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一種專用高速硬盤存儲設備的設計與實現(xiàn)
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(xiàn)將高速數(shù)據(jù)送入SCSI硬盤。給出了該設備的系統(tǒng)結構和硬件設計方法。在高速數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲是一項關鍵技術。通常的做法是把數(shù)據(jù)存入大容量存儲器中，采集結束后再進行數(shù)據(jù)處理和保存。這種方法。持續(xù)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(shù)據(jù)存儲是很有優(yōu)勢的。
對于硬盤而言，在持續(xù)高速數(shù)據(jù)存儲中，關鍵是它的持續(xù)數(shù)據(jù)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(tǒng)接口SCSI（Small Computer System Interface）硬盤，總線數(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機普遍配置的IDE硬盤，雖然它的總線數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到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。
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(shù)據(jù)送入SCSI硬盤，持續(xù)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(wǎng)絡、計算機工業(yè)控制等領域不斷發(fā)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(shù)據(jù)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(fā)者，則稱為啟動設備；如果是任務的執(zhí)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(xù)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(qū)時使用了線性的概念，即硬盤只有順序的第1扇區(qū)、第2扇區(qū)…第n扇區(qū)，不像IDE硬盤的“柱面/磁頭/扇區(qū)”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(xù)大容量數(shù)據(jù)存儲時，所顯現(xiàn)的優(yōu)勢較明顯。目前，操作系統(tǒng)內部也使用線性編號的扇區(qū)，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(shù)據(jù)傳輸速率高，而且在需要時可以增加設備中的硬盤數(shù)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(tǒng)結構設計
為了實現(xiàn)SCSI協(xié)議和硬盤存儲，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(xiàn)設備本身的特定功能。該專用高速硬盤存儲設備實現(xiàn)數(shù)據(jù)的持續(xù)高速存儲，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)的設備均選用數(shù)字信號處理器DSP作為微處理器。同時，SCSI協(xié)議中許多復雜的控制功能也需要這個微處理器來實現(xiàn)。
·傳送大量數(shù)據(jù)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(xiàn)SCSI協(xié)議需要有SCSI協(xié)議控制器。DSP中通常不會集成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實現(xiàn)SCSI協(xié)議和通信。
·在設備的輸入接口部分，需要有數(shù)據(jù)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(fā)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(shù)據(jù)存儲設備，不需要對數(shù)據(jù)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，F(xiàn)IFO）隊列，先到的數(shù)據(jù)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(tǒng)設計。而且，采用專用FIFO芯片，整個設備從外部數(shù)據(jù)接口看來，就是一個寫不滿的FIFO，也大大簡化了對設備數(shù)據(jù)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(xiàn)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(xié)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(shù)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(tǒng)升級也比較方便。
FAS368M是與SCSI-3標準完全兼容的SCSI協(xié)議控制器，它支持啟動設備與目標設備兩種模式，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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