（信号与信息处理专业论文）数据采集系统并行存储的实现.pdf

哈尔滨t 程大学硕士学位论文 摘要 在现代工业生产、控制和科学研究中，对各种现场数据进行采集、传 输、处理已是必不可少的组成部分。通常，在数据采集的应用开发中，为 了便于进行事后的数据处理和分析，以及为了存档，需要实时地把采集到 的数据存储到介质中。i d e 硬盘具有存储容量大、接口智能化程度高、控 制方便等优点，比较适合作为数据采集系统的存储介质。当采样率不太高、 路数较少时，要做到这一点是没有问题的；但是当采样率较高、路数较多 时，进行高速数据存储就变得比较困难。 本论文讨论了基于i d e 硬盘的高速数据存储技术：介绍了硬盘的结 构、影响硬盘存储速率的因素、硬盘的i d e 接口以及f a t 3 2 文件格式； 介绍了数据采集系统的硬件结构，包括电源部分、数据采集部分、数据缓 存部分和数据存储部分；还给出了实现数据以f a t 3 2 格式存储进硬盘的 汇编语言程序设计。 该数据采集系统能够同时对1 2 路模拟信号进行采集，并能够以较高 的速率进行并行存储，具有存储量大、存储速率快、数据格式便于后续处 理等优点，具有较好的应用前景。 关键词：高速数据并行存储；i d e 硬盘；f a t 3 2 格式 a bs t r a c t i nm o d e mi n d u s t r i a l p r o d u c t i o n ，c o n t r o la n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h ，t h e c o l l e c t i o n ，t r a n s m i s s i o na n dp r o c e s s i n go ft h el i v ed a t ah a v eb e c o m ea n e c e s s a r yc o m p o n e n t u s u a l l y ，i nt h ep r o c e s so fd a t aa c q u i s i t i o na p p l i c a t i o n ， i no r d e rt of a c i l i t a t et h es u b s e q u e n td a t a p r o c e s s i n ga n da n a l y s i sa sw e l la st o a r c h i v e ，s e n d i n gc o l l e c t e dd a t at ot h es t o r a g em e d i u mi nr e a l t i m ei sr e a l l y e s s e n t i a l i d eh a r dd i s k ，w i t ht h ea d v a n t a g e so fh u g ed a t as t o r a g ec a p a c i t y ， h i g hd e g r e eo fi n t e l l i g e n ti n t e r f a c ea n dc o n v e n i e n tc o n t r o l ，i sm o r es u i t a b l e f o rt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma sa s t o r a g em e d i u m w h e nt h es a m p l i n gr a t e i sn o t t o oh i g ha n dt h et r a d eu n i o n sa r es m a l l ，i ti sn op r o b l e mt oa c h i e v et h i s ； h o w e v e r ，w h e nt h es a m p l i n gr a t ei sh i g ha n dt h e r ea r em o r et r a d eu n i o n s ， h i g h s p e e dd a t as t o r a g eb e c o m e sq u i t ed i f f i c u l t t h eh i g h s p e e dd a t as t o r a g et e c h n o l o g yb a s e do nt h ei d eh a r dd r i v ei s d i s c u s s e d ：t h es t r u c t u r eo ft h eh a r dd r i v e ，t h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h eh a r dd i s k s t o r a g er a t e ，i d eh a r dd r i v ei n t e r f a c e ，a sw e l la sf a t 3 2f i l ef o r m a t ；h a r d w a r e a r c h i t e c t u r eo ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，i