周瑞巖 張彥敏

(1.91404部隊(duì) 秦皇島 066000)(2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430064)

IDE硬盤在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用*

周瑞巖1張彥敏2

(1.91404部隊(duì) 秦皇島 066000)(2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430064)

分析了利用DSP、FPGA、CPLD和雙端口RAM等高速器件設(shè)計(jì)完成基于IDE硬盤的高速數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)系統(tǒng)。對(duì)于硬盤的讀寫PIO模式及硬盤的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)FAT32格式實(shí)現(xiàn)方法等進(jìn)行了詳細(xì)的論述。

IDE硬盤; PIO傳輸模式; FAT32

1 引言

在航空航天、遙感測(cè)量、現(xiàn)代電子測(cè)試等很多領(lǐng)域,要求能及時(shí)保存原始測(cè)試數(shù)據(jù),用于事后數(shù)據(jù)分析和處理,同時(shí)隨著探測(cè)器前端性能的提高,對(duì)于各種系統(tǒng)存儲(chǔ)容量、體積、造價(jià)、穩(wěn)定性等都提出了更高的要求。以往采用多機(jī)處理并行處理、傳輸和并行記錄技術(shù)。但是這類系統(tǒng)具有對(duì)工作環(huán)境要求較高,加之體積比較龐大、需配套計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)量小等諸多缺點(diǎn),很難適用于特殊環(huán)境要求。因此研制容量大、功耗低、性能可靠、體積小、造價(jià)低的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄系統(tǒng)是十分必要的。特別是對(duì)于大容量、低價(jià)格、普及強(qiáng)、速度較高的IDE硬盤,提出了采用DSP控制IDE硬盤對(duì)高速采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)無丟失存儲(chǔ)。本系統(tǒng)的特點(diǎn):

1) 采用PIO模式進(jìn)行塊操作的寫盤方法,從而大大提高了寫盤的速度;

2) 采用CPLDFPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件對(duì)部分電路進(jìn)行集成,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性;具有較好的通用性,還有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性,可滿足多種場(chǎng)合的需要而無須改動(dòng)任何硬件;

3) 以FAT32格式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)硬盤的在線和脫線操作,操作簡(jiǎn)單實(shí)用;

4) 以DSP為核心,采用了雙端口RAM與硬盤數(shù)據(jù)線間的高速數(shù)據(jù)傳輸方案,解決了高速采集數(shù)據(jù)、DSP、硬盤之間時(shí)序的不匹配的問題。

2 系統(tǒng)的硬件介紹

硬盤存儲(chǔ)采集系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。圖中整個(gè)硬盤存儲(chǔ)采集系統(tǒng)分為三大部分: 1) 數(shù)據(jù)采集及其控制部分; 2) 數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)緩沖部分; 3) 硬盤存儲(chǔ)的主存儲(chǔ)及其控制部分。

圖1 系統(tǒng)硬件的總體框圖

由于IDE硬盤的工作時(shí)序和速度與數(shù)據(jù)采集的時(shí)序和速度不匹配,從數(shù)據(jù)采集部分得到的并行數(shù)據(jù)需采用雙端口RAM做數(shù)據(jù)的緩存,然后在DSP的控制之下,將雙端口RAM中的數(shù)據(jù)直接寫入硬盤,這里使用FPGA完成DSP與硬盤讀寫時(shí)序的兼容轉(zhuǎn)換。硬盤的尋道時(shí)間和讀寫時(shí)間相對(duì)于數(shù)據(jù)采集和緩存的速率來講是相對(duì)較慢的,因此采用適當(dāng)?shù)淖x寫方法,提高硬盤的讀寫速度,還有采用適當(dāng)?shù)奈募鎯?chǔ)格式是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2.1 數(shù)據(jù)采集及控制電路

