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一種專用高速硬盤存儲設備的設計與實現
摘要:介紹一種專用高速硬盤存儲設備,可以脫離微機平臺實現將高速數據送入SCSI硬盤。給出了該設備的系統結構和硬件設計方法。在高速數據采集存儲系統中,數據存儲是一項關鍵技術。通常的做法是把數據存入大容量存儲器中,采集結束后再進行數據處理和保存。這種方法。持續采集時間受存儲器容量的限制,在許多場合可能無法滿足要求;而存儲器容量的增加,其價格也會成倍增長。因此,從存儲容量、讀寫速度和單位成本等方面綜合考慮,采用高速硬盤直接數據存儲是很有優勢的。
對于硬盤而言,在持續高速數據存儲中,關鍵是它的持續數據傳輸速率(sustained transfer rate)能否滿足要求。目前,15000r/min的小型計算機系統接口SCSI(Small Computer System Interface)硬盤,總線數據傳輸速率為80~320MB/s,持續數據傳輸速率大于40MB/s。而PC機普遍配置的IDE硬盤,雖然它的總線數據傳輸速率可以達到33~100MB/s,但持續數據傳輸速率只有15MB/s左右,性能低于SCSI硬盤。
本文設計了一種專用高速硬盤存儲設備,它脫離微機平臺實時將高速數據送入SCSI硬盤,持續存儲速率可達35MB/s(使用Seagate公司生產的ST336752LW型硬盤)。
1 SCSI總線及硬盤
SCSI是美國ANSI9.2委員會定義的計算機和外設之間的接口標準,最初是以磁盤存儲設備為主,但由于它的靈活性、設備獨立等特點,使之不僅在磁帶設備、打印設備、光盤驅動設備等外設中得到普遍應用,也在許多I/O設備和計算機網絡、計算機工業控制等領域不斷發展。隨著外設速率的不斷提高,SCSI的性能幾乎每5年提高一倍,目前Ultra320 SCSI總線數據傳輸速率可達320MB/s。
SCSI是設備無關的輸入輸出總線,可以掛接多達8個以上的設備。對于SCSI總線上的設備,如果是任務的觸發者,則稱為啟動設備;如果是任務的執行者,則稱為目標設備。通常啟動設備先選擇一個目標設備,繼而由目標設備決定繼續控制總線或釋放總線,直到完成任務。本文的專用高速硬盤存儲設備采用單啟動、單目標結構。
SCSI硬盤在標識硬盤扇區時使用了線性的概念,即硬盤只有順序的第1扇區、第2扇區…第n扇區,不像IDE硬盤的“柱面/磁頭/扇區”三維格式。這種線性編排方式訪問延時最小,可加快硬盤存取速率,尤其在持續大容量數據存儲時,所顯現的優勢較明顯。目前,操作系統內部也使用線性編號的扇區,其目的是加快介質存取速度,加大介質訪問容量。
綜上所述,該專用高速硬盤存儲設備使用SCSI總線不僅數據傳輸速率高,而且在需要時可以增加設備中的硬盤數量來擴展存儲空量,甚至可以把硬盤替換為其它SCSI存儲設備。
2 系統結構設計
為了實現SCSI協議和硬盤存儲,一般需要有微處理器、DMA控制器、SCSI協議控制器、數據緩存器等硬件支持和相應的軟件控制模塊。
·微處理器用來控制設備中各部件的工作,實現設備本身的特定功能。該專用高速硬盤存儲設備實現數據的持續高速存儲,要求處理數據的速度高。通常這些需要傳輸和處理大量數據的設備均選用數字信號處理器DSP作為微處理器。同時,SCSI協議中許多復雜的控制功能也需要這個微處理器來實現。
·傳送大量數據大多會采用直接存儲器訪問DMA(Direct Memory Access)方式,因此需要獨立的DMA控制器或選用內置DMA控制器的微處理器。出于簡化電路和提高速率的考慮,該設備采用復雜可編程邏輯器件CPLD構造了一個獨立的DMA控制器。
·要實現SCSI協議需要有SCSI協議控制器。DSP中通常不會集成SCSI協議控制器,因此一般情況下,需要選擇通用的SCSI協議控制器,輔助DSP實現SCSI協議和通信。
·在設備的輸入接口部分,需要有數據緩存單元。普通的存儲器在寫入的同時不能讀取;采用雙口隨機存儲器RAM雖然可以解決并發訪問的問題,但它必需的雙邊地址譯碼又是不可忽視的問題。對于單純的數據存儲設備,不需要對數據做壓縮、信號分析等預處理工作,緩存單元在結構上相當于先進先出(First In First Out,FIFO)隊列,先到的數據先被存儲。所以采用專用FIFO芯片,可以去掉復雜的緩存器譯碼電路,大大簡化系統設計。而且,采用專用FIFO芯片,整個設備從外部數據接口看來,就是一個寫不滿的FIFO,也大大簡化了對設備數據接口的操作。
專用高速硬盤存儲設備的框圖如圖1所示。圖1中各方框表示一個基本模塊,括號中文字表示具體實現的器件,虛線左側部分不屬于設備模塊。
該高速硬盤存儲設備設計中向處理器選用了TI公司生產的TMS320F206,SCSI協議控制器選用了Qlogic公司生產的FAS368M,DMA控制器和其它外圍邏輯轉換電路選用了ALTERA公司生產的CPLD器件EPM7064。
TMS320C206是TI公司生產的CPLD器件EPM7064。
TMS320C206是TI公司生產的TMS320系列單片數字信號處理器中的一種低價格、高性能的定點DSP芯片。該芯片功耗低,處理能力強,指令周期最短為25ns,運算能力達40MIPS,片內具有32KB的閃爍存儲器和4.5KB的RAM,是最早使用閃爍存儲器的DSP芯片之一。由于閃爍存儲器具有比ROM靈活、比RAM便宜的特點,因此使用TMS320F206不僅降低了成本、減小了體積,同時系統升級也比較方便。
FAS368M是與SCSI-3標準完全兼容的SCSI協議控制器,它支持啟動設備與目標設備兩種模式,同步數據傳輸速率為40MB/s。另外,FAS368M支持最大50 MB/s的快速DMA數據傳。由于采用分離的微處理器總線和DMA總線結構,因此能以較高速率產生響應而不會造成瓶頸效應。
3 硬件電路及功能描述
TMS320F206、FAS368M、EMP7064和IDT7208之間的具體連接線路如圖2所示。
3.1 FAS368M的信號及內部寄存器說明
圖2中FAS368M的主要信號和控制邏輯如
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