摘 要：為了滿足高幀頻" title="高幀頻">高幀頻、大面陣CCD相機數字視頻實時存儲要求，設計出基于SCSI協議處理器（FAS466），脫離計算機平臺的圖像數據直接存儲系統。該系統采用FPGA芯片編程實現DMA控制功能，從而協調SCSI協議處理器實現數據的傳輸。此外，系統采用雙硬盤交替存儲方案以提高存儲速度，實現存儲流量達70MBps。本文介紹了該設備的系統結構和軟硬件設計方法。
關鍵詞： FAS466協議處理器 微處理器? DMA控制器? FPGA? FIFO
由于高幀頻、大面陣CCD數字相機的圖像數據量非常巨大，存儲流量超過50MBps。而且圖像輸出速率也比較高，所以高速圖像數據的實時記錄是一個不易解決的問題。高幀頻、大面陣CCD相機的數字視頻存儲的一般方案是基于高性能" title="高性能">高性能計算機體系結構，把PCI總線的視頻采集卡與高性能IDE硬盤系統或基于PCI-SCSI橋的SCSI存儲硬盤系統結合起來完成任務。這種方案實現起來比較容易，但存在總線瓶頸問題，一次存儲占用兩次PCI總線，而且還受到操作系統和文件系統的限制，因而在實際應用中存儲速度很難突破40MBps[1]。針對這一問題，本文設計出脫離計算機平臺的圖像數據存儲方式，采用FPGA芯片控制時序，運用VHDL語言編程實現微處理器和DMA控制功能，從而協調SCSI協議處理器實現數據的傳輸。FPGA的運用比單獨使用DMA控制器減少了電路板的體積，降低了成本,提高了存儲的速率。
1 系統的硬件結構設計
實現SCSI協議和硬盤存儲，通常需要有微處理器、DMA控制器、SCSI協議控制器、數據緩存" title="數據緩存">數據緩存器等硬件支持和相應的軟件控制模塊。而本系統DMA控制通過對FPGA編程來實現。圖像數據存儲系統結構圖如圖1所示。
1.1 微處理器
微處理器負責對各個模塊進行協調和控制。本系統所設計的專用高速硬盤存儲設備實現數據的持續高速存儲，要求處理數據的速度高，因此采用DSP微處理器。微處理器主要功能如下：
（1）完成與外接數據的傳輸起始、結束控制。
（2）對FPGA進行復位、開始操作。
（3）對FAS466的初始化操作,對傳輸的異常情況進行中斷處理。
（4）對協議控制芯片內部寄存器的讀寫控制，從而控制SCSI總線的命令傳輸和狀態監控。對SCSI的命令信息進行解釋、執行、管理；對來自SCSI總線的信息狀態進行翻譯、執行、管理。
1.2 DMA控制器
DMA控制器控制數據發送或接收源的數據緩沖器與SCSI協議控制器內部緩沖器之間的數據傳送，這樣通過與協議控制器的DMA接口相協調以控制數據源與SCSI總線間的數據傳送。本設計采用FPGA器件，利用VHDL語言編程實現DMA控制器功能，而不采用專用的DMA控制器，主要考慮以下一些因素：本設計的數據傳輸速率" title="傳輸速率">傳輸速率達到50MＢps，而一般的專用DMA控制器難以勝任；專用的DMA控制器與SCSI協議控制芯片之間的連接需要大量的邏輯轉換電路和外圍連線，使設計難度加大；使用FPGA器件，除了完成DMA控制功能之外，還可以把電路中的邏輯轉換、系統復位等模塊設計進去，減小了設備的體積，方便了以后對系統的升級和改進。
1.3? SCSI協議處理器(FAS466)
SCSI協議處理器是SCSI總線操作的執行部件，各公司都有專門的SCSI集成電路芯片作為協議控制器，如Qlogic公司的FAS368M、FAS466等。FAS466(Fast Architecture SCSI Processor)處理器是Qlogic公司1999年上市的一種高性能SCSI引擎，它源于Qlogic公司的TEC450／452三重嵌入式控制的鋁系列，可提供Fast40的同步傳輸速率[2]，它的同步數據寬總線傳輸速率可達80MBps；支持先進的SCSI自動配置模式的1層和2層協議；內部嵌有微控制器，能夠通過編程方式靈活地協調SCSI作業隊列，可以工作在啟動或目標模式并支持單端或低電壓差分模式的SCSI連接。
