以通過DSP微處理器和FAS660（內部有單獨的微控制器和SCSI控制器用來實現SCSI協議）的協調工作來實現系統功能。一般來說，要完成一次數據交換必須完成SCSI總線的仲裁、選擇、消息、命令、數據和狀態等階段，這些階段通過為處理器TMS320F206對FAS660寄存器[4]的讀寫命令來實現。

　　SCSI控制軟件流程如圖3所示。首先初始化設備，然后建立同步傳輸協議，檢測硬盤。硬盤準備好后就可以進行數據傳輸。

圖3 DSP控制軟件流程