采用FPGA和DSP直接控制硬盤實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)控制的方法

摘 要 介紹了采用FPGA和DSP直接控制硬盤進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的方法，并采用一片F(xiàn)IFO作為數(shù)據(jù)緩存，能夠滿足80Khz數(shù)據(jù)采樣率系統(tǒng)的存盤要求。
關(guān)鍵詞 FPGA；DSP；硬盤；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

1　引言
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是數(shù)據(jù)采集過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，目前大部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)都是用內(nèi)置工控機(jī)的方法完成數(shù)據(jù)保存任務(wù)，這種方法系統(tǒng)功耗大，硬件成本高，不適用于具有內(nèi)記功能要求的系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用FPGA和DSP直接控制硬盤進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并采用一片F(xiàn)IFO 作為數(shù)據(jù)緩存，設(shè)計(jì)思路比較新穎，硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，直接控制硬盤的方法可將系統(tǒng)功耗降至最低，具有自動(dòng)內(nèi)記功能，能及時(shí)存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于某信號(hào)采集設(shè)備中，實(shí)踐證明可滿足使用要求，能夠滿足80Khz數(shù)據(jù)采樣率系統(tǒng)的存盤要求。
2　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案
本設(shè)計(jì)采用FPGA和DSP直接控制硬盤[1][2]，并采用一片F(xiàn)IFO作為數(shù)據(jù)緩存，系統(tǒng)采用DSP完成文件管理工作，利用FPGA實(shí)現(xiàn)DSP與硬盤的接口。具體框圖如圖1所示。

圖1 方案實(shí)現(xiàn)框圖
首先由采集控制板FPGA將FIFO復(fù)位，需要儲(chǔ)存數(shù)據(jù)時(shí)數(shù)據(jù)流直接將數(shù)據(jù)寫入FIFO，當(dāng)存儲(chǔ)控制板FPGA查詢到FIFO的狀態(tài)為非空時(shí)就輸出BIO信號(hào)通知DSP啟動(dòng)存盤程序。DSP先訪問硬盤確定所需參數(shù)，如下一個(gè)文件應(yīng)使用的文件名，保存文件的邏輯扇區(qū)號(hào)等。然后DSP向硬盤發(fā)出存盤命令，當(dāng)硬盤響應(yīng)控制命令后，DSP通知FPGA可以向硬盤傳輸數(shù)據(jù)。存盤時(shí)FPGA從FIFO中讀出數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)打包，由8bit變?yōu)?6bit，并寫入硬盤數(shù)據(jù)寄存器。當(dāng)存滿40M時(shí)，DSP通知采集控制系統(tǒng)已寫滿一個(gè)文件，采集控制系統(tǒng)將FIFO復(fù)位完成一次存盤操作。
3　存儲(chǔ)控制程序流程
程序啟動(dòng)后，首先將硬盤Device register中的SRST置1使硬盤復(fù)位，在硬盤復(fù)位后讀取MBR0和BPB0，在FAT中找到Special Sector并檢查是否有標(biāo)志位0x55FF，如果沒有則說明硬盤是第1次被使用，如果有則從中讀取參數(shù)準(zhǔn)備傳輸數(shù)據(jù)。
(1) 為了在每次啟動(dòng)程序后能迅速查找到應(yīng)使用的文件名、下一個(gè)空簇的位置、正在使用的磁盤等參數(shù)，將硬盤第3簇中第1扇區(qū)標(biāo)志為Special Sector，用于儲(chǔ)存這些參數(shù)。

(2)每個(gè)磁盤被劃分出200M空間為保留區(qū)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)磁盤空間不足200M時(shí)即顯示磁盤已滿，不在用當(dāng)前磁盤存儲(chǔ)數(shù)據(jù)而是使用下一個(gè)磁盤。
(3)每個(gè)磁盤第2簇為目錄區(qū)，因使用短文件名無子目錄，所以當(dāng)每簇為16扇區(qū)時(shí)目錄區(qū)共可儲(chǔ)存256個(gè)文件名。
(4)數(shù)據(jù)文件大小固定為40M。
如果硬盤是第一次被使用，則主機(jī)順次讀取MBR0、BPB0、MBR1、BPB1直到查詢到最后一個(gè)硬盤分區(qū)，并將相關(guān)參數(shù)如每個(gè)分區(qū)的大小、分區(qū)的邏輯地址、每個(gè)分區(qū)數(shù)據(jù)空間起始段的邏輯地址、FAT表邏輯地址等信息寫入Special Sector，并做一個(gè)文件的目錄（32字節(jié)）將第一個(gè)文件命名為“000.dat”。
當(dāng)FAT中第三簇被標(biāo)志為壞簇時(shí)，表明已經(jīng)在硬盤上劃分Special Sector并已存入硬盤參數(shù)。主機(jī)從Special Sector中讀取下一個(gè)可用空簇，并計(jì)算這一簇在FAT中的位置并將FAT讀入C54的RAM中，讀取Special Sector中的文件名及相關(guān)參數(shù)并將其寫入目錄區(qū)。然后查詢BIO，當(dāng)BIO為低電平時(shí)開始傳輸數(shù)據(jù)（參見儲(chǔ)存板接口），傳輸數(shù)據(jù)時(shí)FPGA啟動(dòng)元件 trans_data，由主機(jī)發(fā)出XF作為啟動(dòng)信號(hào)。FPGA從FIFO中每讀出2Bytes向硬盤寫一次，連續(xù)寫256次，即向硬盤傳輸512字節(jié)數(shù)據(jù)。主機(jī)每發(fā)出一個(gè)XF下降沿FPGA就從FIFO中讀取512字節(jié)數(shù)據(jù)并存入硬盤。