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一種專用高速硬盤存儲設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要：介紹一種專用高速硬盤存儲設(shè)備，可以脫離微機(jī)平臺實(shí)現(xiàn)將高速數(shù)據(jù)送入SCSI硬盤。給出了該設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。通常的做法是把數(shù)據(jù)存入大容量存儲器中，采集結(jié)束后再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和保存。這種方法。持續(xù)采集時(shí)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(jià)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(guān)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(jì)算機(jī)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(jī)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(dá)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(shè)計(jì)了一種專用高速硬盤存儲設(shè)備，它脫離微機(jī)平臺實(shí)時(shí)將高速數(shù)據(jù)送入SCSI硬盤，持續(xù)存儲速率可達(dá)35MB/s（使用Seagate公司生產(chǎn)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(jì)算機(jī)和外設(shè)之間的接口標(biāo)準(zhǔn)，最初是以磁盤存儲設(shè)備為主，但由于它的靈活性、設(shè)備獨(dú)立等特點(diǎn)，使之不僅在磁帶設(shè)備、打印設(shè)備、光盤驅(qū)動(dòng)設(shè)備等外設(shè)中得到普遍應(yīng)用，也在許多I/O設(shè)備和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)工業(yè)控制等領(lǐng)域不斷發(fā)展。隨著外設(shè)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(dá)320MB/s。
SCSI是設(shè)備無關(guān)的輸入輸出總線，可以掛接多達(dá)8個(gè)以上的設(shè)備。對于SCSI總線上的設(shè)備，如果是任務(wù)的觸發(fā)者，則稱為啟動(dòng)設(shè)備；如果是任務(wù)的執(zhí)行者，則稱為目標(biāo)設(shè)備。通常啟動(dòng)設(shè)備先選擇一個(gè)目標(biāo)設(shè)備，繼而由目標(biāo)設(shè)備決定繼續(xù)控制總線或釋放總線，直到完成任務(wù)。本文的專用高速硬盤存儲設(shè)備采用單啟動(dòng)、單目標(biāo)結(jié)構(gòu)。
SCSI硬盤在標(biāo)識硬盤扇區(qū)時(shí)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(shí)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(shí)，所顯現(xiàn)的優(yōu)勢較明顯。目前，操作系統(tǒng)內(nèi)部也使用線性編號的扇區(qū)，其目的是加快介質(zhì)存取速度，加大介質(zhì)訪問容量。
綜上所述，該專用高速硬盤存儲設(shè)備使用SCSI總線不僅數(shù)據(jù)傳輸速率高，而且在需要時(shí)可以增加設(shè)備中的硬盤數(shù)量來擴(kuò)展存儲空量，甚至可以把硬盤替換為其它SCSI存儲設(shè)備。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
為了實(shí)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(yīng)的軟件控制模塊。
·微處理器用來控制設(shè)備中各部件的工作，實(shí)現(xiàn)設(shè)備本身的特定功能。該專用高速硬盤存儲設(shè)備實(shí)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(shè)備均選用數(shù)字信號處理器DSP作為微處理器。同時(shí)，SCSI協(xié)議中許多復(fù)雜的控制功能也需要這個(gè)微處理器來實(shí)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(dú)立的DMA控制器或選用內(nèi)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(shè)備采用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD構(gòu)造了一個(gè)獨(dú)立的DMA控制器。
·要實(shí)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(shí)現(xiàn)SCSI協(xié)議和通信。
·在設(shè)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(shí)不能讀取；采用雙口隨機(jī)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(shè)備，不需要對數(shù)據(jù)做壓縮、信號分析等預(yù)處理工作，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，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(fù)雜的緩存器譯碼電路，大大簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。而且，采用專用FIFO芯片，整個(gè)設(shè)備從外部數(shù)據(jù)接口看來，就是一個(gè)寫不滿的FIFO，也大大簡化了對設(shè)備數(shù)據(jù)接口的操作。
專用高速硬盤存儲設(shè)備的框圖如圖1所示。圖1中各方框表示一個(gè)基本模塊，括號中文字表示具體實(shí)現(xiàn)的器件，虛線左側(cè)部分不屬于設(shè)備模塊。
該高速硬盤存儲設(shè)備設(shè)計(jì)中向處理器選用了TI公司生產(chǎn)的TMS320F206，SCSI協(xié)議控制器選用了Qlogic公司生產(chǎn)的FAS368M，DMA控制器和其它外圍邏輯轉(zhuǎn)換電路選用了ALTERA公司生產(chǎn)的CPLD器件EPM7064。
TMS320C206是TI公司生產(chǎn)的CPLD器件EPM7064。
TMS320C206是TI公司生產(chǎn)的TMS320系列單片數(shù)字信號處理器中的一種低價(jià)格、高性能的定點(diǎn)DSP芯片。該芯片功耗低，處理能力強(qiáng)，指令周期最短為25ns，運(yùn)算能力達(dá)40MIPS，片內(nèi)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(diǎn)，因此使用TMS320F206不僅降低了成本、減小了體積，同時(shí)系統(tǒng)升級也比較方便。
FAS368M是與SCSI-3標(biāo)準(zhǔn)完全兼容的SCSI協(xié)議控制器，它支持啟動(dòng)設(shè)備與目標(biāo)設(shè)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(jié)構(gòu)，因此能以較高速率產(chǎn)生響應(yīng)而不會造成瓶頸效應(yīng)。
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(nèi)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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