基于SCSI總線的超高速實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)

引言

目前，對(duì)高速數(shù)字圖像的采集與存儲(chǔ)的需求越來(lái)越大，但大多數(shù)此類系統(tǒng)都依賴速微機(jī)、高速圖像采集卡和超大容量?jī)?nèi)存。滿足這些條件必然使成本成倍增高，價(jià)格昂貴，且它有一個(gè)很大的缺點(diǎn)是容量小，即便是使用超大容量?jī)?nèi)存，其增擴(kuò)的容量也只能達(dá)到幾G字節(jié)的量級(jí)，如果再增大容量，系統(tǒng)的體積和成本已不允許。因此，應(yīng)用范圍受到限制。

基于冗余磁盤(pán)陣列RAID （Redundant Arrays of Inexpensive Disks）技術(shù)的應(yīng)用日漸廣泛。雖然它利用了磁盤(pán)的超大容量、體積小巧的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)磁盤(pán)陣列結(jié)構(gòu)解決了快速CPU和慢速的磁盤(pán)I/O之間的“瓶頸”難關(guān)，達(dá)到了高速大容量存儲(chǔ)的目的；但是它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，磁盤(pán)冗余導(dǎo)致成本較高。

為了充分發(fā)揮各種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，本文基于SCSI總線的理論體系，設(shè)計(jì)出一種以SCSI硬盤(pán)為存儲(chǔ)載體，由單片機(jī)控制的超高速、數(shù)字化圖像數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)。超高速是指它能夠?qū)崟r(shí)存儲(chǔ)千幀每秒的視頻圖像，數(shù)據(jù)率約是100Mb/s；數(shù)字化是指從高速相機(jī)的輸出全為數(shù)字化，存儲(chǔ)也全為數(shù)字量。它能脫離微機(jī)系統(tǒng)而單獨(dú)完全采集存儲(chǔ)的工作，操作簡(jiǎn)單而實(shí)用。下面從技術(shù)方案和體系結(jié)構(gòu)來(lái)介紹本系統(tǒng)。

一、系統(tǒng)的技術(shù)方案及體系結(jié)構(gòu)

對(duì)于超高速、大容量實(shí)時(shí)視頻圖像存儲(chǔ)系統(tǒng)，存儲(chǔ)時(shí)間和速率是最高要的技術(shù)指標(biāo)，但存儲(chǔ)介質(zhì)的長(zhǎng)時(shí)間的傳輸速率，即它們的持續(xù)傳輸速率又是最重要的。存儲(chǔ)介質(zhì)的猝發(fā)傳輸速率和內(nèi)部傳輸速率都不能作為實(shí)時(shí)存儲(chǔ)系統(tǒng)的衡量指標(biāo)。普通的IDE接口硬盤(pán)，雖然其猝發(fā)傳輸速率和總線傳輸速率都能在33Mb/s以上，但實(shí)際上持續(xù)傳輸速率還不到5Mb/s，遠(yuǎn)不能達(dá)到要求。相比之下，SCSI硬盤(pán)的持續(xù)傳輸速率明顯高于IDE接口硬盤(pán)。目前，10000轉(zhuǎn)的SCSI硬盤(pán)的持續(xù)傳輸率大多數(shù)都能達(dá)到25Mb/s。如果讓幾個(gè)SCSI硬盤(pán)并行工作，那么總的傳輸率達(dá)到100Mb/s是可以實(shí)現(xiàn)的。

1.SCSI總線系統(tǒng)及特點(diǎn)

SCSI （Small Computer System Interface），即小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口，是美國(guó)ANSI9.2委員會(huì)定義的計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間的接口標(biāo)準(zhǔn)。起初是以磁盤(pán)存儲(chǔ)設(shè)備為主，但由于它的靈活性、設(shè)備獨(dú)立性等特點(diǎn)，使SCSI不僅在磁帶設(shè)備、打印設(shè)備、CD-ROM WORM等外設(shè)中得到普遍應(yīng)用，也在許多新I/O設(shè)備和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)工業(yè)控制等領(lǐng)域不斷發(fā)展。圖1是SCSI典型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

