基于SOA架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)控制器的設(shè)計(jì)

摘要：

項(xiàng)目設(shè)計(jì)一種采用“流程+引擎+構(gòu)件”的SOA三層架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)控制器。系統(tǒng)采用FPGA作為系統(tǒng)控制器，在FPGA內(nèi)部MicroBlaze軟核處理器上移植PetaLinux操作系統(tǒng)，加載NFS網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，將擴(kuò)展Int 13H規(guī)范中定義的基本硬盤(pán)操作指令封裝成原子構(gòu)件，并采用VHDL硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)各原子構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬盤(pán)的基本操作。設(shè)計(jì)引擎模塊，根據(jù)NFS文件系統(tǒng)操作指令，調(diào)用相關(guān)原子操作，實(shí)現(xiàn)硬盤(pán)存儲(chǔ)空間管理、文件存儲(chǔ)操作、用戶管理等功能。本文設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)控制器可作為個(gè)人存儲(chǔ)服務(wù)器連接到以太網(wǎng)，用戶可通過(guò)連接網(wǎng)絡(luò)的任意主機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器硬盤(pán)的訪問(wèn)管理。

1 引言

隨著電子郵箱及網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)的普及，用戶可不用攜帶存儲(chǔ)設(shè)備，而直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳和下載，實(shí)現(xiàn)個(gè)人數(shù)據(jù)的管理。然而，使用網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供的網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)可用空間有限，且數(shù)據(jù)保密性不強(qiáng)。本項(xiàng)目旨在研究一種適合于個(gè)人應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)存儲(chǔ)裝置，該網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)使用RJ45接口連接到以太網(wǎng)，通過(guò)以太網(wǎng)以TCP/IP協(xié)議，用戶可用以太網(wǎng)上任意主機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)的管理操作，與電子郵箱及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供的網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)相比，此項(xiàng)目設(shè)計(jì)的個(gè)人網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)硬盤(pán)有著存儲(chǔ)空間容量大、使用安全、可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)原理與特點(diǎn)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。

圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

用戶通過(guò)連接網(wǎng)絡(luò)的客戶端PC機(jī)采用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)文件的上傳和下載，上傳文件時(shí)，用戶通過(guò)客戶端PC機(jī)向網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)控制器發(fā)送上傳文件指令，并發(fā)送文件數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA內(nèi)以太網(wǎng)控制器模塊接收數(shù)據(jù)并由DDR2控制器模塊寫(xiě)入到DDR2中緩存，然后根據(jù)NFS協(xié)議將數(shù)據(jù)從DDR2中讀出經(jīng)硬盤(pán)控制器模塊寫(xiě)入到硬盤(pán)中保存；客戶端下載文件時(shí)，用戶通過(guò)客戶端PC機(jī)向硬盤(pán)控制器發(fā)送下載文件指令，F(xiàn)PGA內(nèi)以太網(wǎng)控制器模塊接收指令后，根據(jù)NFS協(xié)議將文件數(shù)據(jù)通過(guò)硬盤(pán)控制器模塊讀出并寫(xiě)入到DDR2緩存中，然后將數(shù)據(jù)由DDR2中讀出并由以太網(wǎng)控制器模塊，加載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，將數(shù)據(jù)由網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到客戶端PC。

FPGA內(nèi)部調(diào)用MicroBlaze處理器，移植PetaLinux操作系統(tǒng)，配置TCP/IP協(xié)議棧，加載NFS網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，利用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)Int13H規(guī)范中定義的對(duì)硬盤(pán)操作的原子構(gòu)件，并設(shè)計(jì)對(duì)原子構(gòu)件調(diào)用的引擎管理模塊，將原子構(gòu)件與引擎管理模塊以用戶IP核形式添加到與MicroBlaze處理器互聯(lián)的PLB片內(nèi)總線，F(xiàn)PGA內(nèi)部系統(tǒng)模塊框圖如圖2-2所示。

圖2-2 FPGA內(nèi)功能模塊

3 硬盤(pán)引擎管理模塊設(shè)計(jì)

