（控制理论与控制工程专业论文）基于nas的光盘库系统嵌入式控制器的设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 溯终申戆数据量惫剧增魏，对爨络存馕戆夏求邀藏睫之掇毫。话绞懿奏德方式秘 存储介质都有其明显的局限性，光盘库逐渐成为人们研究的存储解决方案。本文主要 铮怼瓣嚣存撩( n e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e ) 巍鑫瘴中瓣控毒l 嚣罄分撬滋一套霹李亍静设 计方粲。 谂文开始提鑫了辩瓣存镛n a s 豹概念，并将n a s 存储瓣决方案与转统鹣矗接连 接存储方式( d a s ) 对比，得出n a s 存储的优越性。接着，与另一种存储方式区域 存赭 s a n ) 进行了魄较分耩，给出了两种方案互 的可能狡。 为了更好的对n a s 光盘艨控制器设计的了解。论文在随后的部分攒述了光盘库各 个部件模块的分类以及各模块的执行功能等情况。最衙介绍了控制器的主要作用是对 媒质转换器和光盘驱动器的控制和协调。 控制器设计部分酋先从搭建硬件系统开始。笔者采用s b c 8 1 6 8 v e e 工控主板搭配 a h a - - 2 9 4 0 w s c s i 卡。操终系统槐絷是从对l i n u x 痰菝裁莺缡译势霹入一个掰m 熬 d i s ko n c h i p 。然后在系统中加载s c s i 驱动，并对系统内核驱动稍微修改。接着通过 对s c s i - 2 里瓣党盘移动m o v em e d i u m 禽令戆实嚣来撵述控毒l 嚣鼹媒痰转换器赘 具体掇制。接着在裁剪的系统上安装s a m b a 软件，建立了可以供网络文件系统( n f s ) 秘公熬互联文傍系统( c 疆s ) 菸享懿文释l 瑟务器。 襁控制器系统架构搭建好的基础上开发一套基于w e b 访问的光盘库管理系统。论 文介缁了w e bl 虽务器a p a c h e 、数据瘁m y s q l 以及群发环境p f i p 的焱装和设置。然 后着爨谈到管理系统的模块功能的划分思想，以及基于功能划分条件下表的络构设计 和文件结构豹设计。 最后，论文在分檄了系统的结构与性能的基础上，针对现有系统的不足撼豳了在 w e b 嶷全性戳及多文件系统藏享方面的改进意见，对后续的开发工作提出了一些展 望。 关键谣；驸嘲存德光盘库微极系绞接最文彳孛系绕隧炎管理 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to f n e t w o r k ，n e e d so f n e t w o r ks t o r a g ei sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e i m p o r t a n t 1 1 l et r a d i t i o n a ls t o r a g es o l u t i o na n ds t o r a g em e d i u m h a si t s l i m i to b v i o u s l y s o ； t h eo p t i c a ld i s kj u k e b o xa sar e a s o n a b l es o l u t i o ni sr e s e a r c h e db ym a n y p e o p l e 。t t h e s i s i sf o c u s e so nt h e j u k e b o xc o n t r o l l e rb a s e d o hn e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e ( n a s ) ，a n dg i v ea d e s i g nw a y a tt h eb e g i n n i n g m e s i sb r i n g sf o r w a r dn a sa st h es t o r a g et e c h n o l o g y c o m p a r e dt h e n a sa n dd i r e c ta t t a c h e dn e t w o r k ( d a s ) 埘t l ln a s ，w ec a nd r a wac o l i c l u s i o nt h a tn a s i sm u c h a d v a n t a g et h a nd a s n e x t w e t a l k e da b o u tt h en a sa n ds t o r a g ea r e an e t w o r k ( s a n ) ，a n dg i v ea c o m b i n e w a y , t ou n d e r s t a n d o p t i c a ld i s k j u k e b o xb a s e d o nn a s w e l l , t h e s i sd e s c r i b e st h eo t h e rp a r t b e s i d e sc o n t r o l l e r a n dr e v e a lh o wc o n t r o l l e rt oc o n t r o lt h em e d i u m c h a n g e r m o v e m e n ta n d s o o n 。 