李秦

（陜西財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽 712000）

隨著現(xiàn)代存儲技術(shù)的發(fā)展，硬盤存儲容量和速度也越來越快。當(dāng)前單塊的硬盤其對數(shù)據(jù)的讀寫速度通常在100 MBytes/s，而隨著現(xiàn)代科學(xué)實驗對數(shù)據(jù)采集的速度的要求，200 MBytes/s、400 MBytes/s甚至更高。而要達到如此高的速度，則必須要采用多塊硬盤同時對數(shù)據(jù)進行讀寫才能完成。如果要采用多塊硬盤對數(shù)據(jù)進行讀寫，則需要通過硬盤陣列控制系統(tǒng)對其進行控制才能實現(xiàn)。對此本文采用一種基于SATA硬盤陣列的控制系統(tǒng)，并對其實現(xiàn)進行了詳細(xì)的設(shè)計。

1 系統(tǒng)原理

在對數(shù)據(jù)的存儲當(dāng)中，之所以磁盤陣列能夠?qū)崿F(xiàn)對多塊不同硬盤的并行操作，其主要是由磁盤當(dāng)中數(shù)據(jù)傳輸特性來進行決定的。在通常狀態(tài)下，在對磁盤進行數(shù)據(jù)寫入的時候，主機通常首先會將數(shù)據(jù)寫入到磁盤的高速緩存當(dāng)中。當(dāng)其中的緩存寫滿了之后，主機則需要等待其緩存為空，當(dāng)緩存變?yōu)榭蘸?，主機則開始進入到下一次的讀寫存儲。磁盤控制器在緩存被寫滿之后，將其中的數(shù)據(jù)通過高速緩存的方式寫入到磁盤的介質(zhì)當(dāng)中。數(shù)據(jù)在高速緩存寫入的過程當(dāng)中其速度通常都比較快。當(dāng)數(shù)據(jù)在通過高速緩存被寫入到磁盤介質(zhì)的過程中，因為其中哦的磁頭其平均的尋道時間通常表現(xiàn)都比較長，并且受到主軸轉(zhuǎn)速不高等相關(guān)因素的影響，從而造成了磁盤介質(zhì)寫入的速度變得非常的慢，并且其寫入的速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比高速緩存的速度慢。由此兩者因為在寫入速度方面存在的差異，造成了當(dāng)高速緩存在寫滿后，磁盤控制器在對高速緩存進行讀寫的過程中，可先對其他的設(shè)備進行高速的緩存，最后再來寫當(dāng)前設(shè)備的緩存區(qū)。通過這樣的方式在減少了主機寫入高速緩存的時間，并可在同一個時間對多個不同的硬盤進行同時寫入操作。

2 系統(tǒng)整體硬件方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體方案

為更好的提高該系統(tǒng)的性能，文中將該控制系統(tǒng)設(shè)計為如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計Fig.1 Overall system architecture design

該系統(tǒng)在初始化之后，通過相關(guān)的參數(shù)設(shè)定，從而進入到相應(yīng)的工作模式，而當(dāng)數(shù)據(jù)在存儲的時候，其首先是通過ARM對硬盤當(dāng)中的基本分區(qū)信息進行讀取，從而借助ARM的處理功能找到在硬盤當(dāng)中存在的空閑信息，并發(fā)出寫的命令。通過這樣的方式，在完成對所有空閑硬盤的搜索之后，再回到第一塊硬盤的操作當(dāng)中。同時，在圖1的整體系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中，通過數(shù)據(jù)采集器對你數(shù)據(jù)的采集，其首先是通過FPGA的邏輯處理功能，對ARM狀態(tài)進行檢測，在確認(rèn)可以對數(shù)據(jù)進行寫入之后，將數(shù)據(jù)從FPGA中的FIFO當(dāng)中讀寫，并通過FPGA當(dāng)中的PCI-X總線，將命令送入到SI13124處理器當(dāng)中，最后該處理器則自動按照原始設(shè)定的程序?qū)⒚畎l(fā)送給制定的地址。當(dāng)數(shù)據(jù)存儲工作完成之后，ARM在直接對其中的FAT表進行更新，從而完成了對整個控制系統(tǒng)硬盤的存儲。

