（电路与系统专业论文）基于FPGA的网络存储系统的研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

硕i ：论文 基于f p g a 的网络存储系统的研究j 设计 摘要 信息技术的快速发展，使人们对数据传输的要求越来越高，无论是对速度，还是对 系统的存储容量、体积、造价、稳定性都提出了更高要求。本文研究设计的是基于f p g a 的网络存储系统。系统以i d e 接口类型的大容量硬盘作为存储介质，利用基于f p g a 的 n i o s 嵌入式系统对硬盘进行控制，对数据进行无压缩存储，实现脱机操作。 本文中，i d e 控制器的f p g a 设计分成两大模块：a t a 主机模块和w i s h b o n e 从机模块， 所有模块均选用w i s h b o n e 作为i p 核基本互联的接口标准。a t a 主机部分设计p i o 控制器、 d m a 控制器，实现数据的读写操作；w i s h b o n e 从机部分实现向a t a 主机传递参数，进行 寄存器控制。然后将符合功能的模块和其他外围设备一起嵌入至l j n i o s 系统中，这由s o p c b u i l d e r 工具完成。硬件设计实现后，在s d k 基础上进行软件设计。最后，将软件和硬件 构成的系统下载到f p g a 中进行调试。 文中的存储系统主要由n i o s 软核c p u 、i d e 控制器、驱动软件、外部存储设备等 构成。经调试运行证明：该系统充分发挥硬盘优势，具有存储容量大、性能可靠、体积 小及成本低等特点；系统符合a t a a t a p i 6 的传输协议，支持p i o 0 - p i o 4 传输，支 持u l t r a d m a1 0 0 ，最大可以实现6 6 7 m b s e c 的数据传输率；系统采用专用的i d e 控制 器，脱离个人主机，完全实现脱机操作，适用于现场调试；采用基于r i s c 技术、流水 线技术的通用嵌入式处理器软内核n i o s 进行系统的控制，使整个存储系统显得更加易 用和灵活。此存储系统与其他存储系统相比较，具有小型化、便捷化、操作方便、可在 线控制等特点，有很好的实用价值和应用前景。 关键词：n i o s ，i d e ，i p 核，w i s h b o n e ，数据存储 a b s t r a c t 硕_ ：论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , i tm a k e sh i g h e rd a t at r a n s f e r r e q u i r e m e n t s ，r e g a r d l e s so ft h es p e e d ，o rt h es t o r a g ec a p a c i t y , v o l u m n ，c o s t ，a n ds t a b i l i t yo f t h es y s t e m t h i sa r t i c l ei sn e t w o r ks t o r a g es y s t e mw h i c hb a s e do nf p g a t h es y s t e mm a k e sa l a r g ec a p a c i t yh a r dd i s kw h i c hm e e t si d ei n t e r f a c ea ss t o r a g em e d i a , c o n t r o l l e db yn i o s e m b e d d e ds y s t e mb a s e do nf p g a ，s t o r a g et h ed a t ab yn oc o m p r e s s i o n ，a n dc a l t yo u to f f i i n e o p e r a t i o n i nt h ea r t i c l e ，t h ef p g ad e s i g no ft h ei d ec o n t r o l l e ri sd i v i d e di n t ot w om o d u l e s ：t h e 心kh o s tm o d u l ea n dt h ew i s h b o n es l a v em o d u l e t h ea t ah o s td e s i g n sp i oc o n t r o l l e r , d m a c o n t r o l l e r , i m p l e m e n t sw r i t ea n dr e a do p e r a t i o no fd a t a ；t h ew i s h b o n es l a v et r a n s f e r st h e p a r a m e t e r st o t h eh o s t ，a n dc o n t r o lr e g i s t e r s t h e nm a k et h em o d u l e sw h i c hh a v eb e e n d e s i g n e da