n l ct h e s i si st a l “n ga b o u t b u i l d i n gas y s t e m 、i mn e t w o r k f i l es y s t e ma n ds c s id r i v e s u p p o r tb a s e do nn a so p t i c a ld i s kj u k e b o x 。a n dm a k eag u is o f t w a r el e ta d m i n i s t r a t o r m a n a g e t h es y s t e mo nw e b t h et r a d i t i o n a ls t o r a g eo p e r a t i o n s y s t e mu s u a l l yi sw i n d o w s s e r i e st h a ta r ee x p e n s i v e ， w eu s et h eo p e ns o u r c ec o d el i n u xa s0 l i o p e r a t i o nc o d et h a ts u p p o r tn e t w o r km o d u l ea n d s c s im o d u l e i ts t a r t sw i t hb u i l d i n gas y s t e ms t r u c t u r ew h i c hi sar e t r e n c h e dl i n u xk e r n e l t h e n ， w r i t et h es y s t e mi n t oa6 4 md i s ko n c h i p l o a d e ds c s id r i v em o d u l e m o d i f i e ss o m e k e m e id r i v e n e x t ，t h et h e s i sd e s c r i b e st h ew o r k p r o c e s so f c o n t r o l l e rs c s i 2b u st h r o u g h i n t r o d u c i n gam o v e m e d i u mc o m m a n d 。n e x t w ei n s t a l l e ds a m b as o f t w a r eo no u r l i n u x o p e r a t i o ns y s t e m ，a n dp r o v i d et h es u p p o r t i n go fn f s a n dc i f sf i l es y s t e m a tl a s t ， w ew r i t ead a t am a n a g es y s t e ms o t h c a r e a d m i a l s t r a t o ra n du s e rc a na c c e s st os y s t e m t h r o u g hi n t e m e t 疑b u n d e r t h eg u ic i r c u m s t a n c e ，u s e rc a n e a s n ym a n a g e t h e i rd a t a a tl a s t ，t h e s i ss u m m a r i z e st h es y s t e m ，a n da n a l y z e st h ea d v a n t a g ea n ds h o r t c o m i n g b a s e do nc o n c l u s i o n , t h e s i s g i v e s s e v e r a lp r o s p e c t si ns y s t e m s e c u r i t ya n d f i l es h a r i n g 。 k e y w o r d s ：n a s j u k e b o xh i e s y s t e m s c s iw e b m a n a g e 1 l 独创性声明 本入声唆所羹交麓孥位论文是我个人在寻辩指导下述彳亍静研究工作及取褥的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含馁何其他个 人绒集体融经发袭或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均墨在文孛以睨臻方式撼臻。本久完全意识裂本声爨懿法霪终聚鑫本久承整。 学位论文作者签名：熬娥 嘲；摊筝月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作赣完全了解学校有关保罄、使用学位论文的规定，即：学校有 蔽绦馨莠离藩家有荧部门娥梳构遴交论文鞠复印件和电子敝，允许论文被奁阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学证论文躯全部蠛部分内容壤入有关数据 库避行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保j 掌和汇编本学位论文。 