n c l u d i n gt h ep o w e rs u p p l y , d a t a a c q u i s i t i o n ，d a t ac a c h ea n dd a t as t o r a g e ，a r ei n t r o d u c e d ；s o m ep a r to ft h ed a t a i sa l s op r e s e n t e dt of a t 3 2f o r m a to ft h eh a r dd i s ks t o r a g e ，a n dt h ea s s e m b l y l a n g u a g ep r o g r a m m i n go fa c h i e v i n gf a t 3 2f o r m a td a t at ot h eh a r dd i s k s t o r a g ei sg i v e n t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mc a ns i m u l t a n e o u s l yw o r ko n12 c h a n n e l a n a l o gs i g n a lp a r a l l e la c q u i s i t i o na tah i g h e rs t o r a g er a t e i th a st h ea d v a n t a g e s o fl a r g es t o r a g e c a p a c i t y ，h i g h - s p e e ds t o r a g e ，a n d t h ed a t af o r m a te a s yt o f a c i l i t a t ef o l l o w i n gp r o c e s s i n g i t sa p p l i c a t i o nh a sa g o o dp r o s p e c t k e yw o r d s ：p a r a l l e lh i g h s p e e dd a t as t o r a g e ；i d eh a r dd i s k ；f a t 3 2f o r m a t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：矽馏年 耘 3 月夕日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 在现代工业生产、控制和科学研究中，对各种现场数据进行采集、传 输、处理已是必不可少的组成部分。通常，在数据采集的应用开发中，为 了便于进行事后的数据处理和分析，以及为了存档，需要实时地把采集到 的数据存储到介质中，当采样率不太高、路数较少时，要做到这一点是没 有问题的；但是当采样率较高、路数较多时，进行高速数据采集与实时存 储将会成为一个比较棘手的难题。随着科学技术水平的不断提高，在科研 和生产过程中为了更加真实的反映被测对象的性质，在一些场合中需要较 高的采样率，这就使在有些时候数据的存储成为一个瓶颈。而且在某些特 殊的应用场合，对存储系统的体积、功耗以及脱离计算机都有一定的要求。 在通常的数据采集系统中，常用的存储介质主要有f l a s h 存储器、c f 卡和硬盘。 f l a s h 存储器的主要特点是在不加电的情况下能长期保持存储的信 息。就其本质而言，f l a s hm e m o r y 属于e e p r o m ( 电擦除可编程只读存储 器) 类型。它既有r o m 的特点，掉电后数据仍然不会丢失，又有很高的存 取速度，而且易于擦除和重写，功耗很小。f l a s hm e m o r y 不足之处仍然是 容量还不够大，价格还不够便宜。因此主要用于要求可靠性高，重量轻， 但容量不大的便携式系统中，。 c f 卡全称是“c o m p a c t f l a s h ”( c f ：压缩闪存) ，是目前世界上最小的 大容量存储设备，1 9 9 4 年由s a n d i s k 最先推出。c f 卡具有p c m c i a a t a 功能，并与之兼容；它是一种固态产品，也就是工作时没有运动部件( 当 然不工作时也一样) 。c f 卡采用闪存( f l a s h ) 技术，是一种稳定的存储解 决方案，不需要电池来维持其中存储的数据。c f 卡一般用在数码相机、 掌上电脑、m p 3 等设备里面，读写都用配套的读卡器。要应用于工业现场 的数据采集系统，就需要针对具体问题搭建一些相应的外围电路。目前很 少有人从底层对它们进行直接的操作，构成现场的大容量存储设备。而且 哈尔滨工程大学硕士学位论文 现在价格也是它的劣势，真正大容量的闪存还是没有的，目前的闪存卡 1 6 g b 、3 2 g b 的闪存卡还只是出现在各厂家的发展计划中b 1 。 而硬盘作为近年来数据存储的主力，具有容量大、控制方便等优点， 充分发挥硬盘的优势，可以开发出存储速度高、存储量大、性能可靠的数 据存储系统。而硬盘由于接口的不同，可分为i d e 、s a t a 、s c s i 和光纤 通道四种，i d e 接口硬盘多用于家用产品中，也部分应用于服务器，s c s i 接口的硬盘则主要应用于服务器市场，而光纤通道只在高端服务器上，价 格昂贵。