一种专用高速数据记录器的设计和实现

一种专用高速数据记录器的设计和实现

在持续数据采集存储系统中，数据存储是一项关键技术。常规的数据记录器多采用总线型设计思路。过去的做法是通过内存将采集和存储联系起来。外部采集到的数据经由PCI总线送入系统内存，然后再由主机把数据写入磁介质存储器。由于数据两次经由PCI总线进出内存，总线效率降低一半，速度也降低很多。随着对PCI总线和SCSI总线接口协议以及计算机系统结构的了解愈加深入，现在多采用映射内存及总线主控技术，使SCSI适配器对PCI采集设备直接进行访问。由于避开了系统内存这一环节，速度得到了很大的提高。一种常规的做法是在微机系统加一块PCI-SCSI接口卡，使数据通过高速PCI接口，由SCSI总线处理器将高速数据写入SCSI硬盘。其缺点在于数据速度受到PCI带宽的限制，而且由于对微机系统的依赖，系统难以实现模块化设计。本文提出了一种专用的高速数据记录系统设计。设计脱离了微机系统，由DSP控制将高速数据实时持续的写入SCSI硬盘，在存储容量和传输速度等方面都具有很大的优势。此外，设备还支持数据的高速回写。 
1. SCSI总线和硬盘
SCSI是英文Small Computer System Interface的缩写，译为小型计算机系统接口。SCSI是美国ANSI9.2委员会定义的计算机和外设之间的接口标准。本系统采用SCSI硬盘，因为SCSI接口本身具有很多优点：（1）SCSI提供了一个高速传输通道，目前Ultra320 SCSI总线数据传输速度可以达到320MB/s，虽然在实际应用中达不到这个理论值，但百兆比特的数据传输速度完全可以达到；（2）由于有专门的SCSI协议控制器和内嵌的处理器处理SCSI信号和数据传输，因此SCSI设备对CPU占用率低。此外还支持多任务工作模式；（3）SCSI总线占用系统资源少，还可以同时串接多台不同设备，最多时可达15个；（4）SCSI硬盘在标识硬盘扇区时使用了线形的概念，即硬盘只有顺序的第1扇区、第2扇区，第n扇区，不像IDE硬盘的“柱面/磁头/扇区”三维格局。这种线形编排方式的优点是访问时间小，可以有效地加快磁盘存取速度，尤其在持续大容量数据存储时，优势更为明显。此外，通过挂接多个硬盘组成磁盘阵列可以大大地增加数据的存储容量。
2. 系统结构设计
整个系统的设计结构[1]框图如图1所示，主要包括以下几部分：高速数据源（不在本文设计中）、光电转换和串并转换单元、高速大容量的数据缓存、微处理器、DMA控制器、SCSI协议处理器以及高速SCSI硬盘。下面逐一介绍。
2.1 光电转换和串并转换单元
系统的高速数据源为光接口，记录器接收到光信号后，首先经过光电转换变为串行的电信号，再经过串并转换变为16位的并行数据。
采用光接口的主要原因在于：光纤通道(Fibre Channel) 是一种高性能的串行数据接口,支持SCSI、ATM等上层数据传输协议,具有可靠性高、速度快和传输距离远的特点,特别适合高速大容量的信息传输。
2.2 高速大容量的数据缓存





