基于FPGA控制的IDE磁盤陣列設(shè)計(jì)

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。

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。


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。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。


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，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。

　　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。

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。