摘 要： 設(shè)計(jì)了一種基于FPGA控制的高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用FPGA實(shí)現(xiàn)了對(duì)四個(gè)符合ATA-6規(guī)范的,、RAID 0配置的IDE磁盤陣列的管理，并配合四個(gè)SDRAM實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的高速穩(wěn)定存儲(chǔ),。該磁盤陣列同時(shí)掛四個(gè)IDE硬盤，平均數(shù)據(jù)流達(dá)到200MB/s,，峰值傳輸速率" title="傳輸速率">傳輸速率達(dá)到800MB/s,，也可以擴(kuò)展更多硬盤，構(gòu)成大容量" title="大容量">大容量的磁盤陣列,。
關(guān)鍵詞： FPGA,；IDE協(xié)議；SDRAM,；磁盤陣列,；PCI 9054
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隨著雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，如何高速穩(wěn)定地存儲(chǔ)回波數(shù)據(jù)已經(jīng)成為一個(gè)亟待解決的問題,。當(dāng)前高速存儲(chǔ)設(shè)備主要應(yīng)用在服務(wù)器上,，不僅價(jià)格高昂，而且功能可擴(kuò)展性不強(qiáng),。因此,，本文使用FPGA實(shí)現(xiàn)符合ATA-6規(guī)范的IDE接口，配合SDRAM組成了高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng),。通過FPGA把四塊IDE硬盤配置成RAID 0陣列,，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的高速存儲(chǔ)。實(shí)測(cè)時(shí)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,，平均存儲(chǔ)速率200MB/s,，配合板載的128MB內(nèi)存，突發(fā)存儲(chǔ)速率可以達(dá)到800MB/s,。采集過程中,，可以通過軟件實(shí)時(shí)觀測(cè)回波數(shù)據(jù)的IQ分解和脈沖壓縮。
作為采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)主要考慮的是存儲(chǔ)容量,、存儲(chǔ)速率和可操作性,。由于目前比較通用的FAT32或NTFS格式的采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)用FPGA實(shí)現(xiàn)較困難,，因此，在自行定義的存儲(chǔ)格式及其傳輸協(xié)議的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的IDE硬盤陣列及其采集數(shù)據(jù)系統(tǒng),，并且通過使用PCI傳輸卡就可以把磁盤陣列中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī),，實(shí)現(xiàn)格式上的轉(zhuǎn)化。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為使系統(tǒng)的存儲(chǔ)速率最大化,，硬盤配置成RAID 0模式。工作時(shí),，AD采樣后得到的信號(hào)首先分流成四路,，然后流向四個(gè)硬盤，每一路磁盤的工作模式都相同,。圖1給出其中某一路的存儲(chǔ)流程圖,。
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由圖1可知，分流后的AD數(shù)據(jù)首先暫存到FPGA內(nèi)部的FIFO 0中,，由于磁盤存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)工作在Ultra DMA模式下,，所以每傳輸一幀數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA都需要給磁盤一個(gè)CRC校驗(yàn)結(jié)果,，磁盤會(huì)對(duì)FPGA給出的CRC校驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行核對(duì),。如果正確，磁盤就會(huì)存儲(chǔ)本幀數(shù)據(jù),；若出現(xiàn)錯(cuò)誤,，磁盤會(huì)拋棄本幀數(shù)據(jù)，并向FPGA報(bào)錯(cuò),。因此從FIFO 0讀取的數(shù)據(jù)不能直接流向硬盤,，而必須流向一個(gè)大容量的高速緩存器件，以便在CRC校驗(yàn)結(jié)果出錯(cuò)的情況下重新傳輸出錯(cuò)幀數(shù)據(jù),。