SCSI處理器FAS466的通用軟件解決方案及應用
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摘要：FAS466是Qlogic公司的一款Fast結構的SCSI處理器。而FAS466處理器的開(kāi)發(fā)難點(diǎn)之一是軟件設計。文中通過(guò)對FAS466處理器內部結構和操作原理的深入分析，給出了基于FAS466的系統的通用軟件解決方案和應用實(shí)例。
關(guān)鍵詞：FAS466；SCSI；SCSI控制器；微控制器
ＦＡＳ４６６是Ｑｌｏｇｉｃ公司生產(chǎn)的一款高性能ＳＣＳＩ處理器，它可提供Ｆａｓｔ４０ ＳＣＳＩ同步傳輸速率，其高度集成的ＳＣＳＩ核心支持先進(jìn)的ＳＣＡＭ一層和二層協(xié)議，而內嵌的微控制器則使用戶(hù)可以通過(guò)靈活多變的編程方式協(xié)調ＳＣＳＩ隊列，簡(jiǎn)明清晰的外部接口使得硬件設計更為簡(jiǎn)單，尤其適合于開(kāi)發(fā)專(zhuān)用ＳＣＳＩ存儲系統。硬件接口的設計此前已有文章介紹，而軟件設計是基于ＦＡＳ４６６系統的開(kāi)發(fā)難點(diǎn)，目前此類(lèi)文章尚不多見(jiàn)。本文通過(guò)對ＦＡＳ４６６處理器內部結構和操作原理的深入分析，給出了基于ＦＡＳ４６６處理器系統的通用軟件解決方案和應用實(shí)例。
１ ＦＡＳ４６６的結構和原理
ＦＡＳ４６６的內部結構如圖１所示，該器件由ＳＣＳＩ控制器、微控制器、ＦＩＦＯ以及連接它們的總線(xiàn)和信號線(xiàn)組成，并通過(guò)它們?yōu)橥獠刻峁┪⑻幚砥鹘涌?、ＤＭＡ接口和ＳＣＳＩ總線(xiàn)接口。
ＦＡＳ４６６微處理器接口可以連接多種微處理器或ＤＳＰ；而ＤＭＡ接口則主要與外部ＤＭＡ控制器連接?組成ＤＭＡ通道；ＳＣＳＩ總線(xiàn)接口可以連接各種ＳＣＳＩ設備。其中，ＳＣＳＩ控制器與微控制器分別是ＳＣＳＩ協(xié)議的執行中心和控制核心。
１．１ ＳＣＳＩ控制器操作原理
ＳＣＳＩ控制器為ＳＣＳＩ協(xié)議操作提供了靈活有力的底層硬件支持。它通過(guò)３２個(gè)８位寬的寄存器與外部微處理器作用。ＳＣＳＩ控制器命令集包括中斷命令、斷開(kāi)命令、目標器模式命令、啟動(dòng)器模式命令和混合命令。外部微處理器或者ＦＡＳ４６６微控制器通過(guò)向ＳＣＳＩ控制器命令寄存器中寫(xiě)入代表特定行為的命令代碼來(lái)實(shí)現命令的發(fā)送。ＳＣＳＩ控制器將自動(dòng)執行命令，通過(guò)命令中斷狀態(tài)寄存器和命令狀態(tài)寄存器來(lái)反映命令完成的狀態(tài)信息。
ＳＣＳＩ控制器內部有五個(gè)狀態(tài)階段：復位狀態(tài)、斷開(kāi)（空閑）狀態(tài)、選擇和重選允許狀態(tài)、目標器空閑狀態(tài)和啟動(dòng)器空閑狀態(tài)。其狀態(tài)轉換圖如圖２所示。
(１)復位狀態(tài)
