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一種專用高速硬盤存儲設備的設計與實現(xiàn)
摘要:介紹一種專用高速硬盤存儲設備,可以脫離微機平臺實現(xiàn)將高速數(shù)據(jù)送入SCSI硬盤。給出了該設備的系統(tǒng)結構和硬件設計方法。關鍵詞:SCSISCSI協(xié)議控制器高速數(shù)據(jù)存儲
在高速數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)存儲是一項關鍵技術。通常的做法是把數(shù)據(jù)存入大容量存儲器中,采集結束后再進行數(shù)據(jù)處理和保存。這種方法。持續(xù)采集時間受存儲器容量的限制,在許多場合可能無法滿足要求;而存儲器容量的增加,其價格也會成倍增長。因此,從存儲容量、讀寫速度和單位成本等方面綜合考慮,采用高速硬盤直接數(shù)據(jù)存儲是很有優(yōu)勢的。
對于硬盤而言,在持續(xù)高速數(shù)據(jù)存儲中,關鍵是它的持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸速率(sustainedtransferrate)能否滿足要求。目前,15000r/min的小型計算機系統(tǒng)接口SCSI(SmallComputerSystemInterface)硬盤,總線數(shù)據(jù)傳輸速率為80~320MB/s,持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸速率大于40MB/s。而PC機普遍配置的IDE硬盤,雖然它的總線數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到33~100MB/s,但持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸速率只有15MB/s左右,性能低于SCSI硬盤。
本文設計了一種專用高速硬盤存儲設備,它脫離微機平臺實時將高速數(shù)據(jù)送入SCSI硬盤,持續(xù)存儲速率可達35MB/s(使用Seagate公司生產(chǎn)的ST336752LW型硬盤)。
1SCSI總線及硬盤
SCSI是美國ANSI9.2委員會定義的計算機和外設之間的接口標準,最初是以磁盤存儲設備為主,但由于它的靈活性、設備獨立等特點,使之不僅在磁帶設備、打印設備、光盤驅動設備等外設中得到普遍應用,也在許多I/O設備和計算機網(wǎng)絡、計算機工業(yè)控制等領域不斷發(fā)展。隨著外設速率的不斷提高,SCSI的性能幾乎每5年提高一倍,目前Ultra320SCSI總線數(shù)據(jù)傳輸速率可達320MB/s。
SCSI是設備無關的輸入輸出總線,可以掛接多達8個以上的設備。對于SCSI總線上的設備,如果是任務的觸發(fā)者,則稱為啟動設備;如果是任務的執(zhí)行者,則稱為目標設備。通常啟動設備先選擇一個目標設備,繼而由目標設備決定繼續(xù)控制總線或釋放總線,直到完成任務。本文的專用高速硬盤存儲設備采用單啟動、單目標結構。
SCSI硬盤在標識硬盤扇區(qū)時使用了線性的概念,即硬盤只有順序的第1扇區(qū)、第2扇區(qū)…第n扇區(qū),不像IDE硬盤的“柱面/磁頭/扇區(qū)”三維格式。這種線性編排方式訪問延時最小,可加快硬盤存取速率,尤其在持續(xù)大容量數(shù)據(jù)存儲時,所顯現(xiàn)的優(yōu)勢較明顯。目前,操作系統(tǒng)內(nèi)部也使用線性編號的扇區(qū),其目的是加快介質(zhì)存取速度,加大介質(zhì)訪問容量。
綜上所述,該專用高速硬盤存儲設備使用SCSI總線不僅數(shù)據(jù)傳輸速率高,而且在需要時可以增加設備中的硬盤數(shù)量來擴展存儲空量,甚至可以把硬盤替換為其它SCSI存儲設備。
2系統(tǒng)結構設計
為了實現(xiàn)SCSI協(xié)議和硬盤存儲,一般需要有微處理器、DMA控制器、SCSI協(xié)議控制器、數(shù)據(jù)緩存器等硬件支持和相應的軟件控制模塊。
·微處理器用來控制設備中各部件的工作,實現(xiàn)設備本身的特定功能。該專用高速硬盤存儲設備實現(xiàn)數(shù)據(jù)的持續(xù)高速存儲,要求處理數(shù)據(jù)的速度高。通常這些需要傳輸和處理大量數(shù)據(jù)的設備均選用數(shù)字信號處理器DSP作為微處理器。同時,SCSI協(xié)議中許多復雜的控制功能也需要這個微處理器來實現(xiàn)。
