文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)12-0023-03
USB移動硬盤需要用戶隨身攜帶，易感染病毒且主機關機后無法使用。隨著高性能網絡技術的不斷進步，網絡存儲方式逐漸興起[1]，個人/家庭網絡硬盤是為適應當前對遠程文件資源訪問的迫切需求而設計開發的一種基于FPGA的嵌入式網絡存儲設備。它是一種將文件上傳至服務器主機、用戶可在任意地點的客戶端上通過網絡訪問該文件的存儲方式。
本文設計實現了一種基于FPGA的個人/家庭網絡硬盤，其系統整體架構如圖1所示，分為硬件層、內核層及用戶層。用戶層是系統的交互操作界面，硬件層實現系統對底層硬盤的各種操作，內核層負責在用戶層與硬件層之間傳遞驅動的相關參數及數據。利用XUPV5 LX110T FPGA開發板設計并掛載ATA控制器的IP核；移植PetaLinux操作系統并添加獨立的FAT32文件系統模塊；用戶端采用B/S模式。由于用戶端是標準的瀏覽器，用戶只需要一臺能上網的PC機就可利用Web瀏覽器調用相應的通用網關接口CGI(Common Gateway Interface)程序完成對硬盤的遠程操作。個人/家庭網絡硬盤可全天候不間斷工作，方便快捷，通過掛載多個硬盤可擴展用戶存儲容量。未來可以參考本文提出的通用方法結合不同的需求對系統進一步開發與完善。
1 系統設計
1.1 硬件平臺簡介
系統硬件平臺結構如圖2所示。系統采用Xilinx公司的XUPV5 LX110T FPGA開發板，內嵌MicroBlaze軟核、以太網控制器、Flash、DDR等模塊，通過PLB總線實現模塊之間的交互通信。底層數據存儲設備使用具有IDE接口的ATA硬盤，通過V5開發板的擴展接口與FPGA芯片相連，用戶端通過訪問網絡實現對硬盤的遠程訪問。
圖2模塊中，除陰影所示模塊需自行開發外，其他部分均由XUPV5 LX110T FPGA開發板提供。
1.2 ATA主機控制器的IP核設計
本文采用具有IDE接口的希捷ST340014A硬盤(40 GB)作為數據存儲設備，依據ATA/ATAPI-6協議[2]完成了對ATA主機控制器的設計，并將其封裝為IP核以方便集成到不同總線結構的ASIC或SoC系統中[3]。ATA主機控制器的結構如圖3所示。
硬件層的ATA主機控制器包括復位、PIO控制、MDMA(Multiword DMA)控制、Ultra DMA控制、接收/發送緩存等6個主要模塊，全部用VHDL語言編程實現，仿真調試通過。其中，復位模塊在初始化或異常情況下對各個模塊的重置復位；PIO模塊控制PIO模式的讀寫硬盤操作；MDMA模塊實現對硬盤的多字DMA模式讀寫操作；Ultra DMA控制模塊用于實現對以Ultra DMA方式訪問硬盤的整個流程的控制；接收/發送緩存模塊用于控制數據的緩存。
實現ATA主機控制器的關鍵除了要按要求設計嚴格的時序邏輯及狀態機外，還需要實現對協議指定寄存器的讀寫操作。因為命令及命令參數的傳遞、設備狀態信息的傳遞都是通過對寄存器的讀寫來完成的。ATA協議中各寄存器的數據傳輸遵守PIO傳輸模式，通過設置CS1-、CS0-和DA[2:0]選通寄存器地址，DIOR-/DIOW-信號控制讀寫。同時，ATA主機控制器或硬盤把待傳送的數據放到數據總線上，并根據數據傳送的方向由控制器或硬盤讀取總線上的數據。ATA/ATAPI-6協議中各寄存器[4]的定義如表1所示。
實現內核驅動與底層硬盤的對接過程為：首先將VHDL設計的ATA主控制器模塊封裝成用戶定制的IP核，通過PLB總線與MicroBlaze處理器互連；其次對XGpio函數進行封裝。硬盤驅動定義如表2所示。
1.3 FAT文件系統
文件系統作為操作系統與底層硬件之間的橋梁，在嵌入式系統等各個領域得到了廣泛的應用。當前U盤、MP3、MP4等設備幾乎都采用了微軟公司FAT32[5]文件系統，但由于并未公布FAT32文件系統的源碼，本文采用開源項目FatFS[6]。FatFS獨立于底層的DISK I/O層，不依賴于硬件架構并與Windows的FAT文件系統有著良好的兼容性。
FAT文件系統可劃分為需求、邏輯和物理三個層次。需求層支持用戶的基本文件操作；邏輯層實現FAT文件系統到物理層的映射；物理層實現與物理存儲介質的接口(包括基本的讀寫扇區、硬盤復位等操作)。物理層主要實現5個接口：disk_initialize(初始化磁盤驅動器)、disk_status(獲取磁盤狀態)、disk_read(讀扇區)、disk_write(寫扇區)、disk_ioctl(控制設備關聯特性)。利用這5個接口可以實現FAT文件系統的需求和邏輯。