上電復位后，ＳＣＳＩ控制器處于復位狀態(tài)，此時(shí)ＳＣＳＩ控制器不能驅動(dòng)任何ＳＣＳＩ總線(xiàn)信號，也不響應任何信號，命令寄存器中的命令被忽略?而且只要ＦＡＳ４６６外部復位信號有效，ＳＣＳＩ控制器始終保持在這個(gè)狀態(tài)。在操作過(guò)程中，外部微處理器可以通過(guò)給ＳＣＳＩ控制器模塊的復位位寫(xiě)１（微處理器接口模塊復位寄存器１位）使ＳＣＳＩ控制器處于復位狀態(tài)，寫(xiě)０使ＳＣＳＩ控制器進(jìn)入空閑狀態(tài)。
(２) 斷開(kāi)（空閑）狀態(tài)
當ＳＣＳＩ總線(xiàn)復位信號（ＲＳＴ）有效,且ＳＣＳＩ控制器不處于復位狀態(tài)或者ＳＣＳＩ控制器與ＳＣＳＩ總線(xiàn)斷開(kāi)時(shí)，ＳＣＳＩ控制器進(jìn)入該狀態(tài)，此狀態(tài)不能進(jìn)行選擇和重選操作。
(３)選擇和重選允許狀態(tài)
當斷開(kāi)模式命令允許ＳＣＳＩ控制器響應選擇和重選信號時(shí)，系統進(jìn)入此狀態(tài)，所有參與仲裁使用ＳＣＳＩ總線(xiàn)的命令都必須經(jīng)過(guò)此狀態(tài)。該狀態(tài)下，ＳＣＳＩ控制器響應總線(xiàn)發(fā)出選擇和重選事件。除非進(jìn)入目標器或啟動(dòng)器空閑狀態(tài)，或者ＲＳＴ信號有效，否則ＳＣＳＩ控制器將一直保持這個(gè)狀態(tài)。
(４)目標器空閑狀態(tài)
當ＳＣＳＩ控制器響應總線(xiàn)發(fā)起事件或者作為其它ＳＣＳＩ設備重選的結果時(shí)，系統進(jìn)入該狀態(tài)。此狀態(tài)下，ＳＣＳＩ控制器將作為目標器連接到ＳＣＳＩ總線(xiàn)，且當ＢＳＹ（總線(xiàn)忙）信號有效時(shí)，系統將驅動(dòng)ＳＣＳＩ階段流水線(xiàn)。此狀態(tài)承認目標器模式和混合命令。除非ＳＣＳＩ控制器目標器斷開(kāi)（總線(xiàn)空閑）或者ＲＳＴ信號有效，否則ＳＣＳＩ控制器將一直保持該狀態(tài)。
(５)啟動(dòng)器空閑狀態(tài)
當ＳＣＳＩ控制器響應總線(xiàn)重選事件或者作為其它ＳＣＳＩ設備選擇的結果時(shí)，系統進(jìn)入該狀態(tài)。此狀態(tài)下，ＳＣＳＩ控制器將作為啟動(dòng)器連接到ＳＣＳＩ總線(xiàn)上，而ＦＡＳ４６６并不使ＢＳＹ信號有效，也不驅動(dòng)ＳＣＳＩ階段流水線(xiàn)。ＳＣＳＩ控制器將一直保持這個(gè)狀態(tài)、直到ＳＣＳＩ總線(xiàn)空閑（目標器斷開(kāi)）或者ＲＳＴ信號有效。
ＳＣＳＩ控制器根據當前狀態(tài)，總線(xiàn)發(fā)起事件和命令寄存器中的命令來(lái)決定各個(gè)狀態(tài)階段之間的轉換，以實(shí)現ＳＣＳＩ總線(xiàn)的仲裁作用，并響應總線(xiàn)發(fā)起選擇或者重選事件以及進(jìn)行命令、消息、數據、狀態(tài)在ＳＣＳＩ總線(xiàn)上的傳輸等任務(wù)。
１．２ ＦＡＳ４６６微控制器操作原理
ＦＡＳ４６６微控制器是一個(gè)小型的Ｆａｓｔ結構（４０Ｍｉｌｌｉｏｎ指令每秒）ＲＩＳＣ微處理器，內部有一個(gè)３２位的寄存器文件、一個(gè)五級深度的堆棧、一個(gè)整型ＡＬＵ和其它特殊功能寄存器。該微控制器的所有指令都是１６位寬，除了子程序在兩個(gè)指令周期（四個(gè)時(shí)鐘周期）內完成外，其它所有指令均在一個(gè)指令周期內完成。