數(shù)據(jù)采集要求數(shù)據(jù)采集器具有多通道、高速率、高精度、低噪聲等性能,設(shè)計(jì)中采用了TI公司的AD8364數(shù)據(jù)采集器件。AD8364是一款采樣率為250kHz,并行16位,獨(dú)立6通道同時(shí)采樣的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器件。具有低噪聲無碼丟失可以達(dá)到14位,低功耗450毫瓦,差分輸入,顯然滿足設(shè)計(jì)要求。ADS8364六個(gè)通道分別是CHA+、CHA-、CHB+、CHB-、CHC+、CHC-,六通道是同時(shí)采集分時(shí)轉(zhuǎn)換存儲(chǔ),每通道250KHZ,并行的數(shù)據(jù)輸出。CPLD數(shù)據(jù)采集控制部分是完成對(duì)A/D器件的各控制信號(hào)的輸入,如圖2所示RD1、HOLD1、CLKAD1均為AD的控制信號(hào),使六通道同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)采樣,分時(shí)寫入到雙端口RAM IDT70V26中。

圖2 數(shù)據(jù)采集及緩沖存儲(chǔ)系統(tǒng)的控制信號(hào)時(shí)序

2.2 雙端口RAM的緩沖存儲(chǔ)器

由于時(shí)序的不匹配,使得在高速采集系統(tǒng)中采集的數(shù)據(jù)無法直接存入硬盤,因此需要一個(gè)緩沖存儲(chǔ)器進(jìn)行匹配或緩沖,使得高速數(shù)據(jù)和硬盤存儲(chǔ)可以分別按照各自不同的時(shí)序和速度、邏輯分別對(duì)雙端口RAM的一端寫入或讀取。將雙端口RAM IDT70V26(25/35/55ns三種存取速度)分成高位和低位地址兩部分實(shí)現(xiàn)乒乓操作,使數(shù)據(jù)交替存儲(chǔ),實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速無丟失存儲(chǔ),同時(shí)相對(duì)于其它類型的存儲(chǔ)方式它的外圍電路及相應(yīng)的控制信號(hào)較為簡(jiǎn)單。

IDT7026內(nèi)部有8個(gè)獨(dú)立于雙端口存儲(chǔ)單元的鎖存邏輯單元,作為令牌使用,可將空間劃分成1～8個(gè)區(qū)段?；蛘哂秒p口SRAM的“/BUSY”信號(hào),可以保證兩個(gè)左右端口可靠的完成數(shù)據(jù)的交換。但是兩種方法都不同程度使讀寫速度受限。

本系統(tǒng)要求高的數(shù)據(jù)吞吐率,若使左右端口不對(duì)相同的存儲(chǔ)單元訪問,就能提高吞吐率,只要左右地址總線上的地址不相同就可以了?；诖?左右兩個(gè)端口的最高位地址AL13和AR13由FPGA和CPLD控制控制,并且互為相反。FLAG0接雙口SRAM的右邊端口最高位地址AR13,把FLAG0反向后接AL11,就把雙口SRAM分為上下各8K×16bit的兩個(gè)區(qū),當(dāng)FLAG0=1時(shí),CPLD向雙口SRAM的低半?yún)^(qū)寫數(shù)據(jù),而FPGA可以從雙口SRAM的高半?yún)^(qū)讀數(shù)據(jù),完成后轉(zhuǎn)換?？梢?FPGA和CPLD對(duì)雙口SRAM的訪問永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生沖突。

2.3 DSP與IDE硬盤的接口

目前還沒有在DSP中集成和專門用于硬盤的磁盤驅(qū)動(dòng)器和接口電路,利用DSP控制現(xiàn)有的IDE硬盤,可以極大地提高系統(tǒng)的性價(jià)比,同時(shí)發(fā)揮了DSP指令執(zhí)行速度快、控制能力強(qiáng)、內(nèi)部邏輯尋址方便等優(yōu)點(diǎn),本系統(tǒng)中采用了一片TMS320C5409作為其控制器。用FPGA連接DSP管腳和IDE硬盤,實(shí)現(xiàn)DSP和IDE硬盤的時(shí)序的兼容及管腳的兼容?？紤]到高速數(shù)據(jù)的讀取和存儲(chǔ)設(shè)計(jì)中必須合理劃分軟件和硬件功能,把數(shù)據(jù)從雙端口RAM到IDE硬盤的高速數(shù)據(jù)流交由FPGA中轉(zhuǎn),把硬盤數(shù)據(jù)讀寫控制命令和對(duì)硬盤各種參數(shù)以及硬盤內(nèi)部存儲(chǔ)扇區(qū)的種種尋址功能交由DSP完成,實(shí)現(xiàn)連續(xù)的高速數(shù)據(jù)流的存儲(chǔ)。

