（信号与信息处理专业论文）基于dsp的磁盘阵列的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着声纳信号采集系统的发展，有时需要高速的、大数据量的、便携的 存储设备。随着科技的发展，现在的硬盘容量越来越大，但存储速度较慢， 不能满足需要：而其他存储设备，如r a i v i 、f l a s h 等，速度快，容量又难以做 大。所以，有人另辟蹊径，提出了r a i d 的概念。r a i d 是r e d u n d e n ta r r a yo f i n e x p e n s i v ed i s k s 的缩写，直译为“廉价冗余磁盘阵列”，也简称为“磁盘 阵列”。可以把r a i d 理解成一种使用磁盘驱动器的方法，它将一组磁盘驱动 器用某种逻辑方式联系起来，作为逻辑上的一个磁盘驱动器来使用。这样， 组成的逻辑磁盘驱动器的容量等于各个磁盘驱动器容量的总和。由于可以让 很多磁盘驱动器同时传输数据，而这些磁盘驱动器在逻辑上又是一个磁盘驱 动器，所以使r a i d 可以达到单个的磁盘驱动器几倍、几十倍甚至上百倍的速 率。 本论文利用d s p 和f p g a 实现对磁盘阵列的直接控制，并利用u s b 总线实 现磁盘阵列与p c 之间的数据传输。本设计还具有良好的灵活性和可扩展性， 可适应各种存储要求。 本论文主要研究内容包括：i 用d s p 实现对多块硬盘的控制，数据分割 及传输。2 用u s b 实现磁盘阵列与p c 机之间的数据传输，包括u s b 驱动程 序的编写。3 对数据的格式化存储。 关键词：d s p ：d e ；磁盘阵列； u s b 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o n a rs i g n a lc o l l e c t i o ns y s t e m ，t h eh i g h s p e e d ，b i g c a p a b i l i t y a n dc a r r y - h o m e s t o r a g e d e v i c ei s n e e d e d t o d a yp ch a r dd i s k ，s c a p a b i l i t yc a l lb em a d eb i g g e ra n db i g g e r , b u ti t ss p e e di ss l o w o t h e rs t o r a g e d e v i c e ，s u c h a s r a m ，f l a s h ，a r eh i g hs p e e db u ts m a l lc a p a b i l i t y s ot h e r e d u n d a n ta r r a y so f i n e x p e n s i v ed i s k s ( r a i d ) w a si n v e n t e d t h eb a s i ci d e ao f r a i dw a st oc o m b i n em u l t i p l es m a l l ，i n e x p e n s i v ed i s kd r i v e si n t o a na r r a yo f d i s kd r i v e sw h i c h y i e l d sp e r f o r m a n c ee x c e e d i n g t h a to fas i n g l el a r g e e x p e n s i v e d r i v e a d d i t i o n a l l y , t h i sa r r a yo f d r i v e sa p p e a r s t ot h e c o m p u t e r a sa s i n g l el o g i c a l s t o r a g eu n i to rd r i v e i nt h i sp a p e r , a l li d ed i s k a r r a yd a t as t o r a g es y s t e mb a s e do nd s p i sd e s i g n e d a n d c o m p l e t e d b e c a u s eo f u s i n g t h ea d v a n c e d d s p ，p o p u l a rh i g hs p e e du s b b u s a n dl a r g es c a l ef p g a u s i n gv h d lh a r d w a r ed e s c r i p t i v el a n g u a g et od e s i g nt h e i n t e r f a c el o g i c ，t h el e v e lo f d e s i g n e dh a r d w a r ei st oac e r t a i nd e g r e e t h i sp a r a l l e