一種專(zhuān)用高速數據記錄器的設計和實(shí)現

　　在持續數據采集存儲系統中，數據存儲是一項關(guān)鍵技術(shù)。常規的數據記錄器多采用總線(xiàn)型設計思路。過(guò)去的做法是通過(guò)內存將采集和存儲聯(lián)系起來(lái)。外部采集到的數據經(jīng)由PCI總線(xiàn)送入系統內存，然后再由主機把數據寫(xiě)入磁介質(zhì)存儲器。由于數據兩次經(jīng)由PCI總線(xiàn)進(jìn)出內存，總線(xiàn)效率降低一半，速度也降低很多。

　　隨著(zhù)對PCI總線(xiàn)和SCSI總線(xiàn)接口協(xié)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(xiàn)主控技術(shù)，使SCSI適配器對PCI采集設備直接進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。由于避開(kāi)了系統內存這一環(huán)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(guò)高速PCI接口，由SCSI總線(xiàn)處理器將高速數據寫(xiě)入SCSI硬盤(pán)。其缺點(diǎn)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(lài)，系統難以實(shí)現模塊化設計。

　　本文提出了一種專(zhuān)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(shí)時(shí)持續的寫(xiě)入SCSI硬盤(pán)，在存儲容量和傳輸速度等方面都具有很大的優(yōu)勢。此外，設備還支持數據的高速回寫(xiě)。

　　1.    SCSI總線(xiàn)和硬盤(pán)

　　SCSI是英文Small Computer System Interface的縮寫(xiě)，譯為小型計算機系統接口。SCSI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。本系統采用SCSI硬盤(pán)，因為SCSI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(xiàn)數據傳輸速度可以達到320MB/s，雖然在實(shí)際應用中達不到這個(gè)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(zhuān)門(mén)的SCSI協(xié)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(wù)工作模式；（3）SCSI總線(xiàn)占用系統資源少，還可以同時(shí)串接多臺不同設備，最多時(shí)可達15個(gè)；（4）SCSI硬盤(pán)在標識硬盤(pán)扇區時(shí)使用了線(xiàn)形的概念，即硬盤(pán)只有順序的第1扇區、第2扇區，第n扇區，不像IDE硬盤(pán)的“柱面/磁頭/扇區”三維格局。這種線(xiàn)形編排方式的優(yōu)點(diǎn)是訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間小，可以有效地加快磁盤(pán)存取速度，尤其在持續大容量數據存儲時(shí)，優(yōu)勢更為明顯。此外，通過(guò)掛接多個(gè)硬盤(pán)組成磁盤(pán)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(gè)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(xié)議處理器以及高速SCSI硬盤(pán)。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(jīng)過(guò)光電轉換變?yōu)榇械碾娦盘?，再?jīng)過(guò)串并轉換變?yōu)?6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(xié)議,具有可靠性高、速度快和傳輸距離遠的特點(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(shí)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(xiàn)，無(wú)法同時(shí)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。雙口RAM有兩套數據、地址和控制總線(xiàn)，可以同時(shí)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。但其編譯碼電路復雜，而且價(jià)格相對較高。由于我們對數據不進(jìn)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(gè)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(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA：Field Programmable Gate Array）實(shí)現一個(gè)高速FIFO，省去了復雜的編譯碼電路，大大簡(jiǎn)化了系統設計。而且，從外部數據接口看來(lái)，設備就是一個(gè)寫(xiě)不滿(mǎn)的FIFO，也大大簡(jiǎn)化了對設備數據接口的操作。

　　2.3 微處理器

　　用來(lái)控制設備中各部分的工作，實(shí)現設備的特定功能。高速數據記錄器主要實(shí)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(fǎng)問(wèn)（DMA：Direct Memory Access）方式,因此需要DMA控制器單元。為了簡(jiǎn)化電路，提高效率，設備采用FPGA構造一個(gè)單獨的DMA控制器。

　　2.5 SCSI協(xié)議處理器

　　無(wú)論DSP還是FPGA，通常都不會(huì )集成SCSI協(xié)議控制器。因此我們用專(zhuān)門(mén)的SCSI協(xié)議控制器來(lái)實(shí)現SCSI協(xié)議，輔助DSP來(lái)實(shí)現SCSI協(xié)議和通信。

　　2.6 SCSI硬盤(pán)

　　采用SCSI硬盤(pán)可以實(shí)現數據高速存儲，而且通過(guò)增加磁盤(pán)數目可以很方便的擴展存儲容量。

　　3.    硬件電路的實(shí)現

　　前面我們已經(jīng)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(shí)現。

　　由于設備采用光接口，當高速數據流進(jìn)入設備后，首先我們需要進(jìn)行光電轉換和串并轉換。光電轉換可以通過(guò)專(zhuān)門(mén)的光電轉換芯片實(shí)現，而串并轉換我們利用某些FPGA內嵌的收發(fā)器模塊（Transceiver）來(lái)實(shí)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(shí)鐘同步，實(shí)現字對齊，可靠性高。

