用ZFX86微处理器设计NAS系统

 1 ZFX86简介

　　ZFX86是ZF Micro Devices公司设计的35mm×35mm的超低功耗(100MHz的工作频率下小于0．5W)片上PC；带有奔腾级North／South Bridge的Cyrix FP DX的32位核，CPU内核可工作在133MHz；采用BGA封装的CPU芯片，在-10℃～60℃工作无需风扇，在设计专用系统时，ZFX86解决了由于风扇可靠性低引起的系统故障。ZFX86支持Windows 9X、Windows CE、Windows NT、Linux等多种操作环境。由于它带有专有的自动防故障装置系统(FailSafe TM)和强大的内部资源，因而可以作为网络数据共享设备的处理核心，使得系统在性能和安全方面都具有独特的优势。

　　ZFX86主要由以下部分组成：工业标准的32位处理器内核、北桥(North Bridge)、南桥(South Bridge)、带有ZF专有代码的12KB的ROM(BIOS Update ROM)、ZF专有数字逻辑等。ZFX86的内部结构原理图如图1所示。

　　ZFX86处理器内核是工业标准的32位处理内核。这种内核带有集成的浮点协处理器和8KB的L1(Level 1)Cache。处理器支持8位、16位和32位的数据类型，可以工作在实时、虚拟的8086和保护模式。通过32位的脉冲模式总线，CPU可以访问到256MB的物理存储空间。通过利用一个数学协处理器，CPU并行处理浮点指令。由于处理器采用静态设计及其特有的电源管理模式(SMM)，使得处理器成为一款理想的低功耗内核。

　　北桥模块是高性能的32位控制器，是基于为奔腾级处理器设计的PC87550 PCI系统控制器。北桥控制器的存储控制器用于支持SDRAM；存储器可以设置为16位或32位，支持256MB的存储空间。SDRAM的写缓冲器为32B，CPU到PCI的写缓冲器为32B，PCI的写缓冲器为16B。

　　南桥模块是一个增强的PCI-to-ISA桥模块，该模块提供AT／ISA功能。南桥的内部功能模块包括Front-PCI interface／Back-side PCI总线、PCI配置寄存器、IDE控制器(UDMA-33)、USB控制器、集成高级I／O口、ISA总线接口、AT兼容逻辑、电源管理模块、8个通用I／O口和ZF Logic。

　　ZF FailSafe Boot ROM带有12KB的BIOS Update ROM(BUR)。BUR是ZFX86的内置软件，该软件用作原型调试工具和Flash的更新单元。启动时，BUR执行基本的单元初始化功能和测试ZF的内部静态RAM。BUR的代码功能可分为4种属性：基本部件初始化及基本调试程序诊断功能、通过Z-tag实现取数和执行及为用户代码提供的基本操作系统功能。

　　ZF专有数字逻辑包含：特殊和通用的片选、看门狗定时器、脉宽调制(PWM)产生器、Z-tag接口和flash控制器等部分。

　　2基于NAS的网络数据共享设备的设计思想

　　2．1 NAS简介

　　网络附加存储(Network Attached Storage，NAS)是一种专业的网络文件存储及文件备份设备。它通过自带的网络接口把存储设备直接连入到网络中，实现数据的网络共享。按照TCP／IP协议进行通信，面向消息传递，以文件的I／O方式进行数据传输。一个NAS包括核心处理器、文件服务管理工具、1个或者多个用于数据存储(例如磁盘阵列、CD／DVD驱动器或可移动的存储介质)的硬盘驱动器。NAS系统建立在现有的LAN和文件系统协议之上。NAS以标准化访问协议(如NFS和SMB)为客户提供服务，能够提供异构平台间的文件和数据的共享。