n do t h e rp e r i p h e r a le q u i p m e n t st o g e t h e re m b e di n t ot h en i o ss y s t e m ，t h i si s a c c o m p l i s h e db yt h es o p cb u i l d e rt 0 0 1 a f t e ra c c o m p l i s hh a r d w a r ed e s i g n ，d os o f t w a r eo n t h eb a s eo fs d k f i n a l l y , d o w n l o a dt h es y s t e mw h i c hc o n s i s to fh a r d w a r ea n ds o f t w a r et ot h e f p g a ，a n dd e b u gi t t h i ss t o r a g es y s t e mc o n s i s t so fn i o ss o f tc o r ec p u ，i d ec o n t r o l l e r , d r i v es o f t w a r e ， e x t e r n a ls t o r ea p p a r a t u sa n ds oo n v i ad e b u g g i n ga n dr u n n i n gt op r o v et h a t ：t h i ss y s t e mf u l l y b r i n gi n t op l a yt h ea d v a n t a g eo ft h eh a r d w a r e ，h a v et h ep r o f i t so fg r e a ts t o r a g ec a p a c i t y , c r e d i b l yc a p a b i l i t y ,s m a l l v o l u m ea n dl o wc o s t ；a c c o r d sw i t ht r a n s p o r tp r o t o c o l so f a t a a t a p i - 6 ，h o l dp i o - o - p i o - 4t r a n s p o r t ，h o l du l t r ad m a10 0 ，d a t at r a n s f e rr a t ec a nr e a c h 6 6 7m b s e ca tt h em o s t ；t h es y s t e ma d o r p t ss p e c i a li d ec o n t r o l l e r , d e v i d e df r o mp e r s o n a l c o m p u t e r , a b s o l u t e l yc o m p l e t eo f f l i n eo p e r a t i o n , c a nb eu s e di no n l i n ed e b u g g i n g ；a d o r p tt h e g e n e n t a le m b e d d e rs o f tc o r ep r o c e s s o rn i o sw h i c hb a s e do nr i s ct oc o n t r o lt h es y s t e m ，m a k e t h es y s t e mm o r ee a s i l yu s e da n da g i l i t y c o m p a r e dw i t ho t h e rs t o r a g es y s t e m s ，t h i sd e s i g n s y s t e mh a st h ec h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sm i n i a t u r i z a t i o n ，c o n v e n i e n t ，o p e r a t i n gc o n v e n i e n c ea n d b e i n gc o n t r o l l e do nt h ec h i p ；i th a sw e l lp r a c t i c a l i t ya n da p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e y w o r d s ：n i o s ，i d e ，i pc o r e ，w i s h b o n e ，d a t as t o r a g e 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：明年d 月，占日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：d 8 年1 0 月“日 硕l ：论文基于f p g a 的l j c 】4 络存储系统的研究j 设计 1 绪论 1 1 选题背景 在烟叶、棉花等产品异物分拣过程中，杂物剔除是一个重要环节，直接影响产品生 产质量。