l p r o c e s s i n gs y s t e m c a l lb e e a s i l ye x p a n d e d t om o r e c o m p l i c a t e ds y s t e m i nt h i sp a p e r , t h em a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s ：1 aa l li d ed i s ka r r a yd a t a s t o r a g es y s t e mb a s e do nd s p h a sb e e nd e v e l o p e d 2 t h eu s bb u sb e t w e e nt h e h a r da r r a ya n dp ci sd e s i g n e da n dr e a l i z e d t h ed r i v e ro ft h eu s bb u sd e v i c ei s c o m p i l e d 3 t h ed a t ai ss t o r e di nf o r m a t i o n k e yw o r d s ：d s p ；i d e ；d i s ka r r a y ；u s b 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 在数据采集系统中，有时需要高速的、大数据量的、便携的存储设备。 随着科技的发展，现在的硬盘容量越来越大，但存储速度只有1 0 m b s 左右， 不能满足需要；而其他存储设备，如r a m 、f l a s h 等，容量又难以做大。所以， 有人另辟蹊径，提出了磁盘阵列的概念。现在市面上可以买到的一种磁盘阵 列r a i d ，是由美国加州大学伯克利分校的d a p a t t e r s o n 教授在1 9 8 8 年提 出的。r a i d 是r e d u n d e n ta r r a yo fi n e x p e n s i r ed i s k s 的缩写，直译为“廉 价冗余磁盘阵列”，也简称为“磁盘阵列”。后来r a i d 中的字母i 被改作了 i n d e p e n d e n t ，r a i d 就成了“独立冗余磁盘阵列”。但这只是名称的变化，实 质性的内容并没有改变。可以把r a i d 理解成一种使用磁盘驱动器的方法，它 将一组磁盘驱动器用某种逻辑方式联系起来，作为逻辑上的一个磁盘驱动器 来使用。这样，组成的逻辑磁盘驱动器的容量等于各个磁盘驱动器容量的总 和。由于可以让很多磁盘驱动器同时传输数据，而这些磁盘驱动器在逻辑上 又是一个磁盘驱动器，所以使r a i d 可以达到单个的磁盘驱动器几倍、几十倍 甚至上百倍的速率。因为使用的是普通硬盘，r a i d 还有另一个优点，就是成 本较低。 r a i d 自面世以来，应用非常广泛，技术也很成熟，目前已经发展到第七 代。但在我们的信号采集系统中，现成的r a i d 却难以应用。原因是现在产品 化的r a i d 都是基于p c i 总线的，不能脱离笨重的计算机。我的设计课题就是 要直接用d s p 控制磁盘阵列，使其可以直接连接采集系统，使采集系统可以 很方便的完成高速、大数据量的采集任务。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 ，2 磁盘阵列( r a l d ) 概述 1 2 1 硬盘的发展 从1 9 5 6 年9 月，i b m 的一个工程小组向世界展示了第一台磁盘存储系统 ib m3 5 0r a m a c ( r a n d o ma c c e s sm e t h o do fa c c o u n t i n ga n dc o n t r 0 1 ) 至今， 磁盘存储系统己经历了近半个世纪的发展。经历了这4 5 年，磁盘的变化可以 说是非常巨大的，最早的那台r a m a c 容量只有5 m b ，然而却需要使用5 0 个直 径为2 4 英寸的磁盘。但现在一块容量高达i o o g b 的硬盘只需要3 张3 5 英寸 磁盘片即可。 当然，i b m3 5 0r a m a c 与现在的硬盘有很大的差距，它只能算是硬盘的 丌山鼻祖。现代硬盘的真正原形，可以追溯到1 9 7 3 年，那时i b m 公司推出的 w i n c h e s t e r ( 温氏) 硬盘，它的特点是：”工作时，磁头悬浮在高速转动的盘 片上方，而不与盘片直接接触。使用时，磁头沿高速旋转的盘片上做径向移 动”，这便是现在所有硬盘的雏形。今天高端硬盘容量虽然高达上百g b ，但 它却仍然没有脱离”温彻斯特”的工作模式。 总得来说，硬盘主要包括：盘片、磁头、盘片主轴、控制电机、磁头控 制器、数据转换器、接口、缓存等几个部份。所有的盘片都固定在一个旋转 轴上，这个轴即盘片主轴。而所有盘片之间是绝对平行得，在每个盘片的存 储面上都有一个磁头，磁头与盘片之间的间隙比头发丝的直径还小。所有的 磁头连在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。