（水声工程专业论文）基于pcix总线数据存储系统的研究.pdf

哈尔滨程大学颈士学位论文 a b s t r a c t h i g h - s p e e dd a t as t o r a g es y s t e m sa l ew i d e l yu s e di nm a r i n ee x p l o r a t i o n ， a e r o s p a c e ，c o m m u n i c a t i o n s a n do t h e rf i e l d s 。a tp r e s e n t , m a n yl a r g e s c a l e o u t d o o r se x p e r i m e n t s ，i n c l u d i n gm a r i t i m ee x p e r i m e n t a ld a t aa c q u i s i t i o n ，s t i l lu s e t h ed a t as t o r a g es y s t e mb a s e do nt h et r a d i t i o n a lp c ib u s ，t h et r a d i t i o n a ld a t a s t o r a g es y s t e mb o t t l e n e c k sa l es p e e da n dp r i c e t h em a i nt a s ko ft h i sp a p e ri st o e n a b l et h es y s t e mt oh a v el o w - c o s t ，h i g h - s p e e d ，l a r g e c a p a c i t yf e a t u r e s 。 i nt h i sp a p e r , a r mi st h ec o n t r o l l e rf o r t h eu s e r f p g ai st h ec o r e t r a n s m i s s i o n t h ed i s ka r r a yc o m p o s e do fm u l t i b l o c kd i s k si ss t o r a g ed e v i c e t h e s et h r e ep a r t sc o n s t i t u t et h eh i g h - s p e e dd a t as t o r a g es y s t e m sb a s e do nt h e p c i xb u st o g e t h e r t h i sp a p e rd e s i g n e das e to fs o f t w a r ef o rh i g h - s p e e dd a t as t o r a g es y s t e m b a s i n go nt h eo r i g i n a lh a r d w a r ea n dh a sd e s i g n e dt h eh i g h - s p e e dd a t as t o r a g e s y s t e m ss y s t e ms o f t w a r e a f t e rs t u d y i n gt h ep c ib u sp r o t o c o l ，t h ep c i xb u s p r o t o c o la n dt h ef p g ad e v e l o p m e n tf l o w , t h i sp a p e rh a sc o m p l e t e da r m s c o n t r o lp r o c e d u r ea n df p g a sb r i d g ep r o c e d u r e t h i sp a p e ra l s o r e a l i z e dt h e p c i - xm a i nb r i d g ef u n c t i o na r m c o n t r o l l i n gt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nf p g a a n dt h es a t af l o p p yd i s ka r r a yc o n t r o l l e r t h es t u d ys h o w st h a tt h es y s t e mw o r k sw e l la n dt h ep l a ni sf e a s i b l e 。