目前已有许多杂物剔除的方法，但对细小杂物、颜色接近背景色的杂物可能无 法准确地进行剔除，因此有必要提高杂物目标的识别能力和改进识别算法，以提高识别 结果的可靠性和精细程度，增强杂物剔除能力。 在杂物剔除过程中，需要利用有效的识别算法才能发现特殊杂物，进而有效地进行 杂物剔除。进行算法研究时，需要大量高质量、无压缩的样本数据，之所以采用无压缩 数据，是因为压缩数据可能使杂物数据丢失，影响杂物剔除的质量。无压缩数据的容量 是非常大的，一次采集样本可能需要投入大量的人力和资金。如果能将图像数据无压缩 地存储下来，那么意味着不但可以基于同一个数据样本，衡量一个目标识别算法的优劣， 检测和比较不同算法的效果，而且可节约成本。 存储系统如果脱离系统主机的控制，只携带小型，便捷的存储系统即可进行数据采 集，不需要多次进入现场进行数据采集，为人们提供了很大方便，这成为厂商们关注的 焦点，因此需要开发人员研究出可进行数据脱机存储的可行性方案。 可见，质量高、容量大、满足一定速度要求的无压缩数据脱机存储对于进行剔除杂 物中的目标识别算法起到重要的作用。 1 2 数据存储技术发展动态 数据存储已经成为目前的一个热点技术，也是继互联网热之后的又一次技术浪潮。 现代数据存储技术主要研究存储介质、存储设备接口、存储控制、存储速度等。在过去 半个世纪，共发展了磁存储、光存储、磁光存储、芯片存储等四大类的存储技术， 每个类别又包含了为数众多的小种类，产品之丰富、技术之复杂是其他领域罕见【卜3 1 。 本章节将目前流行的数据存储相关技术进行归纳小结，并对数据存储的发展趋势和未来 的数据存储技术进行概述。 1 2 1 存储介质 一切形式的数据必须记录在某种介质上。最天然的数据驻留介质是人的大脑皮层， 最广泛使用的传统数据介质是纸。在计算机里，最常见的数据存储介质是磁盘、光盘、 磁带、内存储器、纸的穿孔带、穿孔卡等。它们是用电磁材料、光电材料、半导体电子 电路来制造的【卜2 1 。磁存储一直是主力。 最早的存储介质是纸的穿孔带、穿孔卡。人们通过光束读纸，有孔为“1 ”，否则为 1 1 绪论 硕1 ：论文 “0 ”，使用既费时又费力，还要程序员记住大量代码【2 】。 磁性材料的开发使磁带成为主要数据存储介质。它有容量大、成本低的优点，但也 存在着缺点，如定位等待时间过长、由于潮湿、磁粉脱落影响数据存储质量【l 】。 9 0 n m 工艺技术的应用，促进了半导体存储技术的突飞猛进发展。r a m ( r a n d o m a c c e s sm e m o r y ，随机存储器) 的应用不用任何机械设备和机械动作、存储速度快( n s 级) 、 可靠性高；但容量的增大、价格的增长使成本成了厂商考虑的问题。 光盘存储是2 0 世纪8 0 年代发展起来的一项新技术，与计算机一起构成的各种光盘存 储系统，具有容量大、存取速度快、价格低、安全可靠以及应用多样化等特点。但光盘 存储刻写速度慢，不能满足存储实时性的要求。 硬盘是计算机中重要的存储设备，作为存储介质的中坚力量，它作为存储设备的地 位是坚不可摧的。硬盘有容量大、接口智能化程度高、控制方便等优点，它作为电脑的 存储设备具备如下优越性：1 、容量大。2 、成本低，可靠性高。作为可擦写的应用软 件和数据载体，硬盘有着无可替代的作用。3 、速度快。在所有的主流存储介质中，硬 盘也许是除内存外最快的一种设备了。4 、方便性。方便性原来都是c d r ( 一次性可写 光盘) 、c d r w ( 一次性可读写光盘) 、m o ( m u l t i p l eo p t i c a l 可擦重写型磁光光盘) 等 的专利，现在随着u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线) 接口$ i i e e e ( i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r s ，美国电气电子工程师协会) 1 3 9 4 接口的普及，随之而 来的移动硬盘? 女i u s b 硬盘、i e e e l 3 9 4 硬盘也扮演着更为活跃的角色。它们容量大、速度 快、携带方便、即插即用的特点都是需要经常备份和转移数据的朋友所迫切需要的性能 p 圳。本文的存储系统是利用硬盘作为大容量存储设备。 1 2 2 存储控制 2 0 世纪7 0 年代控制器丌始应用于工业控制等领域，当时出现的单片机系统属于嵌入 式系统的最初应用。单片机成功应用在数据存储控制方面，如发展中的m c 5 1 、p i c 、 m s p 4 3 0 ，以及新近发展的a v r 等。但各行业对控制器的运算速度、可扩充能力、系统 可靠性、功耗和集成度等方面的要求越来越高，单片机本身的速度和资源的限制，使其 在存储控制上的应用存在一定局限性【3 j 。 随着大规模集成电路设计技术的进步和制造工艺水平的提高，s o c ( s y s t e mo n c h i p ，片上系统) 技术可以快速地进行嵌入式系统设计。s o c 是专用集成电路，用其控制 存储设备，可以提高系统的可靠性，该技术的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接 在处理芯片内嵌入操作系统的代码模块，具有极高的综合性，在芯片内部运用硬件描述 语言可以实现复杂的系统。