借鑒互聯(lián)網(wǎng)分布式計(jì)算領(lǐng)域中網(wǎng)格計(jì)算、云計(jì)算技術(shù)廣泛采用的SOA架構(gòu)為核心設(shè)計(jì)思想，首先進(jìn)行業(yè)務(wù)需求分析、根據(jù)業(yè)務(wù)用例、用例場(chǎng)景、業(yè)務(wù)步驟的分析過(guò)程找出對(duì)應(yīng)的原子業(yè)務(wù)。根據(jù)業(yè)務(wù)原子業(yè)務(wù)映射到相應(yīng)的系統(tǒng)需求進(jìn)行系統(tǒng)建模，通過(guò)形式語(yǔ)義將場(chǎng)景步驟序列描述為由一系列原子構(gòu)件的組合。完成“流程+引擎+構(gòu)件”的三層SOA結(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.1 文件系統(tǒng)業(yè)務(wù)單元

文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中負(fù)責(zé)管理和存儲(chǔ)文件信息的軟件系統(tǒng)。主要負(fù)責(zé)對(duì)文件存儲(chǔ)器空間進(jìn)行組織和分配，文件的存儲(chǔ)以及對(duì)存入的文件進(jìn)行保護(hù)和檢索。文件系統(tǒng)主要包括存儲(chǔ)空間管理、文件存儲(chǔ)操作、用戶管理這三個(gè)業(yè)務(wù)單元。

存儲(chǔ)實(shí)間管理主要包括對(duì)存儲(chǔ)空間的組織、分配和回收。文件存儲(chǔ)操作主要包括用戶對(duì)存儲(chǔ)空間文件的基本操作，包含文件的生成、刪除、打開(kāi)、關(guān)閉、文件讀、文件寫(xiě)等。用戶管理主要包括用戶的注冊(cè)、登錄以及用戶權(quán)限管理等。

3.2 提取業(yè)務(wù)用例

在提取文件系統(tǒng)的業(yè)務(wù)用例時(shí)，主要是從業(yè)務(wù)主角——用戶的角度出發(fā)，對(duì)文件系統(tǒng)的每一個(gè)業(yè)務(wù)單元進(jìn)行分析提取業(yè)務(wù)用例。

3.2.1 存儲(chǔ)空間管理

存儲(chǔ)空間管理業(yè)務(wù)單元的用例視圖如圖3-1所示。

圖3-1 存儲(chǔ)空間管理用例視圖

存儲(chǔ)空間管理該業(yè)務(wù)單元主要包括如下業(yè)務(wù)用例：初始化存儲(chǔ)空間、分配存儲(chǔ)空間、追加存儲(chǔ)空間、回收存儲(chǔ)空間、查詢剩余存儲(chǔ)空間。

3.2.2 文件存取操作

文件存取操作業(yè)務(wù)單元的業(yè)務(wù)用例視圖如圖3-2所示。

圖3-2 文件存取操作用例視圖

文件存取操作業(yè)務(wù)單元包括如下業(yè)務(wù)用例：建立文件、打開(kāi)文件、讀文件、寫(xiě)文件、關(guān)閉文件、保存文件、刪除文件、保存文件、列舉文件、檢索文件、復(fù)制文件等。

3.2.3 用戶管理

用戶管理用例視圖如圖3-3所示。

圖3-3 用戶管理用例視圖

用戶管理該業(yè)務(wù)單元包括的業(yè)務(wù)用例主要有填加用戶、刪除用戶、用戶登錄、用戶退出、設(shè)置用戶權(quán)限、修改用戶權(quán)限等。

3.3業(yè)務(wù)用例場(chǎng)景

3.3.1 劃分業(yè)務(wù)用例場(chǎng)景

業(yè)務(wù)用例在實(shí)際執(zhí)行的進(jìn)程中可能會(huì)有多種不同的情況發(fā)生，每一種情況都稱為該業(yè)務(wù)用例的一個(gè)業(yè)務(wù)用例場(chǎng)景，也可以說(shuō)業(yè)務(wù)用例場(chǎng)景是指實(shí)例化的用例。通過(guò)對(duì)文件系統(tǒng)的業(yè)務(wù)用例進(jìn)行分析，劃分出文件系統(tǒng)的業(yè)務(wù)用例場(chǎng)景如表1所示。