w i t ht h e a p p l i c a t i o no f t h es a t af l o p p yd i s ka r r a y , a r ma n df p g a ，i ti sv e r yc o n v e n i e n t t or e a l i z et h es y s t e m sd e v e l o p m e n ta n du p g r a d i n g k e yw o r d s ：s t o r a g es y s t e m ；b r i d g e ；f p g a ；p c i x ；p c i 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 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体己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) ：屈垒j 舅 日期：皮解岁月l 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 背景及意义 目前许多的数据存储系统，大都是基于p c i 总线和i d e 硬盘的，一种是 利用计算机本身的p c i 总线和专门的数据采集软件来把数据采集存储到i d e 硬盘中，这种方式使用起来复杂、笨重。另一种是采用专门的数攥采集系统， 这种方式价格相当昂贵。对于一些户外现场实验，尤其是海上实验来说，携 带这样的设备去采集数据，其方便性和风险性可想两知。新以开发研究一种 廉价、便捷、快速的数据存储系统的是非常有必要的。 论文研究的是利用a r m 和f p g a 控制s a t a 磁盘阵列，同时利用p c i - x 总线和s a t a 磁盘阵列配合组成便捷、快速的存储系统。这个系统能够满足 多通道高速同步采集。目前在所有的数据采集系统中利用这种方式作为数据 存储系统的还没有出现过。p c i - x 总线最小的总线频率就是6 6 m ，p c i x 1 0 协议的总线规范的频率是1 3 3 m ( 目前p c i x 2 0 协议的最大的总线频率可以 达到5 3 3 醚) ，同时数据传输的总线宽度最大是秘位宽，这样带宽最低就是 5 3 3 b m s 。并且随着p c i x 协议小组的不断开发其传输频率也在不断的提商， 传输速度也在不断的提高。高速数据传输系统必须要有大容量来支持，硬盘 作为系统的存储介质是最好的选择，它存储容量大，价格便宜。但是不同的 磁盘其接口不同，速度又不一样，目前s a t a 接口硬盘速度快且价格便宜。 由原来i d e 接口硬盘的l o m b s 速度提高到了7 0 m b s 。如果使用s a t a 磁 盘阵列的其速度又会大大提高。尤其是利用s a t a 磁盘阵列后，数据采集通 道酶数量上可以有缀大扩展，并显可| 以满足多通道的高速同步采集。综上所 述使用p c i x 总线和s a t a 磁盘阵列两者的结合完全可以达到高速的数据存 储的效果。 论文研究的存储传输系统就是充分利用上述两者的特点来开发的一个高 速数据存储系统。整个系统除了高速大容量外还有其他的一些特点：成本低， 整个存储系统相当予替代了一台高性能的计算机和及其昂贵的采集软件。便 携，整个系统体积非常小可以组装在比计算机主机机箱还小的机箱盒中。系 统还可以实现数据回放功能，系统中含有u s b 接口可以通过u s b 接口把磁 哈尔滨t 穰大学硕士学俺论文 盘阵列的数据映射到计算机中，然后通过计算机可以对采集的数据进行数据 操作。无论是在实际应用还是在市场前景上，开发这样的数据存储系统是非 常有必要的的，其价值前景也是菲常可观的。 1 2 总线技术介绍 论文采用了计算枫系统中的p c i - x 总线技术，所以这一节将具体介绍一 下各神总线技术概念和历史。 总线技术首先是在计算机系统中提出来的，在计算机系统中各个功能部 件都是通过总线来交换数据的，总线的速度对系统性能有着极大的影响。而 也正因为如此，总线被誉为是计算机系统的神经中枢。在计算机系统总线上 出现过包括p c 总线、i s a 总线、p c i a g p 总线、p c i x 总线，p c ie x p r e s s 、 h y p e r t r a n s p o r t 高速串行总线等总线。 1 2 1p c 总线与i s a p c 总线是最古老的总线之一，它是第一种被认可为广泛标准的总线技 术。p c 总线最早出现在i b m 公司1 9 8 1 年推出的p c x t 电脑中，它基于8 位结构的8 0 8 8 处理器，也被称为p c x t 总线h 4 1 。 直到1 9 8 4 年，i b m 推出基于1 6 位英特尔8 0 2 8 6 处理器的p c a t 电脑， p c 总线才被1 6 位的p c a t 总线所代替。p c a t 总线规范也被逐渐标准化， 并衍生出著名的i s a 总线( i n d u s t r ys t a n d a r d a r c h i t e c t u r e ，工业标准架构) 。 与p c a t 总线不同，i s a 总线采用8 位和1 6 位模式，它的最大数据传 输率为8 m b p s 和1 6 m b p s ，在当时完全可满足多个c p u 共享系统资源的需 要。但在3 2 位3 8 6 d x 处理器出现之后，1 6 位宽度的i s a 总线就遇到问题， 总线数据传输馒使得处理器性能也受到严重的制约。