基于SCSI總線(xiàn)的超高速實(shí)時(shí)圖像數據存儲系統

引言

目前，對高速數字圖像的采集與存儲的需求越來(lái)越大，但大多數此類(lèi)系統都依賴(lài)速微機、高速圖像采集卡和超大容量?jì)却?。滿(mǎn)足這些條件必然使成本成倍增高，價(jià)格昂貴，且它有一個(gè)很大的缺點(diǎn)是容量小，即便是使用超大容量?jì)却?，其增擴的容量也只能達到幾G字節的量級，如果再增大容量，系統的體積和成本已不允許。因此，應用范圍受到限制。

基于冗余磁盤(pán)陣列RAID （Redundant Arrays of Inexpensive Disks）技術(shù)的應用日漸廣泛。雖然它利用了磁盤(pán)的超大容量、體積小巧的優(yōu)勢，通過(guò)磁盤(pán)陣列結構解決了快速CPU和慢速的磁盤(pán)I/O之間的“瓶頸”難關(guān)，達到了高速大容量存儲的目的；但是它結構復雜，磁盤(pán)冗余導致成本較高。

為了充分發(fā)揮各種技術(shù)的優(yōu)勢，本文基于SCSI總線(xiàn)的理論體系，設計出一種以SCSI硬盤(pán)為存儲載體，由單片機控制的超高速、數字化圖像數據采集與存儲系統。超高速是指它能夠實(shí)時(shí)存儲千幀每秒的視頻圖像，數據率約是100Mb/s；數字化是指從高速相機的輸出全為數字化，存儲也全為數字量。它能脫離微機系統而單獨完全采集存儲的工作，操作簡(jiǎn)單而實(shí)用。下面從技術(shù)方案和體系結構來(lái)介紹本系統。

一、系統的技術(shù)方案及體系結構

對于超高速、大容量實(shí)時(shí)視頻圖像存儲系統，存儲時(shí)間和速率是最高要的技術(shù)指標，但存儲介質(zhì)的長(cháng)時(shí)間的傳輸速率，即它們的持續傳輸速率又是最重要的。存儲介質(zhì)的猝發(fā)傳輸速率和內部傳輸速率都不能作為實(shí)時(shí)存儲系統的衡量指標。普通的IDE接口硬盤(pán)，雖然其猝發(fā)傳輸速率和總線(xiàn)傳輸速率都能在33Mb/s以上，但實(shí)際上持續傳輸速率還不到5Mb/s，遠不能達到要求。相比之下，SCSI硬盤(pán)的持續傳輸速率明顯高于IDE接口硬盤(pán)。目前，10000轉的SCSI硬盤(pán)的持續傳輸率大多數都能達到25Mb/s。如果讓幾個(gè)SCSI硬盤(pán)并行工作，那么總的傳輸率達到100Mb/s是可以實(shí)現的。

1.SCSI總線(xiàn)系統及特點(diǎn)

SCSI （Small Computer System Interface），即小型計算機系統接口，是美國ANSI9.2委員會(huì )定義的計算機和外設之間的接口標準。起初是以磁盤(pán)存儲設備為主，但由于它的靈活性、設備獨立性等特點(diǎn)，使SCSI不僅在磁帶設備、打印設備、CD-ROM WORM等外設中得到普遍應用，也在許多新I/O設備和計算機網(wǎng)絡(luò )、計算機工業(yè)控制等領(lǐng)域不斷發(fā)展。圖1是SCSI典型的系統結構圖。

在SCSI 系統中，多個(gè)設備可以用同一電纜相連。在8位SCSI數據線(xiàn)情況下，可以?huà)旖?個(gè)外設；而現在的Ultera SCSI可以達到32位數據線(xiàn)，能掛接32個(gè)外設。在任意時(shí)刻，只能有兩個(gè)設備可相互通信，其中發(fā)送命令的設備叫啟動(dòng)設備（initiator），執行命令的設備叫目標設備（target）。SCSI上設備的唯一標識是SCSI ID，它既是設備的地址，也是設備優(yōu)先級代碼。SCSI中的操作是由啟動(dòng)設備啟動(dòng)的，啟動(dòng)設備先選擇一個(gè)目標設備，在目標設備選擇完成后，目標設備在協(xié)議上獲得對總線(xiàn)的控制權，由目標設備決定是繼續控制總線(xiàn)還是釋放總線(xiàn)。SCSI設備之間沒(méi)有主從關(guān)系，一個(gè)設備既可成為啟動(dòng)設備，也可以起目標設備的作用。計算機上的SCSI適配器是典型的啟動(dòng)設備。SCSI接口硬盤(pán)是典型的Target。在SCSI總線(xiàn)上，可以存在于多個(gè)啟動(dòng)設備和多個(gè)目標設備，但一個(gè)系統中至少應該有一個(gè)啟動(dòng)設備和一個(gè)目標設備。圖1是典型的多啟動(dòng)設備多目標設備系統。除此之外，還有單啟動(dòng)設備多目標設備、單啟動(dòng)設備單目標設備。本文的高速數據存儲系統采用單啟動(dòng)設備目標設備系統結構。