表3-1 文件系統(tǒng)業(yè)務(wù)用例場(chǎng)景

3.3.2 描述業(yè)務(wù)用例

本文對(duì)文件系統(tǒng)業(yè)務(wù)用例描述采用的是用例文檔和UML的活動(dòng)圖，通過(guò)畫(huà)出文件系統(tǒng)業(yè)務(wù)用例場(chǎng)景的活動(dòng)圖，按照所用例文檔模板的格式對(duì)活動(dòng)圖進(jìn)行描述，建立文件系統(tǒng)的業(yè)務(wù)用例模型，得到文件系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求文檔。

3.4 提取原子業(yè)務(wù)

前面對(duì)文件系統(tǒng)進(jìn)行了業(yè)務(wù)建模，分析了文件系統(tǒng)的業(yè)務(wù)參與者、業(yè)務(wù)用例和業(yè)務(wù)場(chǎng)景，在此小結(jié)中將分析提取文件系統(tǒng)的原子業(yè)務(wù)。主要通過(guò)分析業(yè)務(wù)場(chǎng)景的主干流程來(lái)進(jìn)行原子業(yè)務(wù)的提取。

3.4.1 存儲(chǔ)空間管理原子業(yè)務(wù)分析

以追加存儲(chǔ)空間為例分析業(yè)務(wù)流程。

前置條件：文件當(dāng)前存儲(chǔ)空間不足，文件剩余存儲(chǔ)空間中有足夠的空閑空間。

后置條件：成功為文件追加空閑存儲(chǔ)空間。

該業(yè)務(wù)流程由如下業(yè)務(wù)步驟組成：

1>.文件存儲(chǔ)空間不足，申請(qǐng)新的存儲(chǔ)空間；

2>.文件定位；

3>.追加新的存儲(chǔ)空間。

分析上述業(yè)務(wù)步驟，畫(huà)出追加存儲(chǔ)空間業(yè)務(wù)用例場(chǎng)景的業(yè)務(wù)流程圖如圖3-4所示。

圖3-4 追加存儲(chǔ)空間活動(dòng)圖

經(jīng)分析追加存儲(chǔ)空間該業(yè)務(wù)用例中可提取出兩個(gè)原子業(yè)務(wù)：文件定位、追加存儲(chǔ)空間。分析存儲(chǔ)空間管理業(yè)務(wù)單元其它業(yè)務(wù)用例場(chǎng)景的業(yè)務(wù)流程后，得出該業(yè)務(wù)單元原子業(yè)務(wù)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)圖如圖3-5所示。

圖3-5 存儲(chǔ)空間管理原子業(yè)務(wù)模型結(jié)構(gòu)圖

3.4.2 文件存取操作原子業(yè)務(wù)分析

以順序讀文件為例分析業(yè)務(wù)流程。

前置條件：文件存在并且可讀。

后置條件：從文件指定位置處順序讀取指定長(zhǎng)度內(nèi)容。

該業(yè)務(wù)流程由如下業(yè)務(wù)步驟組成：

1>.確定文件所在存儲(chǔ)空間；

2>.打開(kāi)目標(biāo)文件；

3>.讀取指定長(zhǎng)度的文件內(nèi)容；

4>.關(guān)閉文件。

分析上述業(yè)務(wù)步驟，畫(huà)出順序讀文件業(yè)務(wù)用例場(chǎng)景的業(yè)務(wù)流程圖如圖3-6所示。

經(jīng)分析順序讀取文件該業(yè)務(wù)用例中可提取出四個(gè)原子業(yè)務(wù)：文件定位、打開(kāi)文件、順序讀文件、關(guān)閉文件。

分析文件存取操作業(yè)務(wù)單元其它業(yè)務(wù)用例場(chǎng)景的業(yè)務(wù)流程后，提取出該業(yè)務(wù)單元原子業(yè)務(wù)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)圖如圖3-7所示。