有鉴于此，康柏、惠普、 a s t 、爱普生等九家厂商协同将i s a 总线扩展到3 2 位宽度，e i s a ( e x t e n d e d i n d u s t r ys t a n d a r da r c h i t e c t u r e ，扩展工业标准架构) 总线由此诞生这是发生 在1 9 8 8 年的事情。 e i s a 总线昀工佟频率仍然傈持在8 m h z 水平，但受益于3 2 位宽度，它 的总线带宽提升到3 2 m b p s 。另外，e i s a 可以完全兼容之前的8 1 6 位i s a 总线，用户已有扩展设备可继续使用，一定程度受到用户的欢迎。然而，e i s a 2 哈尔滨1 = 稃大学硕士学位论文 并没有重复i s a 的辉煌，它的成本过高，且速度潜力有限；更要命的是，在 还没有来得及成为正式工业标准的时候，更先进的p c i 总线就开始出现。 1 2 2p c i 总线 p c i 总线诞生于1 9 9 2 年。英特尔推出4 8 6 处理器，这个时候，e i s a 总 线成为瓶颈，因为c p u 的速度已经明显高于总线速度，但受到e i s a 的限制， 硬盘、显卡和其它外围设备都只能慢速发送和接收数据，整机性能受到严重 影响。为了解决这个问题，英特尔公司提出3 2 位p c i 总线的概念，并迅速获 得认可成为新的工业标准m 1 。 第一个版本的p c i 总线工作于3 3 m h z 频率下，传输带宽达到1 3 3 m b p s ， 比i s a 总线和e i s a 总线有了巨大的改进，很好满足当时计算机系统的发展 需要。在p c i 发布一年之后，英特尔公司紧接着提出6 4 位的p c i 总线，它 的传输性能达到2 6 6 m b p s ，但主要用于企业服务器和工作站领域；由于这些 领域对总线性能要求较高，6 4 位3 3 m h z 规格的p c i 很快又不够用了，英特 尔遂将它的工作频率提升到6 6 m h z 。而随着x 8 6 服务器市场的不断扩大，6 4 位6 6 m h z 规格的p c i 总线理所当然成为该领域的标准，针对服务器- r 作站 平台设计的s c s i 卡、r a i d 控制卡、千兆网卡等设备无一例外都采用“位 p c i 接口，乃至到今天，这些设备还被广泛使用。 1 2 3p c i x 总线 p c i x 总线由康柏、惠普和i b m 等三家服务器厂商于九十年代末共同发 起，并在2 0 0 0 年正式发布p c i x1 0 版标准，p c i x 宣告诞生p 1 1 1 。 在技术上，p c i - x 并没有脱离p c 体系，它仍使用6 4 位并行总线和共享 架构，但将工作频率提升到1 3 3 m h z ，由此获得高达1 0 6 g b p s 的总带宽。如 果四组设备并行工作，每组设备可用带宽为2 6 6 m b p s ；如果只有两组设备并 行，那么每组设备就可分得5 3 3 m b p s ；而在连接一组设备的情况下，该设备 便可以独自使用到全部的1 0 6 g b p s 带宽。相对于6 4 位p c i 总线，p c i x 的 提升相当明显。不过，p c i x 带来的变化不仅如此，它在总线的传输协议方 面有许多重要的改良。p c i x 的另一个重要优点在于，它可以完全兼容之前 的6 4 位p c i 扩展设备，用户已有投资可以获得充分保障。平滑过渡的方式让 哈尔滨工程大学硕十学位论文 p c i x 在服务器t 作站领域大获成功，并很快取代6 4 位p c i 成为新的标准。 基于p c i 基础改良的性质让它不可能彻底解决带宽不足的问题。2 0 0 2 年 7 月，p c i s i g 推出更快的p c i x 2 0 规范，它包含较低速的p c i x 2 6 6 及高速 的p c i - x 5 3 3 两套标准，分别针对不同的应用。同样，p c i - x 2 0 并没有对总 线架构做什么大改动，而只是将工作频率分别提升到2 6 6 m h z 和5 3 3 m h z ， 以此获得更高的传输效能。p c i x 2 6 6 标准可提供2 1 g b p s 共享带宽，p c i x 5 3 3 标准则更是达到4 2 g b p s 的高水平。这两者最多都可以支持8 组设备， 扩展力相当强大；如果系统只安装4 组设备，那么最高级的p c i x 5 3 3 标准 允许每个设备获得超过1 g b p s 的总线带宽，这完全可满足多路千兆以太网、 光纤通道、s a sr a i d 系统的需求。此外，p c i x 2 0 也保持良好的兼容性， 它的接口与p c i x 1 0 完全相同，可无缝兼容之前所有的p c i x 1 0 设备和p c i 扩展设备。很自然，p c i x 2 0 成功进入服务器市场并大获成功，直到现在它 仍然在服务器市场占据主流地位。 1 2 4p c ie x p r e s s 总线 在服务器领域遭遇总线速度困扰的时候，p c 系统也面临相同的问题，而 业界也认识到诞生多年的p c i 总线是时候退出应用舞台了。在2 0 0 1 年，英特 尔公司提出3 g i o ( 眦r dg e n e r a t i o ni oa r c h i t e c t u r e ，第三代i o 体系) 总线 的概念，它以串行、高频率运作的方式获得高性能。