2.1 高速數(shù)據(jù)源和高速差分線性接收器
??? 系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)源接口為16位的并行接口,數(shù)據(jù)傳輸接口的所有信號(hào)均采用低電壓差分模式LVDS傳輸,信號(hào)進(jìn)入記錄器之后要將LVDS電平轉(zhuǎn)換成TTL電平。
2.2 數(shù)據(jù)緩存器
??? 數(shù)據(jù)緩存的目的是為SCSI的高速DMA傳輸做好準(zhǔn)備,使兩邊數(shù)據(jù)傳輸速度匹配。數(shù)據(jù)的流向一般是一個(gè)口進(jìn),一個(gè)口出,不對(duì)信號(hào)進(jìn)行任何處理。雙口隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM雖然也可完成這個(gè)任務(wù),但是由于它需要復(fù)雜的地址譯碼電路,所以不采用,而采用FIFO。由于SAR系統(tǒng)每幀數(shù)據(jù)小于8KB,本系統(tǒng)選用的FIFO深度為8KB。
2.3 SCSI協(xié)議控制器——FAS466
??? 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器系列。可提供Ultra2 SCSI的同步傳輸速率,支持先進(jìn)的SCSI自動(dòng)配置模式的1層和2層協(xié)議,內(nèi)部嵌有微控制器,能夠通過(guò)編程方式靈活地協(xié)調(diào)SCSI作業(yè)隊(duì)列,可以工作在啟動(dòng)或目標(biāo)模式并支持單端或低電壓差分模式的SCSI連接。
??? FAS466區(qū)別于其它SCSI協(xié)議控制器的最大特點(diǎn)是它采用微處理器和DMA接口結(jié)構(gòu),而常見的SCSI協(xié)議控制器采用PCI接口總線結(jié)構(gòu)。這是本設(shè)計(jì)采用FAS466的一個(gè)主要原因。采用微處理器和DMA接口結(jié)構(gòu),可以通過(guò)DSP對(duì)傳輸進(jìn)行控制,脫離微機(jī)平臺(tái),減少傳輸帶寬限制,使數(shù)據(jù)記錄器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(gè)模塊組成。外部微處理器通過(guò)微處理器接口對(duì)FAS466進(jìn)行控制,SCSI控制器提供靈活、有效的底層SCSI協(xié)議控制,微控制器負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)從DMA接口到SCSI硬盤的傳輸以及各個(gè)模塊之間的協(xié)調(diào)。圖2為FAS466的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

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2.4 DMA控制器
??? 本設(shè)計(jì)采用DMA接口代替高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中常見的PCI接口。這不但使傳輸數(shù)據(jù)的速率有了比較明顯的提高,而且使數(shù)據(jù)記錄器可以脫離微機(jī)系統(tǒng),使模塊化設(shè)計(jì)成為現(xiàn)實(shí)。
??? 本設(shè)計(jì)采用CPLD器件實(shí)現(xiàn)DMA控制器,而不采用專用的DMA控制器,主要考慮以下一些因素:本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到72MB/s,一般的專用DMA控制器難以勝任;專用的DMA控制器與FAS466之間的連接需要大量的邏輯轉(zhuǎn)換電路和外圍連線,使設(shè)計(jì)難度加大;DMA控制器還需要在DSP的控制下與FAS466進(jìn)行協(xié)調(diào)才能一起工作,這增加了軟件編程的難度;使用CPLD器件,除了完成DMA控制器的功能之外,還可以把電路中的譯碼、邏輯轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)復(fù)位等模塊設(shè)計(jì)進(jìn)去,減小了設(shè)備的體積,方便了以后對(duì)系統(tǒng)的升級(jí)和改進(jìn)。
2.5 DSP微處理器
??? 該高速數(shù)據(jù)記錄器選用TI公司的TMS320F206作為微處理器。主要考慮TMS320F206片內(nèi)包含32K×16字的FLASH EEPROM,使DSP周圍電路簡(jiǎn)單、設(shè)備的體積減小,而且系統(tǒng)升級(jí)也比較方便;指令集非常豐富,與TMS320C5X系列指令兼容;TMS320F206的指令周期為50ns,符合系統(tǒng)對(duì)DSP速度的要求。
??? DSP負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制,實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)記錄的功能。需要注意的是:FAS466的微處理器接口數(shù)據(jù)/地址總線是復(fù)用的,而TMS320F206的數(shù)據(jù)/地址總線是分開的,需要外部邏輯將數(shù)據(jù)和信號(hào)總線整合。
??? 高速數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)源接口進(jìn)入本系統(tǒng),首先進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,然后進(jìn)入數(shù)據(jù)緩存器;在DMA控制器的控制下進(jìn)入SCSI協(xié)議控制器;最后通過(guò)SCSI協(xié)議控制器存入高速SCSI硬盤。整個(gè)數(shù)據(jù)流程中,DSP微處理器負(fù)責(zé)各個(gè)子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)和控制。由于采用分離的微處理器總線和DMA總線結(jié)構(gòu),因此達(dá)到了較高的記錄速度。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
??? 軟件模塊的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn),它負(fù)責(zé)對(duì)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１鞠到y(tǒng)中,軟件設(shè)計(jì)分為DSP控制軟件和DMA控制器的CPLD實(shí)現(xiàn)兩部分。程序的優(yōu)劣關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的速度,下面分別討論。
3.1 DSP控制軟件
??? 一般來(lái)說(shuō),要完成一次數(shù)據(jù)交換必須完成SCSI總線的仲裁、選擇、消息、命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)等階段。這些階段,微處理器TMS320F206通過(guò)對(duì)FAS466寄存器的讀寫控制完成實(shí)現(xiàn)。FAS466的寄存器主要有:
??? (1)命令寄存器(Command Register):F206通過(guò)向命令寄存器寫入相應(yīng)指令,控制FAS466完成初始化、復(fù)位、總線分配與復(fù)位以及SCSI總線各個(gè)階段的轉(zhuǎn)變等功能;(2)FIFO寄存器(FIFO Register):這是一個(gè)16字深的FIFO寄存器,SCSI硬盤和FAS466之間的數(shù)據(jù)交換都通過(guò)這個(gè)FIFO完成;(3)傳輸計(jì)數(shù)寄存器(Transfer Count Register):是一個(gè)減法計(jì)數(shù)器,用于保存一次DMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖止?jié)數(shù);(4)中斷寄存器(Interrupt Register):F206通過(guò)FAS466中斷寄存器了解SCSI命令的執(zhí)行情況,從而決定程序的執(zhí)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(xié)議,在硬盤準(zhǔn)備好的情況下才可以發(fā)送各種SCSI命令,如讀、寫等,同時(shí)處理好各種意外情況的發(fā)生。

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3.2 DMA控制器的CPLD實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)
??? FAS466外部DMA控制器由CPLD實(shí)現(xiàn)。FAS466通過(guò)DREQ信號(hào)有效請(qǐng)求數(shù)據(jù)傳輸;DMA控制器檢測(cè)到DREQ有效并且外部FIFO非空,則使DACK有效并通知FAS466開始DMA傳輸。控制器的狀態(tài)機(jī)如圖4所示。CPLD除了實(shí)現(xiàn)FAS466的外部DMA控制器之外,還實(shí)現(xiàn)FAS466與外部微處理器的部分邏輯和其它邏輯控制。CPLD內(nèi)部邏輯功能模塊如圖5所示。

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