圖3-6 順序讀取文件業(yè)務(wù)活動(dòng)圖

3.4.3 用戶管理原子業(yè)務(wù)分析

以注冊(cè)用戶為例分析業(yè)務(wù)流程。

前置條件：有權(quán)限成為文件系統(tǒng)用戶。

后置條件：注冊(cè)成功，分配用戶名。

該業(yè)務(wù)流程由如下業(yè)務(wù)步驟組成：

1>.管理員進(jìn)入存儲(chǔ)空間；

2>.登記用戶信息。

分析上述業(yè)務(wù)步驟，畫(huà)出注冊(cè)用戶業(yè)務(wù)用例場(chǎng)景的業(yè)務(wù)流程圖如圖3-8所示。經(jīng)分析注冊(cè)用戶該業(yè)務(wù)用例中可提取出兩個(gè)原子業(yè)務(wù)：用戶登錄、登記用戶信息。

分析用戶管理業(yè)務(wù)單元其它業(yè)務(wù)用例場(chǎng)景的業(yè)務(wù)流程后，得出該業(yè)務(wù)單元原子業(yè)務(wù)部分樹(shù)狀結(jié)構(gòu)圖如圖3-9所示。

圖3-9 用戶管理原子業(yè)務(wù)模型結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)以上對(duì)文件系統(tǒng)各業(yè)務(wù)單元的分析，提取文件系統(tǒng)完整的原子業(yè)務(wù)及其描述如表3-2所示。

表3-2 文件系統(tǒng)原子業(yè)務(wù)及其描述

4 Petalinux及NFS網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)的移植

Petalinux的移植主要工作為硬件平臺(tái)搭建，以及內(nèi)核的裁剪與移植，其中硬件平臺(tái)的搭建在windows操作系統(tǒng)上安裝的Xilinx EDK環(huán)境中完成，選擇Virtex5-lx110t開(kāi)發(fā)板，由于網(wǎng)絡(luò)文件服務(wù)器的需要選擇以太網(wǎng)的IP核，DDR，串口，定時(shí)器等并添加相應(yīng)的中斷，成功建立工程的block diagram 如圖4-1所示。

圖4-1 搭建工程框圖

然后進(jìn)行基于Petalinux軟件平臺(tái)的配置，操作系統(tǒng)和庫(kù)選項(xiàng)選擇Petalinux，修改主要存儲(chǔ)空間和輸入輸出的當(dāng)前值，軟件平臺(tái)搭建完畢，最后生成庫(kù)和板級(jí)支持包，然后生成比特流文件下載至目標(biāo)板測(cè)試工程的正確性。

Petalinux是一套開(kāi)發(fā)環(huán)境，linux內(nèi)核的裁剪以及移植在安裝centos 5.6 操作系統(tǒng)的主機(jī)完成首先利用Petalinux自帶的工具創(chuàng)建嵌入式平臺(tái)，將在windows下完成的工程拷貝到Linux系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換到Linux系統(tǒng)格式，根據(jù)開(kāi)發(fā)板選擇新的平臺(tái)，然后用make menuconfig 命令進(jìn)入內(nèi)核裁剪的圖形化界面，合理的裁剪之后進(jìn)行編譯將生成的image.bin文件通過(guò)下載線下載至開(kāi)發(fā)板的DDR SDRAM中，在串口終端可以看到系統(tǒng)啟動(dòng)信息，如圖4-2所示。

圖4-2 系統(tǒng)啟動(dòng)信息

網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)支持以應(yīng)用程序在客戶端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)存取位于服務(wù)器磁盤(pán)中數(shù)據(jù)的一種文件系統(tǒng)協(xié)議，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)都分成客戶端和文件服務(wù)器兩部分?？蛻舳艘赃壿嬑募K的方式存取數(shù)據(jù)，文件服務(wù)器使用塊映射存取真正的磁盤(pán)塊，并完成磁盤(pán)格式和元數(shù)據(jù)（如目錄）的管理，對(duì)客戶端完全屏蔽，一般客戶端和文件服務(wù)器以TCP/IP方式通信。NFS是網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（Network File System）的簡(jiǎn)稱，是分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，可實(shí)現(xiàn)在異種網(wǎng)絡(luò)上共享和裝配遠(yuǎn)程文件系統(tǒng)，可讓不同操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)共享數(shù)據(jù)。