3 g i o 计划获得广泛响应， 后来英特尔将它提交给p c i s i g 组织，于2 0 0 2 年4 月更名为p c ie x p r e s s 并 以标准的形式正式推出副。 在工作原理上，p c ie x p r e s s 与并行体系的p c i 没有任何相似之处，它采 用串行方式传输数据，而依靠高频率来获得高性能，因此p c ie x p r e s s 也一度 被人称为“串行p c i ”。由于串行传输不存在信号干扰，总线频率提升不受阻 碍，p c ie x p r e s s 很顺利就达到2 5 g h z 的超高工作频率。其次，p c ie x p r e s s 采用全双工运作模式，最基本的p c ie x p r e s s 拥有4 根传输线路，其中2 线用 于数据发送，2 线用于数据接收，也就是发送数据和接收数据可以同时进行。 相比之下，p c i 总线和p c i - x 总线在一个时钟周期内只能作单向数据传输， 效率只有p c ie x p r e s s 的一半；加之p c ie x p r e s s 使用8 b 1 0 b 编码的内嵌时钟 技术，时钟信息被直接写入数据流中，这比p c i 总线能更有效节省传输通道， 4 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 提高传输效率。第三，p c ie x p r e s s 没有沿用传统的共享式结构，它采用点对 点工作模式( p e e rt op e e r ，也被简称为p 2 p ) ，每个p c ie x p r e s s 设备都有自 己的专用连接，这样就无需向整条总线申请带宽，避免多个设备争抢带宽的 糟糕情形发生，而此种情况在共享架构的p c i 系统中司空见惯。 1 2 5h y p e r t r a n s p o r t 总线 在系统总线家族中，h y p e r t r a n s p o r t 应该是一个另类，原因是它只是a m d 自家提出的企业标准，设计目的是用于高速芯片间的内部联接。在基本工作 原理上，h y p e r t r a n s p o r t 与p c ie x p r e s s 如出一辙，都是通过串行传输、高频 率运作获得超高性能一不过正确的说法应该颠倒过来，因为h y p e r t r a n s p o r t 技术早于p c ie x p r e s s ，后者其实是参照h y p e r t r a n s p o r t 而设计。基本的 h y p e r t r a n s p o r t 总线为两条点对点的全双工数据传输线路( 一条为输入、一 条为输出) ，它的物理频率只有4 0 0 m h z ，a m d 引入了d d r 双向触发技术， 因此其数据传输频率相当于8 0 0 m h z ；如果同时使用8 对这样的串行传输线 路( 也就是8 位) ，h y p e r t r a n s p o r t 的双向数据传输率可达到1 6 g b p s ；而如 果采用3 2 位设计，h y p e r t r a n s p o r t 便能够提供6 4 g b p s 的超高带宽。在2 0 0 0 年，如此高速的总线绝对令外界感到疯狂，而事实最终证明a m d 的远见嘲。 除了速度快之外，h y p e r t r a n s p o r t 还有一个独有的优势，它可以在串行 传输模式下模拟并行数据的传输效果。它采用一种特殊的分批方式，可以将 3 2 位数据预先分批组装一如果采用的是8 位总线，那么3 2 位数据会被分成4 个批次发送，然后自动合为一体。这样在系统看来，数据都是以3 2 位为单位 传送的，它就能够直接调用，而不必像传统串行总线一样需要由系统干涉数 据组装工作。 1 3 硬盘接口简介 论文涉及到的另一个主要概念就是硬盘接口技术。所谓接口指的是一个 规格标准，包含让两个系统之间可以相互沟通的通信协议以及相关连接组件 规定。计算机行业的接口标准，则是指让外部设备和系统主机之间，可以了 解的接口标准。硬盘接口则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数据 5 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 传输速度。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。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 差异也较大瓦h 1 。 l 、i d e ；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。 i d e 代表着硬盘的一种类型，但在实际的应用中，人们也习惯用i d e 来 称呼最早出现i d e 类型硬盘御隗1 ，这种类型的接口随着接口技术的发展已 经被淘汰了，而其后发展分支出更多类型的硬盘接口，比如a t a 、u l t r a a t a 、 d m a 、u l t r a d m a 等接口都属于i d e 硬盘。 