基于PC主機北橋的長(cháng)時(shí)間不間斷高速采集和存儲的系

　　透明橋系統是指整個(gè)系統中只含一個(gè)主機設備，其余所有設備都是以端點(diǎn)設備的形式出現。所有下游設備不能自發(fā)進(jìn)行數據傳輸，只有在上位機引導下進(jìn)行數據傳輸。采集卡可以通過(guò)DMA等方式將數據傳輸到上位機的內存中的某個(gè)區域，然后再將內存中的數據存儲到磁盤(pán)陣列中。由于存儲和讀取同一塊內存，因此在軟件上可以多開(kāi)辟幾塊內存，利用多線(xiàn)程規避系統順序執行所帶來(lái)的延遲，提高傳輸和存儲的速度。

　　圖3 基于PCI-E Switch的非透明橋系統

　　PEX8616提供非透明橋，非透明端口保持處理器的電氣及邏輯隔離,可以防止主機列舉端口后面的設備,從而隔離其后的處理器及內存空間。非透明端口允許打開(kāi)窗口以交換數據，通過(guò)地址轉換,數據從端口的一側中傳輸另外一側。每個(gè)處理器把非透明端口的另一端當作一個(gè)下游設備，并把它映射到自己的地址空間。利用非透明端口的地址翻譯能力,處理器之間可以通過(guò)PCI-E總線(xiàn)進(jìn)行通信。因此系統構建可以考慮引入非透明橋，在上位機存在的情況下，讓采集卡或者存儲卡也作為一個(gè)主機端，數據在采集存儲過(guò)程中可以直接繞開(kāi)PC主機進(jìn)行，當數據進(jìn)行反演時(shí)，上位機再作為上游，對磁盤(pán)陣列進(jìn)行操作和控制。

　　圖3為一種非透明橋的系統，其中包含兩個(gè)Host Bridge和PCI-E Root Complex，其中本地設備系統中的Root Complex連接到PCI-E Switch的一個(gè)NT端口上，從而在主系統的PCI結構中把它作為一個(gè)下游設備。PCI-E Switch連接兩個(gè)獨立的處理器域，本地設備的資源和地址對主系統是不可見(jiàn)的。允許本地處理器獨立地配置和控制其子系統。主系統和本地系統的時(shí)鐘完全獨立。主系統和本地系統的地址完全獨立，在主系統和本地系統之間可以進(jìn)行地址翻譯。增加了隔離主系統、本地系統總線(xiàn)之間地址域的功能。

　　在構建采集存儲系統的過(guò)程中可以將采集模塊或者存儲模塊以構建本地系統的方式實(shí)現，從而可以在采集數據后直接對數據進(jìn)行預處理然后再送到PCI-E總線(xiàn)進(jìn)行存儲或者可以在存儲之后直接在本地系統進(jìn)行回放或者提供網(wǎng)口訪(fǎng)問(wèn)存儲數據等功能。

　　采集存儲系統的實(shí)現

　　系統結構

　　系統由PC主機、PCI-E Switch背板、采集卡和RAID存儲卡組成。在完成背板設計后，先利用一塊PEX8311接口芯片的采集卡，Rocket RAID 2680磁盤(pán)陣列卡，實(shí)現一種高速采集存儲的系統。然而因為普通的PC機箱的空間有限，如果將PCI-E Switch背板與上位機的接口直接以PCI-E金手指的形式，則當背板接入主機后，很難創(chuàng )造一個(gè)空間可以容納其他板卡插到背板上。并且由于磁盤(pán)陣列是由多個(gè)Western Digest WD3200AAJS的硬盤(pán)構成，發(fā)熱量也成為一個(gè)很顯著(zhù)的問(wèn)題。

　　因此本方案考慮通過(guò)引入Cable PCI-E來(lái)改善系統。Cable PCI-E是基于PCI-E用于服務(wù)器、臺式機和筆記本的下一代外圍總線(xiàn)，它具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

　　• 成本較低，由于PCI-E廣泛用于各種主機;

　　• 高帶寬，Gen1 ×4 Cable的帶寬即達到1GB/s;

　　• 低延遲，300ns～700ns;

　　• 兼容性強，系統軟件上完全兼容PCI模式;

　　• Cable PCI-E至少由15種標準形成;

　　• 唯一可以同時(shí)應用于Chip-to-Chip、board-to-board和box-to-box的標準。

　　PCI-SIG標準組織將Cable PCI-E定義為一種基于PCI-E的基本規范的擴展，通過(guò)線(xiàn)纜化將PCI-E協(xié)議擴展到box-to-box應用和實(shí)現長(cháng)距離的傳輸是產(chǎn)生Cable PCI-E標準的目的。Cable PCI-E提供一種簡(jiǎn)單而且具有高性能的總線(xiàn)，方便擴展PC以及測試I/O等設備。本方案就是利用Cable PCI-E方便擴展設備的特點(diǎn)，將整個(gè)采集存儲系統完全分離到PC機箱外，最終可以獨立構建成一個(gè)機箱形成一種box-to-box的模式，使得整個(gè)系統的可擴展性很強，PCI-E ×4及其以下的COST采集板卡和存儲卡均可以很好的應用于本系統中。獨立的機箱也為磁盤(pán)陣列中的硬盤(pán)提供足夠的空間，系統的散熱也能得到很好的保障。