·傳送大量數(shù)據(jù)大多會采用直接存儲器訪問DMA(DirectMemoryAccess)方式,因此需要獨立的DMA控制器或選用內(nèi)置DMA控制器的微處理器。出于簡化電路和提高速率的考慮,該設備采用復雜可編程邏輯器件CPLD構造了一個獨立的DMA控制器。
·要實現(xiàn)SCSI協(xié)議需要有SCSI協(xié)議控制器。DSP中通常不會集成SCSI協(xié)議控制器,因此一般情況下,需要選擇通用的SCSI協(xié)議控制器,輔助DSP實現(xiàn)SCSI協(xié)議和通信。
·在設備的輸入接口部分,需要有數(shù)據(jù)緩存單元。普通的存儲器在寫入的同時不能讀;采用雙口隨機存儲器RAM雖然可以解決并發(fā)訪問的問題,但它必需的雙邊地址譯碼又是不可忽視的問題。對于單純的數(shù)據(jù)存儲設備,不需要對數(shù)據(jù)做壓縮、信號分析等預處理工作,緩存單元在結構上相當于先進先出(FirstInFirstOut,F(xiàn)IFO)隊列,先到的數(shù)據(jù)先被存儲。所以采用專用FIFO芯片,可以去掉復雜的緩存器譯碼電路,大大簡化系統(tǒng)設計。而且,采用專用FIFO芯片,整個設備從外部數(shù)據(jù)接口看來,就是一個寫不滿的FIFO,也大大簡化了對設備數(shù)據(jù)接口的操作。
專用高速硬盤存儲設備的框圖如圖1所示。圖1中各方框表示一個基本模塊,括號中文字表示具體實現(xiàn)的器件,虛線左側部分不屬于設備模塊。
該高速硬盤存儲設備設計中向處理器選用了TI公司生產(chǎn)的TMS320F206,SCSI協(xié)議控制器選用了Qlogic公司生產(chǎn)的FAS368M,DMA控制器和其它外圍邏輯轉換電路選用了ALTERA公司生產(chǎn)的CPLD器件EPM7064。
TMS320C206是TI公司生產(chǎn)的CPLD器件EPM7064。
TMS320C206是TI公司生產(chǎn)的TMS320系列單片數(shù)字信號處理器中的一種低價格、高性能的定點DSP芯片。該芯片功耗低,處理能力強,指令周期最短為25ns,運算能力達40MIPS,片內(nèi)具有32KB的閃爍存儲器和4.5KB的RAM,是最早使用閃爍存儲器的DSP芯片之一。由于閃爍存儲器具有比ROM靈活、比RAM便宜的特點,因此使用TMS320F206不僅降低了成本、減小了體積,同時系統(tǒng)升級也比較方便。
FAS368M是與SCSI-3標準完全兼容的SCSI協(xié)議控制器,它支持啟動設備與目標設備兩種模式,同步數(shù)據(jù)傳輸速率為40MB/s。另外,F(xiàn)AS368M支持最大50MB/s的快速DMA數(shù)據(jù)傳。由于采用分離的微處理器總線和DMA總線結構,因此能以較高速率產(chǎn)生響應而不會造成瓶頸效應。
3硬件電路及功能描述
TMS320F206、FAS368M、EMP7064和IDT7208之間的具體連接線路如圖2所示。
3.1FAS368M的信號及內(nèi)部寄存器說明
圖2中FAS368M的主要信號和控制邏輯如下:
·ACK、ATM、BSY、CD、IO、MSG、REQ、RST、SD0~15、SDP0~1、SEL及其差分信號,都是FAS368M與SCSI總線的接口信號。
·CS信號是讀寫FAS368M內(nèi)部寄存器片選信號。
·RD、WR是FAS368M內(nèi)部寄存器的讀寫信號。
·FAS368M的TNI端對應TMS320F206的外部中斷INT1,當其有效時,表明有錯誤產(chǎn)生(如校驗出錯)、一個事件需要服務(如FAS368M作為目標設備被選中)或已結束某服務(如DMA結束)。
·DREQ,F(xiàn)AS368M使DREQ有效向DMA控制器(EPM7064)發(fā)出DMA傳輸請求。
·DACK,EPM7064對FAS368MDMA請求信號DREQ的響應。
·DBWR,DMA數(shù)據(jù)寫信號。當DREQ和DACK信號均有效時,EPM7064控制該信號和緩存器IDT7208的RD信號,實現(xiàn)數(shù)據(jù)從IDT7208向FAS368M的同步快速傳輸。