2 、s c s i 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 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。 3 、光纤通道 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 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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。 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。 4 、s a t a i使用s a t a ( s e r i a la t a ) 1 3 的硬盘又称串口硬盘，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 1 隗委员会正式确立了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 缸a la t a 委员会已抢先确立了s e r i a la t a 2 0 规范。s e r i a la 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。 ：串1 3 硬盘是一种完全不同于并行a t a 的新型硬盘接口类型，由于采用串 行方式传输数据而知名。相对于并行a t a 来说，就具有非常多的优势。首先， s e r i a la t a 以连续串行的方式传送数据，一次只会传送1 位数据。这样能减 少s a t a 接口的针脚数目，使连接电缆数目变少，效率也会更高。实际上， s e r i a la t a 仅用四支针脚就能完成所有的工作，其中包括连接电缆、连接地 线、发送数据和接收数据，同时这样的架构还能降低系统能耗和减小系统复 杂性。其次，s e r i a la t a 的起点更高、发展潜力更大，s e r i a la t a1 0 定义的 数据传输率可达1 5 0 m b s ，这比最快的并行a t a ( 即a t a 1 3 3 ) 所能达到 1 3 3 m b s 的最高数据传输率还高，而在s e r i a la t a2 0 的数据传输率达到 3 0 0 m b s ，最终s a t a 将实现6 0 0 m b s 的最高数据传输率。 1 4 桥接器的简单介绍 之所以要介绍桥接器，是因为论文主要工作之一就是利用f p g a 实现一 个主桥来达到传输数据的目的。所以桥接器的概念不得不介绍。为了能够更 清楚的介绍桥接器的概念，首先来看看一般计算机中的典型的p c i 总线的系 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 统结构，如图1 1 就是一个典型的p c i 总线系统结构，在图中可以看出，整 个系统存在三种不同的总线：h o s t 总线、p c i 总线和v i s a 总线。最顶层的 h o s t 总线是c p u 主存总线，可以有多个c p u 中间层的p c i 总线用于连接 各种高速设备，p c i 设备可以是主设备也可以是目标设备或者兼而有之。系 统中允许有多条p c i 总线，它们或者是h o s t p c i 桥与h o s t 总线沟通，或 者是p c i p c i 桥与h o s t 总线沟通的p c i 总线连接，以此扩充整个系统的p c i 总线负载能力。最底层的是i s a 总线，其实也可以是e i s a 等性能较低的传 统总线，以充分利用市场上丰富的适配器支持中、低速i o 设备运行。三种 总线的带宽各不相同。一个典型值是：h o s t 总线位宽1 6 位、时钟频率 6 6 m h z ，p c i 总线位宽3 2 位、时钟频率3 3 m h z ，i s a 总线位宽1 6 位、时钟 频率8 m h z ”1 。 图1 1p c i 总线系统结构 在一个p c i 系统中可以做到高速外部设备和低速外部设备共享，p c i 总 线与i s a e i s a 总线并存，p c i 总线的桥接芯片起着重要作用，连接两条总线 使之互相之间进行通信，它是一个总线转化部件，可以把一条总线的地址空 间映射到另一条总线的地址空间上，从而使系统中任何一个总线设备都可能 看到同样的一份地址表。p c i 标准桥三种，即h o s t p c i 桥、p c i p c i 桥和 8 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 p c i l e g a c y ( 遗留) 桥。它们都是p c i 设备，处理机c a c h e 存储子系统经 过一个h o s t p c i 桥连接到p c i 总线上，此桥提供一个低延迟的访问通道； 该桥也能提供数据缓冲功能，以使c p u 与p c i 总线上的设备并行工作而不必 相互等待；另外，桥可以使p c i 总线的操作与c p u 总线分开，以免相互影响。 