基于32位微控制器MC68HC376的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和應(yīng)用

由于高幀頻、大面陣CCD數(shù)字相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)量非常巨大，存儲(chǔ)流量超過(guò)50MBps。而且圖像輸出速率也比較高，所以高速圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄是一個(gè)不易解決的問(wèn)題。高幀頻、大面陣CCD相機(jī)的數(shù)字視頻存儲(chǔ)的一般方案是基于高性能計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，把PCI總線的視頻采集卡與高性能IDE硬盤系統(tǒng)或基于PCI-SCSI橋的SCSI存儲(chǔ)硬盤系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)完成任務(wù)。這種方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易，但存在總線瓶頸問(wèn)題，一次存儲(chǔ)占用兩次PCI總線，而且還受到操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)的限制，因而在實(shí)際應(yīng)用中存儲(chǔ)速度很難突破40MBps。針對(duì)這一問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)出脫離計(jì)算機(jī)平臺(tái)的圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，采用FPGA芯片控制時(shí)序，運(yùn)用VHDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)微處理器和DMA控制功能，從而協(xié)調(diào)SCSI協(xié)議處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。FPGA的運(yùn)用比單獨(dú)使用DMA控制器減少了電路板的體積，降低了成本，提高了存儲(chǔ)的速率。

1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)SCSI協(xié)議和硬盤存儲(chǔ)，通常需要有微處理器、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。而本系統(tǒng)。DMA控制通過(guò)對(duì)FPGA編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖l所示。

1.1 微處理器

微處理器負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的專用高速硬盤存儲(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，因此采用DSP微處理器。微處理器主要功能如下：

(1)完成與外接數(shù)據(jù)的傳輸起始、結(jié)束控制。

(2)對(duì)FPGA進(jìn)行復(fù)位、開(kāi)始操作。

(3)對(duì)FAS466的初始化操作，對(duì)傳輸?shù)漠惓Ｇ闆r進(jìn)行中斷處理。

(4)對(duì)協(xié)議控制芯片內(nèi)部寄存器的讀寫控制，從而控制SCSI總線的命令傳輸和狀態(tài)監(jiān)控。對(duì)SCSI的命令信息進(jìn)行解釋、執(zhí)行、管理;對(duì)來(lái)自SCSI總線的信息狀態(tài)進(jìn)行翻譯、執(zhí)行、管理。

1.2 DMA控制器

DMA控制器控制數(shù)據(jù)發(fā)送或接收源的數(shù)據(jù)緩沖器與SCSI協(xié)議控制器內(nèi)部緩沖器之間的數(shù)據(jù)傳送，這樣通過(guò)與協(xié)議控制器的DMA接口相協(xié)調(diào)以控制數(shù)據(jù)源與SCSI總線間的數(shù)據(jù)傳送。本設(shè)計(jì)采用FPGA器件，利用VHDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)DMA控制器功能.而不采用專用的DMA控制器，主要考慮以下一些因素：本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到50MBps，而一般的專用DMA控制器難以勝任;專用的DMA控制器與SCSI協(xié)議控制芯片之間的連接需要大量的邏輯轉(zhuǎn)換電路和外圍連線，使設(shè)計(jì)難度加大;使用FPGA器件，除了完成DMA控制功能之外，還可以把電路中的邏輯轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)復(fù)位等模塊設(shè)計(jì)進(jìn)去，減小了設(shè)備的體積，方便了以后對(duì)系統(tǒng)的升級(jí)和改進(jìn)。

1.3 SCSI協(xié)議處理器(FAS466)

SCSI協(xié)議處理器是SCSI總線操作的執(zhí)行部件，各公司都有專門的SCSI集成電路芯片作為協(xié)議控制器，如QlogIC公司的FAS368M、FAS466等。FAS466(Fast Architecture SCSI Processor)處理器是Qloglc公司1999年上市的一種高性能SCSI引擎，它源于Qlogic公司的TEC450/452三重嵌入式控制的鋁系列，可提供Fast40的同步傳輸速率，它的同步數(shù)據(jù)寬總線傳輸速率可達(dá)80MBps;支持先進(jìn)的SCSI自動(dòng)配置模式的1層和2層協(xié)議;內(nèi)部嵌有微控制器，能夠通過(guò)編程方式靈活地協(xié)調(diào)SCSI作業(yè)隊(duì)列.可以工作在啟動(dòng)或目標(biāo)模式并支持單端或低電壓差分模式的SCSI連接。

