一種專(zhuān)用高速硬盤(pán)存儲(chǔ)設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在高速數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。通常的做法是把數(shù)據(jù)存入大容量存儲(chǔ)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(shí)間受存儲(chǔ)器容量的限制，在許多場(chǎng)合可能無(wú)法滿(mǎn)足要求；而存儲(chǔ)器容量的增加，其價(jià)格也會(huì)成倍增長(zhǎng)。因此，從存儲(chǔ)容量、讀寫(xiě)速度和單位成本等方面綜合考慮，采用高速硬盤(pán)直接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是很有優(yōu)勢(shì)的。


對(duì)于硬盤(pán)而言，在持續(xù)高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中，關(guān)鍵是它的持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸速率（sustained transfer rate）能否滿(mǎn)足要求。目前，15000r/min的小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口SCSI（Small Computer System Interface）硬盤(pán)，總線(xiàn)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(pán)，雖然它的總線(xiàn)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(pán)。


本文設(shè)計(jì)了一種專(zhuān)用高速硬盤(pán)存儲(chǔ)設(shè)備，它脫離微機(jī)平臺(tái)實(shí)時(shí)將高速數(shù)據(jù)送入SCSI硬盤(pán)，持續(xù)存儲(chǔ)速率可達(dá)35MB/s（使用Seagate公司生產(chǎn)的ST336752LW型硬盤(pán)）。


1 SCSI總線(xiàn)及硬盤(pán)


SCSI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)，最初是以磁盤(pán)存儲(chǔ)設(shè)備為主，但由于它的靈活性、設(shè)備獨(dú)立等特點(diǎn)，使之不僅在磁帶設(shè)備、打印設(shè)備、光盤(pán)驅(qū)動(dòng)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(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。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Ultra320 SCSI總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)320MB/s。


SCSI是設(shè)備無(wú)關(guān)的輸入輸出總線(xiàn)，可以?huà)旖佣噙_(dá)8個(gè)以上的設(shè)備。對(duì)于SCSI總線(xiàn)上的設(shè)備，如果是任務(wù)的觸發(fā)者，則稱(chēng)為啟動(dòng)設(shè)備；如果是任務(wù)的執(zhí)行者，則稱(chēng)為目標(biāo)設(shè)備。通常啟動(dòng)設(shè)備先選擇一個(gè)目標(biāo)設(shè)備，繼而由目標(biāo)設(shè)備決定繼續(xù)控制總線(xiàn)或釋放總線(xiàn)，直到完成任務(wù)。本文的專(zhuān)用高速硬盤(pán)存儲(chǔ)設(shè)備采用單啟動(dòng)、單目標(biāo)結(jié)構(gòu)。


SCSI硬盤(pán)在標(biāo)識(shí)硬盤(pán)扇區(qū)時(shí)使用了線(xiàn)性的概念，即硬盤(pán)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(pán)的“柱面/磁頭/扇區(qū)”三維格式。這種線(xiàn)性編排方式訪(fǎng)問(wèn)延時(shí)最小，可加快硬盤(pán)存取速率，尤其在持續(xù)大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，所顯現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)較明顯。目前，操作系統(tǒng)內(nèi)部也使用線(xiàn)性編號(hào)的扇區(qū)，其目的是加快介質(zhì)存取速度，加大介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)容量。


綜上所述，該專(zhuān)用高速硬盤(pán)存儲(chǔ)設(shè)備使用SCSI總線(xiàn)不僅數(shù)據(jù)傳輸速率高，而且在需要時(shí)可以增加設(shè)備中的硬盤(pán)數(shù)量來(lái)擴(kuò)展存儲(chǔ)空量，甚至可以把硬盤(pán)替換為其它SCSI存儲(chǔ)設(shè)備。



2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)SCSI協(xié)議和硬盤(pán)存儲(chǔ)，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(lái)控制設(shè)備中各部件的工作，實(shí)現(xiàn)設(shè)備本身的特定功能。該專(zhuān)用高速硬盤(pán)存儲(chǔ)設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的持續(xù)高速存儲(chǔ)，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(hào)處理器DSP作為微處理器。同時(shí)，SCSI協(xié)議中許多復(fù)雜的控制功能也需要這個(gè)微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)。