曝塞口，在年薅密爱逶霁l 本授稷书。 本论文糯于 ， 不保密q 。 ( 请蠢以上方框两打“”) 学位论文作者签名：强帆 隅细午年r 月歹日 指删撇：璋k 日期o 。，4 年j 月7 日 ； 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题来源 1 绪论 本课题来源于与普天首信集团合作开发的x s t o r a g e 系列网络存储产品及其配套 存储方案。 合作开发包括存储器件( 例如硬盘驱动器阵列、c d 或d v d 驱动器、可移动的 存储介质) 和一个将多个管理系统集成在一起的简易服务器，可以实现涉及文件存取 及管理的所有功能。简易服务器经过优化设计，可以完成一系列简化功能( 例如文档 存储及服务、电子邮件、互联网缓存等等) 。 1 2 课题背景及其研究的意义 由于网络中数据量的爆炸性增长使市场对大容量网络存储设备产生了巨大的需 求。f o r r e s t e rr e s e a r c h 调查表明，“财富1 0 0 0 家企业去年( 2 0 0 2 年) 存储需求的 增长率达到1 0 0 ，有些公司甚至高达3 0 0 f ”。i d c 预测，全球每年的新增存储容 量增长率达8 0 。目前广为人知的海量存储设备是磁盘和磁带存储，但光存储以其特 殊的性能价格比和保存期限已经逐步登上海量存储的舞台并日益显示出其强劲的替 代能力。现在d v d 光盘单张容量为9 4 g b ，2 0 0 5 年单张光盘容量将会达到5 0 g b ， 到2 0 1 0 年单张光盘的容量将会发展到1 5 t b 2 1 。而磁盘和磁带的存储密度已经无法再 有效提高，而且磁记录由于其记录原理的影响，其保存期限非常有限。因此，可以同 时容纳数百张光盘，总体容量巨大的海量存储的网络光盘库，正顺应了市场对于海量 存储设备的要求。本课题研究就是针对光盘库设计中的核心控制器及其管理软件的设 计提出一种可行的方案。 二级存储方式改变了传统存储观念，传统的方式一直把数据或数据库建立在硬盘 上，但据国外权威机构统计结果显示8 0 的硬盘数据是不经常被访问的，但这些不经 常被访问的数据却占据了宝贵而且昂贵的磁盘空间例。推出的数据两级存储方案完美 地解决了整个存储世界中的这一敏感问题，从此你可以把不经常使用的数据放在超大 容量d v d 光盘库中，由此得到数百t b 的总存储容量，但付出的代价仅仅是同等容 华中科技大学硕士学位论文 量磁盘的i 0 2 0 。将不经常访问的数据自动迁移到二级存储器使得主存储器与低 成本的二级d v d r a m 光盘库存储器的无缝连接。因此，光盘库就是针对二级存储 市场而产生的基于n a s ( n e t w o r k a t t a c h e ds t o r a g e ) 附网存储的架构。二级存储可以 用于银行、证券、保险( 包括医疗保险和社会保险) 、政府、法院等数据量庞大的机 构，这些机构每天都会产生大量历史数据，多的可以达到每天数十g b 。 1 3 国内外研究的现状 针对目前存储市场需求的日益增加，国内外科技公司很早就投入了该课题的研 究。在网络存储方式上也是各色产品，各领风骚。 n a s 设备目前已逐渐成为网路数据存储方案的主要选择之一。m i c r o s o f t 公司专 为n a s 开发的g r i n d o v g ss t o r a g e2 0 0 3 服务器操作系统，该系统可以支持i n t e l3 2 g h z 赛扬或者奔腾i v 处理器。目前已有很多公司推出功能丰富的n a s 产品，如：美国的 p r o c o m ，n e ta p p ，e m c 等公司，他们已逐渐成为高端n a s 产品的主要厂家【4 】。 由于n a s 产品直接应用成熟的网络技术，所以已经广泛应用到教育科研、i s p a s p ， i d c ，w e b e - m a i l 服务器集群、金融保险、电信、c a d 、医药、印刷、音视频、v o d 点播等诸多领域。 由于二级存储概念的提出，光盘库的开发也越来越多的受到人们的广泛重视，日 本j v c 公司很早就投入了对光盘库的研究。其光盘库产品已经推出了三个系列。最 新一个系列的产品可以装载2 4 0 个盘库。接口采用s c s i 2 标准，其光盘驱动器可以 读取任意直径1 2 0 r a m 、厚度为1 2 r a m 的各种光盘。能够支持的最大s h d d v d 格式 的可以单片容量达到2 5 0 g b 。 国内的科技公司中清华紫光在光盘库开发起步较早。其早在1 9 9 0 年就推出了自 己的d e 一1 0 0 0 型光盘库。当时的光盘库只是作为简单的设备点播功能而设计的。 本课题研究的是以光盘为存储介质的光盘库，采用工控机板，内嵌l i n u x 操作系 统，通过w e b 方式访问n a s 服务器从而对存储资料进行管理。 