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一種專(zhuān)用高速硬盤(pán)存儲設備的設計與實(shí)現
摘要：介紹一種專(zhuān)用高速硬盤(pán)存儲設備，可以脫離微機平臺實(shí)現將高速數據送入SCSI硬盤(pán)。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(guān)鍵技術(shù)。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(jìn)行數據處理和保存。這種方法。持續采集時(shí)間受存儲器容量的限制，在許多場(chǎng)合可能無(wú)法滿(mǎn)足要求；而存儲器容量的增加，其價(jià)格也會(huì )成倍增長(cháng)。因此，從存儲容量、讀寫(xiě)速度和單位成本等方面綜合考慮，采用高速硬盤(pán)直接數據存儲是很有優(yōu)勢的。
對于硬盤(pán)而言，在持續高速數據存儲中，關(guān)鍵是它的持續數據傳輸速率（sustained transfer rate）能否滿(mǎn)足要求。目前，15000r/min的小型計算機系統接口SCSI（Small Computer System Interface）硬盤(pán)，總線(xiàn)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(pán)，雖然它的總線(xiàn)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(pán)。
本文設計了一種專(zhuān)用高速硬盤(pán)存儲設備，它脫離微機平臺實(shí)時(shí)將高速數據送入SCSI硬盤(pán)，持續存儲速率可達35MB/s（使用Seagate公司生產(chǎn)的ST336752LW型硬盤(pán)）。
1 SCSI總線(xiàn)及硬盤(pán)
SCSI是美國ANSI9.2委員會(huì )定義的計算機和外設之間的接口標準，最初是以磁盤(pán)存儲設備為主，但由于它的靈活性、設備獨立等特點(diǎn)，使之不僅在磁帶設備、打印設備、光盤(pán)驅動(dòng)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(luò )、計算機工業(yè)控制等領(lǐng)域不斷發(fā)展。隨著(zhù)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(xiàn)數據傳輸速率可達320MB/s。
SCSI是設備無(wú)關(guān)的輸入輸出總線(xiàn)，可以?huà)旖佣噙_8個(gè)以上的設備。對于SCSI總線(xiàn)上的設備，如果是任務(wù)的觸發(fā)者，則稱(chēng)為啟動(dòng)設備；如果是任務(wù)的執行者，則稱(chēng)為目標設備。通常啟動(dòng)設備先選擇一個(gè)目標設備，繼而由目標設備決定繼續控制總線(xiàn)或釋放總線(xiàn)，直到完成任務(wù)。本文的專(zhuān)用高速硬盤(pán)存儲設備采用單啟動(dòng)、單目標結構。
SCSI硬盤(pán)在標識硬盤(pán)扇區時(shí)使用了線(xiàn)性的概念，即硬盤(pán)只有順序的第1扇區、第2扇區…第n扇區，不像IDE硬盤(pán)的“柱面/磁頭/扇區”三維格式。這種線(xiàn)性編排方式訪(fǎng)問(wèn)延時(shí)最小，可加快硬盤(pán)存取速率，尤其在持續大容量數據存儲時(shí)，所顯現的優(yōu)勢較明顯。目前，操作系統內部也使用線(xiàn)性編號的扇區，其目的是加快介質(zhì)存取速度，加大介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)容量。
綜上所述，該專(zhuān)用高速硬盤(pán)存儲設備使用SCSI總線(xiàn)不僅數據傳輸速率高，而且在需要時(shí)可以增加設備中的硬盤(pán)數量來(lái)擴展存儲空量，甚至可以把硬盤(pán)替換為其它SCSI存儲設備。
2 系統結構設計
為了實(shí)現SCSI協(xié)議和硬盤(pán)存儲，一般需要有微處理器、DMA控制器、SCSI協(xié)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(lái)控制設備中各部件的工作，實(shí)現設備本身的特定功能。該專(zhuān)用高速硬盤(pán)存儲設備實(shí)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(shí)，SCSI協(xié)議中許多復雜的控制功能也需要這個(gè)微處理器來(lái)實(shí)現。
·傳送大量數據大多會(huì )采用直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)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(jiǎn)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(gè)獨立的DMA控制器。
·要實(shí)現SCSI協(xié)議需要有SCSI協(xié)議控制器。DSP中通常不會(huì )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SCSI協(xié)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(xiě)入的同時(shí)不能讀��；采用雙口隨機存儲器RAM雖然可以解決并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)的問(wèn)題，但它必需的雙邊地址譯碼又是不可忽視的問(wèn)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(jìn)先出（First In First Out，FIFO）隊列，先到的數據先被存儲。所以采用專(zhuān)用FIFO芯片，可以去掉復雜的緩存器譯碼電路，大大簡(jiǎn)化系統設計。而且，采用專(zhuān)用FIFO芯片，整個(gè)設備從外部數據接口看來(lái)，就是一個(gè)寫(xiě)不滿(mǎn)的FIFO，也大大簡(jiǎn)化了對設備數據接口的操作。
專(zhuān)用高速硬盤(pán)存儲設備的框圖如圖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)現的器件，虛線(xiàn)左側部分不屬于設備模塊。
該高速硬盤(pán)存儲設備設計中向處理器選用了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，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(diǎn)，因此使用TMS320F206不僅降低了成本、減小了體積，同時(shí)系統升級也比較方便。
FAS368M是與SCSI-3標準完全兼容的SCSI協(xié)議控制器，它支持啟動(dòng)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(xiàn)和DMA總線(xiàn)結構，因此能以較高速率產(chǎn)生響應而不會(huì )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(xiàn)路如圖2所示。
3.1 FAS368M的信號及內部寄存器說(shuō)明
圖2中FAS368M的主要信號和控制邏輯如
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