圖3 PIO格式DSP控制硬盤讀寫的基本時(shí)序(讀)

3 硬盤及硬盤的讀寫

硬盤讀寫是一個(gè)復(fù)雜的過程,這其中涉及到硬盤的接口方式、尋址方式、控制寄存器的讀寫、硬盤的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式、硬盤的讀寫速度等諸多復(fù)雜的方面。現(xiàn)代的硬盤經(jīng)歷了從磁性介質(zhì)、光磁介質(zhì)到最新的FLASH存儲(chǔ)材料,但是ATA標(biāo)準(zhǔn)對(duì)它們都是適用的,硬盤的數(shù)據(jù)傳輸可以按照PIO方式、DMA方式進(jìn)行,而硬盤內(nèi)部數(shù)據(jù)的尋址方式又可以按照CHS或者是LBA(塊)方式。

3.1 IDE硬盤的寄存器模型簡(jiǎn)介

IDE硬盤的寄存器分為兩組(見表1):命令寄存器組和控制寄存器組,DSP便是通過對(duì)IDE接口硬盤的控制，就是通過硬盤控制器上的這兩組寄存器實(shí)現(xiàn)的。

數(shù)據(jù)寄存器:是主控制器和硬盤控制器的緩沖區(qū)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的寄存器,使用該寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ匠蔀镻IO模式,當(dāng)然,除了PIO方式之外,數(shù)據(jù)傳輸還可以通過DMA的方式進(jìn)行。

表1 硬盤控制寄存器及其尋址

狀態(tài)寄存器:在狀態(tài)寄存器中保存了執(zhí)行最后一個(gè)命令時(shí)磁盤驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài),在本設(shè)計(jì)中硬盤讀寫時(shí)要不斷地對(duì)狀態(tài)寄存器進(jìn)行檢查,而所有命令的執(zhí)行及數(shù)據(jù)的讀寫時(shí)狀態(tài)寄存器都必須滿足一定的條件,否則將出現(xiàn)不可預(yù)知結(jié)果。

錯(cuò)誤寄存器:如果在狀態(tài)寄存器中設(shè)置了ERR位,那么在錯(cuò)誤寄存器中將會(huì)保存最后執(zhí)行的命令的診斷碼。

命令寄存器:在這個(gè)寄存器中接受并保存了發(fā)送到控制器的命令。命令一發(fā)送到命令寄存器中,命令就開始執(zhí)行。

LBA HIGH、LBA MID、LBA LOW和設(shè)備寄存器的低4位和成為介質(zhì)地址寄存器,介質(zhì)寄存器可以用CHS或PIO方式進(jìn)行尋址。

3.2 硬盤的尋址方式

IDE驅(qū)動(dòng)器的介質(zhì)通過磁頭、柱面和扇區(qū)組織,采用物理尋址(CHS)或邏輯尋址(LBA)方式。CHS模式中,可以使用柱面、磁頭和扇區(qū)號(hào)唯一地確定一個(gè)扇區(qū)。而LBA方式,驅(qū)動(dòng)器是以連續(xù)序列的通過邏輯塊編號(hào)尋址的區(qū)段組成。LBA模式中,可以使用28個(gè)數(shù)據(jù)位表示邏輯區(qū)塊的地址信息。設(shè)計(jì)中采用LBA方式確定要讀寫的硬盤扇區(qū)的地址。

3.3 IDE驅(qū)動(dòng)器的讀寫過程

在PIO模式下使用READ SECTORS(20H)和WRITE SECTORS(30H)命令向驅(qū)動(dòng)器發(fā)出讀寫數(shù)據(jù)的請(qǐng)求,然后通過數(shù)據(jù)寄存器讀寫數(shù)據(jù)。命令需要讀寫數(shù)據(jù)的起始扇區(qū)號(hào)、邏輯地址,扇區(qū)數(shù)等作為參數(shù)。注意命令執(zhí)行前,一定要驅(qū)動(dòng)器空閑,而讀寫數(shù)據(jù)命令發(fā)出后,要有驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)請(qǐng)求,當(dāng)然在整個(gè)過程中不能有錯(cuò)誤,否則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的錯(cuò)誤寄存器判斷。

3.4 硬盤分區(qū)及文件存儲(chǔ)