NFS服務(wù)器的移植：nfs服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)需要內(nèi)核nfsd的支持外加兩個(gè)應(yīng)用程序套件 portmap 和nfs-utils ，Petalinux中移植此應(yīng)用程序，下載此應(yīng)用程序的源碼，添加到petalinux的usr目錄下，修改makefile 和config.in 文件，重新配置內(nèi)核加入nfs服務(wù)器端的支持，同時(shí)交叉編譯此應(yīng)用程序，將生成的可執(zhí)行文件復(fù)制到 romfs 的bin 目錄下，再在etc 目錄下添加exports 文件用來(lái)設(shè)置可掛載目錄，使得Petalinux 系統(tǒng)具有nfs服務(wù)器端的功能。

5 IDE硬盤(pán)控制器的設(shè)計(jì)

IDE（Integrated Drive Electronics，集成驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備）是由Compaq開(kāi)發(fā)并由Western Digital公司生產(chǎn)的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器。IDE是在早期的ST506硬盤(pán)基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的，采用40線的單組電纜進(jìn)行連接，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘玫搅嗽鰪?qiáng)，硬盤(pán)制造起來(lái)變得容易，因?yàn)閺S商不需要再擔(dān)心自己的硬盤(pán)是否與其他廠商生產(chǎn)的控制器兼容，對(duì)用戶而言，硬盤(pán)安裝起來(lái)也更為方便。因此IDE接口實(shí)際上是系統(tǒng)級(jí)接口，故也稱為ATA（Advanced Technology Attachment）接口，（ATA更接近于接口的協(xié)議層標(biāo)準(zhǔn)，而IDE多用于描述接口的物理結(jié)構(gòu)）。其傳輸方式主要有PIO和DMA兩種。ATA接口規(guī)范從最初的ATA-1版本已發(fā)展到ATA-7版本。

5.1 硬盤(pán)接口信號(hào)

ATA/ATAPI-6標(biāo)準(zhǔn)中定義的主機(jī)和設(shè)備端之間的通信連接信號(hào)如表5-1所示。其中，左邊是對(duì)信號(hào)的描述，中間表示信號(hào)的傳輸方向（由主機(jī)到設(shè)備還是由設(shè)備到主機(jī)），右邊表示信號(hào)的名稱。

1. CS(1:0)-：主機(jī)發(fā)送給硬盤(pán)的片選信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)寄存器的選擇；
2. DA(2:0)：主機(jī)發(fā)送給硬盤(pán)的地址信號(hào)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬盤(pán)寄存器的尋址；
3. DD(15:0)：主機(jī)與硬盤(pán)之間的數(shù)據(jù)連接線，當(dāng)主機(jī)對(duì)硬盤(pán)寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，使用該數(shù)據(jù)總線的低八位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)對(duì)數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，用該總線的16位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；
4. DIOR-:HDMARDY-:HSTROBE：復(fù)用信號(hào)，表示對(duì)寄存器讀信號(hào)/Ultra DMA就緒/Ultra DMA數(shù)據(jù)輸出同步信號(hào)，DIOR-表示主機(jī)對(duì)硬盤(pán)寄存器的讀信號(hào)，HDMARDY-表示Ultra DMA數(shù)據(jù)輸入時(shí)，主機(jī)發(fā)出的就緒信號(hào)，HSTROBE表示Ultra DMA數(shù)據(jù)輸出時(shí)主機(jī)發(fā)出的時(shí)鐘同步信號(hào)，雙沿有效，即在該信號(hào)的上升沿和下降沿，主機(jī)將數(shù)據(jù)輸出；
5. DIOW-:STOP：復(fù)用信號(hào)，表示主機(jī)寫(xiě)寄存器命令/主機(jī)終止Ultra DMA突發(fā)傳輸信號(hào)，DIOW-表示主機(jī)發(fā)出的對(duì)硬盤(pán)寄存器的寫(xiě)命令信號(hào)。在Ultra DMA突發(fā)傳輸時(shí)，主機(jī)可通過(guò)使能STOP信號(hào)來(lái)終止Ultra DMA突發(fā)傳輸。
6. DMACK-：在DMA開(kāi)始傳輸時(shí)，主機(jī)對(duì)硬盤(pán)發(fā)出的DMA傳輸請(qǐng)求的應(yīng)答信號(hào)；
7. DMARQ：當(dāng)硬盤(pán)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)，給主機(jī)發(fā)出的DMA傳輸請(qǐng)求信號(hào)；
8. INTRQ：硬盤(pán)發(fā)出的中斷請(qǐng)求信號(hào)；
9. IORDY:DDMARDY-:DSTROBE：硬盤(pán)發(fā)出的I/O通道就緒/Ultra DMA硬盤(pán)就緒/Ultra DMA數(shù)據(jù)輸入同步信號(hào)。IORDY表示在PIO數(shù)據(jù)傳輸中，當(dāng)硬盤(pán)沒(méi)有準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，使能該信號(hào)無(wú)效以延長(zhǎng)主機(jī)對(duì)硬盤(pán)的訪問(wèn)時(shí)間。DDMARDY-表示在Ultra DMA數(shù)據(jù)傳輸中硬盤(pán)發(fā)出的流量控制信號(hào)，該數(shù)據(jù)有效時(shí)，表示硬盤(pán)已準(zhǔn)備好接收Ultra DMA傳輸數(shù)據(jù)，硬盤(pán)使能該信號(hào)無(wú)效可暫停Ultra DMA數(shù)據(jù)傳輸。DSTROBE表示在Ultra DMA數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，硬盤(pán)發(fā)出的數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)，主機(jī)可在該信號(hào)的上升沿和下降沿接收數(shù)據(jù)；
10. RESET-：主機(jī)發(fā)出的硬盤(pán)復(fù)位信號(hào)，低電平有效。