磁头可沿 盘片的半径方向运动，而盘片以每分钟数千转的速度在高速旋转，这样磁头 就能对盘片上的指定位置进行数据的读写操作。 从构成的角度来看，各种硬盘是基本相同的。一个磁盘，通常由铝或玻 璃衬底材料构成，外面覆盖了一层可以磁化的介质( 铬，钉等) ，它提供了一 个精确的表面区域，因而离散的数据位可以写入到一系列的磁道中。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 数据位的读写操作由磁头来完成，磁头是固定在一个活动臂上，而活动 臂是由步进电机带动的；当电机旋转带动活动臂作径向运动时，臂上的磁头 在磁道间移动。而驱动电路逻辑用来控制磁头的移动并解释磁头在盘片介质 上探测到的状态。 驱动电路逻辑可以说是硬盘的大脑，它提供了很多功能，其中包括连接 硬盘到安装硬盘的系统或阵列的输入输出总线。 反映硬盘性能的主要参数包括： 硬盘电机的转速。 读写磁头的分辨率( 表明其把磁信号从背景噪音分开的效能) ； 介质的磁特性( 这很大程度上决定了最大可能的存储密度和存储介质内 容的生命期) ； 硬盘部件的抗震性； 所使用的空气过滤方法( 即使所谓的密封硬盘都有一个空气过滤器，在 硬盘由于空气中微小的粉尘会造成盘片的划伤) 。 衡量硬盘性能最常用的指标是数据传输率和寻道时间。数据传输率是指 每秒钟硬盘发送到c p u 的字节数。寻道时间指c p u 请求一个文件到第一个字 节被发送给c p u 的时间间隔。另外一个重要的指标是硬盘容量，也就是硬盘 所能存储的字节数。 所有种类的硬盘工作基本原理都类似：遵循应用程序的i o 指令找到数 据位的位置，从该处读出或写入相应的数据位。但是不同种类的硬盘却使用 不同的协议。驱动电路逻辑支持不同的i o 协议和技术规范。 i d e a t a ( 并行a t a ) 和串行i d e a t a 硬盘是相对比较便宜的硬盘设备， 它将控制器和驱动电路集成在一起。i d e 规范了硬盘如何通过线缆连接到服 务器，也规范了p c 或服务器主板上的接口标准。i d e a t a 协议已经有了5 个 修订版，其性能的不断提高满足了应用对速度和容量的需求。 首先我们来看看到底是那些指标决定了硬盘的性能 1 ：转速： 毫无疑问，转速是硬盘的所有指标中除了容量之外最为引人注目的性能 参数了。任何一款硬盘的面世时，它的宣传材料中都会在第一条提到它的转 速。转速对于硬盘随即传输速度和持续传输速度都有着极大的影响。目前， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i d e 硬盘主要由两个系列组成：5 4 0 0 r p m 和7 2 0 0 r p m 。 2 ：单碟容量： 如果说转速是硬盘性能的第一要素，那么处于第二位的无疑应该是磁碟 表面的磁记录密度。因为目前桌面i d e 硬盘壳子里一般来说最多只能放进4 张碟片，只有i b m 可以放5 张。显然，靠增加碟片来扩充容量己满足不断增 长的存储容量的需求是不可行的。只有提高每张碟片的容量才能从根本上解 决这个问题。而i d e 硬盘的标准尺寸是3 5 英寸( 盘片直径) ，因此，必须提 高磁记录的密度。然而随着磁碟密度的提高，磁头就必须随之越来越灵敏。 传统的m r 磁头所能承受的最大单碟容量是4 5 g 左右。目前，单碟容量超过 j g 的硬盘已经全部使用了g m r 磁头。 除了对于容量增长的贡献之外，单碟容量的另一个重要意义在于提升硬 盘的数据传输速度。单碟容量的提高得益于磁道数的增加和磁道内线性磁密 度的增加。磁道数的增加对于减少磁头的寻道时间大有好处，因为磁片的半 径是固定的，磁道数的增加意味着磁道间距离的缩短，而磁头从一个磁道转 移到另一个磁道所需的就位时间就会缩短。这将有助于随机数据传输速度的 提高。而磁道内线性磁密度的增长则和硬盘的持续数据传输速度有着直接的 联系。因为现在的i d e 硬盘早已不需要交错因子，磁碟每次从磁头下经过一 圉，磁头所在磁道中的目标数据会被读取一次。而磁道内线性密度的增加使 得每个磁道内可以存储更多的数据，从而在碟片的每个圆周运动中有更多的 数据被从磁头读至硬盘的缓冲区里。而新一代g m r 磁头技术则确保了这个增 长不会因为磁头的灵敏度的限制面放慢速度。这也就是为什么很多时候，更 高单碟容量的5 4 0 0 r p m 硬盘有着比单碟容量较低的7 2 0 0 r p m 硬盘更高的性能 的原因。 因此，磁盘的单碟容量是仅次于转速的第二大性能参数，它直接的决定 了硬盘的持续数据传输速度。而5 4 0 0 r p m 和7 2 0 0 r p m 两大系列中的不同代产 品的最明显的差距也就是单碟容量了。 3 ：磁头平均寻道时间 就是磁头到达目标数据所在磁道的平均时间。这个时间和磁头平均潜伏 时间( 完全由转速决定) 一起决定了硬盘磁头找到数据所在的簇的时间。这 个时间直接影响着硬盘的随机数据传输速度。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 磁头平均寻道时间除了和上面讲述的单碟容量有关外，最主要的决定因 素还是磁头动力臂的运行速度。