ＦＡＳ４６６微控制器有三種操作狀態(tài)：復位狀態(tài)，空閑狀態(tài)和運行狀態(tài)，其狀態(tài)轉換圖如圖３所示。
系統復位時(shí)，微控制器進(jìn)入復位狀態(tài)，在空閑和復位狀態(tài)下，外部微處理器可以通過(guò)Ｉ／Ｏ口操作微控制器的內部寄存器和程序存儲器。首先由外部微處理器通過(guò)地址指針寄存器加載寄存器地址，然后再通過(guò)內部寄存器或者程序存儲器的字節操作寄存器來(lái)進(jìn)行操作。外部微處理器則通過(guò)設置地址指針寄存器和寫(xiě)程序數據到程序存儲器的字節寄存器來(lái)將程序下載到微控制器的程序存儲器中。下載完畢后，外部微處理器向程序計數器寫(xiě)程序開(kāi)始執行的地址，然后寫(xiě)０１ｈ到控制狀態(tài)寄存器，這樣程序就會(huì )從指定的位置開(kāi)始執行以進(jìn)入運行狀態(tài)。微控制器運行過(guò)程中，外部微處理器不能打斷微控制器或者ＳＣＳＩ控制器，直到收到微控制器產(chǎn)生的一個(gè)中斷。在運行狀態(tài)，外部微處理器可以操作郵箱寄存器但不能操作通用功能寄存器。當微控制器已執行完當前指令又沒(méi)有接收到新的指令時(shí)，系統將進(jìn)入空閑狀態(tài)以等待新的命令。
２ ＦＡＳ４６６的軟件解決方案
基于ＦＡＳ４６６的系統可通過(guò)外部微處理器、ＦＡＳ４６６微控制器和ＳＣＳＩ控制器的協(xié)調工作來(lái)實(shí)現系統功能。根據ＦＡＳ４６６的內部結構和原理分析，這里給出如圖４所示的基于ＦＡＳ４６６的系統整體軟件設計流程。其軟件工作過(guò)程如下：
(１)外部微處理器初始化ＦＡＳ４６６微控制器和ＳＣＳＩ控制器。（ＦＡＳ４６６微控制器初始化包括裝載和執行它的固件）。
(２)ＦＡＳ４６６微控制器允許ＳＣＳＩ控制器對ＳＣＳＩ總線(xiàn)選擇隊列的響應。
(３)外部微處理器寫(xiě)一個(gè)ＳＣＳＩ操作命令給外部命令／設置郵箱寄存器，然后設置ＬｏａｄＴＢＳ位（外部 ＴＢＳ寄存器６位），以通知ＦＡＳ４６６微控制器有一個(gè)未響應請求。
(４)ＦＡＳ４６６位控制器檢查 ＬｏａｄＴＢＳ位，確認請求。
(５)ＦＡＳ４６６禁止ＳＣＳＩ控制器對ＳＣＳＩ總線(xiàn)選擇和重選事件的響應。
(６)ＦＡＳ４６６微控制器復制外部命令／設置寄存器的內容給存儲器，清除ＬｏａｄＴＢＳ位，以允許外部微處理器在等待一個(gè)微控制器中斷前設置下一個(gè)命令。
(７)ＦＡＳ４６６微控制器向ＳＣＳＩ控制器發(fā)送命令（一般用ＥＸＥＣ ＃ｋ），ＳＣＳＩ控制器執行命令并在命令完成后產(chǎn)生一個(gè)中斷。
(８)ＦＡＳ４６６微控制器進(jìn)行中斷處理得到ＳＣＳＩ操作的邏輯結果后，產(chǎn)生一個(gè)中斷給外部微處理器。
(９)外部微處理器根據命令的執行情況進(jìn)行中斷處理。
重復執行（２)～（９)步實(shí)現系統的連續操作。