1 4 本文的研究内容及设计目标 整个系统软件要求必须有一个核心操作系统的支持，在核心操作系统之上是对应 华中科技大学硕士学位论文 的设备( 如网络设备，存储设备) 的设备驱动模块，作为网络存储服务器更多地要考 虑网络和存储方面的功能，所以在设备驱动器上一层应该是对一些基本网络协议的支 持( 如t c p i p ，u d p i p ，s p ) 泪x ) ，然后是对专用网络存储服务器进行网络数据访 问的一些文件共享协议( 如n f s ，c i f s ，s m b ，n c p ) ，在网络协议之上才是网络存 储服务器提供的一些网络应用，如远程管理，光盘自动镜像和附网刻录等。 由于l i n u x 在内存管理方面的优越性以及从网上可以免费得到内核和源代码，综 合各种指标网络存储服务器系统选择l i n u x 为核心操作系统，在核心操作系统上，设 备驱动模块之下是i o 优化模块，主要对读写性能优化。 用户可以在客户通过浏览器，网上邻居对网络存储服务器进行访问，可以直接在 客户端下载服务器上的客户端软件如附网刻录软件和f t p 软件等，还可以把网上邻居 上自己喜欢的所有文件，送到网络存储服务器端刻录在光盘上。系统管理员可以通过 远程管理或者w e b 浏览器来对网络存储服务器进行远程的网络管理。 光盘库控制器的开发，主要集中在系统架构上。首先在操作系统的选取上。我们 比较了各方面的因素采用了l i n u x 系统的内核。原因在于l i n u x 操作系统是一个免费 开放源代码的自由软件系统。我们可以在其基础上，针对自己的需求对内核进行有效 的裁减。其次，l i n u x 操作系统具有强大的内核模块能够支持多种硬件设备。还支持 多种网络协议的网络模块，多种文件系统共享等都是作为n a s 文件服务器系统所不 可或缺的。 文件系统方面，区别于本地的e x t 3 文件系统，服务器采用兼容n f s 和c i f s 两种 文件系统协议。由于l i n u x 系统可以作为n f s 文件服务器。我们采用在原有的n f s 文件系统下，安装s a m b a 软件包，对s m b e o n f 的设置来对c i f s 的支持。 另外在驱动部分，着重与对s c s i 接1 ：3 的驱动程序接口部分进行定义和修改，为 其设置命令段，定义结构体，以及对系统功能的调用的实现。 数据管理采用基于w 曲的数据管理系统。方便用户和管理员在任何网络终端对 服务器进行设置和管理。服务器采用目前广泛采用的a p a c h e 、m y s q l 和p h p 的最佳 组合方式，通过编写p h p 页面来实现对系统的管理。系统数据管理根据功能划分为 光盘库管理系统模块、数据库系统管理用户管理模块、帮助信息、文件查询等。另外 作为网络存储的一部分网络设置模块也是必不可少。普通数据库管理中对数据的备份 3 华中科技大学硕士学位论文 通常是存在服务器的磁盘中，由于光盘库的存储媒质为光盘决定了光盘库管理软件的 最主要的功能就是文件的刻录功能。另外还有对于媒体，组以及l i n u x 刻录光盘媒质 管理。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 1 n a s 的基本概念 2 网络存储原理 n a s ( n e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e ) 即网络附存储，该概念于1 9 9 6 年在硅谷被提出。 它把存储设备和网络接口集成在一起，直接通过网络存取数据，成为一种专业的网络 文件存储及文件备份设备。它通过自带的网络接口把存储设备直接连入到网络中，实 现海量数据的网络共享，把应用程序服务器从繁重的i o 负载中解脱出来，从而把存 储功能从通用文件服务器中分离出来，获得更高的存取效率，更低的存储成本5 1 。 图2 1 所示为网络环境下典型的n a s 系统连接图。其中网络连接器可以是局域网 连接，也可以是广域网连接，理论上拓扑结构可以支持各种类型：总线型、环形、星 型等，支持多种局域网协议，如以太网8 0 2 3 、令牌总线8 0 2 4 、令牌环8 0 2 5 、无线 局域网8 0 2 1 l 等。以太网连接是目前最普遍的一种网络连接方式，特别是以快速以太 网技术的发展，其数据传输率已达到1 0 0 m b p s 、1 g b p s ，且正在推出1 0 g b p s 以太网， 这些均为通过网络传输存储数据提供了宽带保证，因此，n a s 设备基本配置通常支持 以太网协议，并根据实际应用环境不同而支持其他可选网络连接方式【6 】。 图2 1n a s 与网络直接连接 5 华中科技大学硕士学位论文 从图中可以看出，n a s 系统有两个突出特点：其一是，物理连接上将存储器直接 连接到网络上，不再挂接到服务器后端，避免了给服务器增加i o 负担；其二是，技 术上通过专用软件减少磁头臂机械移动的次数，克服由此造成的延时。因此，n a s 是一个专用的文件服务器，因其“专”而i o 性能高，但从n a s 的构成看，其i o 路 径在本质上仍然是传统的服务器存储设备i 0 方式。图2 2 所示为n a s 系统构成 图，系统中的存储设备可以是磁盘阵列、光盘库、磁带机或多种存储设备的组合。存 储设备既可以集中，也可以分散在不同的场合。在瘦服务器c p u 的管理下，提供网 络用户的直接存取服务。 