　　2．2 NAS的体系结构

　　本文所设计的NAS系统主要用来实现数据共享和资源的管理。该系统硬件结构是以ZFX86作为核心处理器，以外存储器SDRAM作为系统的数据记忆缓处理单元，外围RAID接口用来连接磁盘阵列。磁盘阵列连接一系列硬盘，用来存储大容量的数据，为客户端提供数据共享服务。同时大容量的空间为客户端提供一定的磁盘共享服务。对于一个共享设备来说，实现与网络的数据交换，操作系统和文件管理软件直接关系到整个系统的性能。在本系统中，采用经最大量裁减的嵌入式Linux作为NAS的操作系统，以嵌入式数据库加上PHP和Apache作为Web管理系统的平台。在设计中，可以把这些系统作为一个整体放在DOC盘，嵌入在硬件平台中。这样使整个硬件系统结构简洁，增加了可靠性和安全性，也节约了资源。NAS的体系结构如图2所示。

　　2．3基于ZFX86的NAS的硬件结构

　　采用ZFX86为核心处理器的NAS硬件结构如图3所示。采用RAID接口挂接4个硬盘实现大数据的存储，采用DOC盘(DiskOnChip 2000)作为嵌入式Linux的系统启动盘，硬件平台具有10M／100M Base-T高速以太网功能。DOC是M-Systems提供的一种基于NAND技术的高效能单芯片快闪存储器。这一独特的信息保存解决方案，是成本低、效益高及性价比好的信息保存方式，远胜于常规硬盘，特别适合于有空间限制和容量变化的应用。相对于通用硬盘来说，使用寿命更长久。

　　2．4 NAS系统软件设计

　　基于嵌入式Linux的NAS系统软件设计如图4所示。

　　嵌入式Linux对网络的支持具有先天的优势，使用者可以根据具体的硬件对Linux进行定制，这样将会大大减少内核的规模，提高执行速度。在本系统中，引入了DOC盘，整个操作系统和所有应用软件的容量不超过16MB，但需要对Linux做裁减。在硬件的要求上，只需要使Linux支持ZFX86。

　　2．5 NAS管理系统的设计

　　NAS系统是一个没有键盘、鼠标和显示器的黑匣子。所有的工作，包括网络配置都是通过Web页面服务来实现的。Web页面主要用于管理员与管理系统的交互对话，实现对Windows用户、UNIX用户的管理以及用户磁盘配额等操作。Web管理系统的整体结构如图5所示。

　　在本管理系统中，使用Web页面管理系统的最大好处就是所有与嵌入式Linux和应用模块之间的信息交流都是通过网页交互操作的方式来实现。管理员只需要按照页面上的信息进行操作，就可以完成系统的设置，而不需要去理会操作系统和应用系统模块内部是怎样去处理这些事情。这样在管理上更方便、更简洁，性能上也更可靠、更优越。

　　管理员在第一次使用该系统时，系统要求使用者更改预设的系统超级密码，以便日后管理此NAS服务器。管理员可以通过任意一台客户端计算机为服务器配置IP地址、DNS和子网掩码等连接网络所需要的设定。管理员可以通过Web管理页面设定Windows操作平台的用户和密码，对该用户进行管理。对于UNIX用户来说，管理员也可以通过Web页面进行管理。由于NAS的资源是有限的，因此每个用户在系统上所占有的资源和空间受到限制，但管理员能够通过NAS管理系统的Web页面对用户进行磁盘配额。

　　3　结束语

　　ZFX86 CPU是一款高度集成的芯片，其规格、尺寸以A性能上的优势使得它成为设计嵌入式NAS系统的理想微处理器。本文所阐述的基于ZFX86的NAS系统非常适合中小型企业、大中院校、学校实验室的网络存储和共享数据的需要。采用裁减的嵌入式操作系统Linux作为NAS系统的操作平台，使整个系统在稳定性和可靠性上具有优势；基于Web页面的系统管理方式，为使用者提供了一个简易、快捷、安全的管理应用系统；所有的操作系统及应用程序都放在DOC中，且只占不到10MB的空间，使安全性和可靠性得到了保证，且节约了成本。