p c i l e g a c y 桥的设置是为了能在p c i 总线上接出一条标准i o 扩展总线， 如i s a 、e i s a 或m c a 总线，从而可继续使用现有的i o 设备，以增加p c i 总线的兼容性和选择范围。总之，桥实现了p c i 总线的全部驱动控制。 二1 5 论文主要内容 论文研究的主要内容是： 以p c il o c a lb u ss p e c i f i c a t i o nr e v i s i o n2 2 为基础，研究标准p c i 总线的 总线交易协议及相关的电气特性。 以p c i xa d d e n d u mt ot h ep c il o c a lb u ss p e c i f i c a t i o n1 o a 为基础，研究 标准p c i - x 总线的总线交易协议及相关的特性。 学习和研究f p g a 开发流程和设计方法。 在以上的理论基础知识基础上，利用a r m 9 2 0 0 实现a r m 的基本控制程 序，利用a l t e r a 公司的c y c l o n e l i 系列芯片实现p c i x 主桥的基本功能，包 括对p c i - x 设备、s a t a 磁盘阵列控制的器的配置空间的配置以及s a t a 接 口寄存器的配置、如何将数据传输到s a t a 磁盘中和将磁盘中的数据通过 u s b 接口回放出来。 9 鉴垒鎏! 堡垒茎鎏；：兰堡鎏奎 第2 章硬件平台简介 数据存储系统的硬件平台主要由a r m 模块、f p g a 模块和s a t a 磁盘阵 列控制模块等组成。由a r m 模块作为命令输入，f p g a 模块作为桥控制器 来协调各种数据接口和p c i x 总线接口之间的数据通信，s a t a 磁盘阵列控 制器作为各种命令的执行者来完成各种命令，三种模块协同工作达到数据存 储和回放的目的。下面就硬件平台作详细介绍。 2 1 硬件平台综述 整个系统是基于低成本、高速度、磁盘管理简单、数据流程简单等理念 而设计的。所谓低成本是由于采用了a l t e r a 的c y c l o n e l i 系列e p 2 c 2 0 f 4 8 4 的 f p g a ，而a t m e l 公司的a t 9 1 r m 9 2 0 0 也是面向低端市场的器件。高速度则 是目前市面上速度晟快的s a t a 硬盘和p c i x 总线。磁盘管理简单则采用了 s a t a 硬盘控制器，这款控制器具有硬件r a i d 功能，所以只需要对控制芯 片进行管理即可实现各种r a i d 级别。数据流程简单是指数据只需通过f p g a 中的f i f o 缓冲即可通过p c i x 总线写入硬盘。系统硬件开发平台如图21 所示”“。 图2 1 硬件开发平台 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 宣i i i i i 暑宣宣暑宣暑宣昌i i i i ；宣宣i 暑i 宙i - n | 宣暑i i i 萱 系统基本原理和1 3 节介绍的p c i 总线系统原理基本类似。只不过是更 加简化了，系统中只有c p u 、主存储器、p c i x 主桥以及一个p c i x 设备如 图2 2 。系统中没有二级桥，也没有多个设备，这给主桥的功能上简化了许多。 同时使用f p g a 实现p c i x 主桥成为可能。系统中c p u 使用的是a r m 9 2 0 0 、 主存储器在f p g a 内部实现、p c i x 主桥也是用过f p g a 实现的、p c i x 设 备则是用s a t a 磁盘阵列控制器控制的磁盘阵列。下面几节将具体介绍硬件 平台上的主要芯片。 图2 2 系统基本原理图 2 2a r m 处理器概述 a r m 是a d v a n c e dr j s cm a c h i n e s 的缩写，是微处理器行业的一家知名 企业，该企业设计了大量廉价、高性能、低功耗的r i s c 处理器、相关技术 及软件。a r m 公司的处理器具有性能高、成本低和能耗小的特点，适用于多 种领域，如嵌入控制、消费教育类多媒体、d s p 和移动式应用等。 a r m 架构是面向低预算市场设计的第一款r i s c 微处理器，r s c 结构 优先选取使用频最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格 式和寻地方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等措施来达 到上述目的。到目前为止，r s c 体系结构也还没有严格的定义，一般认为 r i s c 体系结构应具有如下特点【峪n 1 ： 一采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式有2 3 种。 一使用单周期指令，便于流水线操作执行。 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 一大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载、 存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。 