网络 1 玉矗 n a s 十t 控制器南幽 ( 瘦服务 器) ： 广 广 上上 。一j l j r a i d 存储设备 图2 2n a s 构成 整个系统必须有一个核心操作系统的支持，见图2 t 3 所示，在核心操作系统之上 是对应的设备( 如网络设备，存储设备) 的设备驱动模块，作为网络存储服务器更多 地要考虑网络和存储方面的功能，所以在设备驱动器上一层应该是对一些基本网络协 议的支持( 如t c p i p ，u d p i p ，s p ) ( ，_ i p x ) ，然后是对专用网络存储服务器进行网络 数据访问的一些文件共享协议( 如n f s ，c i f s ，s m b ，n c p ) ，在网络协议之上刁是 网络存储服务器提供的一些网络应用，如远程管理，光盘自动镜像和附网刻录等。由 于l i n u x 在内存管理方面的优越性以及从网上可以免费得到内核和源代码，综合各种 指标网络存储服务器系统选择l i n u x 为核心操作系统，在核心操作系统上，设备驱动 模块之下是v o 优化模块，主要对读写性能优化。用户可以在客户通过浏览器，网上 邻居对网络存储服务器进行访问，可以直接在客户端下载服务器上的客户端软件如附 网刻录软件和f t p 软件等，还可以把网上邻居上自己喜欢的所有文件，送到网络存储 6 华中科技大学硕士学位论文 服务器端刻录在光盘上。系统管理员可以通过远程管理或者w e b 浏览器来对网络存 储服务器进行远程的网络管理。 应用系统 操作系统 文件系统 i n t e r n e t 可安装文件系统卷管理器 t c p i p 驱动程序存储设备驱动 2 2 n a s 与d a s 的比较 图2 3n a s 系统软件层次图 d a s ( d i r e c ta t t a c h e ds t o r a g e ，直接附加存储) 被定义为直接与各种服务器或者 客户端下的存储设备相连的存储方式。这种连接方式完全是通过服务器来完成服务器 与客户，客户与客户端之间的存储任务。d a s 存储方式由于其直接连接的方便的特性 也被广泛运用在学校，公司内部的局域网资料存储中。 d a s 与n a s 的区别主要在于n a s 不通过服务器来进行存储管理，不占用服务器 i o 。根据美国c a r n e g i em e l l o n 大学的研究发现，绝大部分服务器在作为文件输入和 输出的操作时需要c p u2 5 的资源。作为一台文件服务器需要的是数据输入输出的 处理能力，不是计算能力。由于一般服务器需要处理的工作不单是文件数据的输入输 出，它需要处理更多与操作系统有关的工作。一个专门作为文件服务器而开发的服务 器操作系统只是通用服务器操作系统的一个部分，可以运行得更快，更稳定。 就两种存储方式的主要性能比较： ( 1 ) n a s 安装简便快捷，即插即用，不影响服务器的使用；d a s 需要对服务器 关机，连接上d a s 设备后，再安装相应的系统软件，安装较为繁琐。 ( 2 ) n a s 系统完全跨平台文件共享，支持w i n d o w s ，n t ，u n i x ( l i n u x ) 等操 作；d a s 不能提供跨平台文件共享功能，各种系统平台下文件需要分别存储。 ( 3 ) n a s 拥有独立的优化存储操作系统，完全不受服务器干预。能针对网络i o 实现优化，有效释放带宽，提高网络整体性能；d a s 无独立的存储操作系统，需要相 华中科技大学硕士学位论文 应服务器或客户端支持。 ( 4 ) n a s 集中式存储模式，将不同系统平台下文件存储在一台n a s 设备中，方 便网络管理员集中管理大量的数据，降低维护成本；d a s 分散式数据存储模式。网络 管理员需要耗费大量时间奔波到不同的服务器下分别管理各自的数据，维护成本增加 ( 5 ) n a s 管理简单，基于w e b 的g u i 管理界面使n a s 设备的管理一目了然； d a s 管理较为复杂。需要第三方软件支持。由于各系统平台文件系统不同，增容时需 对各自系统分别增加数据存储设备及管理软件。 ( 6 ) n a s 自带支持多种协议的管理软件，功能多样，支持日志文件系统，并一 般集成本地备份软件；d a s 没有自身管理软件，可采用服务器端丰富的、功能强大的 存储管理软件进行存储管理 ( 7 ) n a s 在线增加设备，无需停顿网络，而且与已建立起来的网络完全融合， 具有良好的扩充性；d a s 增加存储容量，一般需要关机、重新启动，会影响网络服务。 ( 8 ) n a s 集成本地备份软件，可实现无服务器备份。设计有日志文件系统和检 查点，以求全面保护数据，及时恢复出错数据。采用双引擎设计，可保证即使服务器 发生故障，用户仍然可以进行数据存取；d a s 异地备份，备份过程麻烦。依靠双服务 器和相关软件实现双机容错功能，但两服务器同时发生故障，用户就不能进行数据存 储。 2 3n a s 与s a n 的比较 s a n ( s t o r a g e a r e a n e t w o r k ，存储区域网络) 是一种专用网络，一般以光纤通道 技术为基础，由服务器、存储设备( 磁盘阵列、磁带机等) 、交换机( 或集线器) 及光纤 通道连接而成，可以把一个或多个系统连接到存储设备和子系统。s a n 可以被看作是 负责存储传输的“后端”网络，而“前端”网络( 数据网络) 负责正常的t c p i p 传输。 