FAS466區別于其他SCSI協議處理器的最大特點是：它采用微處理器和DMA接口結構，而常見的SCSI協議控制器采用PCI接口總線結構。這是本設計采用FAS466的一個主要原因。采用微處理器和DMA接口結構，可以通過DSP對傳輸進行控制，脫離微機平臺，減少傳輸帶寬限制，使數據存儲系統具有非常好的靈活性和可移植性。 FAS466由SCSI控制器、微控制器、DMA接口和微處理器接口四個模塊組成。外部微處理器通過微處理器接口對FAS466進行控制，協議控制器接受微處理器的操作指令，如總裁、選擇、失連、復位總線等。SCSI控制器提供靈活、有效的底層SCSI協議控制，微控制器則負責控制數據從DMA接口到SCSI硬盤的傳輸以及各個模塊之間的協調。FAS466的內部結構如圖2所示。
1.4 數據緩存器
在設備的輸入接口部分，需要有數據緩存單元。數據緩存的目的是為SCSI的高速DMA傳輸做好準備，使兩邊數據傳輸速度匹配。數據的流向一般是一個口進，一個口出，不對信號進行任何處理。普通的存儲器在寫入的同時不能讀取，雙口隨機存儲器RAM雖然也可完成這個任務，但是由于它需要復雜的地址譯碼電路，所以不采用。采用FIFO芯片，可以去掉復雜的緩存器譯碼電路，大大簡化了系統設計。緩存單元在結構上相當于先進先出（First In First Out，FIFO）隊列，即先到的數據先被存儲。本設計中FIFO選用IDT公司的IDT72V2113芯片。
2系統的軟件設計
軟件設計" title="軟件設計">軟件設計是本系統設計的重點和難點，它負責對相關硬件的控制和協調，最終實現SCSI協議、硬盤的控制和DMA傳輸等。軟件設計分為SCSI控制軟件和DMA控制器的FPGA實現兩部分。下面分別進行討論。
2.1 SCSI控制軟件
一般來說，要完成一次數據交換必須完成SCSI總線的仲裁、選擇、消息、命令、數據和狀態等階段。這些階段，微處理器通過對FAS466寄存器的讀寫控制來實現。FAS466的寄存器主要有：
(1)命令寄存器:DSP通過向命令寄存器寫入相應指
令，控制FAS466完成初始化、復位、總線分配與復位以及SCSI總線各個階段的轉變等功能。
（2）FIFO寄存器：這是一個128字節的雙端口RAM，SCSI硬盤和FAS466之間的數據交換都通過該FIFO16字（深）的FIFO寄存器來完成。
（3）傳輸計數寄存器：是一個減法計數器，用于保存一次DMA數據傳輸的字節數。
（4）中斷寄存器：DSP通過FAS466中斷寄存器了解SCSI命令的執行情況，從而決定程序的執行流向。
SCSI控制軟件流程如圖3所示。首先初始化SCSI控制器，然后SCSI控制器與SCSI硬盤建立同步傳輸協議，在硬盤準備好的情況下才可以發送各種SCSI命令，如讀、寫等，同時處理好各種意外情況的發生。
2.2 DMA控制器的FPGA實現設計
FAS466外部DMA控制器由FPGA實現。FAS466通過DREQ信號有效請求數據傳輸，當DMA控制器檢測到DREQ有效并且外部FIFO非空時，使DACK有效并通知FAS466開始DMA傳輸。DMA控制器的狀態機如圖4所示。
FPGA除了實現FAS466的外部DMA控制器之外，還實現FAS466與外部微處理器的部分邏輯和其他邏輯控制。FPGA內部邏輯功能模塊如圖5所示。
本文在FAST-40 SCSI協議基礎上，對實時高速數字視頻SCSI存儲系統的軟硬件進行了設計。利用FAS466作為SCSI控制器實現啟動器功能，控制兩塊SCSI硬盤實現直接存儲，充分利用SCSI總線的帶寬，從而大幅度提高了系統的效率。初步建立了較完善實用的直接存儲的結構體系，實現存儲流量達70MBps。為解決大面陣、高幀頻CCD數據實時存儲奠定了良好的基礎。該項技術的解決，將會大力促進在科學研究、軍事技術、尤其在航天、航空偵察及高速數據記錄領域的應用發展。
參考文獻
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6 王忠寶,李變俠,曹劍中.SCSI處理器FAS466的通用軟件解決方案及應用[J]. 國外電子元器件,2005;27(9):26～29