　　系統的結構圖如圖4所示，整個(gè)系統圍繞PCI-E Switch構建而成，通過(guò)兩個(gè)Cable PCI-E將系統的各個(gè)模塊獨立開(kāi)來(lái)。由于采集卡采用的為PEX8311，故采集卡與PCI-E Switch連接的通道數為1，在后續的研究中可以升級采集的采集和接口速度從而實(shí)現整個(gè)系統的升級。磁盤(pán)陣列卡是一款消費類(lèi)產(chǎn)品，Rocket RAID 2680不能提供HOST功能，因此本案構建的是一個(gè)透明橋系統。

　　圖4 PCI-E Switch采集存儲系統結構圖

　　數據的采集、傳輸和存儲

　　數據采集

　　采集板AD采用TI ADS6145芯片，采樣位數為14bit，最高采樣頻率為125Mbps。AD采集后的數據接入到Xilinx公司Spartan-3ADSP系列的FPGA芯片XC3SD3400A。因為PEX8311接口芯片可支持8位、16位、32位數據的傳輸，為了提高數據傳輸的效率，同時(shí)也為了使得數據采集速率獲得相對提升。本設計中PEX8311中采用32位數據傳輸。所以在本方案FPGA數據流邏輯控制中，不僅要完成數據的緩存以及數據傳輸邏輯的控制，還要進(jìn)行數據位的變換擴展，由14位數據擴展為32位數據。

　　數據傳輸和存儲

　　數據傳輸是指的從PEX8311到主機內存的過(guò)程。本方案選擇DMA方式進(jìn)行，由于PEX8311內建兩個(gè)DMA通道。本方案使用其中的一個(gè)，DMA通道0。在安裝PLX提供的SDK以及驅動(dòng)后，可以通過(guò)其提供的API開(kāi)發(fā)包中的函數對PEX8311和PEX8616進(jìn)行控制和訪(fǎng)問(wèn)。一般的DMA傳輸過(guò)程是無(wú)需CPU的參與的，但是含Burst的DMA操作還是要通過(guò)CPU的參與的，與單獨的一次讀寫(xiě)操作相比，Burst只需要提供一個(gè)起始地址就行了，以后的地址依次加1，而非Burst操作每次都要給出地址，以及需要中間的一些應答、等待狀態(tài)等等。如果是對地址連續的讀取，Burst效率高得多，但如果地址是跳躍的，則無(wú)法采用Burst操作。PEX8311的DMA傳輸支持Single Burst 、Burst-4LW和Infinite Burst三種突發(fā)方式，表1為三種突發(fā)方式在不同單次傳輸字節數的情況下的傳輸速度對比。

　　表1 DMA傳輸在三種突發(fā)方式下的速度對比(MB/s)

　　由表1數據可觀(guān)察出，采用后兩種突發(fā)方式進(jìn)行DMA傳輸時(shí)，速度較普通DMA傳輸方式有明顯的提高，因此本方案采用Infinite Burst突發(fā)方式進(jìn)行DMA傳輸，使用連續的地址，以提高DMA傳輸的速度。

　　PLX公司SDK中提供的函數可對PEX8311和PEX8616進(jìn)行一系列控制和操作，DMA通道的參數設置在打開(kāi)DMA通道的時(shí)候一并完成，通過(guò)設置函數PlxPci_DeviceOpen()中的PLX_DMA_PROP結構體可以設置DMA傳輸的突發(fā)方式、本地總線(xiàn)帶寬和傳輸方向等參數。在系統初始化過(guò)程中設置以上參數。當整個(gè)采集存儲過(guò)程完成時(shí)，則需要進(jìn)行對整個(gè)工程的關(guān)閉工作，同樣是通過(guò)SDK中的函數PlxPci_DeviceClose()來(lái)關(guān)閉DMA通道。然后釋放開(kāi)辟的所有內存塊空間，并將指針賦NULL值。系統連續存儲的整個(gè)過(guò)程從開(kāi)始到結束，雖然進(jìn)行了很多個(gè)DMA傳輸的操作，但是只進(jìn)行了一次DMA通道的打開(kāi)和關(guān)閉，從而盡可能低的減小由于這部分時(shí)間帶來(lái)的速度影響。軟件流程如圖5所示。

　　圖5 采集存儲系統軟件流程圖

　　根據圖5可以觀(guān)察到系統引入了多線(xiàn)程技術(shù)，多線(xiàn)程技術(shù)的實(shí)現是通過(guò)分別創(chuàng )建兩個(gè)函數，一個(gè)控制DMA控制器進(jìn)行連續的數據傳輸，另一個(gè)用于將內存中的數據快速的存儲到磁盤(pán)陣列中，然后創(chuàng )建成為兩個(gè)線(xiàn)程。當準備開(kāi)始進(jìn)行數據傳輸的時(shí)候，首先是設置DMA傳輸的參數并打開(kāi)DMA通道。在此過(guò)程中還需要申請多塊內存空間進(jìn)行緩存數據，由于使用多線(xiàn)程技術(shù)，因此一塊內存空間不能同時(shí)供兩個(gè)函數同時(shí)讀寫(xiě)，因此創(chuàng )建多個(gè)內存塊，然后將兩個(gè)線(xiàn)程同時(shí)打開(kāi)，對開(kāi)辟的多個(gè)內存塊依次進(jìn)行讀寫(xiě)操作，但是由于整個(gè)過(guò)程只包含一個(gè)極短的時(shí)間延遲，因此完全可以將整個(gè)讀寫(xiě)內存的過(guò)程近似的看成一個(gè)同時(shí)進(jìn)行讀寫(xiě)操作，因此達到提高存儲的速度的目的。