了解硬盤中文件存儲(chǔ)的基本結(jié)構(gòu),可以直接控制硬盤的文件讀寫。這樣,可提高硬盤讀寫速度,另外可保證與現(xiàn)有操作系統(tǒng)的兼容,必要時(shí)還可以建立一定的保密機(jī)制。

硬盤經(jīng)分區(qū)、格式化之后,可分為根引導(dǎo)區(qū)、根記錄區(qū)、分區(qū)表、數(shù)據(jù)區(qū)四個(gè)部分:

1) 讀取硬盤的根引導(dǎo)區(qū):根引導(dǎo)區(qū)(Boot Sector)位于硬盤的第一個(gè)邏輯扇區(qū),其中的硬盤分區(qū)表包括四個(gè)分區(qū)項(xiàng),每項(xiàng)16個(gè)字節(jié),記錄了各個(gè)分區(qū)的信息。讀取扇區(qū)記錄其基本信息(如分區(qū)類型、扇區(qū)有效結(jié)尾字符、當(dāng)前分區(qū)起始扇區(qū)號(hào))。為了編程及應(yīng)用的方便,格式化硬盤為一個(gè)區(qū)。

表2 系統(tǒng)讀入到DSP內(nèi)部寄存器的硬盤的分區(qū)表的內(nèi)容

2) 對(duì)硬盤的DBR(DOS引導(dǎo)記錄區(qū))的操作:通過前面(劃線)內(nèi)容讀取DBR,它包括引導(dǎo)程序和一個(gè)被稱為BPB的分區(qū)參數(shù)記錄表等內(nèi)容。DBR占用三個(gè)扇區(qū)。第一個(gè)扇區(qū)為引導(dǎo)記錄信息,保存了一些重要的參數(shù)和引導(dǎo)程序。在本設(shè)計(jì)中可以通過讀取第一個(gè)扇區(qū)掌握需要的一些信息,如每區(qū)的扇區(qū)數(shù)、FAT表個(gè)數(shù)、DBR總扇區(qū)數(shù)、分區(qū)總扇區(qū)數(shù)等參數(shù),從而可以計(jì)算得到FAT1、FAT2的扇區(qū)起始地址和根目錄的起始扇區(qū)地址。

3) 空簇寫入文件:通過讀取FAT表,我們就把硬盤中的空簇記錄下來,將數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)空簇指向的扇區(qū)從而完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)部分。

4) 寫文件的根目錄項(xiàng),完成對(duì)DIR區(qū)的相應(yīng)的文件屬性等信息。這樣就完成了一個(gè)基本文件的讀寫,再將硬盤插入到計(jì)算機(jī)中就可以讀出相應(yīng)的文件。

4 結(jié)語

本文論述了一種基于IDE硬盤和其文件系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)方案,編程中硬盤扇區(qū)地址最多要10或40(空簇號(hào)計(jì)算成扇區(qū)地址)個(gè)指令周期,50M的時(shí)鐘頻率,只要200ns或800ns。理論上,寫一個(gè)簇的空間32Kbit只需要7×200+1×800=2200ns,與尋道需要的毫秒相比可忽略,使硬盤的平均傳輸速率高于一般的IDE接口速率,可達(dá)8MB(64Mbit)左右,滿足16通道的數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)存儲(chǔ)要求。實(shí)驗(yàn)證明,實(shí)際使用效果良好,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速無丟失實(shí)時(shí)及計(jì)算機(jī)可識(shí)別存儲(chǔ)。

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Application of Hard Disk in High Speed Data Collection System

ZHOU Ruiyan1ZHANG Yanmin2

(1. No. 91404 Troops of PLA, Qinhuangdao 066000)(2. Wuhan Second Ship Design Research Institute, Wuhan 430064)

This paper analyses the high speed data collection and the real time storage design with the using of DSP、FPGA、CPLD、double-ported RAM and IDE hard disk. Introduces the read-write mode PIO and the FAT32 for data storage of the hard disk.

IDE hard disk, PIO transport protocols, FAT32 Class Number TX971; TP391.9

2016年10月3日,

2016年11月26日

周瑞巖,男,研究方向:水面艦艇作戰(zhàn)試驗(yàn)、部隊(duì)訓(xùn)練。張彥敏,高級(jí)工程師,研究方向:援潛救生、水下作業(yè)及重要設(shè)施安全保障。

TX971; TP391.9

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.04.026