s a t a 是种新生的硬盘接口类型，还正处于市场普及阶段，在家 用市场中有着广泛的前景嘲。因此，从存储容量、读写速度和单位成本还 有系统开发难度等诸方面考虑，采用基于i d e 硬盘直接数据存储是很有 优势的。 1 2 数据采集系统系统的构成 本设计的主要内容是：利用d s p 器件对硬盘进行直接脱机管理，同 时利用硬盘的大容量存储的有利条件对前端采集的数据进行实时的存储， 可以使数据的存储摆脱笨重的微机的限制，而同时可以做到数据的高速 度、大容量、实时存储，在实际的应用中具有广泛的实用价值。系统整体 框图如图1 1 所示： 图1 1 系统整体框图 整个硬盘存储采集系统分为三大部分： ( 1 ) 数据采集及其控制部分； ( 2 ) 数据缓冲部分； ( 3 ) 硬盘存储及其控制部分。 数据采集部分使用1 2 路d 进行数据采集，每一通道的最高采集速 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 率是1 9 2 k h z ，将前端接收机处理后的模拟信号转换成数字信号，转入下 一步的处理或者存储。 数据采集的数据缓冲部分的功能是：由于时序的不匹配，前端采集的 数据无法直接存入硬盘，因此需要一个f i f o 进行匹配缓冲，使采集的数 据和硬盘的存储可以分别按照各自不同的时序和速度进行操作，解决了不 同时序的匹配问题。从数据采集部分得到的数据需采用f i f o 作数据缓存， 将采集的数据存满一定的容量，再对其进行块存储操作，然后在d s p 的 控制之下，将f i f o 中的数据直接存入硬盘，可以提高存储的速度。 硬盘的存储、控制及时序转换部分主要完成从f i f o 中将采集的数据 取出存入硬盘，而时序的转换部分完成各种时序的转换使各种时序满足硬 盘读写的要求。 1 3 系统主要特点 该系统要求在低功耗的情况下，以f a t 3 2 分区格式存储数据，在1 2 路2 4 位d 在1 9 2 k h z 的采样频率条件下实现数据采集存储，它具有以 下特点： ( 1 ) 采用p i o 模式对两块硬盘进行块操作写盘，可以有较高的存盘 速度； ( 2 ) 以f a t 3 2 分区格式存储数据，存储的数据可直接由计算机读出； ( 3 ) 多数模块由f p g a 来实现，具有较强的扩展性； ( 4 ) 大多数采用低功耗器件，使系统具有较低的功耗； ( 5 ) 可用于要进行脱离计算机的高速大容量数据采集的场合。 1 4 论文主要研究内容 论文第一章讲述了本设计的意义，并给出了采集系统的主要特点和本 论文的主要研究内容。论文第二章介绍了硬盘数据存储的原理。着重讲述 了硬盘的结构、i d e 接口和协议以及f a t 3 2 文件格式。论文第三章主要针 对系统的硬件电路，介绍了d 转换器、数字信号处理器、现场可编程 门阵列( f p g a ) 、多路复用开关和并行存储的实现方案。论文第四章主要 介绍数据存储的汇编语言程序设计。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章数据存储原理 2 1 硬盘的基本知识 在这个系统中采用硬盘来作为数据存储的载体，在这一章里将介绍一 下关于硬盘的一些概念。对于一块硬盘来说，主要有硬盘结构、磁头技术、 接口、容量、单碟容量、缓冲区容量、每分钟转速、平均寻道时间、平均 访问时间、数据传输率、平均潜伏期等概念卜1 。 ( 1 ) 结构 硬盘是一个集机、电、磁于一体的高精密系统。硬盘内部结构由固定 面板、控制电路板子、磁头、盘片、主轴、电机、接口及其它附件组成， 其中磁头组件是构成硬盘的核心。 磁头组件是硬盘最精密的部件之一，主要包括读写磁头、传动手臂、 传动轴三部分组成。 盘片是硬盘中承载数据存储的介质，硬盘是由多个盘片叠加在一起， 互相之间由垫圈隔开。硬盘盘片是以坚固耐用的材料为盘基，其上在附着 磁性物质，表面被加工的相当平滑。因为盘片在硬盘内部高速旋转( 有 5 4 0 0 转、7 2 0 0 转、1 0 0 0 0 转，甚至1 5 0 0 0 转) ，因此制作盘片的材料硬度 和耐磨性要求很高，所以一般采用合金材料，多数为铝合金。 磁头：用来读写数据，磁头在启动、停止的时候接触硬盘表面，在启 停区接触。磁头工作时候，不接触表面，处于飞行状态，“悬浮 在高度 约0 1 微米- - , 0 3 微米的高度，这个高度非常小。 主轴组件：主轴组件主要包括主轴部件，如轴承、驱动电机等。 前置电路：前置电路控制磁头的感应信号、主轴电机调速、磁头驱动 和伺服定位等。 现在绝大多数硬盘在结构上都是温彻斯特盘，其核心就是：磁盘片被 密封、固定并且不停高速旋转，磁头悬浮于盘片上方沿磁盘径向移动，并 且不和盘片接触p 1 。 ( 2 ) 磁头技术 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 硬盘磁头是硬盘读取数据的关键部件，它的主要作用就是将存储在硬 盘盘片上的磁信息转化为电信号向外传输，而它的工作原理则是利用特殊 材料的电阻值会随着磁场变化的原理来读写盘片上的数据，磁头的好坏在 很大程度上决定着硬盘盘片的存储密度。