目前的主流硬盘中，除了西捷的a t a 酷鱼稍 快为7 6 毫秒外。其余品牌的主流型号基本为8 5 9 毫秒。 4 ：缓存： 除了上面提到的3 个因素以外，提高硬盘高速缓存的容量也是一条提高 硬盘整体性能的捷径。 由于硬盘的内部数据传输速度( 数据从碟片到高速缓存的速度) 和介面 传输速度( 从硬盘高速缓存到系统主存的速度) 不同。因此需要缓存来做一 个速度适配器。缓存对硬盘性能的促进主要表现在以下两个方面： 在数据的读取过程中，因此硬盘里的控制芯片便发出指令，将系统指令 正在读取的簇的相邻的下一个或几个簇的数据读入硬盘高速缓存，当系统指 令开始要读取下一个簇的数据的时候，硬盘便不需要重新开始一个读取动作， 只需要将缓存中的数据传送到系统主存中去就行了。因为从硬盘缓存到系统 主存的数据传输仅仅是电子运动，所以速度比硬盘做读取动作所需要的机械 动作要快的多。因为数据在磁片上的存储是相对连续的，所以这个预读下一 个簇的命中率是非常高的。缓存容量的加大可以使得更多的预读数据被容纳。 在数据写入磁盘的操作中，数据会先被从系统主存写入缓存，一旦这个 操作完成，系统就可以转向下一个操作指令，而不必等待缓存中的数据写入 盘片的操作的完成。这样系统等待的时间被大大缩短。缓存容量的加大使得 更多的系统等待时间被节约。 因此，缓存的大小对于硬盘的持续数据传输速度也有着极大的影响。所 以，目前市面上主流硬盘的缓存几乎都已经加到了2 m 。而各个公司新推出的 产品则更是通过缓存容量来把产品定位传达给市场。2 m 缓存说明是主流型 号，5 1 2 k 缓存的则毫无疑问是定位于低端市场的廉价型号。 5 ：u l t r aa t a 6 6 ： 自从9 8 年中，这个接口标准被提出以来。几乎所有新推出的i d e 硬盘都 无一例外的支持d m a 6 6 。这个接口的推出对于消除硬盘与缓存之间的传输瓶 颈由极其重要的意义。然而因为硬盘本身性能的限制，在这个标准推出的一 年多的时间里，始终没有一款硬盘能够将内部传输速度稳定的维持在3 3 m b s 以上，即使第三代7 2 0 0 r p m 的突发内部传输速度超过了3 3 m b s ，但是也无法 哈尔滨工程大学硕士学位论文 持续。加上大容量缓存的作用，仍然不需要d m a 6 6 便可以发挥硬盘的全部威 力。于是，便有了d m a 6 6 无用论。不过，随着第四代7 2 0 0 r p m 硬盘的推出， d m a 6 6 终于与有了用武之地。以新近上市的金钻四代为代表，第四代7 2 0 0 r p m 硬盘的内部传输速度终于可以持续稳定的工作在3 3 m b s 以上。d m a 6 6 终于有 了用武之地。不过，d m a 6 6 刚刚有了用武之地，d m a 1 0 0 标准又粉墨登场了 6 ：数据保护机制： 随着硬盘容量和速度的提高，人们对硬盘安全性的要求也越来越高。于 是，各个公司都开发了数据保护系统。 其中最有特点的就是西部数据的数据卫士。该技术建立于s m a r t 的 基础之上，但又独立于s m a r t ，而具体的工作过程有些类似于微软的 s c a n d i s k ( “数据卫士”技术与s m a r t 和s c a n d i s k 完全兼容) ，只是更 为自动化：当硬盘累计加电达到8 小时后，一旦系统闲置超过1 5 秒，硬盘即 可自动检测并修复错误数据，如果在扫描过程中因系统恢复工作或关机而使 扫描过程中断，硬盘都会在系统再次闲置( 或开机后闲置) 1 5 秒之后继续扫 描直到任务完成。进行一次全盘扫描，对4 3 g 硬盘只需8 分钟，1 3 g 的硬盘 也只要2 0 分钟，堪称保护硬盘数据的好助手。 此外，还有i b m 的d f t ( d r i v ef i t n e s st e s t ，驱动器性能检测) 和昆 腾的d p s ( 数据保护系统，d a t ap r o t e c t i o ns y s t e m ) ，m a x t o r 的m a xs a v e 和西捷的高达3 0 0 g 的防冲撞设计。这些保护机制都大同小异。 1 2 2 磁盘阵列的发展 r a i d 是由美国加州大学伯克利分校的d a p a t t e r s o n 教授在1 9 8 8 年提 出的。r a i d 是r e d u n d e n ta r r a yo fi n e x p e n s i v ei ) i s k s 的缩写，直译为“廉 价冗余磁盘阵列”，也简称为“磁盘阵列”。后来r a i d 中的字母i 被改作了 i n d e p e n d e n t ，r a i d 就成了“独立冗余磁盘阵列”，但这只是名称的变化，实 质性的内容并没有改变。可以把r a i d 理解成一种使用磁盘驱动器的方法，它 将一组磁盘驱动器用某种逻辑方式联系起来，作为逻辑上的一个磁盘驱动器 来使用。一般情况下，组成的逻辑磁盘驱动器的容量要小于各个磁盘驱动器 容量的总和。r a i d 的具体实现可以靠硬件也可以靠软件，w i n d o w sn t 操作系 哈尔滨工程大学硕士学位论文 统就提供软件r a i d 功能。