FAS368M在TMS320F206的控制下實現(xiàn)所有的SCSI物理協(xié)議,包括仲裁、選擇、消息、命令、數(shù)據(jù)、狀態(tài)等各階段規(guī)定的信號電平轉化等。在設備中TMS320F206對FAS368M的控制是通過對其寄存器的讀寫來實現(xiàn)的。
·指令寄存器(CommandRegister),TMS320F206通過向指令寄存器寫入相應指令,實現(xiàn)諸如FAS368M的初始化與復位、SCSI總線分配與復位、SCSI總線各階段的遷移等所有針對FAS358M和SCSI總線的控制。
·FIFO寄存器(FIFORegister)是一個16字的FIFO寄存器,硬盤和FAS368M之間的數(shù)據(jù)都要通過FIFO寄存器。它有兩方面的用途:當FAS368M通過SCSI總線向硬盤傳送數(shù)據(jù)和命令時,可以先把要傳送的數(shù)據(jù)和命令放在FIFO寄存器,等SCSI總線空閑,并獲得總線控制權以后再開始傳送;另一方面,由SCSI總線傳送到FAS368M的數(shù)據(jù),也可因為TMS320F206或DMA控制器忙而停止,數(shù)據(jù)先送到FIFO寄存器空出SCSI總線,等TMS320F206或DMA控制器空閑再從FIFO寄存器讀取數(shù)據(jù)。
·傳輸計數(shù)寄存器(TransferCountRegister)是一個減計數(shù)器,它通常用來保存一次DMA命令所要傳輸數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。
·中斷寄存器(InterruptRegister),F(xiàn)AS368M所有的信息都以中斷的方式通知TMS320F206。TMS320F206通過讀取中斷寄存器和其他狀態(tài)寄存儲器判斷FAS368產(chǎn)生中斷的原因,決定下一步操作,從而實現(xiàn)FAS368M對TMS320F206的通信。
3.2EPM7064內(nèi)部邏輯和作用
設備中的DMA控制器由CPLD器件EPM7064實現(xiàn),這主要有下面幾方面的考慮:
。1)設備接口緩存器采用專用FIFO芯片IDT7208,它的數(shù)據(jù)總線可以和FAS368M的DMA數(shù)據(jù)總線直接連接,不需要復雜的緩存器地址譯碼電路。因此,DMA控制器不需要數(shù)據(jù)與地址總線,硬件連線可以大大減少。而配合FAS368MDMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r序,DMA控制器只需在DMA傳輸請求信號DREQ有效且IDT7208空信號EF無效時,使DMA傳輸響應信號DACK有效,隨后在時鐘信號CLK驅動下連續(xù)產(chǎn)生同步的IDT7208讀信號RD和DMA寫信號DBWR,實現(xiàn)從IDT7208到FAS368M的DMA傳輸;反之,則使DMA傳輸響應信號DACK無效,隨后停止產(chǎn)生IDT7208讀信號RD和DMA寫信號DBWR,中斷從IDT7208到FAS368M的DMA傳輸。這些時序邏輯完全可以用一片小的CPLD器件實現(xiàn),因此選用EPM7064設計了該DMA控制器。
。2)FAS368M支持高達50MB/s的快速DMA傳輸。一般的專用DMA控制器芯片難以勝任,而且專用DMA控制器與FAS368M的連接需要一定的邏輯轉換電路,外圍硬件連線也較多。同時,它還必須在TMS320F206的控制下與FAS368M一起協(xié)調(diào)工作才能實現(xiàn)DMA傳輸,又增加了軟件的復雜程度。
。3)使用EPM7064除了實現(xiàn)DMA控制器的功能外,還可以把整個設備電路中的一些譯碼、邏輯轉換等模塊一并設計進去,在很大程序上減小了設備的體積,同時也為設備的改進和升級提供了方便。
在硬件設計的基礎上,DSP微處理器還需要一個軟件模塊負責對相關硬件控制和協(xié)調(diào),最終實現(xiàn)SCSI協(xié)議、硬盤的控制和DMA傳輸?shù)。對DSP微處理器的編程,需要完整掌握SCSI-3協(xié)議標準和FAS368M的命令集,工作量比較大,同時程序的優(yōu)劣也關系到系統(tǒng)的存儲速度和可靠性。由于篇幅限制,軟件設計本文不再多述。
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