目前比较常用的是g m r ( g i a n t m a g n e t or e s i s i v e ) 巨磁阻磁头，g m r 磁头的使用了磁阻效应更好的材料 和多层薄膜结构，这比以前的传统磁头和m r ( m a g n e t or e s i s i v e ) 磁阻磁 头更为敏感，相对的磁场变化能引起来大的电阻值变化，从而实现更高的 存储密度p 1 。 磁头是硬盘中对盘片进行读写工作的工具，是硬盘中最精密的部位之 一。磁头是用线圈缠绕在磁芯上制成的。硬盘在工作时，磁头通过感应旋 转的盘片上磁场的变化来读取数据；通过改变盘片上的磁场来写入数据。 为避免磁头和盘片的磨损，在工作状态时，磁头悬浮在高速转动的盘片上 方，而不与盘片直接接触，只有在电源关闭之后，磁头会自动回到在盘片 上的固定位置( 称为着陆区，此处盘片并不存储数据，是盘片的起始位置) 。 由于磁头工作的性质，对其磁感应敏感度和精密度的要求都非常高。 早先的磁头采用铁磁性物质，在磁感应敏感度上不是很理想，因此早期的 硬盘单碟容量都比较低，单碟容量大则盘片上磁道密度大，磁头感应程度 不够，就无法准确读出数据。这就造成早期的硬盘容量都很有限。随着技 术的发展，磁头在磁感应敏感度和精密度方面都有了长足的进步。 最初磁头是读、写功能一起的，这对磁头的制造工艺、技术都要求很 高，而对于个人电脑来说，在与硬盘交换数据的过程中，读取数据远远快 于写入数据，读、写操作二者的特性也完全不同，这也就导致了读、写分 离的磁头，二者分别工作、各不干扰。 硬盘的磁头数取决于硬盘中的盘片数，盘片正反两面都存储着数据， 所以一个盘片对应两个磁头才能正常工作。比如总容量8 0 g b 的硬盘，采 用单碟容量8 0 g b 的盘片，那只有一张盘片，该盘片正反面都有数据，则 对应两个磁头；而同样总容量1 2 0 g b 的硬盘，采用二张盘片，则只有三 个磁头，其中一张盘片的一面没有磁头。 ( 3 ) 接口 硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件，作用是在硬盘缓存和主机 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 内存之间传输数据。不同的硬盘接口决定着硬盘与计算机之间的连接速 度，在整个系统中，硬盘接口的优劣直接影响着程序运行快慢和系统性能 好坏。从整体的角度上，硬盘接口分为i d e 、s a t a 、s c s i 和光纤通道四 种，i d e 接口硬盘多用于家用产品中，也部分应用于服务器，s c s i 接口 的硬盘则主要应用于服务器市场，而光纤通道只在高端服务器上，价格昂 贵。s a t a 是种新生的硬盘接口类型，还正处于市场普及阶段，在家用市 场中有着广泛的前景。在i d e 和s c s i 的大类别下，又可以分出多种具体 的接口类型，又各自拥有不同的技术规范，具备不同的传输速度，比如 a t a l 0 0 和s a t a ；u l t r a l 6 0s c s i 和u l t r a 3 2 0s c s i 都代表着一种具体的硬 盘接口，各自的速度差异也较大。 i d e 的英文全称为“i n t e g r a t e dd r i v ee l e c t r o n i c s ”，即“电子集成驱动 器”，它的本意是指把“硬盘控制器 与“盘体 集成在一起的硬盘驱动 器。把盘体与控制器集成在一起的做法减少了硬盘接口的电缆数目与长 度，数据传输的可靠性得到了增强，硬盘制造起来变得更容易，因为硬盘 生产厂商不需要再担心自己的硬盘是否与其它厂商生产的控制器兼容。对 用户而言，硬盘安装起来也更为方便。i d e 这一接口技术从诞生至今就一 直在不断发展，性能也不断的提高，其拥有的价格低廉、兼容性强的特点， 为其造就了其它类型硬盘无法替代的地位。 s c s i 的英文全称为“s m a l lc o m p u t e rs y s t e mi n t e r f a c e ”( 小型计算机 系统接口) ，是同i d e ( a t a ) 完全不同的接口，i d e 接口是普通p c 的标 准接口，而s c s i 并不是专门为硬盘设计的接口，是一种广泛应用于小型 机上的高速数据传输技术。s c s i 接口具有应用范围广、多任务、带宽大、 c p u 占用率低，以及热插拔等优点，但较高的价格使得它很难如i d e 硬 盘般普及，因此s c s i 硬盘主要应用于中、高端服务器和高档工作站中7 1 。 光纤通道的英文拼写是f i b r ec h a n n e l ，和s c s i 接口一样光纤通道最 初也不是为硬盘设计开发的接口技术，是专门为网络系统设计的，但随着 存储系统对速度的需求，才逐渐应用到硬盘系统中。光纤通道硬盘是为提 高多硬盘存储系统的速度和灵活性才开发的，它的出现大大提高了多硬盘 系统的通信速度。光纤通道的主要特性有：热插拔性、高速带宽、远程连 接、连接设备数量大等悼1 。 6 哈尔滨1 _ 程大学硕士学能论文 光纤通道是为在像服务器这样的多硬盘系统环境而设计，能满足高端 工作站、服务器、海量存储子网络、外设间通过集线器、交换机和点对点 连接进行双向、串行数据通讯等系统对高数据传输率的要求。 使用s a t a ( s e r i a l a t a ) 口的硬盘又叫串口硬盘，是未来p c 机硬盘 的趋势。