基于SCSI協(xié)議處理器FAS466實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的設(shè)計

作者：盛翠霞，張濤，陳俊江，姚清華，袁紅艷

由于高幀頻、大面陣CCD數(shù)字相機的圖像數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)字視頻存儲的一般方案是基于高性能計算機體系結(jié)構(gòu)，把PCI總線的視頻采集卡與高性能IDE硬盤系統(tǒng)或基于PCI-SCSI橋的SCSI存儲硬盤系統(tǒng)結(jié)合起來完成任務(wù)。這種方案實現(xiàn)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(tǒng)和文件系統(tǒng)的限制，因而在實際應(yīng)用中存儲速度很難突破40MBps。針對這一問題，本文設(shè)計出脫離計算機平臺的圖像數(shù)據(jù)存儲方式，采用FPGA芯片控制時序，運用VHDL語言編程實現(xiàn)微處理器和DMA控制功能，從而協(xié)調(diào)SCSI協(xié)議處理器實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

實現(xiàn)SCSI協(xié)議和硬盤存儲，通常需要有微處理器、DMA控制器、SCSI協(xié)議控制器、數(shù)據(jù)緩存器等硬件支持和相應(yīng)的軟件控制模塊。而本系統(tǒng)。DMA控制通過對FPGA編程來實現(xiàn)。圖像數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖l所示。

1．1微處理器

微處理器負責(zé)對各個模塊進行協(xié)調(diào)和控制。本系統(tǒng)所設(shè)計的專用高速硬盤存儲設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)的持續(xù)高速存儲，要求處理數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的傳輸起始、結(jié)束控制。

（2）對FPGA進行復(fù)位、開始操作。

（3）對FAS466的初始化操作，對傳輸?shù)漠惓Ｇ闆r進行中斷處理。

（4）對協(xié)議控制芯片內(nèi)部寄存器的讀寫控制，從而控制SCSI總線的命令傳輸和狀態(tài)監(jiān)控。

對SCSI的命令信息進行解釋、執(zhí)行、管理；對來自SCSI總線的信息狀態(tài)進行翻譯、執(zhí)行、管理。

1．2 DMA控制器

DMA控制器控制數(shù)據(jù)發(fā)送或接收源的數(shù)據(jù)緩沖器與SCSI協(xié)議控制器內(nèi)部緩沖器之間的數(shù)據(jù)傳送，這樣通過與協(xié)議控制器的DMA接口相協(xié)調(diào)以控制數(shù)據(jù)源與SCSI總線間的數(shù)據(jù)傳送。本設(shè)計采用FPGA器件，利用VHDL語言編程實現(xiàn)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(shè)計的數(shù)據(jù)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(xié)議控制芯片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(zhuǎn)換、系統(tǒng)復(fù)位等模塊設(shè)計進去，減小了設(shè)備的體積，方便了以后對系統(tǒng)的升級和改進。

1．3 SCSI協(xié)議處理器（FAS466）

SCSI協(xié)議處理器是SCSI總線操作的執(zhí)行部件，各公司都有專門的SCSI集成電路芯片作為協(xié)議控制器，如Qlogic公司的FAS368M、FAS466等。FAS466（Fast Architecture SCSI Processor）處理器是Qloglc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，它的同步數(shù)據(jù)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(xié)議；內(nèi)部嵌有微控制器，能夠通過編程方式靈活地協(xié)調(diào)SCSI作業(yè)隊列．可以工作在啟動或目標(biāo)模式并支持單端或低電壓差分模式的SCSI連接。

FAS466區(qū)別于其他SCSI協(xié)議處理器的最大特點是：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)計采用FAS466的一個主要原因。采用微處理器和DMA接口結(jié)構(gòu)，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(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)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(xié)議控制器接受微處理器的操作指令，如總裁、選擇、失連、復(fù)位總線等。SCSI控制器提供靈活、有效的底層SCSI協(xié)議控制，微控制器則負責(zé)控制數(shù)據(jù)從DMA接口到SCSI硬盤的傳輸以及各個模塊之間的協(xié)調(diào)。FAS466的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1．4 數(shù)據(jù)緩存器

在設(shè)備的輸入接口部分，需要有數(shù)據(jù)緩存單元。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(wù)，但是由于它需要復(fù)雜的地址譯碼電路，所以不采用。采用FIFO芯片，可以去掉復(fù)雜的緩存器譯碼電路，大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計。緩存單元在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于先進先出（First In First Out，F(xiàn)IFO）隊列，即先到的數(shù)據(jù)先被存儲。本設(shè)計中FIFO選用IDT公司的IDT72V2113芯片。

2系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是本系統(tǒng)設(shè)計的重點和難點，它負責(zé)對相關(guān)硬件的控制和協(xié)調(diào)，最終實現(xiàn)SCSI協(xié)議、硬盤的控制和DMA傳輸?shù)?。軟件設(shè)計分為SCSI控制軟件和DMA控制器的FPGA實現(xiàn)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(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，微處理器通過對FAS466寄存器的讀寫控制來實現(xiàn)。

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(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總線各個階段的轉(zhuǎn)變等功能。

（2）FIFO寄存器：這是一個128字節(jié)的雙端口RAM，SCSI硬盤和FAS466之間的數(shù)據(jù)交換都通過該FIF016字（深）的FIFO寄存器來完成。

（3）傳輸計數(shù)寄存器：是一個減法計數(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：DSP通過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SCSl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，同時處理好各種意外情況的發(fā)生。

2．2 DMA控制器的FPGA實現(xiàn)設(shè)計

FAS466外部DMA控制器由FPGA實現(xiàn)。FAS466通過DREQ信號有效請求數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)DMA控制器檢測到DREQ有效并且外部FIF0非空時，使DACK有效并通知FAS466開始DMA傳輸。DMA控制器的狀態(tài)機如圖4所示。

FPGA除了實現(xiàn)FAS466的外部DMA控制器之外，還實現(xiàn)FAS466與外部微處理器的部分邏輯和其他邏輯控制。FPGA內(nèi)部邏輯功能模塊如圖5所示。

本文在FAST-40 SCSI協(xié)議基礎(chǔ)上，對實時高速數(shù)字視頻SCSI存儲系統(tǒng)的軟硬件進行了設(shè)計。利用FAS466作為SCSI控制器宴現(xiàn)啟動器功能，控制兩塊SCSI硬盤實現(xiàn)直接存儲，充分利用SCSI總線的帶寬，從而大幅度提高了系統(tǒng)的效率。初步建立了較完善實用的直接存儲的結(jié)構(gòu)體系，實現(xiàn)存儲流量達70MBps。為解決大面陣、高幀頻CCD數(shù)據(jù)實時存儲奠定了良好的基礎(chǔ)。該項技術(shù)的解決，將會大力促進在科學(xué)研究、軍事技術(shù)、尤其在航天、航空偵察及高速數(shù)據(jù)記錄領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。

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