文件系統物理層的5個接口函數調用PetaLinux內核驅動實現底層硬盤與文件系統的對接，進而實現FAT文件系統的各個流程，例如讀扇區disk_read操作將調用表2中定義的xgpio_ata_ioctl、xgpio_ata_read等驅動函數，這些函數實現了ATA IP核中對相應的寄存器讀寫功能。首先，將參數及數據傳遞到內核中；其次，將xgpio_ata_ioctl、xgpio_ata_read等驅動函數封裝到應用層中的disk_read中，滿足文件系統邏輯層的需求，進而實現文件系統需求層各個接口。所有的FAT文件系統操作流程都封裝為庫，被用戶直接調用。文件系統的接口函數全部被定義到應用層，供CGI調用。
經測試，編寫的FatFS文件系統物理層接口函數工作正常，可以滿足邏輯層、需求層的所有需求。
1.4 用戶接口
PetaLinux操作系統是專門用于FPGA的全功能嵌入式Linux操作系統[7]，用戶可使用其自帶的工具方便快捷地搭建所需的開發環境。PetaLinux中集成了對部分常用IP核的支持，減少了用戶移植、編寫驅動的工作量。同時源碼中包含大量的腳本語言，簡化了操作。編譯生成并拷貝FatFS庫到PetaLinux /bin目錄下，用戶便可將其作為應用程序進行調用。
用戶和整體系統的接口通過滿足CGI規范的C語言編寫實現。服務器采用完全支持CGI的高性能單任務型嵌入式Web服務器Boa。移植PetaLinux時需開啟對Boa的支持。
GI工作流程：當輸入目標板的IP地址后，用戶的Web瀏覽器與Boa服務器建立TCP連接；當在Web頁面上完成一定操作后，將會向PetaLinux中的Boa服務器發出CGI請求，Boa服務器接收到該請求后將會創建一個CGI進程，并將具體的環境變量、參數與標準的輸入方式傳遞給CGI程序；CGI程序完成相應的處理后再將結果傳給Boa服務器，服務器將輸出內容添加一定的標識信息后以HTML頁面的形式返回并呈現給用戶[8]，具體流程如圖4所示。例如，用戶點擊“Read”按鈕時，將觸發HTML頁面中的表單并向服務器發出HTTP請求(CGI請求)，發往<FORM>標記中的ACTION 屬性標識的地址(此處為CGI處理程序)。
2 系統特點
個人/家庭網絡硬盤具以下特點：
(1)較高的私有性及安全性。存儲設備用戶可見，確保了用戶數據的私有性及安全性；
(2)即插即用。安裝簡單，插上電源及網線即可使用；
(3)采用瀏覽器訪問。只要一臺可以上網的PC機，利用瀏覽器即可實現對硬盤的訪問；
(4)易操作和易擴展。通過增加硬盤數量或更換存儲介質可以支持用戶擴充存儲容量。
實驗室測試環境中，在瀏覽器輸入開發板IP地址(192.168.0.10)與FPGA開發板建立連接，用戶操作主界面如圖5所示。
點擊“上傳文件”按鈕后將提示用戶選擇要上傳的文件，文件確定后點擊“Submit”將執行上傳文件的操作，即由本地主機寫入至遠端的硬盤中。
本文設計并實現的個人/家庭網絡硬盤，在XUPV5 LX110T FPGA開發板上掛載了ATA控制器的IP核、移植了PetaLinux操作系統、添加了獨立的FAT32文件系統模塊、設計了硬盤的人機交互界面，通過實際系統驗證證明了該方案的可行性。未來可結合相應的需求對個人/家庭網絡硬盤進一步開發與完善。
參考文獻
[1] 鄧玉輝.基于網絡磁盤陣列的海量信息存儲系統[D].武漢：華中科技大學，2004.
[2] ANSI INCITS.Information technology-AT attachment with packet interface-6[S].USA：T13 Technical Committee，2002.
[3] 齊作府.基于FPGA的ATA Device IP研究[D].阜新：遼寧工程技術大學，2008.
[4] 李曉娟.基于FPGA的Ultra DMA寫控制器的實現[J].科學技術與工程，2007(15)：3746-3749.
[5] Microsoft Corporation.Microsoft EFI FAT32 file system specification[S].2000.
[6] FatFs generic FAT file system module[EB/OL].(2011-11-04)[2012-04-20].http://elm-chan.org/fsw/ff/ 00index_e.html.
[7] 薛慧敏，武傳華，路后兵，等.基于MicroBlaze的PetaLinux 嵌入式操作系統移植[J].微計算機信息，2011，27(8)：108-110.
[8] 劉輝，劉毅敏.嵌入式Web服務器的研究與設計[J].數字通信，2011(4)：78-81.