它的缺点是：开发周期长、生产成本耐铀】。 p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，可编程逻辑器件) 的发展与广泛应用推动了s o c 的发展，使s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ，片上可编程系统) 成为人们关注的焦 2 硕l 论文基于f p g a 的网络存储系统的研究1 j 设计 点。其不但继承了s o c 的特点，而且有自己的优势，便于设计和实现，并可以进行现场 的系统修改，利用硬件描述语言实现复杂的系统。本文采用基于s o p c 技术的n i o s 处理 器作为数据存储系统的控制器件。 1 2 3 硬件接口 硬件接口即存储设备接入系统的方式。目前存储设备的接口呈现多元化的发展格 局，其中主要以s c s i ，i d e ，u s b ，i e e e l 3 9 4 为代表【4 1 。接口直接影响存储设备的访问速度， 关系到实现的难易程度以及成本等问题。 由于本文以硬盘作为存储设备，所以介绍的硬件接口也以硬盘接口为主，最早的硬 盘接口是s t - 5 0 6 ，f l ：t s e g a l e 公司开发，该接口用于p c a t 机的硬盘中。现在常用的硬盘 接口类型有i d e ( i n t e l l i g e n td e v i c ee l e c t r o n i c s ) 、e i d e ( 增强型i d e ) 、s c s i ( s m a l lc o m p u t e r s y s t e mi n t e r f a c e ，小型计算机系统接1 2 1 ) 、u l t r ad m a 3 3 和u l t r ad m a 6 6 等。 i d e 接口又称a t a 接口( a t - a t t a c h m e n t ) 。这种接口为4 0 针接口，不需要专门的接口 卡，而是直接插入主板扩展槽中，有关这方面的知识在后面章节中将作详细介绍。 s c s i 是一种智能型标准接口，特别适合于并发数据的请求处理，能够最大限度地减 少磁头和盘片旋转，因而在并发数据的请求处理中具有极佳的性能。与i d e 接口相比， s c s i 接口提供了更强的扩充能力，通常每块s c s i 接口卡可以在6 米或更长距离内以菊花 链方式接8 个不同外设( 如硬盘、c d r o m 驱动器、打印机和扫描仪等) 【4 】。 u l t r ad m a 3 3 是q u a r t u m 和i n t e l 公司联合开发的i d e 设备转换口，是一个为提高i d e 硬盘数据传输率的新规范。u l t r ad m a 3 3 采用总线主控方式，安装有控制硬盘读写的 d m a ( d i r e c tm e m o r y a c c e s s ) 控制器，使c p u 不用直接参与硬盘的读写，可以节省c p u 资源【4 1 。 u l t r ad m a 6 6 是q u a r t u m 和i n t e l 公司又联合提出的新硬盘传输模式，该标准具有传 输速度快，c p u 占有率低的优点，能有效地提高整个p c 系统得速度。理论上如果主板允 许，可使硬盘的传输率达6 6 m b s 4 卅。 除以上介绍的三方面，数据存储技术还关心存储容量、数据共享、访问速度、可靠 性、实现难度和造价等方面【6 】。 1 3 论文研究的目的与意义 本文研究目的是设计出可以应用到高速图像数据采集和存储领域的数据存储系统。 系统采用在f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ，现场可编程门阵列) 器件中嵌) k n i o s 软核c p u 和专用i d e 逻辑控制模块来实现硬盘数据存储，具有实际应用价值。采用硬件 描述语言( v e r i l o gh d l ) 开发专用的逻辑控制器模块，采用s o p cb u i l d e r 生h - t 2 1 拘n i o s 软 核c p u 进行完整系统设计，可以达到硬盘对高速、无压缩数据存储的目的。采用f p g a 1 绪论硕 ：论文 设计的专用i d e 控制器，脱离个人主机，实现硬盘脱机存储的目的。f p g a 核心部分( n i o s 软核c p u ) 、存储器部分、外围元件部分及用户自定义逻辑部分( 基于f p g a 的i d e 接口 控制器) 组成n i o s 系统，n i o s 系统下载到f p g a 丌发板中，嵌入n i o s 系统的f p g a 开发板 和硬盘共同组成存储系统。该存储系统采用的硬盘是i d e 接口类型的希捷硬盘，满足 a t a a t a p i 6 标准，读取速度达到10 0 m b s e c ，能达到较高的性能指标。 系统是为检验“剔除杂物算法”的效果而设计的数据采集系统的数据存储部分，可 以采集现场的样本数据，并为后期的算法改进进行数据采集；设计中对i d e 硬盘控制器 的研究，可应用到工业生产中，并根据要求做出进一步丌发；由于采用n i o sc p u 对硬盘 控制，对硬盘的控制形式提出新的方案，使系统具有s o p c 的灵活性和高稳定性，而且 硬盘的脱机运行给数据存储带来了方便，节省宝贵的c p u 资源。