在本系統(tǒng)中高速緩存器件選用HY57V561620C(L)T(P),，其數(shù)據(jù)吞吐率可以達(dá)到200MB/s，容量為32MB,。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完成后,，需要通過PCI卡導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行計(jì)算和分析。導(dǎo)出數(shù)據(jù)的流程圖和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)相似,，如圖2所示,。
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2 IDE協(xié)議的FPGA實(shí)現(xiàn)
2.1 IDE協(xié)議簡介
IDE(Integrated Drive Electronics)是集成磁盤電路設(shè)備， 其正式名稱是AT-Attachment,。它是Compaq公司為解決老式的ST506/412接口速度慢,、開發(fā)成本高而開發(fā)出的硬盤標(biāo)準(zhǔn)。由于IDE接口的硬盤具有價(jià)格低廉,、穩(wěn)定性好,、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等優(yōu)點(diǎn),，迅速得到普及[1]。
IDE接口硬盤的幾種傳輸模式" title="傳輸模式">傳輸模式有很明顯的區(qū)別,，其經(jīng)歷了三個(gè)不同的技術(shù)變化,，由PIO(Programmed I/O)模式，DMA(Direct Memory Access)模式,，直到現(xiàn)在的Ultra DMA 模式,。其中PIO模式的傳輸速率最慢，最老的PIO mode 0傳輸速率為3.3MB/s,，最新的PIO mode 4傳輸速率為16.7MB/s,。本文存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)采用了Ultra DMA模式，最高速率100MB/s,。在計(jì)算機(jī)上使用時(shí),，PIO傳輸模式會(huì)大量占用中央處理器的資源；而后IDE接口及裝置開始有了DMA的支持,，DMA模式有Single-DMA和Multi-DMA兩種,，與PIO模式相比達(dá)到了節(jié)省處理器資源的效果，但隨后被性能更好的Ultra DMA所取代,。
2.2 IDE協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)
FPGA對(duì)IDE硬盤的控制通過命令寄存器和控制寄存器實(shí)現(xiàn),，如表1所示[2]。其中帶“-”的信號(hào)(如“
”)表示低電平有效,。對(duì)磁盤進(jìn)行任何操作之前首先需要讀取特征寄存器,，此寄存器指示磁盤是否處于空閑狀態(tài)。如果磁盤空閑,，可以向命令寄存器寫入需要執(zhí)行的命令代碼,。如果對(duì)磁盤進(jìn)行無數(shù)據(jù)操作，只需要寫入命令字然后等待磁盤執(zhí)行任務(wù)結(jié)束即可,。如果執(zhí)行的是讀(寫)操作,，就需要通過扇區(qū)數(shù)寄存器確定讀(寫)扇區(qū)總數(shù)，通過扇區(qū)號(hào)寄存器和柱面寄存器確定讀(寫)地址,。命令執(zhí)行完畢后,，F(xiàn)PGA需要讀狀態(tài)寄存器" title="狀態(tài)寄存器">狀態(tài)寄存器。如果ERR位有效,，表明執(zhí)行上一個(gè)命令的過程中產(chǎn)生了錯(cuò)誤,，具體錯(cuò)誤類型可以通過讀錯(cuò)誤寄存器得到。
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系統(tǒng)上電后要對(duì)硬盤進(jìn)行復(fù)位操作,，檢測(cè)到BSY位和DRQ位都為低電平時(shí)硬盤復(fù)位結(jié)束,。然后通過Set Feature和Set Multiple Mode等命令完成對(duì)硬盤的配置。如圖3，對(duì)硬盤的配置以及讀(寫)命令的發(fā)送都是用PIO模式實(shí)現(xiàn)的,。圖4給出PIO模式的時(shí)序圖,，表2給出其時(shí)序要求[2]。下面以寫磁盤為例介紹磁盤工作在48位尋址時(shí)PIO命令的執(zhí)行：FPGA首先連續(xù)寫兩次磁盤的特征寄存器,，因?yàn)樵赑IO模式下此寄存器已經(jīng)廢棄,，所以值可以任意。然后連續(xù)寫兩次扇區(qū)數(shù)寄存器,，第一次寫入寫扇區(qū)總數(shù)的高8位,，第二次寫入寫扇區(qū)總數(shù)的低8位。