　　高速數據緩存通常采用專(zhuān)用FIFO，但價(jià)格較高。我們利用FPGA來(lái)實(shí)現一個(gè)大容量的FIFO，即簡(jiǎn)化了系統，又提高了效率。前面已經(jīng)介紹過(guò)專(zhuān)用的DMA控制器連接電路復雜，我們用FPGA來(lái)設計一個(gè)單獨的DMA控制器同樣可以簡(jiǎn)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(shí)現（如圖1虛線(xiàn)所示）。用高度集成的FPGA取代分立元件進(jìn)行高速數據傳輸設計是本文的一個(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(dòng)配置模式SCAM的1層和2層協(xié)議。內部嵌有微控制器，能夠用編程的方法靈活的協(xié)調SCSI作業(yè)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(xiàn)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(jìn)行多種接口設計，尤其適合應用在一些專(zhuān)用SCSI總線(xiàn)控制場(chǎng)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(guān)硬件進(jìn)行控制和協(xié)調，最終實(shí)現SCSI協(xié)議、硬盤(pán)的控制和DMA傳輸等。軟件模塊的設計是本系統的難點(diǎn)和重點(diǎn)。本系統中，軟件設計主要分為兩部分：DSP控制軟件和FPGA實(shí)現的DMA控制器，此外還有FPGA實(shí)現的串并轉換和高速FIFO。程序的優(yōu)劣關(guān)系到整個(gè)系統數據存儲的性能，下面分別進(jìn)行討論。

　　4.1 FPGA設計

　　FPGA設計主要包括異步收發(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作為設計中的重要一部分，用來(lái)實(shí)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(xiě)邏輯的控制。

圖2 DMA控制器狀態(tài)機

　　DMA控制器是FPGA設計的主要工作。我們通過(guò)DMA控制器，實(shí)現傳輸數據的控制邏輯，同時(shí)對前端傳來(lái)的數據（沒(méi)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(jiǎn)單。當FAS660發(fā)送數據傳輸請求（聲明DREQ）,如果FIFO非空，則經(jīng)過(guò)延時(shí)后，開(kāi)始數據傳輸（聲明DACK）。FAS660的讀寫(xiě)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(kāi)始傳輸，而寫(xiě)操作在DACK有效后的第一個(gè)DMA時(shí)鐘周期開(kāi)始傳輸。在FPGA設計的內部邏輯時(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(guò)對它們進(jìn)行例化可以很方便地實(shí)現高速收發(fā)器，高速FIFO和時(shí)鐘生成等模塊。

　　4.2 DSP控制軟件

　　基于FAS660的系統可以通過(guò)DSP微處理器和FAS660（內部有單獨的微控制器和SCSI控制器用來(lái)實(shí)現SCSI協(xié)議）的協(xié)調工作來(lái)實(shí)現系統功能。一般來(lái)說(shuō)，要完成一次數據交換必須完成SCSI總線(xiàn)的仲裁、選擇、消息、命令、數據和狀態(tài)等階段，這些階段通過(guò)為處理器TMS320F206對FAS660寄存器[4]的讀寫(xiě)命令來(lái)實(shí)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(xié)議，檢測硬盤(pán)。硬盤(pán)準備好后就可以進(jìn)行數據傳輸。

圖3 DSP控制軟件流程

　　5.    結束語(yǔ)

　　本文介紹了一種光接口的專(zhuān)用高速數據記錄器的設計。它脫離了微機平臺，用DSP微處理器做控制，用專(zhuān)門(mén)的SCSI總線(xiàn)控制器處理SCSI總線(xiàn)信號，并建立了一個(gè)高速DMA通道，將數據高速持續的存儲到SCSI磁盤(pán)陣列中。設計速度高，容量大，可移植性好，可以靈活應用到各種系統中。

　　本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：

　　1.專(zhuān)用型記錄器的設計思路，避免了總線(xiàn)帶寬限制，可以達到更高的傳輸速度。

　　2.用DSP做為本地CPU，控制整個(gè)系統，脫離了微機系統，實(shí)現了模塊化設計。

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

　　4.源端數據采用光接口傳輸，可靠性高，速度快。

　　參考文獻：

　　[1]姜鳳山，雷宏. 一種基于FAS466的合成孔徑雷達高速數據記錄器的設計.電子技術(shù)應用，2004.6。

　　[2]何蘇勤，王忠勇.TMS320C2000系列DSP原理及實(shí)用技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社，2003.9。

　　[3]Qlogic Corporation.FAS660 fast architecture SCSI processor technical manual，2002.7。

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

　　[5]吳志祥，汪波，基于ISCSI的存儲系統實(shí)現方法. 微計算機信息，2006，3-3。