s a n 是独立于l a n ，具有统一的、扩展性很强的存储架构。它把服务器与存储设备 隔离，服务器与存储子系统之间的数据在光纤上传输。 s a n 通常被认为是一种光纤路径网络，它通过使用被称为光纤路径技术( f c p ) 的 串行s c s ii o 协议来传输i o 流量。n a s 产品，则通常被理解为是具有自己的文件 系统的专用文件服务器。s a n 是一种网络，n a s 产品则是一个专有文件服务器或一 华中科技大学硕士学位论文 个智能文件访问设备。“s a n ”是在服务器和存储器之间用作i o 路径的专用网络。 s a n 包括面向块( s c s d 和面向文件( n a s ) 的存储产品。n a s 与s a n 的比较见表2 1 。 在s a n 中，存储管理功能可以独立于访问数据的服务器，但是s a n 进行存储管理必 须对整个数据实体的信息有清楚的认识，必须掌握数据库文件系统的信息，而不仅 仅是关于数据块的信息，因此，需要将文件系统的一部分移植到存储子系统中以达到 这种目的。以后，s a n 将逐渐具备某些文件系统的特性，以获得对数据管理的效率而 文件系统和数据库管理系统也将逐渐演化成为一种s a n 可识别的分布式资源。由此 可见，这两种技术不是对立的。它们是互补的。n a s 系统能使用s a n 技术，s a n 也 能作为连接n a s 产品的网络技术，n a s 和s a n 技术必然趋于统一。 表2 1n a s 和s a n 的比较 s a nn a s 协议f c p ，串行s c s in f s 、c i f s 网络 光纤路径以太网 源目的服务器设备客户服务器 传输对象 设备块文件 存储设备连接 网络上的直接连接服务器上的i o 总线路径 嵌入的文件系统否是 通常n a s 可以作为s a n 存储网络中的一个存储子系统。图2 4 给出一个两种技 术结合实例的网络连接【7 图2 4 使用s a n 的n a s 服务器系统 华中科技大学硕士学位论文 3 光盘库系统组成 光盘库( o p t i c a ld i s kj u k e b o x 或o p t i c a ld i s ka u t oc h a n g e r 或o p t i c a ld i s k l i b r a r y 又称为光盘自动换盘机) 是一种能自动交换光盘片和读写光盘上的信息的系 统，是继光盘驱动器之后的一项超大容量存储设备。它使整机容量从g b 量级扩展到 t b 量级，是网络信息社会中主要的数据存储设备之一。它集中了近代光学、激光技 术、精密机械、智能控制、计算机技术等许多新成就。光盘库一般由主控制器、单个 或多个光盘驱动器、机械手机构、盘库架、定位检测系统和计算机接口等部分。其中， 主控制器主要集成系统的操作系统、总线控制和接口管理和数据管理等系统运行的核 心控制8 】【9 。 3 1 光盘库系统结构分析 根据系统集成设计的原理，光盘库的主要组成部分，包括数据读写单元f 光盘驱 动器) 、自动换盘装置及控制器、存放光盘片的盘库以及与外界交换数据的输人输出 接口，都可设计成具很强独立件的模块f 1 0 】，如图3 1 所示 f 一弦磊慕籍藕i 隰瑛 光盘檗 图3 1 光盘库模块化系统框图 1 0 华中科技大学硕士学位论文 根据总体方案要求，各个模块的大小及功能有多种方案可供选择，但是每个部分 的基本功能按照总体方案确定阱后不可随意更改。各个模块方案的选择及设计在满足 自身优化的同时还必须尽可能满足光盘库系统集成友好性的要求，使光盘库的总体性 能达到整体最优化 1 l 】。 3 2 光盘库各模块功熊设计 3 2 1 数据读写单元( 光盘驱动器) 根据系统集成的原则，光盘库的设计可采用各种标准的光盘驱动器，其数量及技 术要求按总体方案的设计而定，当然盘库中至少要有一个驱动器。多个驱动器的组合 可提高盘库的响应时间和数据传输率。光盘驱动器本身技术进步亦很快，功能不断增 强，并向多功能方向发展。所以正确选用光盘驱动器，可相应增强光盘库的功能。 光盘驱动器具有独立的控制系统，该控制器只对驱动器服务，并通过自身接口与 主机交换信息数据。因此，驱动器与盘库控制器没有直接的电气联系，这虽然完全符 合系统集成小接口和弱耦合的原则，但如果对光盘驱动器的控制系统、数据及机械接 口硬软件没有充分了解是不可能完成系统集成的。所以是否掌握光盘驱动器的有关技 术资料也是挑选光盘驱动器的重要依据之一。 3 2 2 驱动控制器 驱动器的控制器是实现光盘驱动器数据读写及传输的核心，由它完成光学头寻迹 伺服控制( 粗、精寻道) 和调焦控制，以从数据调制、解调、编码、解码、纠错等处理。 一般光盘驱动器中都只有一个光学头、而且位于盘片下方。所以，光盘驱动器只能读 盘片的一面，必须在驱动器外翻转1 8 0 。后重新插入光盘驱动器才能对另一面进行读 写。当然，如果单面光盘，如c d - - r o m 光盘就没有这一要求。盘库的结构，特别是 机械手的结构可以简化。 3 2 3 盘片存放架 光盘库设计的另外一个主要部分是光盘驱动器的盘片装载机构。该机构要完成光 盘片装入、弹出及保证光盘盘片准确地定价到主轴支架上的功能。根据盘片的安装方 式此装载机构大体上可分为两种类型：一种是从前方安装盘片：另一种是从上方安装 儿 华中科技大学硕士学位论文 盘片。