除此以外，删体系结构还采用了一些特别的技术，在保证高性能的前 提下尽量缩小芯片的面积，并降低功耗： 一所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高 指令的执行效率。 一可用加载存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率。 一可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。 一在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。 2 2 1a r m 9 微处理器系列 删9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有 以下特点引： 一5 级整数流水线，指令执行效率更高。 一提供1 1 m i p s m h z 的哈佛结构。 一支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集。 一支持3 2 位的高速a m b a 总线接口。 一全性能的m m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主 流嵌入式操作系统。 一m p u 支持实时操作系统。 一支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 a r m 9 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶 盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。a r m 9 系列微处理器包含 a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类型，以适用于不同的应用场合。 2 2 2a t 91r m 9 2 0 0 特性简介 a t 9 1 r m 9 2 0 0 是完全围绕a r m 9 2 0 t a r mt h u m b 处理器构建的系统。它 有丰富的系统与应用外设及标准的接口，从而为低功耗、低成本、高性能的 计算机宽范围应用提供一个单片解决方案。它具有以下特性【1 9 1 ： 特性： 1 2 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 一嵌融合了a r m 9 2 0 t t ma r m t h u m b 处理器 一工作于1 8 0 m h z 时性能高达2 0 0 m i p s ，存储器管理单元 一1 6 - k 字节的数据缓存，1 6 k 字节的指令缓存，写缓冲器 一含有调试信道的内部仿真器 一中等规模的嵌入式宏单元结构( 仅针对2 5 6 b g a 封装) _ 低功耗：v d d c o r e 电流为3 0 4 m a 待机模式电流为3 1 m a 一附加的嵌入式存储器 。一s r a m 为1 6 k ；r o m 为1 2 8 k 外部总线接口( e b i ) 一支持s d r a m ，静态存储器，b u r s tf l a s h ，无缝连接的 c o m p a c t f l a s h ， _s m a r t m e d i 棚及n a n df l a s h 一提高性能而使用的系统外设 一增强的时钟发生器与电源管理控制器 一两个有双p l l 的片上振荡器 一低速的时钟操作模式与软件功耗优化能力 一四个可编程的外部时钟信号 一包括周期性中断、看门狗及第二计数器的系统定时器 一有报警中断的实时时钟 一调试单元、两线u a r t 并支持调试信道 二有8 个优先级的高级中断控制器，独立的可屏蔽中断源，为中断 保护 一7 个外部中断源及1 个快速中断源 一有1 2 2 个可编程i o 口线的四个3 2 位p i o 控制器，各线均有输 入变化中断及开漏能力 一2 0 通道的外设数据控制器( d m a ) - 1 0 1 0 0b a s e t 型以太网卡接口 一独立的媒体接口( m i i ) 或简化的独立媒体接口( i 洲i i ) 一对于接收与发送有集成的2 8 字节f i f o 及专用的d m a 通道 u s b2 0 全速( 1 2 m 比特秒) 主机双端口 哈尔滨工程大学硕十学何论文 一双片上收发器( 2 0 8 引脚p q f p 封装中仅为一个) 一集成的f i f o 及专用的d m a 通道 一片上收发器，2 k 字节可配置的集成f i f o 多媒体卡接口( m c i ) 一自动协议控制及快速自动数据传输 一与m m c 及s d 存储器卡兼容，支持两个s d 存储器 _ 个同步串行控制器( s s c ) i一每个接收器与发送器有独立的时钟及帧同步信号 一支持1 2 s 模拟接口，时分复用 一3 2 比特的高速数据流传输能力 个通用同步异步接收发送器( u s 灿汀) 一支持i s 0 7 8 1 6t 0 t 1 智能卡 一硬软件握手 _ 支持r s 4 8 5 及高达l1 5 k b p s 的k d a 总线 