表5-1 硬盤(pán)接口信號(hào)

5.2 硬盤(pán)接口寄存器

主機(jī)對(duì)硬盤(pán)的訪問(wèn)是通過(guò)對(duì)接口寄存器的訪問(wèn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。ATA-6標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的硬盤(pán)接口寄存器如表5-2所示。這些寄存器按照功能劃分為命令寄存器（Command block registers）和控制寄存器（Control block registers）。命令寄存器用來(lái)接收主機(jī)發(fā)出的各種命令和傳送數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)寄存器、扇區(qū)計(jì)數(shù)寄存器等?？刂萍拇嫫饔米骺刂朴脖P(pán)操作，如使能硬盤(pán)中斷、選擇硬盤(pán)等。

表5-2 硬盤(pán)端接口寄存器

5.3 硬盤(pán)控制器模塊設(shè)計(jì)

硬盤(pán)控制器模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。

圖5-1 硬盤(pán)控制器模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

5.3.1 總線接口模塊

總線接口模塊是硬盤(pán)控制器與PLB總線的連接模塊，接收處理器通過(guò)PLB總線發(fā)來(lái)的操作命令及讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。

5.3.2 硬盤(pán)復(fù)位模塊

硬盤(pán)上電后需要完成一個(gè)復(fù)位過(guò)程，即ATA/ATAPI-6標(biāo)準(zhǔn)中描述的上電及硬件復(fù)位協(xié)議。復(fù)位過(guò)程既可以通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)也可以通過(guò)在硬盤(pán)控制器內(nèi)部設(shè)計(jì)專用的邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)上電后，硬盤(pán)控制器通過(guò)硬盤(pán)復(fù)位模塊生成一個(gè)寬帶大于25us的低電平復(fù)位信號(hào)，復(fù)位信號(hào)回到高電平2ms后，即復(fù)位操作完成。復(fù)位信號(hào)波形如圖5-2所示。

圖5-2 復(fù)位信號(hào)波形

5.3.3 PIO模塊

該模塊的功能是產(chǎn)生讀寫(xiě)硬盤(pán)內(nèi)部寄存器的時(shí)序，該模塊產(chǎn)生待訪問(wèn)的硬盤(pán)寄存器的地址線，并輸出讀寫(xiě)信號(hào)，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方向，發(fā)送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線或從數(shù)據(jù)線上讀取數(shù)據(jù)，操作完成后，釋放地址、數(shù)據(jù)線。

根據(jù)PIO讀寫(xiě)時(shí)序，該模塊應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：