2 0 0 1 年，由i n t e l 、a p t 、d e l l 、i b m 、希捷、迈拓这几大厂商组 成的s e r i a la t a 委员会正式确立了s e r i a la t a1 0 规范，2 0 0 2 年，虽然串 行a t a 的相关设备还未正式上市，但s e r i a la t a 委员会已抢先确立了 s e r i a l a t a 2 0 规范。s e r i a l a t a 采用串行连接方式，串行a t a 总线使用嵌 入式时钟信号，具备了更强的纠错能力，与以往相比其最大的区别在于能 对传输指令( 不仅仅是数据) 进行检查，如果发现错误会自动矫正，这在 很大程度上提高了数据传输的可靠性。串行接口还具有结构简单、支持热 插拔的优点。 ( 4 ) 容量 容量可以说是用户对硬盘认识最多的一个技术指标，它的单位是兆字 节( m b ) 或千兆字节( g b ) 。影响容量的两个因素是单碟容量和盘片数量。 顾名思义，单碟容量也就是在单张盘片上所能存储的信息容量，单盘容量 越大，实现大容量硬盘也就越容易，寻找数据所需的时间也相对减少。现 在硬盘的单碟容量是越做越大了，一般都可以达到2 0 g 。如果单碟容量相 同，那么总容量的不同就意味着磁头数量( 即数据面数，一张磁盘有两个 数据面，但有时只用一个，而一个数据面对应一个磁头) 的不同，这其中 会与性能有什么关系呢? 由此就要联系到柱面这一概念，柱面是指硬盘中 每张磁盘上编号( 位置) 相同的磁道集合，硬盘操作时，是从最外圈柱面 开始，当该柱面所有磁道用完后，再移至内圈的下一个柱面，而不是先存 完一张盘再存一张盘。同系列的硬盘的柱面数是一样的，但每个柱面包含 的磁道数要因磁头数而异，计算公式为：磁道数= 磁头数柱面数。大家可 以这么认为，8 0 g b 型号中一个柱面相当于2 0 g b 型号中的4 个柱面，而 同一柱面内的磁道切换速度通常要快于柱面间的切换，对保持数据传输率 更为有利p 1 。 ( 5 ) 缓冲区容量 缓存( c a c h em e m o r y ) 是硬盘控制器上的一块内存芯片，具有极快的 7 哈尔滨工程大学硕十学能论文 存取速度，它是硬盘内部存储和外界接口之间的缓冲器。由于硬盘的内部 数据传输速度和外界接口传输速度不同，缓存在其中起到一个缓冲的作 用。缓存的大小与速度是直接关系到硬盘的传输速度的重要因素，能够大 幅度地提高硬盘整体性能。当硬盘存取零碎数据时需要不断地在硬盘与内 存之间交换数据，如果有大缓存，则可以将那些零碎数据暂存在缓存中， 减小外系统的负荷，也提高了数据的传输速度。 硬盘的缓存主要起三种作用：一是预读取。当硬盘受到c p u 指令控 制开始读取数据时，硬盘上的控制芯片会控制磁头把正在读取的簇的下一 个或者几个簇中的数据读到缓存中( 由于硬盘上数据存储时是比较连续 的，所以读取命中率较高) ，当需要读取下一个或者几个簇中的数据的时 候，硬盘则不需要再次读取数据，直接把缓存中的数据传输到内存中就可 以了，由于缓存的速度远远高于磁头读写的速度，所以能够达到明显改善 性能的目的；二是对写入动作进行缓存。当硬盘接到写入数据的指令之后， 并不会马上将数据写入到盘片上，而是先暂时存储在缓存里，然后发送一 个“数据已写入 的信号给系统，这时系统就会认为数据已经写入，并继 续执行下面的工作，而硬盘则在空闲( 不进行读取或写入的时候) 时再将 缓存中的数据写入到盘片上。虽然对于写入数据的性能有一定提升，但也 不可避免地带来了安全隐患如果数据还在缓存里的时候突然掉电，那 么这些数据就会丢失。对于这个问题，硬盘厂商们自然也有解决办法：掉 电时，磁头会借助惯性将缓存中的数据写入零磁道以外的暂存区域，等到 下次启动时再将这些数据写入目的地；第三个作用就是临时存储最近访问 过的数据。有时候，某些数据是会经常需要访问的，硬盘内部的缓存会将 读取比较频繁的一些数据存储在缓存中，再次读取时就可以直接从缓存中 直接传输川。 缓存容量的大小不同品牌、不同型号的产品各不相同，早期的硬盘缓 存基本都很小，只有几百k b ，已无法满足用户的需求。2 m b 和8 m b 缓 存是现今主流硬盘所采用，而在服务器或特殊应用领域中还有缓存容量更 大的产品，甚至达到了1 6 m b 、6 4 m b 等。 大容量的缓存虽然可以在硬盘进行读写工作状态下，让更多的数据存 储在缓存中，以提高硬盘的访问速度，但并不意味着缓存越大就越出众。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 缓存的应用存在一个算法的问题，即便缓存容量很大，而没有一个高效率 的算法，那将导致应用中缓存数据的命中率偏低，无法有效发挥出大容量 缓存的优势。算法是和缓存容量相辅相成，大容量的缓存需要更为有效率 的算法，否则性能会大打折扣，从技术角度上说，高容量缓存的算法是直 接影响到硬盘性能发挥的重要因素。更大容量缓存是未来硬盘发展的必然 趋势。 ( 6 ) 每分钟转速( r p m ，r e v o l u t i o n sp e rm i n u t e ) 转速( r o t a t i o n ls p e e d ) ，是硬盘内电机主轴的旋转速度，也就是硬盘 盘片在一分钟内所能完成的最大转数。