一种专用高速硬盘存储设备的设计与实现

高速数据存储在高速数据采集存储系统中，数据存储是一项关键技术。通常的做法是把数据存入大容量存储器中，采集结束后再进行数据处理和保存。这种方法。持续采集时间受存储器容量的限制，在许多场合可能无法满足要求；而存储器容量的增加，其价格也会成倍增长。因此，从存储容量、读写速度和单位成本等方面综合考虑，采用高速硬盘直接数据存储是很有优势的。


对于硬盘而言，在持续高速数据存储中，关键是它的持续数据传输速率（sustained transfer rate）能否满足要求。目前，15000r/min的小型计算机系统接口SCSI（Small Computer System Interface）硬盘，总线数据传输速率为80～320MB/s，持续数据传输速率大于40MB/s。而PC机普遍配置的IDE硬盘，虽然它的总线数据传输速率可以达到33～100MB/s，但持续数据传输速率只有15MB/s左右，性能低于SCSI硬盘。


本文设计了一种专用高速硬盘存储设备，它脱离微机平台实时将高速数据送入SCSI硬盘，持续存储速率可达35MB/s（使用Seagate公司生产的ST336752LW型硬盘）。


1 SCSI总线及硬盘


SCSI是美国ANSI9.2委员会定义的计算机和外设之间的接口标准，最初是以磁盘存储设备为主，但由于它的灵活性、设备独立等特点，使之不仅在磁带设备、打印设备、光盘驱动设备等外设中得到普遍应用，也在许多I/O设备和计算机网络、计算机工业控制等领域不断发展。随着外设速率的不断提高，SCSI的性能几乎每5年提高一倍，目前Ultra320 SCSI总线数据传输速率可达320MB/s。


SCSI是设备无关的输入输出总线，可以挂接多达8个以上的设备。对于SCSI总线上的设备，如果是任务的触发者，则称为启动设备；如果是任务的执行者，则称为目标设备。通常启动设备先选择一个目标设备，继而由目标设备决定继续控制总线或释放总线，直到完成任务。本文的专用高速硬盘存储设备采用单启动、单目标结构。


SCSI硬盘在标识硬盘扇区时使用了线性的概念，即硬盘只有顺序的第1扇区、第2扇区…第n扇区，不像IDE硬盘的“柱面/磁头/扇区”三维格式。这种线性编排方式访问延时最小，可加快硬盘存取速率，尤其在持续大容量数据存储时，所显现的优势较明显。目前，操作系统内部也使用线性编号的扇区，其目的是加快介质存取速度，加大介质访问容量。


综上所述，该专用高速硬盘存储设备使用SCSI总线不仅数据传输速率高，而且在需要时可以增加设备中的硬盘数量来扩展存储空量，甚至可以把硬盘替换为其它SCSI存储设备。



2 系统结构设计为了实现SCSI协议和硬盘存储，一般需要有微处理器、DMA控制器、SCSI协议控制器、数据缓存器等硬件支持和相应的软件控制模块。


·微处理器用来控制设备中各部件的工作，实现设备本身的特定功能。该专用高速硬盘存储设备实现数据的持续高速存储，要求处理数据的速度高。通常这些需要传输和处理大量数据的设备均选用数字信号处理器DSP作为微处理器。同时，SCSI协议中许多复杂的控制功能也需要这个微处理器来实现。


·传送大量数据大多会采用直接存储器访问DMA（Direct Memory Access）方式，因此需要独立的DMA控制器或选用内置DMA控制器的微处理器。出于简化电路和提高速率的考虑，该设备采用复杂可编程逻辑器件CPLD构造了一个独立的DMA控制器。


·要实现SCSI协议需要有SCSI协议控制器。DSP中通常不会集成SCSI协议控制器，因此一般情况下，需要选择通用的SCSI协议控制器，辅助DSP实现SCSI协议和通信。


·在设备的输入接口部分，需要有数据缓存单元。普通的存储器在写入的同时不能读取；采用双口随机存储器RAM虽然可以解决并发访问的问题，但它必需的双边地址译码又是不可忽视的问题。对于单纯的数据存储设备，不需要对数据做压缩、信号分析等预处理工作，缓存单元在结构上相当于先进先出（First In First Out，FIFO）队列，先到的数据先被存储。所以采用专用FIFO芯片，可以去掉复杂的缓存器译码电路，大大简化系统设计。而且，采用专用FIFO芯片，整个设备从外部数据接口看来，就是一个写不满的FIFO，也大大简化了对设备数据接口的操作。


专用高速硬盘存储设备的框图如图1所示。图1中各方框表示一个基本模块，括号中文字表示具体实现的器件，虚线左侧部分不属于设备模块。


该高速硬盘存储设备设计中向处理器选用了TI公司生产的TMS320F206，SCSI协议控制器选用了Qlogic公司生产的FAS368M，DMA控制器和其它外围逻辑转换电路选用了ALTERA公司生产的CPLD器件EPM7064。


TMS320C206是TI公司生产的CPLD器件EPM7064。


TMS320C206是TI公司生产的TMS320系列单片数字信号处理器中的一种低价格、高性能的定点DSP芯片。该芯片功耗低，处理能力强，指令周期最短为25ns，运算能力达40MIPS，片内具有32KB的闪烁存储器和4.5KB的RAM，是最早使用闪烁存储器的DSP芯片之一。由于闪烁存储器具有比ROM灵活、比RAM便宜的特点，因此使用TMS320F206不仅降低了成本、减小了体积，同时系统升级也比较方便。