前方安装盘片方式比上方安装盘片光盘的驱动器较为普遍。 3 2 4 机械手系统 机械手机构是光盘库中各模块之间联系的重要纽带。机械手要在光盘驱动器、盘 库单元以及输入输出口之间进行盘片的移动、翻转和交换。在光盘库中这一部分往 往重新设计，以满足其他各模块对集成友好性的要求。根据光盘驱动器、盘片存放单 元和输人输出口在盘库总体结构中的安排，机械手必须能顺利到达盘库空间各个位 置。而且要求响应时间短，动作时间尽可能作到重叠。即机械于可同时进行多种运动， 以减少运行时间。 对不同装载方式的光盘驱动器盘片装载所需的时间有所不同。一般最快的装载方 式为水平移动机械于上方安装盘片。而最慢的组合是垂直移动机械手、前方安装盘片。 但从系统集成的角度出发选择垂直移动的机械手、水平前方安装的方式系统的集成性 更佳。该结构是光盘库中机械手最常用的结构，其特点是可从盘库正面到达盘片存放 支架的任何位置，允许盘库达到很大盘容量。具有极好的可扩展性。而且盘架本身也 可采用集成结构，即将盘架设计成标准结构，例如可存放2 5 或5 0 张盘片的标准支架， 根据盘库容量的要求进行结合，构成序列产品。 综上所述，光盘库机械手是光盘库中介质移动交换的载体，它的结构和光盘库的 总体设计关系密切，同时又与驱动器的形式及使用要求有关。通常光盘库中存在多个 驱动器，盘片容量又很大，所以在一般情况下，光盘库与主机交换信息时，用户可以 分时共享驱动器内光盘上的信息。查找并更换光盘卷的工作额度并不高只要能为用 户在所接受的时间内安装上须查询的光盘标卷即可。 2 2 5 控制器 光盘库控制器的按主要任务是通道必要的接口与主机交换命令、数据及状态信 息。控制器通过解释来自主机的命令去控制机械手的全部换盘动作，检测系统的起始 运行状态，保证系统动作的正确和可靠。机械手通常都有5 个甚至5 个以上的自由度。 每个自由度通常由独立的伺服电机进行控制。使用直流伺服机的可以采用较多的控制 策略。b a n g - - - b a n g 控制加上p i d 控制能为系统提供快速响应和保证一定的位置控制 精度。若每个自由度控制单元都采用赢流伺服电机，虽然会增加系统复杂性，但在大 1 2 华中科技大学硕士学位论文 型光盘库中这种伺服方案仍是合理而且适宜的。因为这时最突出的问题是时间响应， 而在中小型光盘库中，既要考虑系统的总体性能又要考虑系统的复杂性，以及这种复 杂性的代价。这类系统还可以采用步进电机驱动、并用开环控制，简化控制系统，有 时为了提高性能也可以采用闭环反馈控制以消除步进电机的波动和提高响应时间。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 4 主控制器设计的关键技术 4 1 硬件的选配 系统要裳e & j 速度茬8 0 0 m h z 敷上，国存5 1 2 疆s d r a m 。这样麓够珑较磐抟 保证服务器运行的速度。 蠢子c p u 工作往麓需瑟稳定。工作溢发影响不大，所叛可豁选择洼徐院较赢静 c e l e r o n 芯片。这样就决定了必须采用支持c e l e r o n 芯片的主板。另外采用支持d i s ko n c h i p 的e i d e 接口静电予硬盘。 d i s ko nc h i p 怒一种特殊的f l a s h 设备，它在各种嵌入式设备中被广泛使用。它 和一般的f l a s h 的不间之处在于：在d i s ko nc h i p 芯片中，它有一个特殊的掇制器。 从d i s ko nc h i p 芯片物理地址0 开始鲍4 8 k 这样的区域里，存放了一段特殊的防火 墙的程序代码，它会在系统b i o s 自检时被调入并驻留内存，这段程序会对d i s ko n c h i p 匏读写避嚣监控。它戆够协助崧d i s ko nc h i p 土模撂健绕懿磁轰管理。勇肄， d i s ko n c h i p 和传统f l a s h 相比具有鞍强的抗震动性能，能够较强的适应不同的环境， 越采越多静被工韭按簇中瑟采用。 综合上述考虑。采用s b c 8 1 6 8 v e e 工控主板，该板支持o n b o a r dd i s ko nc h i p s o c k e t 。另多 考虑到该主板瑟a d a p t e c 酌s c s i 卡静兼容往较好。这墅我们选溺院较替 及的a h a - - 2 9 4 0 w 这块s c s i 卡，单通道2 0 m ，其较高的性价比占肖相当大的市场。 4 2 嵌入式操作系统的架构 基于l i n u x 操作系统的控制软件若被嵌入板中，必须将庞大的h n u x 操作系统加 鞋耪麓，使龟拯s c s i 控制软传积醚显参数等工其在内的整个系统瀵足一定熬容量要 求【1 2 1 。 4 2 1 内禳臻泽 对l i n u x 操作系统的内核编译是一律很细致的工作。内核是必餐的部分，通过瞬 上下载最新的l i n u x 内核( 我们这里编译的肉核采用l i n u x 2 + 4 2 0 ) 根据硬件配置选择 1 4 华中科技大学硕士学位论文 适当的驱动程序。