一種專用高速硬盤存儲設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)

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(guān)鍵技術(shù)。通常的做法是把數(shù)據(jù)存入大容量存儲器中，采集結(jié)束后再進(jìn)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(guān)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(jī)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(jī)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(dá)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(shè)計了一種專用高速硬盤存儲設(shè)備，它脫離微機(jī)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(dá)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(jī)和外設(shè)之間的接口標(biāo)準(zhǔn)，最初是以磁盤存儲設(shè)備為主，但由于它的靈活性、設(shè)備獨立等特點，使之不僅在磁帶設(shè)備、打印設(shè)備、光盤驅(qū)動設(shè)備等外設(shè)中得到普遍應(yīng)用，也在許多I/O設(shè)備和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)工業(yè)控制等領(lǐng)域不斷發(fā)展。隨著外設(shè)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(dá)320MB/s。


SCSI是設(shè)備無關(guān)的輸入輸出總線，可以掛接多達(dá)8個以上的設(shè)備。對于SCSI總線上的設(shè)備，如果是任務(wù)的觸發(fā)者，則稱為啟動設(shè)備；如果是任務(wù)的執(zhí)行者，則稱為目標(biāo)設(shè)備。通常啟動設(shè)備先選擇一個目標(biāo)設(shè)備，繼而由目標(biāo)設(shè)備決定繼續(xù)控制總線或釋放總線，直到完成任務(wù)。本文的專用高速硬盤存儲設(shè)備采用單啟動、單目標(biāo)結(jié)構(gòu)。


SCSI硬盤在標(biāo)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(shè)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(shè)備中的硬盤數(shù)量來擴(kuò)展存儲空量，甚至可以把硬盤替換為其它SCSI存儲設(shè)備。



2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)的軟件控制模塊。


微處理器用來控制設(shè)備中各部件的工作，實現(xiàn)設(shè)備本身的特定功能。該專用高速硬盤存儲設(shè)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(shè)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(fù)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(shè)備采用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD構(gòu)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(shè)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(jī)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(shè)備，不需要對數(shù)據(jù)做壓縮、信號分析等預(yù)處理工作，緩存單元在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于先進(jìn)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(fù)雜的緩存器譯碼電路，大大簡化系統(tǒng)設(shè)計。而且，采用專用FIFO芯片，整個設(shè)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(shè)備數(shù)據(jù)接口的操作。


專用高速硬盤存儲設(shè)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(cè)部分不屬于設(shè)備模塊。


該高速硬盤存儲設(shè)備設(shè)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(zhuǎn)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(qiáng)，指令周期最短為25ns，運算能力達(dá)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(biāo)準(zhǔn)完全兼容的SCSI協(xié)議控制器，它支持啟動設(shè)備與目標(biāo)設(shè)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(jié)構(gòu)，因此能以較高速率產(chǎn)生響應(yīng)而不會造成瓶頸效應(yīng)。



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(yīng)TMS320F206的外部中斷INT1，當(dāng)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(wù)（如FAS368M作為目標(biāo)設(shè)備被選中）或已結(jié)束某服務(wù)（如DMA結(jié)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(yīng)。


DBWR，DMA數(shù)據(jù)寫信號。當(dāng)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(zhuǎn)化等。在設(shè)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(yīng)指令，實現(xiàn)諸如FAS368M的初始化與復(fù)位、SCSI總線分配與復(fù)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(dāng)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(quán)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(shè)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(shè)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(fù)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(yīng)信號DACK有效，隨后在時鐘信號CLK驅(qū)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(yīng)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(shè)計了該DMA控制器。


（2）FAS368M支持高達(dá)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(zhuǎn)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(fù)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(shè)備電路中的一些譯碼、邏輯轉(zhuǎn)換等模塊一并設(shè)計進(jìn)去，在很大程序上減小了設(shè)備的體積，同時也為設(shè)備的改進(jìn)和升級提供了方便。


在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，DSP微處理器還需要一個軟件模塊負(fù)責(zé)對相關(guān)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(biāo)準(zhǔn)和FAS368M的命令集，工作量比較大，同時程序的優(yōu)劣也關(guān)系到系統(tǒng)的存儲速度和可靠性。