1. 產(chǎn)生訪問(wèn)硬盤(pán)寄存器的地址信號(hào)，并具有一定有效寬帶。
2. 產(chǎn)生相應(yīng)的讀寫(xiě)信號(hào)DIOR-/DIOW-，當(dāng)為寫(xiě)操作時(shí)，使數(shù)據(jù)具有規(guī)定的建立和保持時(shí)間；當(dāng)為讀操作時(shí)，給出讀數(shù)據(jù)的時(shí)機(jī)。
3. 處理硬盤(pán)輸入的IORDY信號(hào)，當(dāng)IORDY無(wú)效時(shí)，應(yīng)延長(zhǎng)對(duì)硬盤(pán)的讀寫(xiě)周期。

5.3.4 Ultra DMA模塊

Ultra DMA模塊是硬盤(pán)控制器的關(guān)鍵模塊，其主要功能是實(shí)現(xiàn)Ultra DMA突發(fā)數(shù)據(jù)輸出時(shí)序的控制。Ultra DMA操作可分為三個(gè)階段，分別是初始階段、數(shù)據(jù)傳輸階段、傳輸中止階段。

初始階段的時(shí)序描述為：當(dāng)硬盤(pán)發(fā)出DMA請(qǐng)求信號(hào)DMARQ，控制器通過(guò)DMACK-進(jìn)行應(yīng)答，等到硬盤(pán)發(fā)出的DDMARDY-信號(hào)有效后，控制器開(kāi)始輸出HSTROBE信號(hào)。

數(shù)據(jù)傳輸階段的時(shí)序描述為：HSTROBE時(shí)鐘的上升沿和下降沿都觸發(fā)數(shù)據(jù)輸出，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，控制器可通過(guò)停止產(chǎn)生HSTROBE信號(hào)來(lái)暫停數(shù)據(jù)的輸出，硬盤(pán)可以通過(guò)使DDMARDY-信號(hào)無(wú)效來(lái)暫停數(shù)據(jù)的接收。

傳輸終止階段，控制器和硬盤(pán)都可終止數(shù)據(jù)傳輸，終止數(shù)據(jù)傳輸可分為四個(gè)過(guò)程：停止請(qǐng)求、停止檢查、HSTROBE返回高電平、發(fā)送CRC校驗(yàn)值。對(duì)于控制器停止數(shù)據(jù)傳輸，首先停止產(chǎn)生HSTROBE時(shí)鐘信號(hào)，發(fā)出STOP命令信號(hào)，控制器檢查硬盤(pán)的DDMARDY和DMARQ均無(wú)效后，使HSTROBE返回高電平，使DMACK-無(wú)效，并在DMACK-信號(hào)跳變沿處輸出CRC校驗(yàn)值到數(shù)據(jù)線DD（15：0），如圖5-3所示。對(duì)于硬盤(pán)停止數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)使DDMARDY和DMARQ均無(wú)效來(lái)停止數(shù)據(jù)傳輸，控制器需要在t_L1時(shí)間內(nèi)發(fā)出STOP信號(hào)，使HSTROBE返回高電平，使DMACK-無(wú)效，并輸出CRC校驗(yàn)值至DD（15：0），如圖5-4所示。

圖5-3 控制器終止Ultra DMA數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序

圖5-4 硬盤(pán)終止Ultra DMA數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序

5.3.5 控制器模塊

控制模塊是硬盤(pán)控制器的核心，該模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)CPU對(duì)硬盤(pán)控制器中寄存器的配置，并根據(jù)相關(guān)寄存器的寫(xiě)入信息實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的控制操作。

6 總結(jié)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)一種基于“流程+引擎+構(gòu)件”SOA三層架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)控制器。采用FPGA作為系統(tǒng)控制器，在MicroBlaze軟核處理器上移植PetaLinux操作系統(tǒng)，加載NFS網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，將擴(kuò)展Int 13H規(guī)范中定義的基本硬盤(pán)操作指令封裝成原子構(gòu)件，采用VHDL硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)各原子構(gòu)件操作。設(shè)計(jì)引擎管理模塊，根據(jù)NFS文件系統(tǒng)操作指令，調(diào)用相關(guān)原子操作，實(shí)現(xiàn)硬盤(pán)存儲(chǔ)空間管理、文件存儲(chǔ)操作、用戶管理等功能。