SCSI雖然有其獨有特點(diǎn)，但接口控制復雜。任何一個(gè)SCSI系統都具有適配器和控制器相配對的結構，通常適配器就是上面所說(shuō)的啟動(dòng)設備。適配器的復雜性在于必須從硬件和軟件兩部分實(shí)現SCSI設備與各種操作系統的接口。軟件要完成把SCSI命令解釋給操作系統和把操作系統的操作命令翻譯給SCSI設備；硬件要完成SCSI總線(xiàn)的各種時(shí)序和內部電路的控制。

2.系統方案的制定

根據SCSI協(xié)議，消息、命令、數據、狀態(tài)四個(gè)階段統稱(chēng)為信息階段，這是因為它們都是通過(guò)數據總線(xiàn)傳送數據和控制信息的。其中消息、命令和狀態(tài)的傳輸采用異步方式，數據的傳輸可用異步和同步兩種方式。

理想情況下，異步傳輸一個(gè)字節只需要一個(gè)系統平衡延時(shí)加一個(gè)電纜延時(shí)差，其時(shí)值為45ns+4ns=49ns，實(shí)際上應考慮信號的跳變時(shí)值和總線(xiàn)傳輸延時(shí)。分析認為，異步方式下，傳輸一個(gè)字節需要4個(gè)跳變加上它們在電纜上的傳輸延時(shí)。其典型傳輸時(shí)間可以計算為

t=45.25L+430

其中，t為一個(gè)字節的傳輸時(shí)間，單位為ns；L為電纜長(cháng)度，單位為m。在電纜為1m長(cháng)的情況下，傳輸速率約為7.1Mb/s。

同步傳輸機制引入了同步偏移和總線(xiàn)緩沖的概念，即目標設備可以連續發(fā)若干個(gè)REQ信號而不需要啟動(dòng)設備的ACK馬上回答。這樣就大大減少了總線(xiàn)傳輸延時(shí)，從而提高了傳輸速率。因此，本系統以16位數據同步傳輸為基礎進(jìn)行設計。

結合以上的分析，實(shí)時(shí)圖像數據采集存儲系統可用SCSI硬盤(pán)作為存儲介質(zhì)；多個(gè)SCSI硬盤(pán)并行工作以求速度的成倍提高；圖像數據的采集源選用高速數字相機，以千幀每秒的速率分多路輸出，每路的數據寬度可以是8位或16位。再設計相應的接口控制電路控制軟件，加上附屬電路構成。體系結構如圖2所示。

3.系統的體系結構和功能描述

（1）單片機

單片機的主要功能如下：

*對SCSI總線(xiàn)信息狀態(tài)進(jìn)行翻譯、執行、管理；

*負責對主機與緩沖器、緩沖器與SCSI總線(xiàn)之間的數據傳送控制；

*控制DMA控制器。

單片機通過(guò)緩沖器與SCSI接口控制電路交換信息，包括命令描述和狀態(tài)消息等。單片機對SCSI總線(xiàn)的控制是通過(guò)協(xié)議控制器實(shí)現的。為了完成一個(gè)I/O進(jìn)程，單片機把進(jìn)程分為仲裁、選擇、數據傳輸等階段，并分別以相應的內部控制命令交給協(xié)議控制器執行。

（2）數字圖像接口電路

主要完成視頻信號的數字轉換和后續的邏輯控制。另外，有時(shí)8位的數據寬度對于后面的高速存儲任務(wù)來(lái)講是不夠的，必須依靠此電路來(lái)轉為16位寬或32位寬。

（3）SCSI總線(xiàn)控制器

這是SCSI總線(xiàn)來(lái)操作的執行部件，一般稱(chēng)為適配器。SCSI總線(xiàn)的時(shí)序很復雜也很有規律，規律是指SCSI總線(xiàn)的所操作都是由8個(gè)獨立的總線(xiàn)階段組成的，它們分別是：總線(xiàn)空閑、仲裁、選擇、消息、命令、數據輸入、數據輸出及狀態(tài)階段。它們之間的遷移有著(zhù)嚴格的規定，圖3是SCSI的階段遷移圖。適配器接受微處理器的操作指令，如仲裁、選擇、失連、復位總線(xiàn)等。適配器是啟動(dòng)設備，是發(fā)出命令的一方（在微處理器控制下）。硬盤(pán)是目標設備，它的響應信息和返回狀態(tài)等都由徽處理器分析，并決定適配器的下一步操作。另外，啟動(dòng)I/O進(jìn)程，參加仲裁、競爭總線(xiàn)、選擇目標設備等都是由微處理器控制操作的。

（4）DMA控制器

適配器中的DMA控制器，一是控制圖像數字接口電路與緩沖器之間的數據傳送；二是控制緩沖器和SCSI總線(xiàn)之間的數據傳送，也可以通過(guò)緩沖器直接控制圖像接口電路和SCSI總線(xiàn)之間的數據傳送。

二、實(shí)驗結果

系統結構后，用IBM生產(chǎn)的DDRS34560型硬盤(pán)和DMVS-09V型硬盤(pán)做數據傳輸實(shí)驗，兩種硬盤(pán)的性能指標如表1所列。分析傳輸320MB數據和1GB數據的結果如表2所列。

表1

表2

用加拿大的DALSA公司的CA-D6-256型高速相機輸出955幀/s的2602608bit視頻圖像，本系統可以實(shí)時(shí)地無(wú)壓縮并行存儲到多個(gè)硬盤(pán)，記錄時(shí)間在30min以上。

實(shí)踐證明了本文論述的超高速實(shí)時(shí)圖像存儲系統是能實(shí)現的。