r a i d 一般是在s c s i 磁盘驱动器上实现的，因为i d e 磁盘驱动器的性能发挥受限于i d e 接口( i d e 只能接两个磁盘驱动器，传输速 率最高1 5 m b p s ) 。i d e 通道最多只能接4 个磁盘驱动器，在同一时刻只能有 一个磁盘驱动器能够传输数据，而且i d e 通道上一般还接有光驱，光驱引起 的延迟会严重影响系统速度。s c s i 适配器保证每个s c s i 通道随时都是畅通 的，在同一时刻每个s c s i 磁盘驱动器都能自由地向主机传送数据，不会出现 像i d e 磁盘驱动器争用设备通道的现象。 r a i d 的优点 1 成本低，功耗小，传输速率高。在r a i d 中，可以让很多磁盘驱动器同 时传输数据，而这些磁盘驱动器在逻辑上又是一个磁盘驱动器，所以使用 r a i d 可以达到单个的磁盘驱动器几倍、几十倍甚至上百倍的速率。这也是 r a i d 最初想要解决的问题。因为当时c p u 的速度增长很快，而磁盘驱动器的 数据传输速率无法大幅提高，所以需要有一种方案解决二者之间的矛盾。r a i d 最后成功了。 2 可以提供容错功能。这是使用r a i d 的第二个原因，因为普通磁盘驱动 器无法提供容错功能，如果不包括写在磁盘上的c r c ( 循环冗余校验) 码的话。 i a i d 和容错是建立在每个磁盘驱动器的硬件容错功能之上的，所以它提供更 高的安全性。 3 r a i d 比起传统的大直径磁盘驱动器来，在同样的容量下，价格要低许 多。 r a i d 的分级 1 r a i d o 级，无冗余无校验的磁盘阵列。数据同时分布在各个磁盘驱动 器上，没有容错能力，读写速度在r a i d 中最快，但因为任何个磁盘驱动器 损坏都会使整个r a i d 系统失效，所以安全系数反而比单个的磁盘驱动器还要 低。一般用在对数据安全要求不高，但对速度要求很高的场合。 2 r a i d l 级，镜象磁盘阵列。每个磁盘驱动器都有一个镜像磁盘驱动 器，镜像磁盘驱动器随时保持与原磁盘驱动器的内容一致。r a i d l 具有最高 的安全性，但只有一半的磁盘空间被用来存储数据。主要用在对数据安全性 要求很高，而且要求能够快速恢复被损坏的数据的场合。 3 r a i d 2 级，纠错海明码磁盘阵列。磁盘驱动器组中的第一个、第二个、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第四个第2 n 个磁盘驱动器是专门的校验盘，用于校验和纠错，例如七个 磁盘驱动器的r a i d 2 ，第一、二、四个磁盘驱动器是纠错盘，其余的用于存 放数据。使用的磁盘驱动器越多，校验盘在其中占的百分比越少。r a i d 2 对 大数据量的输入输出有很高的性能，但少量数据的输入输出时性能不好。 r a i d 2 很少实际使用。 4 r a i d 3 和r a i d 4 ，奇校验或偶校验的磁盘阵列。不论有多少数据盘，均 使用一个校验盘，采用奇偶校验的方法检查错误。任何一个单独的磁盘驱动 器损坏都可以恢复。r a i d 3 和r a i d 4 的数据读取速度很快，但写数据时要计 算校验位的值以写入校验盘，速度有所下降。r a i d 3 和r a i d 4 的使用也不多。 j r a i d 5 级，无独立校验盘的奇偶校验磁盘阵列。同样采用奇偶校验来 检查错误，但没有独立的校验盘，校验信息分布在各个磁盘驱动器上。r a i d 5 对大小数据量的读写都有很好的性能，被广泛地应用。 从r a i d i 到r a i d 5 的几种方案中，不论何时有磁盘损坏，都可以随时拔 出损坏的磁盘再插入好的磁盘( 需要硬件上的热插拔支持) ，数据不会受损， 失效盘的内容可以很快地重建，重建的工作也由r a i d 硬件或r a i d 软件来完 成。但r a i d o 不提供错误校验功能，所以有人说它不能算作是r a i d ，其实这 也是r a i d o 为什么被称为0 级r a i d 的原因o 本身就代表“没有”。 r a i d 的应用 当前的p c 机，整个系统的速度瓶颈主要是硬盘。虽然不断有u l t r a d i a 3 3 、d 淞6 6 、d m a l 0 0 等快速的标准推出，但收效不大。在p c 中，磁盘速 度慢一些并不是太严重的事情。但在服务器中，这是不允许的，服务器必须 能响应来自四面八方的服务请求，这些请求大多与磁盘上的数据有关，所以 服务器的磁盘子系统必须要有很高的输入输出速率。为了数据的安全，还要 有一定的容错功能。r a i d 提供了这些功能，所以r a i d 被广泛地应用在服务 器体系中。 r a i d 提供的容错功能是自动实现的( 由r a i d 硬件或是r a i d 软件来做) 。 它对应用程序是透明的，即无需应用程序为容错做半点工作。要得到最高的 安全性和最快的恢复速度，可以使用r a i d l ( 镜像) ；要在容量、容错和性能 上取折衷可以使用r a i d 5 。在大多数数据库服务器中，操作系统和数据库管 理系统所在的磁盘驱动器是r a i d i ，数据库的数据文件则是存放于r a i d 5 的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 磁盘驱动器上。 