FAS368M是与SCSI-3标准完全兼容的SCSI协议控制器，它支持启动设备与目标设备两种模式，同步数据传输速率为40MB/s。另外，FAS368M支持最大50 MB/s的快速DMA数据传。由于采用分离的微处理器总线和DMA总线结构，因此能以较高速率产生响应而不会造成瓶颈效应。



3 硬件电路及功能描述TMS320F206、FAS368M、EMP7064和IDT7208之间的具体连接线路如图2所示。


3.1 FAS368M的信号及内部寄存器说明


图2中FAS368M的主要信号和控制逻辑如下：


·ACK、ATM、BSY、CD、IO、MSG、REQ、RST、SD0～15、SDP0～1、SEL及其差分信号，都是FAS368M与SCSI总线的接口信号。


·CS信号是读写FAS368M内部寄存器片选信号。


·RD、WR是FAS368M内部寄存器的读写信号。


·FAS368M的TNI端对应TMS320F206的外部中断INT1，当其有效时，表明有错误产生（如校验出错）、一个事件需要服务（如FAS368M作为目标设备被选中）或已结束某服务（如DMA结束）。


·DREQ，FAS368M使DREQ有效向DMA控制器（EPM7064）发出DMA传输请求。


·DACK，EPM7064对FAS368M DMA请求信号DREQ的响应。


·DBWR，DMA数据写信号。当DREQ和DACK信号均有效时，EPM7064控制该信号和缓存器IDT7208的RD信号，实现数据从IDT7208向FAS368M的同步快速传输。


FAS368M在TMS320F206的控制下实现所有的SCSI物理协议，包括仲裁、选择、消息、命令、数据、状态等各阶段规定的信号电平转化等。在设备中TMS320F206对FAS368M的控制是通过对其寄存器的读写来实现的。


·指令寄存器（Command Register），TMS320F206通过向指令寄存器写入相应指令，实现诸如FAS368M的初始化与复位、SCSI总线分配与复位、SCSI总线各阶段的迁移等所有针对FAS358M和SCSI总线的控制。


·FIFO寄存器（FIFO Register）是一个16字的FIFO寄存器，硬盘和FAS368M之间的数据都要通过FIFO寄存器。它有两方面的用途：当FAS368M通过SCSI总线向硬盘传送数据和命令时，可以先把要传送的数据和命令放在FIFO寄存器，等SCSI总线空闲，并获得总线控制权以后再开始传送；另一方面，由SCSI总线传送到FAS368M的数据，也可因为TMS320F206或DMA控制器忙而停止，数据先送到FIFO寄存器空出SCSI总线，等TMS320F206或DMA控制器空闲再从FIFO寄存器读取数据。


·传输计数寄存器（Transfer Count Register）是一个减计数器，它通常用来保存一次DMA命令所要传输数据的字节数。


·中断寄存器（Interrupt Register），FAS368M所有的信息都以中断的方式通知TMS320F206。TMS320F206通过读取中断寄存器和其他状态寄存储器判断FAS368产生中断的原因，决定下一步操作，从而实现FAS368M对TMS320F206的通信。


3.2 EPM7064内部逻辑和作用


设备中的DMA控制器由CPLD器件EPM7064实现，这主要有下面几方面的考虑：


（1）设备接口缓存器采用专用FIFO芯片IDT7208，它的数据总线可以和FAS368M的DMA数据总线直接连接，不需要复杂的缓存器地址译码电路。因此，DMA控制器不需要数据与地址总线，硬件连线可以大大减少。而配合FAS368M DMA数据传输的时序，DMA控制器只需在DMA传输请求信号DREQ有效且IDT7208空信号EF无效时，使DMA传输响应信号DACK有效，随后在时钟信号CLK驱动下连续产生同步的IDT7208读信号RD和DMA写信号DBWR，实现从IDT7208到FAS368M的DMA传输；反之，则使DMA传输响应信号DACK无效，随后停止产生IDT7208读信号RD和DMA写信号DBWR，中断从IDT7208到FAS368M的DMA传输。这些时序逻辑完全可以用一片小的CPLD器件实现，因此选用EPM7064设计了该DMA控制器。


（2）FAS368M支持高达50MB/s的快速DMA传输。一般的专用DMA控制器芯片难以胜任，而且专用DMA控制器与FAS368M的连接需要一定的逻辑转换电路，外围硬件连线也较多。同时，它还必须在TMS320F206的控制下与FAS368M一起协调工作才能实现DMA传输，又增加了软件的复杂程度。


（3）使用EPM7064除了实现DMA控制器的功能外，还可以把整个设备电路中的一些译码、逻辑转换等模块一并设计进去，在很大程序上减小了设备的体积，同时也为设备的改进和升级提供了方便。


在硬件设计的基础上，DSP微处理器还需要一个软件模块负责对相关硬件控制和协调，最终实现SCSI协议、硬盘的控制和DMA传输等。对DSP微处理器的编程，需要完整掌握SCSI-3协议标准和FAS368M的命令集，工作量比较大，同时程序的优劣也关系到系统的存储速度和可靠性。