相控陣雷達是一種多功能、高性能的雷達，具有多功能、多目標、遠距離、高數據率、高可靠性及自適應能力強等優點^[1]。隨著計算機和集成電路等相關技術的發展，相控陣雷達在地基、海基、空基以及天基得到了廣泛的應用。隨之而來的是，數據記錄的速率和容量也需要相應提升。

    而近年來存儲技術發展得很快，自2001年SATA1.0標準提出，如今SATA接口協議第三代已經達到了6.0 Gb/s^[2]。新一代的SSD(Solid State Disk）基于Nand Flash存儲技術提供了超過了200 MB/s傳輸帶寬以及更低的功耗^[3]。這些都為相控陣雷達的數據高速大容量存儲提供了支持。本文針對傳統記錄回放系統的兩種架構，設計并實現了一種通用的記錄回放系統，由FPGA控制SATA IP核實現相控陣雷達天線陣面數據的高速存儲。

1 問題的提出

    傳統典型的高速數據記錄回放系統一般采用兩種架構，即PCIE總線和自定義Flash存儲陣列架構。PCIE總線架構框圖如圖1所示。

    CPU模塊通過PCIE總線接收采集模塊的數據放入內存，然后再經由PCIE總線將內存中的數據送給RAID控制模塊，完成一次記錄操作。在操作過程中，數據流兩次經過內存，采集模塊和RAID控制模塊共享PCIE總線，兩個模塊分時通過PCIE總線傳輸數據。這種架構的記錄回放系統有以下缺陷：(1)PCIE對于系統來說，只用到了50%效率；(2)系統記錄回放速度受限于PCIE總線的傳輸速度。

    自定義Flash存儲陣列架構框圖如圖2所示。該系統為一個獨立模塊，把Flash芯片分成多個組，通過擴展Flash的位寬、深度提高記錄速度和存儲容量。FPGA將數據通過Flash的數據線、地址線存到Flash陣列里。這種架構的記錄回放系統有以下缺陷：(1)存儲接口不是基于標準的傳輸存儲協議，而且受限于Flash芯片類型，使得系統的通用性與擴展性受限；(2)一般自定義接口規范用于滿足某種特定雷達的指標，一旦指標發生變化，或者不能滿足雷達系統性能提升的要求，硬件就需要重新設計，造成一定的資源浪費。

2 問題的解決思路

    根據以上的對比，可以將兩者優點結合起來，提出一種新的記錄回放系統結構。最直接的方式就是在自定義Flash存儲陣列系統中，選用標準的存儲協議接口代替自定義接口。目前，主流的存儲協議有IDE、SCSI、SATA等。IDE和SCSI屬于并行接口，在高速的數據傳輸存儲中，并行傳輸的碼間串擾等問題會使誤碼率大大提高，而串行接口協議就很好地解決了這些問題，該協議已經相對成熟；SATA二代支持3 Gb/s的傳輸帶寬，并且其結構簡單，易于開發^[2]。圖3為SATA陣列記錄回放系統框圖。

    本設計中，在FPGA內部實現SATA硬盤的讀寫操作。為了提高記錄回放速度，在FPGA里還實現了RAID0功能，對多個硬盤并行讀寫。系統的存儲容量和記錄速度可根據配置硬盤的數量靈活調整，大大增強了通用性和可擴展性。

3 實現

    FPGA內部的SATA硬盤控制設計是記錄回放系統的核心。系統選用Xilinx公司的Viretx-5的FPGA芯片，芯片型號為XC5VSX50T。芯片內部集成的GTP可以滿足SATA2.0協議中要求的3.0 Gb/s的數據傳輸速率。本系統實現了兩路SATA硬盤的并行讀寫，下面對該設計進行詳細闡述。

3.1 SATA硬盤控制

    使用SATA IP核實現硬盤的讀寫操作。IP符合SATA協議要求，采用3層設計，即物理層、鏈路層和傳輸層。應用層邏輯開發基于傳輸層。傳輸層包含兩個接口，控制接口和數據接口。控制接口實現對IP內部的寄存器操作；數據接口采用FIFO技術，為用戶提供讀寫數據通道。應用層對IP核的寄存器進行控制，實現對硬盤的DMA數據傳輸，表1列出了寄存器的詳細信息。