FAS466區(qū)別于其他SCSI協(xié)議處理器的最大特點(diǎn)是：它采用微處理器和DMA接口結(jié)構(gòu)，而常見(jiàn)的SCSI協(xié)議控制器采用PCI接口總線結(jié)構(gòu)。這是本設(shè)計(jì)采用FAS466的一個(gè)主要原因。采用微處理器和DMA接口結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)DSP對(duì)傳輸進(jìn)行控制，脫離微機(jī)平臺(tái)，減少傳輸帶寬限制，使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)具有非常好的靈活性和可移植性。FAS466由SCSI控制器、微控制器、DMA接口和微處理器接口四個(gè)模塊組成。外部微處理器通過(guò)微處理器接口對(duì)FAS466進(jìn)行控制，協(xié)議控制器接受微處理器的操作指令，如總裁、選擇、失連、復(fù)位總線等。SCSI控制器提供靈活、有效的底層SCSI協(xié)議控制，微控制器則負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)從DMA接口到SCSI硬盤的傳輸以及各個(gè)模塊之間的協(xié)調(diào)。FAS466的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.4 數(shù)據(jù)緩存器

在設(shè)備的輸入接口部分，需要有數(shù)據(jù)緩存單元。數(shù)據(jù)緩存的目的是為SCSI的高速DMA傳輸做好準(zhǔn)備，使兩邊數(shù)據(jù)傳輸速度匹配。數(shù)據(jù)的流向一般是一個(gè)口進(jìn)，一個(gè)口出，不對(duì)信號(hào)進(jìn)行任何處理。普通的存儲(chǔ)器在寫入的同時(shí)不能讀取，雙口隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM雖然也可完成這個(gè)任務(wù)，但是由于它需要復(fù)雜的地址譯碼電路，所以不采用。采用FIFO芯片，可以去掉復(fù)雜的緩存器譯碼電路，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。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，即先到的數(shù)據(jù)先被存儲(chǔ)。本設(shè)計(jì)中FIFO選用IDT公司的IDT72V2113芯片。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，它負(fù)責(zé)對(duì)相關(guān)硬件的控制和協(xié)調(diào)，最終實(shí)現(xiàn)SCSI協(xié)議、硬盤的控制和DMA傳輸?shù)?。軟件設(shè)計(jì)分為SCSI控制軟件和DMA控制器的FPGA實(shí)現(xiàn)兩部分。下面分別進(jìn)行討論。

2.1 SCSI控制軟件

一般來(lái)說(shuō)，要完成一次數(shù)據(jù)交換必須完成SCSI總線的仲裁、選擇、消息、命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)等階段。這些階段，微處理器通過(guò)對(duì)FAS466寄存器的讀寫控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。

FAS466的寄存器主要有：

(1)命令寄存器：DSP通過(guò)向命令寄存器寫入相應(yīng)指令，控制FAS466完成初始化、復(fù)位、總線分配與復(fù)位以及SCSI總線各個(gè)階段的轉(zhuǎn)變等功能。

(2)FIFO寄存器：這是一個(gè)128字節(jié)的雙端口RAM，SCSI硬盤和FAS466之間的數(shù)據(jù)交換都通過(guò)該FIF016字(深)的FIFO寄存器來(lái)完成。

(3)傳輸計(jì)數(shù)寄存器：是一個(gè)減法計(jì)數(shù)器，用于保存一次DMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)。

(4)中斷寄存器：DSP通過(guò)FAS466中斷寄存器了解SCSI命令的執(zhí)行情況，從而決定程序的執(zhí)行流向。

SCSI控制軟件流程如圖3所示。首先初始化SCSI控制器，然后SCSI控制器與SCSl硬盤建立同步傳輸協(xié)議，在硬盤準(zhǔn)備好的情況下才可以發(fā)送各種SCSI命令，如讀、寫等，同時(shí)處理好各種意外情況的發(fā)生。[!--empirenews.page--]

2.2 DMA控制器的FPGA實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

FAS466外部DMA控制器由FPGA實(shí)現(xiàn)。FAS466通過(guò)DREQ信號(hào)有效請(qǐng)求數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)DMA控制器檢測(cè)到DREQ有效并且外部FIF0非空時(shí)，使DACK有效并通知FAS466開(kāi)始DMA傳輸。DMA控制器的狀態(tài)機(jī)如圖4所示。

FPGA除了實(shí)現(xiàn)FAS466的外部DMA控制器之外，還實(shí)現(xiàn)FAS466與外部微處理器的部分邏輯和其他邏輯控制。FPGA內(nèi)部邏輯功能模塊如圖5所示。

本文在FAST-40 SCSI協(xié)議基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)時(shí)高速數(shù)字視頻SCSI存儲(chǔ)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。利用FAS466作為SCSI控制器宴現(xiàn)啟動(dòng)器功能，控制兩塊SCSI硬盤實(shí)現(xiàn)直接存儲(chǔ)，充分利用SCSI總線的帶寬，從而大幅度提高了系統(tǒng)的效率。初步建立了較完善實(shí)用的直接存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)體系，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)流量達(dá)70MBps。為解決大面陣、高幀頻CCD數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)奠定了良好的基礎(chǔ)。該項(xiàng)技術(shù)的解決，將會(huì)大力促進(jìn)在科學(xué)研究、軍事技術(shù)、尤其在航天、航空偵察及高速數(shù)據(jù)記錄領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。