在SCSI 系統(tǒng)中，多個(gè)設(shè)備可以用同一電纜相連。在8位SCSI數(shù)據(jù)線情況下，可以掛接8個(gè)外設(shè)；而現(xiàn)在的Ultera SCSI可以達(dá)到32位數(shù)據(jù)線，能掛接32個(gè)外設(shè)。在任意時(shí)刻，只能有兩個(gè)設(shè)備可相互通信，其中發(fā)送命令的設(shè)備叫啟動(dòng)設(shè)備（initiator），執(zhí)行命令的設(shè)備叫目標(biāo)設(shè)備（target）。SCSI上設(shè)備的唯一標(biāo)識(shí)是SCSI ID，它既是設(shè)備的地址，也是設(shè)備優(yōu)先級(jí)代碼。SCSI中的操作是由啟動(dòng)設(shè)備啟動(dòng)的，啟動(dòng)設(shè)備先選擇一個(gè)目標(biāo)設(shè)備，在目標(biāo)設(shè)備選擇完成后，目標(biāo)設(shè)備在協(xié)議上獲得對(duì)總線的控制權(quán)，由目標(biāo)設(shè)備決定是繼續(xù)控制總線還是釋放總線。SCSI設(shè)備之間沒(méi)有主從關(guān)系，一個(gè)設(shè)備既可成為啟動(dòng)設(shè)備，也可以起目標(biāo)設(shè)備的作用。計(jì)算機(jī)上的SCSI適配器是典型的啟動(dòng)設(shè)備。SCSI接口硬盤(pán)是典型的Target。在SCSI總線上，可以存在于多個(gè)啟動(dòng)設(shè)備和多個(gè)目標(biāo)設(shè)備，但一個(gè)系統(tǒng)中至少應(yīng)該有一個(gè)啟動(dòng)設(shè)備和一個(gè)目標(biāo)設(shè)備。圖1是典型的多啟動(dòng)設(shè)備多目標(biāo)設(shè)備系統(tǒng)。除此之外，還有單啟動(dòng)設(shè)備多目標(biāo)設(shè)備、單啟動(dòng)設(shè)備單目標(biāo)設(shè)備。本文的高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)采用單啟動(dòng)設(shè)備目標(biāo)設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

SCSI雖然有其獨(dú)有特點(diǎn)，但接口控制復(fù)雜。任何一個(gè)SCSI系統(tǒng)都具有適配器和控制器相配對(duì)的結(jié)構(gòu)，通常適配器就是上面所說(shuō)的啟動(dòng)設(shè)備。適配器的復(fù)雜性在于必須從硬件和軟件兩部分實(shí)現(xiàn)SCSI設(shè)備與各種操作系統(tǒng)的接口。軟件要完成把SCSI命令解釋給操作系統(tǒng)和把操作系統(tǒng)的操作命令翻譯給SCSI設(shè)備；硬件要完成SCSI總線的各種時(shí)序和內(nèi)部電路的控制。

2.系統(tǒng)方案的制定

根據(jù)SCSI協(xié)議，消息、命令、數(shù)據(jù)、狀態(tài)四個(gè)階段統(tǒng)稱為信息階段，這是因?yàn)樗鼈兌际峭ㄟ^(guò)數(shù)據(jù)總線傳送數(shù)據(jù)和控制信息的。其中消息、命令和狀態(tài)的傳輸采用異步方式，數(shù)據(jù)的傳輸可用異步和同步兩種方式。

理想情況下，異步傳輸一個(gè)字節(jié)只需要一個(gè)系統(tǒng)平衡延時(shí)加一個(gè)電纜延時(shí)差，其時(shí)值為45ns+4ns=49ns，實(shí)際上應(yīng)考慮信號(hào)的跳變時(shí)值和總線傳輸延時(shí)。分析認(rèn)為，異步方式下，傳輸一個(gè)字節(jié)需要4個(gè)跳變加上它們?cè)陔娎|上的傳輸延時(shí)。其典型傳輸時(shí)間可以計(jì)算為

t=45.25L+430

其中，t為一個(gè)字節(jié)的傳輸時(shí)間，單位為ns；L為電纜長(zhǎng)度，單位為m。在電纜為1m長(zhǎng)的情況下，傳輸速率約為7.1Mb/s。