    系統采用DMA傳輸對硬盤進行數據讀寫。圖4給出了應用層中一次DMA操作的流程圖。圖5和圖6分別為在DMA操作過程中寄存器讀寫和數據傳輸時序圖。

3.2 RAID0控制

    為了提高記錄回放速度，需要使用多個硬盤組成陣列。本系統在FPGA內部開發了兩個硬盤并行讀寫的RAID0控制功能模塊，設計原理如圖7所示。通過擴展位寬的方式實現兩個硬盤的同步讀寫。

3.3 數據管理

    傳統的數據記錄回放系統直接以文件形式記錄數據，文件形式的數據可以在操作系統下方便靈活地訪問，但受到文件系統對文件的管理約束，記錄過程中的數據不一定連續存儲在硬盤的連續邏輯塊地址上[7]。在該記錄系統中，數據是順序存儲到硬盤中的，可以在一定程度上提高記錄系統的帶寬。因此采用了自定義的文件系統，將磁盤的存儲空間分為管理區、標識區和數據區。數據區存放實際的數據；管理區存放的是記錄的文件的信息，一般包括數據的存儲位置信息、長度信息及數據到文件的映射信息；標識區是標記磁盤的空間使用情況。圖8為自定義文件系統結構示意圖。

    該記錄回放系統的數據管理可以分為三個步驟，首先要劃分好硬盤中管理區、標識區和數據區的容量，構建好文件系統的框架；然后把經過記錄的數據順序地存放在數據區；最后在一個文件記錄結束后，把文件的位置、大小、文件的標識符等相關信息添加到管理區和標識區。

    在每次記錄開始前要先遍歷管理區中的標識區，根據標識區的值來獲得記錄的起始地址。根據系統的設計，記錄的數據都是放在數據區的，如果標識區表明數據區為空，那這次記錄的起始地址就是數據區的起始地址，一般情況下是要緊接著上一個文件的結束地址來存儲。如果數據區被寫滿，會提示是否要清空磁盤的數據，包括數據區中存儲的數據和管理區中存儲的文件的相關信息。記錄時，數據被順序存放到數據區。記錄結束時，要將文件的信息寫到管理區相應的位置，當然管理區也是順序讀寫的，同時要更新標識區的標識，以便下次記錄時計算數據記錄的起始地址。

4 系統性能測試

    在對該記錄回放系統進行測試時，選用兩塊Intel 公司的固態硬盤作為存儲介質，型號為SSDSA2SH064G1GC，單盤標稱的讀速率為250 MB/s，寫速率為170 MB/s，容量為64 GB，在Xilinx ISE 14.6中的Chip Scope來觀察波形。在實際測試中，每個盤一次讀寫256個扇區，最后測得平均記錄速率為292 MB/s，回放速率為340 MB/s。同時經過數據比對，記錄回放的數據沒有出現錯誤。圖9和圖10分別為讀寫硬盤時的波形圖。

    針對相控陣雷達天線陣面傳統記錄回放系統的不足，實現了一種通用性好、集成度高的SATA陣列記錄回放系統。系統基于FPGA實現對SATA硬盤的讀寫，既滿足了對數據存儲速率帶寬的要求，而且不用重新繪制電路板，就可以應用在不同型號的雷達上。本系統實現了RAID0功能，兩個硬盤并行讀寫，平均記錄速率為292 MB/s，回放速率為340 MB/s。同時，采用自定義的文件管理系統，結構簡單，便于管理。為了實現更高的速率，可以在目前實現的兩路硬盤并行讀寫擴展為8路硬盤同時讀寫，這也是本文的下一步工作。

參考文獻

[1] 胡善清，劉峰，龍騰.相控陣雷達光纖傳輸系統的設計與實現[J].光通信技術，2006(5)：27-30.

[2] 唐純杰.SATA協議分析及其FPGA實現[D].長沙：湖南大學，2009. 

[3] 王超，劉偉，張德聰.基于SATA的嵌入式直接存儲系統[J].計算機工程，2012，38（12）：232-235.

[4] 王超，劉偉.基于文件系統的高速數據記錄系統[J].北京理工大學學報，2010，30（5）：543-547.

[5] 張樂峰，徐安林，胡衛東.一種通用的雷達回波記錄系統設計方法[J].數據采集與處理，2009(24)：272-276.

[6] Xilinx，Inc..Virtex-5 FPGA serial ATA generation 2 protocol standard[Z].2007.

[7] 張昆帆.高速數據采集和存儲[J].現代雷達，2004，26(4)：14-16.

[8] 周雙喜.基于FPGA的高速數據記錄系統的研究[D].成都電子科技大學，2010.