有时我们看某些名牌服务器的配置单，发现其c p u 并不是很快，内存也 算不上是很大，显卡更不是最好，但价格绝对不菲。是不是服务器系统都是 暴利产品呢? 当然不是。服务器的配置与一般的家用p c 的着重点不在一处。 除去更高的稳定性外，冗余与容错是一大特点，如双电源、带电池备份的磁 盘高速缓冲器、热插拔硬盘、热插拔p c i 插槽等。另一个特点就是巨大的磁 盘吞吐量。这主要归功于r a i d 。举一个例子来说，一台使用了s c s ir a i d 的 奔腾1 6 6 与一台i d e 硬盘的p l i i c o p e r m i n e8 0 0 都用做文件服务器，奔腾1 6 6 会比p i l t 的事务处理能力高上几十倍甚至上百倍，因为p i l l 处理器的运算能力 根本用不上，反倒是奔腾1 6 6 的r a i d 起了作用。 r a i d 现在主要应用在服务器，但就像任何高端技术一样，r a i d 也在向 p c 机上转移。也许所有的p c 机都用上了s c s i 磁盘驱动器的r a i d 的那一天， 才是p c 机真正的“出头之r ”。 1 3id e 接口概述 对硬盘来说，采用何种接口对其各项特性都有极大的影响，接口技术的 每一次进步总是映射着硬盘的技术革新，它的历史同时也是现代硬盘的发展 史。鉴于接口的重要地位，它也就顺理成章成为硬盘的分类基准，我们通常 所说的i d e 硬盘和s c s i 硬盘便是根据接口进行分类的。而其中与我们最密切 相关的就是i d e 硬盘，9 9 以上的p c 机都是用它尽管大家对“1 d e ”这 个称呼熟悉不过，可它的具体概念许多人都觉得很模糊，只是笼统知道它是 表示这类硬盘用的是并行传输接口这种约定俗成的说法其实并不严格， i d e 为英文“i n t e g r a t e dd r i v ee l e c t r o n i c s ”缩写、原意是指盘体与控制 器集成在一起的硬盘驱动器，而所谓的“i d e 接口”的官方名称应该为“a t a 接口”( a e a ，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 简写) 才对! 从1 9 9 4 年至今，a t a 接口已经发展了整整七代，现在正处于传统并行a t a 与串行a t a 的过渡期。那么，a t a 接口是如何实现的? 这七代a t a 接口又如 何发展进化、各自有哪些特点、现在为何要被串行a t a 所取代? 硬盘控制器、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 控制器、控制卡之间的关系又如何我们有太多太多的疑问需要解答，如 果你需要了解关于硬盘接口的一切，本文应该可以给你一个满意的答案! a t a 接口的起源与发展 早期硬盘和我们现在看到的硬盘其实有很大的区别，当时硬盘与控制器 是分离的、它必须直接安装在控制卡上并插入i s a 插槽中才能够使用。但是 这种设计需要许多连接电缆，安装繁琐不说、数据可靠性也很差，而且硬盘 与控制器控制卡之间屡屡出现不兼容现象，后来硬盘厂商将控制器直接做 在电路板、集成于硬盘的底部，而接口卡仍需要安装在i s a 插槽中这种 硬盘也就是所谓的“i d e 硬盘”( 集成磁盘电子接口，i n t e g r a t e dd r i v e e l e c t r o n i c s ) 。但是i d e 这个名词并非正式称呼，因为它不包含任何实体规 格，只是被人们笼统认为是目前所有a t a 规格的通称、与s c s i 规格对立，而 “i d e 接口”也就代表了目前所有的a t a 接口。 现代i d e 硬盘：硬盘控制器与盘体集成在一起，可靠性得到有效提高。 上个世纪8 0 年代中期，i m p r i m i s 公司推出w r e n 系列5 2 5 英寸硬盘( 当 时c o m p a qp c 机所使用的硬盘) 专用的“p ca t ”接口，后来的3 5 英寸硬盘 也采用这项规格。由于“p ca t 这个名称很容易同i b mp c a t 机混淆，人 们就为它选择了另外的名字：“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 ( 高级技术 附件规格) ”，简称a t a 但它并不是我们所说的“第一代a t a ”。这项规格 只生存了短短数个月，因为它令不同厂商的硬盘出现严重的不兼容问题，尤 其在主从盘安装的时候更为严重。 a t a l ：并行a t a 家族的始祖 在“p ca t ”发展的同时，部份硬盘厂商合作成立c a m ( 通用存取接口， c o m o na c c e s sm e t h o d ) 委员会、来推进硬盘接口的标准化工作。起初它们 打s c s i 接口的主意，但最终c a m 委员选择i m p r i m i s 的“p ca t ”接口作为第 一代a t a 规格的基础经过无数次修订后，a n s i ( 美国国家标准协会， a m e r i c a nn a t i o n a ls t a n d a r d si n s t i t u t e ) 终于在1 9 9 4 年宣布它为正式规 格( x 3 2 2 1 ) ，这便是a t a - i 标准。