设计的存储系统可独立 运行、体积小、便于携带和现场调试的特点将会广泛应用于实际应用中。 1 4 论文研究内容 本文分六章阐述系统设计的具体实现过程、应用的相关技术，具体章节安排如下： 第一章介绍选题背景及数据存储技术发展动态，概要说明论文研究的目的与意义。 重点介绍影响数据存储技术的三个主要因素：存储介质、存储控制、硬件接口，根据系 统需求，存储系统利用硬盘作为大容量存储介质，存储控制器件采用基于s o p c 技术的 n i o s 处理器，硬件接口采用i d e 接口。 第二章在分析资料、调研的基础上，提出系统方案，划分系统层次，设计中将基于 f p g a 丌发的存储系统划分为n i o sc p u 、驱动软件层、接口硬件层三个层次进行研究； 根据系统设计需求，设计基于f p g a 的存储系统框图，并对图中各部件用途进行说明， 系统设计就是围绕这个存储系统框图进行的；然后介绍基于q u a r t u si i 及n i o s 的f p g a 开 发流程。 第三章详细说明系统设计时应遵循的协议标准。设计中采用的硬盘是希捷酷鱼硬 盘，该硬盘接口类型是i d e 接口类型，且遵循a t a a t a p i 6 协议，因此本章以a t a a t a p i 6 协议为出发点重点对i d e 接口协议进行详细阐述；系统实现的是无压缩数据存储，在设 计中，采用v e r i l o g 设计大量模块，综合后在f p g a 中实现，这涉及至u f p g a 和s o p c 技术， 本章将对这些方面进行介绍：a l t e r a 提供的n i o s 系统符合a v a l o n 总线标准，经过调研发现， w i s h b o n e 协议有很多免费、公开的口核，而且w i s h b o n e 总线和n i o s 系统的a v a l o n 总线有 兼容性，因此系统中模块设计符合w i s h b o n e 标准，w i s h b o n e 总线作为第三方总线，最后 需要统- - n a v a l o n 标准，本章对w i s h b o n e 总线的相关知识进行介绍，并将w i s h b o n e 总线 和a v a l o n 总线进行类比，实现两种总线的连接。有关i d e 协议、w i s h b o n e 总线的相关知 识是本章的重点。 第四章具体阐述n i o s 系统硬件部分的实现。介绍s t r a t i xf p g a 、n i o s 处理器、v e r i l o g 4 硕j j 论文基于f p g a 的网络存储系统的研究。j 设计 设计方法及i d e 控制器的f p g a 设计。 i d e 控制器的f p g a 设计是本章的重点，是存储系统的核心，文中对各模块进行详细 分析。i d e 控制器的f p g a 设计分为a t a 主机模块和w i s h b o n e 从机模块，a t a 主机模块包 括p i o 模式和d m a 模式，在d m a 模式中实现f i f o ，p i o 中实现乒乓操作，w i s h b o n e 从机 模块定义系统读写的各种寄存器，接收来自a t a 主机模块的控制信息，实现觚a 主机和 w i s h b o n e 从机之间的通信。 乒乓存储，f i f o 存储器的设计都是数据流控制的处理技巧。进行p i o 操作时，读取 和存储的数据是连续不断的、无任何停顿的，可以采用乒乓存储控制数据流，同时可以 提高存取速度；进行d m a 控制器设计时，采用l f s r 通用的f i f o 设计，解决f i f o 深度问 题，使速度提高很多。 第五章阐述n i o s 系统软件部分的实现；软件部分主要通过编写n i o s 嵌入式c 程序， 实现寄存器、控制命令的读写；与硬件部分结合，实现系统的脱机存储。软件部分实现 寄存器部分的读写，命令代码的写入。利用硬件部分生成的s d k ( 软件丌发包) ，编译 软件部分代码，下载到f p g a 开发板中，查询地址，并向硬件部分提供寄存器数据，最 后和硬件程序一起完成数据的存储。 第六章对存储系统进行调试验证。软硬件程序设计完成，加入外围硬件n n i o s 系统， 生成完整n i o s 系统，并将n i o s 系统下载到f p g a 开发板中，对嵌入了n i o s 系统的f p g a 开 发板和硬盘组成的存储系统进行调试，利用s i g n a l t a p 观察信号，分析实验结果。本章首 先对存储系统调试环境进行说明，详细阐述实验硬盘的相关知识，然后针对实验结果分 析说明，验证基于f p g a 开发的存储系统功能完整性。 最后，对存储系统设计进行总结，针对存储系统设计中的主要工作进行总结，并对 设计存在的问题以及需要改进的地方进行说明。 5 2 系统方案硕1 ：论文 2 系统方案 本系统研究的是应用到高速图像数据采集和存储领域的数据存储系统，实现大容量 无压缩数据的脱机存储。 