而在圖1中可以看出，F(xiàn)PGA與主機的連接是通過USB接口的方式，通過USB器件則將系統(tǒng)映射盤符，而主機則以移動硬盤的方式對系統(tǒng)進行訪問，在此時FPGA則通過該USB器件將系統(tǒng)的命令傳遞給SI13124，SI13124則根據(jù)命令的要求將其完成，并執(zhí)行相應(yīng)的操作，F(xiàn)PGA主要的功能則是將其中的護具進行拆包，并將其轉(zhuǎn)換為字節(jié)送入到USB器件當(dāng)中。當(dāng)主機通過網(wǎng)卡方式進行連接的時候，ARM則將該系統(tǒng)映射為FTP，主機則如訪問FTP的方式進行訪問。在這種訪問模式下的ARM其同樣通過FPGA的邏輯功能，向SI13124發(fā)出命令并執(zhí)行。在圖1中通過ARM連接SDRAM，其主要的作用則是通過SDRAM為ARM提供足夠的空間，因為本身ARM內(nèi)部的存儲空間是比較小的。當(dāng)系統(tǒng)在遇到比較大的程序的時候，可將其直接存到SDRAM當(dāng)中，而不需要存入到ARM中。

2.2 系統(tǒng)器件選擇

對該系統(tǒng)的設(shè)計，其主要的目的就是要通過磁盤陣列的方式提高對數(shù)據(jù)存儲的速度，并可脫離主機進行獨立的工作，同時還可與主機進行連接進行對數(shù)據(jù)的回收。對此，結(jié)合圖1對系統(tǒng)的設(shè)計，將系統(tǒng)分為USB接口、SATA磁盤列陣、FPGA磁盤接口控制器、ARM邏輯控制、ARM處理器等構(gòu)成。其中主要對系的工作模式和文件系統(tǒng)進行管理；USB接口其主要的功能也是實現(xiàn)與主機的聯(lián)機，從而得到對數(shù)據(jù)回收的目的；SATA控制器的作用則指實現(xiàn)FPGA與SATA的邏輯的轉(zhuǎn)換，通過PCI-X的方式來實現(xiàn)，并對數(shù)據(jù)進行拆包和打包。因此，本系統(tǒng)中對硬件的選擇中，處理器選擇AT91 RM9200，該處理器具有性價比高、易用、功耗低等特點；對FPGA邏輯處理模塊的選擇采用CycloneⅡ系列，該系列具有低成本、高密度等優(yōu)點；USB接口采用CY7V68013A芯片，該芯片其傳輸速率可達到56 Mbyres/s，同時其中智能可有效的減少開發(fā)時間，并確保USB接口的兼容性；總線傳輸則采用PCI-X傳輸協(xié)議，該傳輸協(xié)議其最高的傳輸速率可達到1 GB/S，并適用于服務(wù)器或工作站等平臺。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 FPGA邏輯設(shè)計

在該系統(tǒng)當(dāng)中對的邏輯進行設(shè)計則采用語言來進行實現(xiàn)，其具體的邏輯框架圖則如圖2所示：

圖2 FPGA內(nèi)部邏輯Fig.2 FPGA internal logic

通過圖2可以看出，該部分包括3個主要的邏輯設(shè)計，與邏輯控制設(shè)計、接口設(shè)計、與硬盤控制器等部分。同時由于該系統(tǒng)進行設(shè)計的時候，與的傳輸中，其總線采用的是64位，在工作方式的時候為低32位，而在當(dāng)中的總線是為32位，當(dāng)總線處在工作模式的時候則為16位，以此需要將其從32位轉(zhuǎn)換為16位，對此本文在對該問題進行處理的時候則采用32位的模式實現(xiàn)上述接口的通訊，其具體的轉(zhuǎn)換的方式則如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程設(shè)計Fig.3 System data flow design

3.2 硬盤讀寫程序設(shè)計

系統(tǒng)在進行初始化并設(shè)定好最初的工作模式的時候，對SⅠ13124的狀態(tài)進行讀取，從而確認(rèn)硬盤準(zhǔn)備好可向硬盤的端口寫入地址/命令，通過SATA硬盤接口控制器執(zhí)行相關(guān)的操作，并最后返回并進行下一次操作。

4 仿真結(jié)果

通過采用MATLAB軟件對上述的程序進行仿真，從而可以得到如圖4的讀寫時序圖。

圖4 硬盤讀寫程序設(shè)計Fig.4 Hard literacy program design

同時通過上述設(shè)計，SATA硬盤傳輸速度可達到300 MB/s，PCI-X總線帶寬可達到1 GB/s。

圖5 ARM讀寫FIFO時序圖Fig.5 Read and write timing diagram

5 結(jié)論

通過采用at91 rm9200、cYCLONEⅡ等對系統(tǒng)CPU進行和FPGA進行設(shè)計，從而實現(xiàn)SATA硬盤傳輸最大速度直接達到300 MB/s，以此最終實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的高速存儲和讀寫。

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