 
图1:高速数据记录器结构框图
数据缓存的主要作用在于实现速度匹配，为高速DMA传输做好准备。
普通的SRAM存储器只有一套数据、地址和控制总线，无法同时进行读写操作。双口RAM有两套数据、地址和控制总线，可以同时进行读写操作。但其编译码电路复杂，而且价格相对较高。由于我们对数据不进行任何处理，只是单纯的数据存储，缓存单元在结构上相当于一个先入先出(FIFO: First In First Out），先到的数据先被存储。设计中，我们利用现场可编程门阵列（FPGA：Field Programmable Gate Array）实现一个高速FIFO，省去了复杂的编译码电路，大大简化了系统设计。而且，从外部数据接口看来，设备就是一个写不满的FIFO，也大大简化了对设备数据接口的操作。
2.3 微处理器
用来控制设备中各部分的工作，实现设备的特定功能。高速数据记录器主要实现数据持续高速存储，对数据处理的速度要求较高。通常采用数字信号处理器（DSP：Digital Signal Processing）作为微处理器。
2.4 DMA控制器
设计中，为保证大量数据的高速持续传输，采用直接存储器访问（DMA：Direct Memory Access）方式,因此需要DMA控制器单元。为了简化电路，提高效率，设备采用FPGA构造一个单独的DMA控制器。
2.5 SCSI协议处理器
无论DSP还是FPGA，通常都不会集成SCSI协议控制器。因此我们用专门的SCSI协议控制器来实现SCSI协议，辅助DSP来实现SCSI协议和通信。
2.6 SCSI硬盘
采用SCSI硬盘可以实现数据高速存储，而且通过增加磁盘数目可以很方便的扩展存储容量。
3. 硬件电路的实现
前面我们已经逐一介绍了系统各部分的功能，下面我们介绍一下高速数据记录器的硬件电路的实现。
由于设备采用光接口，当高速数据流进入设备后，首先我们需要进行光电转换和串并转换。光电转换可以通过专门的光电转换芯片实现，而串并转换我们利用某些FPGA内嵌的收发器模块（Transceiver）来实现。这样做既可以保证数据的高速传输，又可以有效地保证时钟同步，实现字对齐，可靠性高。
高速数据缓存通常采用专用FIFO，但价格较高。我们利用FPGA来实现一个大容量的FIFO，即简化了系统，又提高了效率。前面已经介绍过专用的DMA控制器连接电路复杂，我们用FPGA来设计一个单独的DMA控制器同样可以简化电路，提高效率。
设计中，串并转换单元、高速数据缓存和DMA控制器都利用FPGA编程实现（如图1虚线所示）。用高度集成的FPGA取代分立元件进行高速数据传输设计是本文的一个重要特点。
微处理器我们采用德克萨斯仪器（TI：Texas Instruments）公司生产的数字信号处理器MS320F206；SCSI协议控制器则选用Qlogic公司的FAS660。
下面我们对SCSI协议控制器FAS660[3]做进一步的介绍。
FAS660是Qlogic公司推出的一款高性能SCSI引擎，它源于Qlogic公司的三重嵌入式控制器系列。可提供Fast-160的同步传输速率，支持先进的SCSI自动配置模式SCAM的1层和2层协议。内部嵌有微控制器，能够用编程的方法灵活的协调SCSI作业队列。FAS660和主流SCSI接口芯片最大的区别在于：主流SCSI接口芯片采用的是PCI总线接口，而FAS660采用的是微处理器和DMA接口的结构。这使得FAS660更为灵活，可以根据需要进行多种接口设计，尤其适合应用在一些专用SCSI总线控制场合。
4. 系统的软件设计
在硬件设计的基础上，还需要软件模块
负责对相关硬件进行控制和协调，最终实现SCSI协议、硬盘的控制和DMA传输等。软件模块的设计是本系统的难点和重点。本系统中，软件设计主要分为两部分：DSP控制软件和FPGA实现的DMA控制器，此外还有FPGA实现的串并转换和高速FIFO。程序的优劣关系到整个系统数据存储的性能，下面分别进行讨论。
4.1 FPGA设计
FPGA设计主要包括异步收发器模块、高速异步FIFO缓冲模块、DMA控制器模块以及时钟生成模块。FPGA作为设计中的重要一部分，用来实现数据传输的准备（包括串并转换、高速缓冲以及加入奇偶校验、CRC校验）和对读写逻辑的控制。





 
图2 DMA控制器状态机
DMA控制器是FPGA设计的主要工作。我们通过DMA控制器，实现传输数据的控制逻辑，同时对前端传来的数据（没有任何保护）加以保护（通常指奇偶校验保护和CRC校验保护）。它的控制逻辑相当简单。当FAS660发送数据传输请求（声明DREQ）,如果FIFO非空，则经过延时后，开始数据传输（声明DACK）。FAS660的读写操作非常相似，但也有一些差别。读操作在DACK有效后的第二个DMA时钟周期开始传输，而写操作在DACK有效后的第一个DMA时钟周期开始传输。在FPGA设计的内部逻辑时尤其需要注意。
Altera公司为StratixGX系列FPGA提供了gxb（吉比特收发器） 、fifo（先入先出）、pll（锁相环）等MEGAFUCTION，通过对它们进行例化可以很方便地实现高速收发器，高速FIFO和时钟生成等模块。
4.2 DSP控制软件
基于FAS660的系统可以通过DSP微处理器和FAS660（内部有单独的微控制器和SCSI控制器用来实现SCSI协议）的协调工作来实现系统功能。一般来说，要完成一次数据交换必须完成SCSI总线的仲裁、选择、消息、命令、数据和状态等阶段，这些阶段通过为处理器对FAS660寄存器[4]的读写命令来实现。
SCSI控制软件流程如图3所示。首先初始化设备，然后建立同步传输协议，检测硬盘。硬盘准备好后就可以进行数据传输。
 
图3 DSP控制软件流程
5. 结束语
本文介绍了一种光接口的专用高速数据记录器的设计。它脱离了微机平台，用DSP微处理器做控制，用专门的SCSI总线控制器处理SCSI总线信号，并建立了一个高速DMA通道，将数据高速持续的存储到SCSI磁盘阵列中。设计速度高，容量大，可移植性好，可以灵活应用到各种系统中。
本文作者创新点：
1.专用型记录器的设计思路，避免了总线带宽限制，可以达到更高的传输速度。
2.用DSP做为本地CPU，控制整个系统，脱离了微机系统，实现了模块化设计。
3.用高度集成的FPGA取代了多个分立元件（FIFO，串并转换，DMA控制器）。
4.源端数据采用光接口传输，可靠性高，速度快。
参考文献：
[1]姜凤山，雷宏. 一种基于的合成孔径雷达高速数据记录器的设计.电子技术应用，2004.6。
[2]何苏勤，王忠勇.TMS320C2000系列DSP原理及实用技术.北京：电子工业出版社，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]吴志祥，汪波，基于ISCSI的存储系统实现方法. 微计算机信息，2006，3-3。

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