转速的快慢是标示硬盘档次的重要 参数之一，它是决定硬盘内部传输率的关键因素之一，在很大程度上直接 影响到硬盘的速度。硬盘的转速越快，硬盘寻找文件的速度也就越快，相 对的硬盘的传输速度也就得到了提高。硬盘转速以每分钟多少转来表示， 单位表示为r p m ，r p m 是r e v o l u t i o n sp e rm i n u t e 的缩写，是转每分钟。 r p m 值越大，内部传输率就越快，访问时间就越短，硬盘的整体性能也 就越好。 硬盘的主轴马达带动盘片高速旋转，产生浮力使磁头飘浮在盘片上 方。要将所要存取资料的扇区带到磁头下方，转速越快，则等待时间也就 越短。因此转速在很大程度上决定了硬盘的速度。 家用的普通硬盘的转速一般有5 4 0 0 r p m 、7 2 0 0 r p m 几种，高转速硬盘 也是现在台式机用户的首选；而对于笔记本用户则是4 2 0 0 r p m 、5 4 0 0 r p m 为主，虽然已经有公司发布了7 2 0 0 r p m 的笔记本硬盘，但在市场中还较为 少见；服务器用户对硬盘性能要求最高，服务器中使用的s c s i 硬盘转速 基本都采用1 0 0 0 0 r p m ，甚至还有1 5 0 0 0 r p m 的，性能要超出家用产品很多。 较高的转速可缩短硬盘的平均寻道时间和实际读写时间，但随着硬盘 转速的不断提高也带来了温度升高、电机主轴磨损加大、工作噪音增大等 负面影响。笔记本硬盘转速低于台式机硬盘，一定程度上是受到这个因素 的影响。笔记本内部空间狭小，笔记本硬盘的尺寸( 2 5 寸) 也被设计的 比台式机硬盘( 3 5 寸) 小，转速提高造成的温度上升，对笔记本本身的 散热性能提出了更高的要求；噪音变大，又必须采取必要的降噪措施，这 些都对笔记本硬盘制造技术提出了更多的要求。同时转速的提高，而其它 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 的维持不变，则意味着电机的功耗将增大，单位时间内消耗的电就越多， 电池的工作时间缩短，这样笔记本的便携性就受到影响。所以笔记本硬盘 一般都采用相对较低转速的4 2 0 0 r p m 硬盘。 ( 7 ) 平均寻道时间( a v e r a g es e e kt i m e ) 平均寻道时间的英文拼写是a v e r a g es e e kt i m e ，它是了解硬盘性能至 关重要的参数之一。它是指硬盘在接收到系统指令后，磁头从开始移动到 移动至数据所在的磁道所花费时间的平均值，它一定程度上体现硬盘读取 数据的能力，是影响硬盘内部数据传输率的重要参数，单位为毫秒( m s ) 。 不同品牌、不同型号的产品其平均寻道时间也不一样，但这个时间越低， 则产品越好，现今主流的硬盘产品平均寻道时间都在在9 m s 左右。 平均寻道时间实际上是由转速、单碟容量等多个因素综合决定的一个 参数。一般来说，硬盘的转速越高，其平均寻道时间就越低；单碟容量越 大，其平均寻道时间就越低。当单盘片容量增大时，磁头的寻道动作和移 动距离减少，从而使平均寻道时间减少，加快硬盘速度。当然处于市场定 位以及噪音控制等方面的考虑，厂商也会人为的调整硬盘的平均寻道时 间。 在硬盘上数据是分磁道、分簇存储的，经常的读写操作后，往往数据 并不是连续排列在同一磁道上，所以磁头在读取数据时往往需要在磁道之 间反复移动，因此平均寻道时间在数据传输中起着十分重要的作用。在读 写大量的小文件时，平均寻道时间也起着至关重要的作用。在读写大文件 或连续存储的大量数据时，平均寻道时间的优势则得不到体现，此时单碟 容量的大小、转速、缓存就是较为重要的因素。 ( 8 ) 数据传输率( d t r ，d a t at r a n s f e rr a t e ) 硬盘数据传输率的英文拼写为d a t at r a n s f e rr a t e ，简称d t r 。硬盘数 据传输率表现出硬盘工作时数据传输速度，是硬盘工作性能的具体表现， 它并不是一成不变的而是随着工作的具体情况而变化的。在读取硬盘不同 磁道、不同扇区的数据；数据存放的是否连续等因素都会影响到硬盘数据 传输率。因为这个数据的不确定性，所以厂商在标示硬盘参数时，更多是 采用外部数据传输率( e x t e r n a lt r a n s f e rr a t e ) 和内部数据传输率( i n t e r n a l t r a n s f e rr a t e ) i l l l 。 1 0 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 外部数据传输率( e x t e r n a lt r a n s f e rr a t e ) ，一般也称为突发数据传输 或接口传输率。是指硬盘缓存和电脑系统之间的数据传输率，也就是计算 机通过硬盘接口从缓存中将数据读出交给相应的控制器的速率。平常硬盘 所采用的a t a 6 6 、a t a l 0 0 、a t a l 3 3 等接口，就是以硬盘的理论最大外部 数据传输率来表示的。a t a l 0 0 中的1 0 0 就代表着这块硬盘的外部数据传 输率理论最大值是1 0 0 m b s ；a t a l 3 3 则代表外部数据传输率理论最大值 是1 3 3 m b s ；而s a t a 接口的硬盘外部理论数据最大传输率可达1 5 0 m b s 。 