·傳送大量數(shù)據(jù)大多會(huì)采用直接存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)DMA（Direct Memory Access）方式，因此需要獨(dú)立的DMA控制器或選用內(nèi)置DMA控制器的微處理器。出于簡(jiǎn)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(gè)獨(dú)立的DMA控制器。


·要實(shí)現(xiàn)SCSI協(xié)議需要有SCSI協(xié)議控制器。DSP中通常不會(huì)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(shí)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(chǔ)器在寫(xiě)入的同時(shí)不能讀取；采用雙口隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM雖然可以解決并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)的問(wèn)題，但它必需的雙邊地址譯碼又是不可忽視的問(wèn)題。對(duì)于單純的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，不需要對(duì)數(shù)據(jù)做壓縮、信號(hào)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（First In First Out，F(xiàn)IFO）隊(duì)列，先到的數(shù)據(jù)先被存儲(chǔ)。所以采用專(zhuān)用FIFO芯片，可以去掉復(fù)雜的緩存器譯碼電路，大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。而且，采用專(zhuān)用FIFO芯片，整個(gè)設(shè)備從外部數(shù)據(jù)接口看來(lái)，就是一個(gè)寫(xiě)不滿(mǎn)的FIFO，也大大簡(jiǎn)化了對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)接口的操作。


專(zhuān)用高速硬盤(pán)存儲(chǔ)設(shè)備的框圖如圖1所示。圖1中各方框表示一個(gè)基本模塊，括號(hào)中文字表示具體實(shí)現(xiàn)的器件，虛線(xiàn)左側(cè)部分不屬于設(shè)備模塊。


該高速硬盤(pán)存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)計(jì)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(hào)處理器中的一種低價(jià)格、高性能的定點(diǎn)DSP芯片。該芯片功耗低，處理能力強(qiáng)，指令周期最短為25ns，運(yùn)算能力達(dá)40MIPS，片內(nèi)具有32KB的閃爍存儲(chǔ)器和4.5KB的RAM，是最早使用閃爍存儲(chǔ)器的DSP芯片之一。由于閃爍存儲(chǔ)器具有比ROM靈活、比RAM便宜的特點(diǎn)，因此使用TMS320F206不僅降低了成本、減小了體積，同時(shí)系統(tǒng)升級(jí)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(dòng)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50 MB/s的快速DMA數(shù)據(jù)傳。由于采用分離的微處理器總線(xiàn)和DMA總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，因此能以較高速率產(chǎn)生響應(yīng)而不會(huì)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(xiàn)路如圖2所示。


3.1 FAS368M的信號(hào)及內(nèi)部寄存器說(shuō)明


圖2中FAS368M的主要信號(hào)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(hào)，都是FAS368M與SCSI總線(xiàn)的接口信號(hào)。


·CS信號(hào)是讀寫(xiě)FAS368M內(nèi)部寄存器片選信號(hào)。


·RD、WR是FAS368M內(nèi)部寄存器的讀寫(xiě)信號(hào)。


·FAS368M的TNI端對(duì)應(yīng)TMS320F206的外部中斷INT1，當(dāng)其有效時(shí)，表明有錯(cuò)誤產(chǎn)生（如校驗(yàn)出錯(cuò)）、一個(gè)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(qǐng)求。


·DACK，EPM7064對(duì)FAS368M DMA請(qǐng)求信號(hào)DREQ的響應(yīng)。


·DBWR，DMA數(shù)據(jù)寫(xiě)信號(hào)。當(dāng)DREQ和DACK信號(hào)均有效時(shí)，EPM7064控制該信號(hào)和緩存器IDT7208的RD信號(hào)，實(shí)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(shí)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(hào)電平轉(zhuǎn)化等。在設(shè)備中TMS320F206對(duì)FAS368M的控制是通過(guò)對(duì)其寄存器的讀寫(xiě)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。


