摘? 要: 介紹一種專用高速硬盤存儲設(shè)備" title="存儲設(shè)備">存儲設(shè)備,可以脫離微機(jī)平臺實(shí)時(shí)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。?

　　關(guān)鍵詞: SCSI? SCSI協(xié)議控制器? 高速數(shù)據(jù)存儲" title="數(shù)據(jù)存儲">數(shù)據(jù)存儲?

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　　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" title="大容量">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" title="傳輸速率">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)" title="外設(shè)">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)立性等特點(diǎn),使之不僅在磁帶設(shè)備、打印設(shè)備、光盤驅(qū)動設(shè)備等外設(shè)中得到普遍應(yīng)用,也在許多新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,直至完成任務(wù)。本文的專用高速硬盤存儲設(shè)備采用單啟動、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)展存儲容量,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。通常這類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,FIFO)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。?

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　　該高速硬盤存儲設(shè)備設(shè)計(jì)中微處理器選用了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25 ns,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,FAS368M支持最大50 MB/s的快速DMA數(shù)據(jù)傳輸。由于采用分離的微處理器總線和DMA總線結(jié)構(gòu),因此能以較高速度產(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、EPM7064和IDT7208之間的具體連接線路如圖2所示。

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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下:?

　　·ACK、ATN、BSY、CD、IO、MSG、REQ、RST、SD0～15、SDP0～1、SEL及其差分信號,都是FAS368M與 SCSI總線的接口信號。?

??? ·CS信號是讀寫FAS368M內(nèi)部寄存器的片選信號。?

　　·RD、WR是FAS368M內(nèi)部寄存器的讀寫信號。?

　　·FAS368M的 INT端對應(yīng)TMS320F206的外部中斷INT1,當(dāng)其有效時(shí),表明有錯(cuò)誤產(chǎn)生(如校驗(yàn)出錯(cuò))、一個(gè)事件需要服務(wù)(如FAS368M作為目標(biāo)設(shè)備被選中)或已結(jié)束某服務(wù)(如DMA結(jié)束)。?

　　·DREQ,FAS368M使DREQ有效向DMA控制器(EPM7064)發(fā)出DMA傳輸請求。?

　　·DACK,EPM7064對FAS368M DMA請求信號DREQ的響應(yīng)。?

　　·DBWR,DMA數(shù)據(jù)寫信號。當(dāng)DREQ和DACK信號均有效時(shí),EPM7064控制該信號和緩存器IDT7208的RD信號,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從IDT7208向FAS368M的同步快速傳輸。?

　　FAS368M在TMS320F206的控制下實(shí)現(xiàn)所有的SCSI物理協(xié)議,包括仲裁、選擇、消息、命令、數(shù)據(jù)、狀態(tài)等各階段規(guī)定的信號電平轉(zhuǎn)化等。在設(shè)備中TMS320F206對FAS368M的控制是通過對其寄存器的讀寫來實(shí)現(xiàn)的。?

　　·指令寄存器(Command Register),TMS320F206通過向指令寄存器寫入相應(yīng)指令,實(shí)現(xiàn)諸如FAS368M的初始化與復(fù)位、SCSI總線分配與復(fù)位、SCSI總線各階段的遷移等所有針對FAS358M和SCSI總線的控制。?

　　·FIFO寄存器(FIFO Register)是一個(gè)16字的FIFO寄存器,硬盤和FAS368M之間的數(shù)據(jù)都要通過FIFO寄存器。它有兩方面的用途:當(dāng)FAS368M通過SCSI總線向硬盤傳送數(shù)據(jù)和命令時(shí),可以先把要傳送的數(shù)據(jù)和命令放在FIFO寄存器,等SCSI總線空閑,并獲得總線控制權(quán)以后再開始傳送;另一方面,由SCSI總線傳送到FAS368M的數(shù)據(jù),也可因?yàn)門MS320F206或DMA控制器忙而停止,數(shù)據(jù)先送到FIFO寄存器空出SCSI總線,等TMS320F206或DMA控制器空閑再從FIFO寄存器讀取數(shù)據(jù)。?

　　·傳輸計(jì)數(shù)寄存器(Transfer Count Register)是一個(gè)減計(jì)數(shù)器,它通常用來保存一次DMA命令所要傳輸數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。?

　　·中斷寄存器(Interrupt Register),FAS368M所有的信息都以中斷的方式通知TMS320F206。TMS320F206通過讀取中斷寄存器和其他狀態(tài)寄存器判斷FAS368M產(chǎn)生中斷的原因,決定下一步操作,從而實(shí)現(xiàn)FAS368M對TMS320F206的通信。?

3.2? EPM7064內(nèi)部邏輯和作用?

　　設(shè)備中的DMA控制器由CPLD器件EPM7064實(shí)現(xiàn),這主要有下面幾方面的考慮:?

??? (1)設(shè)備接口緩存器采用專用FIFO芯片IDT7208,它的數(shù)據(jù)總線可以和FAS368M的DMA數(shù)據(jù)總線直接連接,不需要復(fù)雜的緩存器地址譯碼電路。因此,DMA控制器不需要數(shù)據(jù)與地址總線,硬件連線可以大大減少。而配合FAS368M DMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序,DMA控制器只需在DMA傳輸請求信號DREQ有效且IDT7208空信號EF無效時(shí),使DMA傳輸響應(yīng)信號DACK有效,隨后在時(shí)鐘信號CLK驅(qū)動下連續(xù)產(chǎn)生同步的IDT7208讀信號RD和DMA寫信號DBWR,實(shí)現(xiàn)從IDT7208到FAS368M的DMA傳輸;反之,則使DMA傳輸響應(yīng)信號DACK無效,隨后停止產(chǎn)生IDT7208讀信號RD和DMA寫信號DBWR,中斷從IDT7208到FAS368M的DMA傳輸。這些時(shí)序邏輯完全可以用一片小的CPLD器件實(shí)現(xiàn),因此選用EPM7064設(shè)計(jì)了該DMA控制器。?

　　(2)FAS368M支持高達(dá)50MB/s的快速DMA傳輸。一般的專用DMA控制器芯片難以勝任,而且專用DMA控制器與FAS368M的連接需要一定的邏輯轉(zhuǎn)換電路,外圍硬件連線也較多。同時(shí),它還必須在TMS320F206的控制下與FAS368M一起協(xié)調(diào)工作才能實(shí)現(xiàn)DMA傳輸,又增加了軟件的復(fù)雜程度。?

　　(3)使用EPM7064除了實(shí)現(xiàn)DMA控制器的功能外,還可以把整個(gè)設(shè)備電路中的一些譯碼、邏輯轉(zhuǎn)換等模塊一并設(shè)計(jì)進(jìn)去,在很大程度上減小了設(shè)備的體積,同時(shí)也為設(shè)備的改進(jìn)和升級提供了方便。?

　　在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,DSP微處理器還需要一個(gè)軟件模塊負(fù)責(zé)對相關(guān)硬件控制和協(xié)調(diào),最終實(shí)現(xiàn)SCSI協(xié)議、硬盤的控制和DMA傳輸?shù)取SP微處理器的編程,需要完整掌握SCSI-3協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和FAS368M的命令集,工作量比較大,同時(shí)程序的優(yōu)劣也關(guān)系到系統(tǒng)的存儲速度和可靠性。由于篇幅限制,軟件設(shè)計(jì)本文不再贅述。?

參考文獻(xiàn)?

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2 北京聞亭科技發(fā)展有限公司.TMS320C2XX高速數(shù)字信號處理器原理與應(yīng)用.1998?