这些只是硬盘理论上最大的外部数据传输率，在实际的日常工作中是无法 达到这个数值的。 内部数据传输率( i n t e r n a lt r a n s f e rr a t e ) 是指硬盘磁头与缓存之间的 数据传输率，简单的说就是硬盘将数据从盘片上读取出来，然后存储在缓 存内的速度。内部传输率可以明确表现出硬盘的读写速度，它的高低才是 评价一个硬盘整体性能的决定性因素，它是衡量硬盘性能的真正标准。有 效地提高硬盘的内部传输率才能对磁盘子系统的性能有最直接、最明显的 提升。目前各硬盘生产厂家努力提高硬盘的内部传输率，除了改进信号处 理技术、提高转速以外，最主要的就是不断的提高单碟容量以提高线性密 度。由于单碟容量越大的硬盘线性密度越高，磁头的寻道频率与移动距离 可以相应的减少，从而减少了平均寻道时间，内部传输速率也就提高了。 虽然硬盘技术发展的很快，但内部数据传输率还是在一个比较低( 相对) 的层次上，内部数据传输率低已经成为硬盘性能的最大瓶颈。 ( 9 ) 平均潜伏期( a v e r a g el a t e n c y ) 这一指标是指当磁头移动到指定磁道后，要等多长时间指定的读写 扇区会移动到磁头下方( 盘片是旋转的) ，盘片转得越快，潜伏期越短。 平均潜伏期是指磁盘转动半圈所用的时间。显然，同一转速的硬盘的平均 潜伏期是固定的。7 2 0 0 r p m 时约为4 1 6 7 m s ，5 4 0 0 r p m 时约为5 5 5 6 m s 。 ( 1 0 ) 平均访问时间( a v e r a g ea c c e s st i m e ) 又称平均存取时间，一般在厂商公布的规格中不会提供，这一般是测 试成绩中的一项，其含义是指从读写指令发出到第一笔数据读写时所用 的平均时间，包括了平均寻道时间、平均潜伏期与相关的内务操作时间( 如 哈尔滨工程大学硕十学位论文 指令处理) ，由于内务操作时间一般很短( 一般在0 2 m s 左右) ，可忽略不 计，所以平均访问时间可近似等于平均寻道时问+ 平均潜伏期，因而又称 平均寻址时间。如果一个5 4 0 0 r p m 硬盘的平均寻道时间是9 m s ，那么理 论上它的平均访问时间就是1 4 5 5 6 m s 。 除了以上提到的这些技术指标外，影响硬盘性能的还有磁道至磁道时 间、硬盘表面温度、噪声等因素，这里就不再赘述了。由于本系统是基于 i d e 接口的，下面就详细介绍一下i d e 协议。 2 2i d e 接口 平常所说的i d e 接口，也称之为a t a 接口。a r a 的英文拼写为 “a d v a n c e dt e c h n o l o g ya t t a c h m e n t ”，含义是“高级技术附加装置”。a t a 接 口最早是在i 9 8 6 年由康柏、西部数据等几家公司共同开发的，在九十年 代初开始应用于台式机系统。它使用一个4 0 芯电缆与主板进行连接，最 初的设计只能支持两个硬盘，最大容量也被限制在5 0 4m b 之内1 1 2 o a t a 接口从诞生至今，共推出了7 个不同的版本，分别是：a t a - 1 ( i d e ) 、 a t a 2 ( e i d ee n h a n c e di d e f a s ta t a ) 、a t a 3 ( f a s t a t a 2 ) 、a t a 4 ( 、 f _ 气3 3 ) 、a t a 5 ( a t a 6 6 ) 、姒6 ( a t a l 0 0 ) 、a t a 7 ( a t a1 3 3 ) 。 2 2 1 电气接口 i d e 接口的a t a 标准中除了包括信号电缆之外，还有一些设备的供电 电源导线。 2 2 1 1 信号电缆和连接器 i d e 接口使用的是一条4 0 针的带状电缆，一般来说，这条带状电缆 的长度不会超过4 6 c m ( 1 8 英寸) 。电缆连接器通常被安装在带状电缆的 两端用来连接主机和硬盘驱动器。几乎所有的信号都采用t t l 电平，只 有少数信号例外，如d a s p 、p d i a g 和i o c s l 6 。 2 2 1 2 电源电压 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在磁盘驱动器中所采用的电源电压也符合a t a 标准。在下表2 1 中 列出了电源的参数。 表2 1a t a 协议电源管脚分配 管脚信号 1+ 1 2 v 2地 3地 4+ 5 v 2 2 1 3 信号 a t a 接口一般为4 0 脚，用扁平电缆连接主机和硬盘，电缆连接器长 度一般不超过4 6 c m 。表2 2 为各管脚功能的简要描述。信号的名字前一 表示是低电平有效。数据流的方向是相对于磁盘驱动器而言的：i n 表示 进入磁盘驱动器，o u t 表示从磁盘驱动器出来，i o 表示数据的传输是双 向的。 