减小内核的方法有两条：意识保存最必要的部分，只让其支持最少 的基本设备；而是采用压缩，减少其数据量、用于嵌入式计算机的嵌入式l i m l x ，其 文本数据量最少，可以使用这类已精简的系统，除了内核外，还必须包括：在d e v 下 的配置文件；在目录p r o 下提供给用户观察内核内部活动的窗口；在目录e t c 下的配 置文件；在目录b m 下的一些基本操作使用程序：在目录l i b 下的提供运行时间支持 的共享库的文件等，对这些文件的取舍主要是基于系统功能上的要求【”】【1 4 】。 4 2 2 文件系统的设计 文件系统是操作系统用于明确磁盘或分区上的文件的方法和数据结构；即在磁盘 上组织文件的方法。也指用于存储文件的磁盘或分区，或文件系统种类。 文件系统中的文件包含了数据的集合：一个文件系统不仅保存它包括的文件的数 据，也保存文件系统的结构，它保存了l i n u x 用户和进程看到的所有信息，例如文件、 目录、软链接、文件保护信息等等。这些信息通常被称为数据1 5 】。 网络文件系统是网络文件协议和本地文件系统的结合。网络文件系统与本地文件 系统具有相同的特性，即提供文件服务功能。不同之处在于网络文件系统还要采用网 络文件协议和网络安全机制，以提供远程用户通过网络进行访问的可能。 传统地文件系统可以让多个用户共享本地主机地文件。网络文件系统扩充了传统 文件系统，允许用户通过网络共享远程主机中的文件。网络文件系统是基于客户服 务器模型的，客户是要访问文件的计算机，而服务器是允许文件分布共享的计算机。 用于n a s 系统的网络文件系统主要包括：基于u n i x 的网络文件系统n f s ( n e t w o r kf i l es y s t e m ) ：基于w i n d o w s n t 的公用互联网文件系统c i f s ：以o e m 形 式出售给n a s 服务器厂商的c r o s s t o r 之s t a c k f s ；用于u n i x 和w i n d o w sn t 的第三 方文件系统v e r i t a s 文件系统；明尼苏达大学的全球文件系统g f s ( g l o b a lf i l e s y s t e m ) 等。目前最通用的两种网络文件系统是n f s 和c i f s 。 4 2 1n f s 1 9 8 5 年，s u n 公司推出了n f s ，用于u n i x 系统间的文件存取。基于u n i x 文件系统的客户，通过采用n f s 进行扩展，以便于透明的访问网络上的u n i x 文 件。 华中科技大学硕士学位论文 o s i 模型n f s 协议 应用层网络文件系统( n f s ) 表示层外部数据表示( x d r ) 会晤层远程过程调用( r p c ) 传输层用户数据报协议( u d p ) 网络层i n t e m e t 协议( i p ) 数据链路层 令牌环a r c n e t以太网 物理层 豳4 1n f s 协议与o s i 协议模型之间的层次对应关系 从图4 1 中可以看出来n f s 在最低层的数据物理层和链路层支持多种网络拓扑结 构，包括令牌环、a r c n e t 、以太网等。由于n f s 是建立在u d p 和i p 协议之上的。 所以，可以运行任何在支持1 p 协议的数据链路层之上。 n f s 在传输层使用用户数据报协议( u d p ) 。该协议假设网络内部是可靠的，并 且不提供任何包序列。会话层使用的远程过程调用协议( r p c ) 通过“过程调用”访 问服务器上可用的服务。r p c 提供到n a s 服务的高级访问，而不需要了解通信协议 内部细节。对应表示层的扩展数据表协议( x d r ) 提供了表示数据的统一方法。当其 它系统使用的编码方式与本系统不同时，由x d r 负责进行转换。应用层的n f s 协议 主要提供服务器中写文件、创建文件、读文件等1 6 1 。 操作系统文件系统与n f s 的集成，只需要执行普通的系统调用即可访问n f s 文 件。通过对n f s 的配置，计算机的文件系统创建一个特殊的目录与远程计算机相关 联。所有该目录的文件都被视为远程文件。当应用程序请求文件操作时，计算机的文 件系统根据被操作文件所在目录就知道该请求传给本地文件系统还是n f s 客户软件。 如果是后者，n f s 客户软件就利用网络对远程计算机文件系统进行操作。因此只要安 装和配置n f s ，计算机系统就包含了相当于远程文件系统的目录。 n f s 的启动和停止是通过e t c r c d i n i t d 目录中的脚本文件n f s 实现的，执行该 脚本时必须以r o o t 身份登录。 执行启动n f s 的命令为e t c r c m 疵d n f ss t a r t n f s 配置主要涉及的文件e r e e x p o r t s 。它用于n f s 服务端，其中列出了n f s 服务 1 6 华中科技大学硕士学位论文 器中要导出的目录、可以访问这些目录的n f s 客户机及其访问权限。 n f s 服务器通过输出自己的目录和文件，可以使网络上的其他系统利用它的文件 系统。输出的目录位置被称为装配点，如果采用n f s 的术语，则被称为客户装配n f s 服务器上的远程文件系统。 ， 在n f s 中，用户在客户端被授权，且一经授权，便认为是可信的。用户只要成功 的访问了客户系统，则可以访问n a s 服务器上的数据。当l i n u x 系统在多用户系统 中负载很重时，采用此方法可减少数据交互。虽