ＤＭＡ傳輸是基于ＦＡＳ４６６系統的主要工作。在傳輸數據量確定的情況下，數據量可由編程時(shí)寫(xiě)入的塊數計數器和塊大小寄存器中的值決定。但由于實(shí)際應用系統的傳輸數據量存在不確定性，在設計ＤＭＡ數據傳輸程序時(shí)，應使ＳＣＳＩ ＦＩＦＯ中始終充滿(mǎn)數據，或使ＤＭＡ控制器或ＳＣＳＩ控制器持續讀寫(xiě)ＳＣ-ＳＩ ＦＩＦＯ，以使ＳＣＳＩ總線(xiàn)上的數據傳輸不受啟動(dòng)器或目標器的限制。ＦＩＦＯ的空、滿(mǎn)門(mén)限可由外部微處理器在初始化時(shí)通過(guò)編程設定。
在傳輸數據量不確定的情況下，從外部ＤＭＡ控制器接收數據的子程序如圖５所示。ＳＣＳＩ控制器接收到傳輸命令后即可參與總線(xiàn)仲裁以獲得總線(xiàn)的控制權，而外部微處理器則通過(guò)設置ＲＤＡＴＡ位來(lái)決定數據傳送的方向；在ＦＩＦＯ為空而數據接收未完成時(shí)，ＳＣＳＩ控制器進(jìn)行一次空操作，等待數據。數據量的不確定性可能使得命令完成后ＦＩＦＯ中仍殘留數據，此時(shí)可以選擇暫停傳輸進(jìn)入ＥＸＦＥＲ（表示數據傳輸過(guò)程中出現錯誤）中斷并清空ＦＩＦＯ，也可使其它處理回到傳輸起點(diǎn)，或者忽略錯誤直接回到傳輸起點(diǎn)。數據傳送完畢可以選擇是否斷開(kāi)與ＳＣＳＩ總線(xiàn)的連接。若選擇斷開(kāi)則進(jìn)入ＸＦＥＲＣＭＰＤＳＣ（表示傳輸完成并與ＳＣＳＩ總線(xiàn)斷開(kāi)）中斷，以釋放總線(xiàn)的控制權而讓其它的命令使用總線(xiàn)，此時(shí)，如果想要進(jìn)行下一次數據傳輸，必須重新獲得總線(xiàn)控制權。若選擇不斷開(kāi)總線(xiàn)則進(jìn)入ＸＦＥＲＣＭＰＮＯＤＳＣ（表示傳輸完成且不與ＳＣＳＩ總線(xiàn)斷開(kāi)）中斷，可直接回到數據傳輸的起點(diǎn)。在所有正常情況下，ＦＡＳ４６６都將循環(huán)回到數據傳輸起點(diǎn)，以便進(jìn)行連續數據傳輸。
３ 應用實(shí)例
基于ＦＡＳ４６６的視頻存儲系統可實(shí)現數字圖像的無(wú)壓縮海量存儲，該系統硬件框圖如圖６所示。圖中，ＤＳＰ接收到開(kāi)拍信號后將進(jìn)行系統初始化，ＣＣＤ相機可將原始圖像信號經(jīng)過(guò)視頻采集卡轉換成數字圖像信號暫存到緩沖器中，并在ＤＭＡ控制器的作用下，以ＤＭＡ方式傳送給ＦＡＳ４６６，數據在ＦＡＳ４６６的控制下存入ＳＣＳＩ硬盤(pán)組。這樣，在硬件基礎上，就可通過(guò)本文所述的軟件解決方案實(shí)現視頻圖像的持續高速存儲。
４ 軟件設計中的注意事項
在設計基于ＦＡＳ４６６的系統軟件時(shí)，應注意以下一些問(wèn)題：
(１)在ＦＡＳ４６６支持的多種處理器中，每個(gè)外部微處理器類(lèi)型都有其相應的代碼，因此必須通過(guò)芯片配置寄存器選擇正確的微處理器模式。如ＴＭＳ３２０Ｃ５Ｘ系列ＤＳＰ的模式選擇值就應為３Ｆｈ。
(３)ＤＭＡ傳輸時(shí)，塊大小不能為奇數。
(４)非法寫(xiě)入命令寄存器的命令將引起非法命令中斷，并設置非法命令錯誤位（錯誤中斷狀態(tài)寄存器第２位），因此，在將其它命令寫(xiě)到命令寄存器前，這個(gè)中斷必須得到處理。
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