一u s a r t l 为全调制解调控制线 - 主机从机串行外设接口( s p i ) 一8 - - - - 1 6 位可编程数据长度，可连接4 个外设 _ 两个3 通道1 6 位定时计数器( t c ) 一3 个外部时钟输入，每条通道有2 个多功能f o 引脚 一双p w m 产生器，捕获波形模式，上加下减计数能力 - 两线接口( t 、) 一主机模式支持，所有两线a t m e le e p r o m 支持 一所有数字引脚的i e e e11 4 9 1 j t a g 边界扫描 _ 电源供应 一v d d c o r e ，v d d o s c 及v d d p l l 电压为：1 6 5 v 1 9 5 v 一提供了2 0 8 引脚p q f p 及2 5 6 球状b g a 两种封装 从上述a t 9 1 r m 9 2 0 0 的特点可以看出，该芯片功耗低、性价比高，并且 市场应用广泛，再进一步综合灵活性、易用性、技术支持和性能等诸方面的 因素之后，系统选择了这款a t 9 1 r m 9 2 0 0 作为系统的c p u 。 1 4 哈尔滨r 程夫学硕士学傅论文 2 3s a t a 硬盘控制器s i l 3 1 2 4 简介 s i l 3 1 2 4 是s i l i c o n 公司生产的一款四端口的p c i 、p c i x 到s a t a 硬盘控 制器。用于主机到多个s a t a 硬盘的设计，它支持p c i x t0 标准和s a t a 标 准，其中一1 型号支持s a t a 的1 5 g b s 标准，之型号支持s a t a 的3 g b s 标准。 主要应用于扩展卡、嵌入应用、主桥适配器、主板和存储系统。 231s i l 3 1 2 4 框图及特陛 s i b l 2 4 主要模块图如图2 3 。p c i - x 核心逻辑模块能够提供支持p c i2 3 和p c i x 10 的协议支持。p c i x 仲裁器逻辑模块可以被四个s a t a 端口共享， 是用来读写方式和数据传输通道进行仲裁的。类似的中断逻辑模块同样可以 被四个s a t a 端口共享。1 2 c 控制器和f l a s h 控制器是用来完成初始化功能 的。四个端口都有自己独立的端口逻辑结构，每个端口逻辑都是一样的，通 过对端口寄存器进行各种配置就能实现各种方式的数据传输8 ”。 一 卜= _ 四墨i 卜圈。 盖i 蔫霸盈圈母墨l ，田j 图2 3 给出了s i l 3 1 2 4 主要模块图 s i l 3 1 2 4 具有以下特性： _ 整体特性 一主机协议 对于事务的最优导向设计一迷你主机 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 一支持俩个命令发布机制 一嵌入式系统与p c 之间的直接执行 一减小依赖于桥的行为 一有计划的p c i x 猝发事务能力 一完全的6 4 位功能 一支持高达4 m b i t 的用于b i o s 扩展的外部f l a s h 一支持外部f l a s h 或串行e e p r o m 对子系统的v e n d o ri d 和 p r o d u c ti d 编程 p c i x 特性 一支持频率为13 3 m h z ，宽度为6 4 b i t 的p c i x 总线 一4 个内部多元应用接口 一所有寄存器都在存储器空间 一片内受单次猝发访问影响的命令完成状态 一由寄存器空间访问的i o 端口 一s a t a 特性 一完整的s a t a 链路层和物理层 一支持s a t a l 0 和s a t a 2 0 协议 一s a t a 传输速率为1 5 g b s 或3 0 g b s 一支持s a t a i i 端口扩展1 0 协议 一单个p l l 架构，一个p l l 用于4 个端口 一4 个独立的s a t a 通道 一独立的链路、传送器和数据f i f o 一独立的命令取指、分散合并和执行 一支持延迟队列 一支持本地队列 二支持d m a 方式 一支持端口扩展 一片内每个端口都有3 1 个命令和分散合并平台 一支持异步消息 一协议不考虑命令 1 6 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 一交错旋转控制 2 4 现场可编程门阵列( f p g a ) 概述 f p g a 是英文f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y 的缩写，即现场可编程门阵 列，它是在p a l 、g a l 、e p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。 它是作为专用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决 了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。f p g a 采用了逻辑单元阵列这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块c l b 、输出 输入模块i o b 和内部连线三