a t a l 是所有i d e 规格的始祖，它解决了 “p ca t ”一个通道连接两个硬盘( 主从盘) 的兼容性问题并一直沿用至今。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a t a 一1 支持p l o o i 2 模式( p i o ，p r o g r a m m e di o ，程序化输入输出) 、 d m a 一0 1 2 模式( d m ，d i r e c tm e m o r ya c c e s s ，直接内存存取) 和 m u t i w o r d d m a 一0 模式关于这些模式我们会在后面作具体的介绍。当然， 作为第一代标准化接口，a t a l 不可能尽善尽美，它不支持l b a ( 逻辑区块寻 址。l o g i c a l b l o c ka d d r e s s i n g ) 模式、硬盘容量被限制在5 2 8 m b 以内，也 不支持可大幅提升性能的块传送模式( b l o c k m o d e ) ，而且a t a - 1 只能用于硬 盘无法用于连接光驱可连接光驱的a t a p i 规格直到a t a - 4 之后才得以加 入。 a t a 一2 ：速度提升与改良 a n s i 委员会的作风严谨，这也令接口进步非常缓慢，硬盘厂商为此大感 头痛，后来希捷( s e a g a t e ) 干脆推出自己的f a s t a t a 规格，而西部数据 ( w e s t e r nd i g i t a l ) 也拿出所谓的“加强型i d e ”( e n h a n c e di d e ) ，它们其 实是一样的东西。1 9 9 6 年，a n s i 委员正式将它们标准化并命名为a t a 一2 ，但 是不同的硬盘厂商使用不同的名词，官方说法反而少被提起a t a 一2 在 a t a l 的基础上作了不少改良，具体包括追加了p i o 一3 4 模式和 m u l t i w o r d d 、_ i a 一1 2 模式、并支持区块传送模式与l b a 硬盘寻址功能，而且 a t a 一2 首次内建了对磁盘驱动器的识别功能，这样主板的b i o s 才能够独立检 测出硬盘及其参数。 i d e 接口于1 9 8 4 年开始了它的发展进程，并且在德克萨斯州的计算机制 造商康柏( c o m p a q ) 公司的努力下，得到了长足的发展。目前，i d e 接口的 几种通用形式仍然被广泛应用。i d e 是i m e g e r a t e dd i s ke l e c t r o n i c s 的英文缩 写，即集成磁盘电路设备，也称作朋a 总线接口。 i d e 物理接口 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。通过i d e 接口的 数据传输可以有两种方法：通过可编成的i 0 ( p l o ) 和使用直接内存访问 ( d m a ) 。a t a 标准为p i o 和d m a 定义了三种操作模式，模式0 是正常模 式，但也是最慢的。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 f d e 协议 i d e 接口与主机之间的通信主要是通过访问1 d e 控制器的两组寄存器来 实现的。命令寄存器组用来给磁盘驱动器发送命令并进行数据交换；控制寄 存器组用束控制磁盘驱动器。i d e 控制器包括许多种寄存器，它们描述了控 制器如何出现在主机系统中，是i d e 接口与主机之间数据传输的媒介。这些 寄存器主要有：数据寄存器、错误寄存器、特性寄存器、扇区计数寄存器、 介质地址寄存器、扇区号寄存器、状态寄存器、命令寄存器、设备控制寄存 器等等。 i d e 命令的执行一共有5 个协议： p i 协议：p l o 方式读命令 读命令包括对扇区及缓冲区的一次或多次读写等多个命令。p i 命令协议 执行时，首先主机把执行命令过程所需的所有参数发送到地址寄存器和特性 寄存器中，然后主机再把操作码发送到命令寄存器中以开始写操作。 p o 协议：p l o 方式写命令 p o 是一个写命令，执行时，必须首先向山区缓冲区发送5 1 2 字节的数据。 n d 协议：没有数据传输的命令 没有数据传输的命令在执行的时候不会用到扇区缓冲区。但是，这种命 令仍然可以在驱动器和主机之间进行信息交换。这种信息交换是通过读写寄 存器来完成的。 d m 协议：使用d m a 数据传输的命令 这类命令只有两种命令可供选择：一种读命令和一种写命令。尽管在每 次d m a 进行数据传输的前后，处理器都要进行很多工作，但是在数据传输的过程中， 处理器可以不再介入而去处理其它的工作。 1 4u s b 总线概述 通用串行总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是由i n t e l 等厂商制定的 连接计算机与具有u s b 接口的多种外设之间通信的串行总线。