表2 2a t a 协议i d e 针脚安排 名称来源信号管脚管脚信号来源名称 复位 l 复位 12地地 数据线位7 i od d 734d d 8i o数据线位8 数据线位6i od d 756d d 9 1 o数据线位9 数据线位5 i 0d d 778d d l 0i o 数据线位1 0 数据线位4i o d d 79 1 0 d d l ll o 数据线位1 1 数据线位3 i od d 71 11 2d d l 2i o数据线位1 2 数据线位2 i od d 71 31 4d d l 3l o 数据线位1 3 数据线位1 i 0d d 71 51 6d d l 4i o数据线位1 4 数据线位0 i od d 71 71 8d d l 5i o 数据线位1 5 地g r o u n d1 92 0n c ( 编码管脚) d m a 请求od m a r 0 2 12 2g r o u n d 地 i o 写ld i o w2 32 4g r o u n d地 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 续表2 2a t a 协议i d e 针脚安排 l o 读 id i o r2 52 6g r o u n d地 i o 准备好o l o r d y2 7 2 8 c s e l 电缆 d m a 确认i d m a c k 2 93 0g r o u n d地 中断请求oi n t r q 3 13 2i o c $ 1 6o 1 6 位传输 地址位1id a l3 33 4p d l a go通过诊断 地址位0ld a 03 53 6d a 2l地址位2 芯片选择0 ic s o 3 73 8c s l i 芯片选择1 驱动器激活od a s p3 94 0g r o u n d地 1 c s 0 、c s l 、d a 0 、d a l 、d a 2 为硬盘地址线，用来选通硬盘内部寄 存器，c s 0 、c s l 低电平有效。 2 d d 0 d d l 5 ：这些信号可以直接从总线的数据线中获得。它们用来向 寄存器组和磁盘驱动器传送数据。 3 d m a r q 、d m a c k 是进行d m a 操作时的一对握手信号。因为d m a 的特性是可选的，所以这些信号也是可选的。 4 i o c s l 6 ：该信号用来通知主机将要进行一个1 6 位的数据传输。否则， 将要进行8 位的数据传输，同时将会使用d d 0 d d 7 的数据线。但是， 它仅仅适用于寄存器到数据寄存器的访问，并不适用于访问其它的寄存器 及d m a 传输模式。在本设计中没有对该信号进行设置。 5 i n t r q 是硬盘产生的中断请求信号。 6 c s e l ( c a b l es e l e c t ) 接g n d 默认硬盘为设备o ，接v c c 默认硬盘为 设备1 。通常一个i d e 接口可以连接两块硬盘，以8 0 线电缆为例，在电 缆中间的接口连接的是设备0 ，电缆末端的接口连接的是设备1 。 7 p d n g 上电启动后当设备1 自检结束时给出p d i a g 通知设备o ，低 电平有效。当系统r e s e t 后、或执行完命令i d e n t i f yd e v i c e 或i d e n t i f yp a c k e t d e v i c e 后主机可对该管脚采样，如为低电平则使用的是8 0 线电缆可以进 行高速数据传输，否则使用的是4 0 线电缆不能使用d m a 方式3 及以上 工作方式。 8 i o r d y 该管脚被i o r d y ：d d m a r d y ：d s t r o b e 复用。 1 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 9 i o r d y 在i o 传输方式3 、方式4 和进行d m a 传输时主机一定要响 应i o r d y ，如果使用i o 传输方式o 、方式1 、方式2 传输数据时可选择 使硬盘不产生这个信号。 1 0 d d m a r d y ，在以u d m a 方式向硬盘传输数据时，该信号为低表示 设备已经可以接收数据，当该信号变高则主机应暂停数据传输。 1 1 d s t r o b e ，在以u d m a 方式从硬盘读取数据时，该信号作为读时钟， 上升沿和下降沿都有效。 1 2 d i o r 该管脚被d i o r ：h d m a r d y ：h s t r o b e 复用。 1 3 d i o r 是i o 和r e g i s t e r 传输时的读信号。 1 4 h d m a r d y ，在以u d m a 方式从硬盘读取数据时，主机使用该信号 通知设备已经可以接收数据，如果该信号未被激活，则设备应暂停数据传 输。 1 5 h s t r o b e ，在以u d m a 方式向硬盘传输数据时，该信号作为写时钟， 上升沿和下降沿都有效。 1 6 d i o w 该管脚被d i o w 和s t o p 复用。 1 7 d i o w 是i o 和r e g i s t e r 传输时的写信号。 1 8 s t o p ，在以u d m a 方式传输数据时应首先激活该信号，在u d m a 初 始化过程中将其拉低，当主机再次激活该信号时则终止u d m a 传输。 1 9 d i o w 和d i o r ：这两个信号是对磁盘驱动器的寄存器进行读写时的 一对问答握手信号。对于本设计中所采用的p i o 读写模式不同的模式所对 应的两者的读写的时序要求特别是保持和建立的时间不同。 2 0 d a s p 该信号用来表示硬盘的工作状态，当d a s p 为低电平时表示硬 盘正在工作