同步傳輸機(jī)制引入了同步偏移和總線緩沖的概念，即目標(biāo)設(shè)備可以連續(xù)發(fā)若干個(gè)REQ信號(hào)而不需要啟動(dòng)設(shè)備的ACK馬上回答。這樣就大大減少了總線傳輸延時(shí)，從而提高了傳輸速率。因此，本系統(tǒng)以16位數(shù)據(jù)同步傳輸為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

結(jié)合以上的分析，實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)可用SCSI硬盤(pán)作為存儲(chǔ)介質(zhì)；多個(gè)SCSI硬盤(pán)并行工作以求速度的成倍提高；圖像數(shù)據(jù)的采集源選用高速數(shù)字相機(jī)，以千幀每秒的速率分多路輸出，每路的數(shù)據(jù)寬度可以是8位或16位。再設(shè)計(jì)相應(yīng)的接口控制電路控制軟件，加上附屬電路構(gòu)成。體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和功能描述

（1）單片機(jī)

單片機(jī)的主要功能如下：

*對(duì)SCSI總線信息狀態(tài)進(jìn)行翻譯、執(zhí)行、管理；

*負(fù)責(zé)對(duì)主機(jī)與緩沖器、緩沖器與SCSI總線之間的數(shù)據(jù)傳送控制；

*控制DMA控制器。

單片機(jī)通過(guò)緩沖器與SCSI接口控制電路交換信息，包括命令描述和狀態(tài)消息等。單片機(jī)對(duì)SCSI總線的控制是通過(guò)協(xié)議控制器實(shí)現(xiàn)的。為了完成一個(gè)I/O進(jìn)程，單片機(jī)把進(jìn)程分為仲裁、選擇、數(shù)據(jù)傳輸?shù)入A段，并分別以相應(yīng)的內(nèi)部控制命令交給協(xié)議控制器執(zhí)行。

（2）數(shù)字圖像接口電路

主要完成視頻信號(hào)的數(shù)字轉(zhuǎn)換和后續(xù)的邏輯控制。另外，有時(shí)8位的數(shù)據(jù)寬度對(duì)于后面的高速存儲(chǔ)任務(wù)來(lái)講是不夠的，必須依靠此電路來(lái)轉(zhuǎn)為16位寬或32位寬。

（3）SCSI總線控制器

這是SCSI總線來(lái)操作的執(zhí)行部件，一般稱為適配器。SCSI總線的時(shí)序很復(fù)雜也很有規(guī)律，規(guī)律是指SCSI總線的所操作都是由8個(gè)獨(dú)立的總線階段組成的，它們分別是：總線空閑、仲裁、選擇、消息、命令、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出及狀態(tài)階段。它們之間的遷移有著嚴(yán)格的規(guī)定，圖3是SCSI的階段遷移圖。適配器接受微處理器的操作指令，如仲裁、選擇、失連、復(fù)位總線等。適配器是啟動(dòng)設(shè)備，是發(fā)出命令的一方（在微處理器控制下）。硬盤(pán)是目標(biāo)設(shè)備，它的響應(yīng)信息和返回狀態(tài)等都由徽處理器分析，并決定適配器的下一步操作。另外，啟動(dòng)I/O進(jìn)程，參加仲裁、競(jìng)爭(zhēng)總線、選擇目標(biāo)設(shè)備等都是由微處理器控制操作的。

（4）DMA控制器

適配器中的DMA控制器，一是控制圖像數(shù)字接口電路與緩沖器之間的數(shù)據(jù)傳送；二是控制緩沖器和SCSI總線之間的數(shù)據(jù)傳送，也可以通過(guò)緩沖器直接控制圖像接口電路和SCSI總線之間的數(shù)據(jù)傳送。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)后，用IBM生產(chǎn)的DDRS34560型硬盤(pán)和DMVS-09V型硬盤(pán)做數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)，兩種硬盤(pán)的性能指標(biāo)如表1所列。分析傳輸320MB數(shù)據(jù)和1GB數(shù)據(jù)的結(jié)果如表2所列。

表1

表2

用加拿大的DALSA公司的CA-D6-256型高速相機(jī)輸出955幀/s的2602608bit視頻圖像，本系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地?zé)o壓縮并行存儲(chǔ)到多個(gè)硬盤(pán)，記錄時(shí)間在30min以上。

實(shí)踐證明了本文論述的超高速實(shí)時(shí)圖像存儲(chǔ)系統(tǒng)是能實(shí)現(xiàn)的。