再依次寫兩次扇區(qū)號(hào)寄存器,、柱面寄存器0,、柱面寄存器1，順序?qū)懭肫鹗忌葏^(qū)地址的第24～31位,、0～7位、32～39位,、8～15位,、40～47位、16～23位,。至此,，硬盤就可以確定寫數(shù)據(jù)的起始地址以及寫數(shù)據(jù)總量。然后FPGA需要寫驅(qū)動(dòng)器/磁頭寄存器以確定磁盤的尋址方式,。一般采用邏輯尋址,。最后向命令寄存器中寫入命令碼34H。參數(shù)發(fā)送完畢后,，F(xiàn)PGA至少等待400ns,，然后讀可選狀態(tài)寄存器，一旦檢測(cè)到BSY為低電平,、DRQ為高電平" title="高電平">高電平,，就說明磁盤已經(jīng)就緒可以接收數(shù)據(jù)，此時(shí)只需按照PIO時(shí)序的要求向數(shù)據(jù)寄存器寫入數(shù)據(jù)即可,。數(shù)據(jù)寫入完成后,，F(xiàn)PGA需等待磁盤給出的中斷信號(hào)INTRQ，此信號(hào)有效后FPGA讀狀態(tài)寄存器,，整個(gè)寫扇區(qū)的命令執(zhí)行完畢,，磁盤可以繼續(xù)接收其他命令。
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完成硬盤的復(fù)位和配置以后,，F(xiàn)PGA循環(huán)檢測(cè)有無讀寫命令,。以寫硬盤為例介紹，F(xiàn)PGA完成對(duì)硬盤的復(fù)位和配置后就進(jìn)入到命令檢測(cè)狀態(tài)。一旦檢測(cè)到寫硬盤命令,，程序進(jìn)入到寫狀態(tài),。FPGA首先向硬盤命令寄存器和狀態(tài)寄存器寫入必要的信息，然后等待DMARQ信號(hào)有效,，進(jìn)而對(duì)DMA通道進(jìn)行初始化,。全部準(zhǔn)備工作完成后，F(xiàn)PGA內(nèi)部FIFO中的數(shù)據(jù)就可以存儲(chǔ)到硬盤中,。數(shù)據(jù)在傳輸過程中,，硬盤隨時(shí)可能暫停傳輸，一旦暫停,，F(xiàn)PGA就只能等待硬盤再次就緒,。前一幀的DMA數(shù)據(jù)傳輸完畢后，F(xiàn)PGA需要向硬盤發(fā)送CRC結(jié)果,，如果CRC結(jié)果正確硬盤就會(huì)接收當(dāng)前數(shù)據(jù),；如果錯(cuò)誤，硬盤就會(huì)向FPGA報(bào)錯(cuò),，此時(shí)數(shù)據(jù)就需要重新傳輸,。圖5為寫硬盤流程圖。讀硬盤的過程和寫過程相似,，本文不再詳細(xì)介紹,。
3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
整個(gè)磁盤系統(tǒng)通過VC界面進(jìn)行管理，操作界面如圖6,。軟件提供了最多四個(gè)采集通道,，用戶可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行任意配置。采集數(shù)據(jù)前,，可以設(shè)置采集時(shí)鐘為外時(shí)鐘或內(nèi)時(shí)鐘,。觸發(fā)方式分：自動(dòng)觸發(fā)、上升沿觸發(fā),、下降沿觸發(fā),、低電平采集、高電平采集,。針對(duì)雷達(dá)的特殊工作方式,，系統(tǒng)也可以工作在間斷采集模式下。
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????數(shù)據(jù)采集過程中,，磁盤系統(tǒng)配合PCI 9054卡可以得到當(dāng)前回波的IQ數(shù)據(jù)以及脈沖壓縮結(jié)果,。采集結(jié)束后，可以根據(jù)需要導(dǎo)出任何一部分?jǐn)?shù)據(jù),。
本文采用FPGA實(shí)現(xiàn)了符合ATA-6規(guī)范的IDE協(xié)議,，將硬盤組成磁盤陣列實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的高速穩(wěn)定存儲(chǔ), 平均數(shù)據(jù)流達(dá)到200MB/s，峰值傳輸速率達(dá)到800MB/s。在試驗(yàn)階段先后使用了希捷,、邁拓,、西數(shù)等廠家的硬盤進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)過測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行比較穩(wěn)定,，長時(shí)間采集不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況,。如果希望增強(qiáng)系統(tǒng)的抗震性，可以在板卡上掛IDE接口的固態(tài)盤,，整個(gè)系統(tǒng)的性能不會(huì)受到影響,。
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