目前，带u s b 哈尔滨工程大学硕士学位论文 接口的设备越来越多，如鼠标、键盘、数码相机、调制解调器、扫描仪、摄 像机、电视及视频抓取盒、音箱等。 u s b 总线最多可支持1 2 7 个u s b 外设连接到计算机系统。u s b 的拓扑是树 形结构，有1 个u s b 根集线器( r o o th u b ) ，下面还可有若干集线器。1 个集 线器下面可接若干u s b 接口。u s b 线缆包括4 条线：v b u s ( u s b 电源) 、d + ( 数 据) 、d 一( 数据) 和g n d ( u s b 地) 。线缆最大长度不超过5 m 。u s b i 1 的传输速 率最高为1 2 h i b s ( 低速外设的标准速率为1 5 m b s ，高速外设的标准速率为 1 2 m b s ) 。u s b 外设可以采用计算机里的电源( + 5 v ，5 0 0 m a ) ，也可外接u s b 电源。在所有的u s b 信道之间动态地分配带宽是u s b 总线的特征之一，这大 大地提高了u s b 带宽的利用率。当台u s b 外设长时间( 3 m s 以上) 不使用 时，就处于挂起状态，这时只消耗0 5 m k 电流。按u s b i o 1 标准，u s b 的 标准脉冲时钟频率为1 2 m h z ，而其总线时脉冲时钟为i m s ( i k h z ) ，即每隔i m s ， l s b 器件应为u s b 线缆产生1 个时钟脉冲序列。这个脉冲序列称为帧开始数 据包( s o f ) 。高速外设长度为每帧1 2 0 0 0 b i t ( 位) ，而低速外设长度只有每帧 1 5 0 0 h it 。1 个u s b 数据包可包含o - 1 0 2 3 字节数据。每个数据包的传送都以1 个同步字段丌始。 1 5 论文的研究内容 本课题结合数据采集系统进行，主要任务是实现实验数据的格式化存储 以及与p c 机之间的数据传输。具体任务包括： i 用d s p 实现对多块硬盘的控制，数据分割及传输 d s p 对硬盘的控制配合f p g a 和s d r a m 来完成，主要有以下几个部分： ( 1 ) f p g a 配合s d r a m 完成数据的缓存和分割。 ( 2 ) f p g a 实现d s p 到i d e 接口时序的转换。 ( 3 ) d s p 按a t a 协议实现对硬盘的控制及数据传输。 要做的工作包括硬件设计以及d s p 、f p g a 编程。 2 u s b 实现磁盘阵列与p c 机之间的数据传输 采集到的数据需要在计算机上进行处理，所以要实现磁盘阵列与p c 机之 哈尔滨工程大学硕士学位论文 恻的数据传输。u s b 接口具有方便灵活的特点，不需要打开机箱，可以实现 热拔插和较远距离的高速传输。要做的工作包括：硬件设计以及u s b 固件的 编写，驱动程序及应用程序的编写。 3 对数据的格式化存储 如果数据采集的情况比较复杂，比如分成多个文件，或者需要多级子目 录，就需要制定一个合适的文件系统来实现数据规范和管理。w i n d o w 中的 f a l l 2 、f a t l 6 、f a t 3 2 、n t f s 就是这样的文件系统。 在本课题中计划采用f a t 3 2 作为设备的文件系统，f a t 3 2 在w i n 9 8 、 w i n 2 0 0 、w i n x p 中都有效，它相对比较简单，不具有加密功能，但对本课题 中的数据管理已经足够了。 要做的工作包括d s p 、f p g a 编程。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章基于d s p 的磁盘阵列 2 1 系统总体说明 基于d s p 的磁盘阵列作为数据采集系统的一部分，承担数据的格式化存 储及其与计算机之间的数据传输工作。总体结构如图2 1 所示： 图2 1 基于d s p 的磁盘阵列总体结构图 从采集卡来的数据在d s p 的控制下，通过f p g a 和缓存，存入i d e 磁盘阵 列。u s b 接口负责系统与计算机之间的数据传输。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 器件的选取 2 2 1 数字信号处理器( d s p ) 概述 数字信号处理由于其精度高、灵活性大、可靠性好、易于大规模集成等 优点，正得到迅速发展和广泛应用“。数字信号处理器( d s p ) 正是适应这 种需要出现的，并处于蓬勃发展之中，这反过来又为数字信号处理技术的迅 猛发展提供了动力。数字信号处理是5 0 年代末发展起来的一门现代信号处理 技术，它具备自身的特点，而且强调处理的实时性“。这样，d s p 不仅具有 高速运算和控制能力，而且根据实时数字信号处理的特点，在处理器结构、 指令系统、指令流程上都做了很大的改动，具体的说，有以下几个方面。“”3 ： 普遍采用数据总线和程序总线相分离的哈佛结构或改进的哈佛结 构，比冯诺依曼结构有更高的指令执行速度； 大多采用流水线技术，减少每条指令的执行时间： 片内有多条总线，并且提供方便的寻址方式，大大提高了指令的执 行效率； 提供高速的寻址方式，如循环