·指令寄存器（Command Register），TMS320F206通過(guò)向指令寄存器寫(xiě)入相應(yīng)指令，實(shí)現(xiàn)諸如FAS368M的初始化與復(fù)位、SCSI總線(xiàn)分配與復(fù)位、SCSI總線(xiàn)各階段的遷移等所有針對(duì)FAS358M和SCSI總線(xiàn)的控制。


·FIFO寄存器（FIFO Register）是一個(gè)16字的FIFO寄存器，硬盤(pán)和FAS368M之間的數(shù)據(jù)都要通過(guò)FIFO寄存器。它有兩方面的用途：當(dāng)FAS368M通過(guò)SCSI總線(xiàn)向硬盤(pán)傳送數(shù)據(jù)和命令時(shí)，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(xiàn)空閑，并獲得總線(xiàn)控制權(quán)以后再開(kāi)始傳送；另一方面，由SCSI總線(xiàn)傳送到FAS368M的數(shù)據(jù)，也可因?yàn)門(mén)MS320F206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(xiàn)，等TMS320F206或DMA控制器空閑再?gòu)腇IFO寄存器讀取數(shù)據(jù)。


·傳輸計(jì)數(shù)寄存器（Transfer Count Register）是一個(gè)減計(jì)數(shù)器，它通常用來(lái)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（Interrupt Register），F(xiàn)AS368M所有的信息都以中斷的方式通知TMS320F206。TMS320F206通過(guò)讀取中斷寄存器和其他狀態(tài)寄存儲(chǔ)器判斷FAS368產(chǎn)生中斷的原因，決定下一步操作，從而實(shí)現(xiàn)FAS368M對(duì)TMS320F206的通信。


3.2 EPM7064內(nèi)部邏輯和作用


設(shè)備中的DMA控制器由CPLD器件EPM7064實(shí)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(zhuān)用FIFO芯片IDT7208，它的數(shù)據(jù)總線(xiàn)可以和FAS368M的DMA數(shù)據(jù)總線(xiàn)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(xiàn)，硬件連線(xiàn)可以大大減少。而配合FAS368M DMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序，DMA控制器只需在DMA傳輸請(qǐng)求信號(hào)DREQ有效且IDT7208空信號(hào)EF無(wú)效時(shí)，使DMA傳輸響應(yīng)信號(hào)DACK有效，隨后在時(shí)鐘信號(hào)CLK驅(qū)動(dòng)下連續(xù)產(chǎn)生同步的IDT7208讀信號(hào)RD和DMA寫(xiě)信號(hào)DBWR，實(shí)現(xiàn)從IDT7208到FAS368M的DMA傳輸；反之，則使DMA傳輸響應(yīng)信號(hào)DACK無(wú)效，隨后停止產(chǎn)生IDT7208讀信號(hào)RD和DMA寫(xiě)信號(hào)DBWR，中斷從IDT7208到FAS368M的DMA傳輸。這些時(shí)序邏輯完全可以用一片小的CPLD器件實(shí)現(xiàn)，因此選用EPM7064設(shè)計(jì)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(zhuān)用DMA控制器芯片難以勝任，而且專(zhuān)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(xiàn)也較多。同時(shí)，它還必須在TMS320F206的控制下與FAS368M一起協(xié)調(diào)工作才能實(shí)現(xiàn)DMA傳輸，又增加了軟件的復(fù)雜程度。


（3）使用EPM7064除了實(shí)現(xiàn)DMA控制器的功能外，還可以把整個(gè)設(shè)備電路中的一些譯碼、邏輯轉(zhuǎn)換等模塊一并設(shè)計(jì)進(jìn)去，在很大程序上減小了設(shè)備的體積，同時(shí)也為設(shè)備的改進(jìn)和升級(jí)提供了方便。


在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，DSP微處理器還需要一個(gè)軟件模塊負(fù)責(zé)對(duì)相關(guān)硬件控制和協(xié)調(diào)，最終實(shí)現(xiàn)SCSI協(xié)議、硬盤(pán)的控制和DMA傳輸?shù)?。?duì)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(shí)程序的優(yōu)劣也關(guān)系到系統(tǒng)的存儲(chǔ)速度和可靠性。