传统存储系统操作方式：当应用软件向操作系统提出请求，要求读取盘上的某个文 件时，操作系统调用驱动软件，驱动软件通过外部数据总线将i d e 底层的命令发送给i d e 驱动芯片，最后发送给硬盘驱动器【2 】。计算机将按照底层的硬件时序读取硬盘上的数据。 如果需要采用d m a 方式读取数据，i d e 驱动芯片向c p u 申请使用总线，直接和内存交 换数据；如果是p i o 读取方式，由c p u 读取数据，再写入s d r a m 。 与传统存储系统不同，本存储系统是用n i o sc p u 进行控制，没有操作系统，n i o s c p u 通过存取硬盘扇区数据进行信息存储；读取数据时，不能采用上述的方法读写硬盘， 更不能直接利用现成的i d e 驱动芯片，而是设计了专用的i d e 控制器。i d e 控制器通过 f p g a 设计多个功能模块实现。 2 1 系统层次划分 在对n i o s 、i d e 、w i s h b o n e 等方面资料、协议进行阅读、调研基础上架构设计思路， 对基于f p g a 开发的存储系统进行层次划分，如图2 1 1 所示【5 - 8 】： 图2 1 1 系统层次划分 对图2 1 1 系统各层次说明如下： 1 、n i o sc p u ：n i o sc p u 是整个系统的核心。硬盘与外界数据采集卡的信息存取， 都要经过c p u 进行数据处理。 n i o s 嵌入式处理器具有自定义指令、并行的多控制器a v a l o n 交换总线结构。可以 直接使用a v a l o n 结构，鉴于w i s h b o n e 总线是s i l i e o r e 公司推出的片上总线协议，它的 结构极其简单、灵活，又完全公开、完全免费，获得众多支持；而且与a v a l o n 总线有 很多兼容之处，模块设计中采用w i s h b o n e 总线作为总线互联标准，然后将w i s h b o n e 总 线和a v a l o n 总线进行连接，获得满足a v a l o n 总线标准的n i o sc p u 处理器。 2 、驱动软件层：根据觚a 协议，编写软件驱动程序，发送硬盘读写命令，向指定 6 硕1 ：论文基于f p g a 的删络存储系统的研究! j 设计 地址或寄存器写入相应参数和命令代码，驱动软件层使软件程序与硬件程序协调工作， 共同实现系统的存储功能。 3 、接口硬件层 这里的硬件主要完成如下功能： 1 ) 定义特殊寄存器，控制寄存器。通过这些寄存器可使n i o sc p u 控制读写硬盘， 在p i o 存取过程中大量运用这些寄存器；本系统i d e 控制器中的w i s h b o n e 从机模块定 义了这些寄存器。 2 ) d m a 存取控制。i d e 控制器中的d m a 存取控制器实现了d m a 存取。 3 ) a v a l o n w i s h b o n e 总线接口。模块设计符合w i s h b o n e 总线标准，n i o s 系统符合 a v a l o n 标准，所以系统设计时根据两种总线的特点及相通处，进行两种总线的连接。 4 ) i d e 总线接口。实现f p g a 丌发板与a t a 硬盘的连接。 5 ) r a m ，f l a s h ，s d r a m 接口控制，u a r t 控制器。 6 ) c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m b l el o g i cd e v i c e ，复杂可编程逻辑器件) 接口( 完成电 源电路、时钟电路、掉电保护电路) 。 2 2 系统框图 通过阅读嵌入式和硬盘控制的国内外相关文献上发现，目前比较成熟、经典的技术 是采用单片机控制硬盘，但由于单片机本身的速度和资源的限制，使其在存储控制上的 应用存在一定局限性。f p g a 结合微电子技术、电路技术、e d a 技术，使设计者可以集 中精力进行逻辑功能的设计，缩短设计周期，提高设计质量【5 】【8 】。本文的存储系统采用 f p g a 设计。基于f p g a 的存储系统框图如图2 2 1 所示： 图2 2 1 存储系统结构图 图2 2 1 中的核心部分f p g a ( f e i l e dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ，现场可编程门阵列) 芯片采用的是a l t e r a 公司的s t r a t i x 系列的e p l s l 0 f 7 8 0 c 6 为f p g a 开发硬件平台，n i o s c p u 是核心部分，信息的存取、与外部器件的通信都要经过n i o sc p u 处理，a l t e r a 公 7 2 系统方案硕l ：论文 司是最大f p g a 厂商之一，而a l t e r a 又以n i o s 软核c p u 著称，对于支持n i o s 软核c p u 的f p g a 器件和其他器件组成的开发板业界称为f p g a 开发板，有的也称n i o s 开发板； u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e rt r a n s m i t e r ，通用异步收发器) 主要和计算机的 串口r s 2 3 2 进行通讯，以便检测试验结果正确性，该部分比较简单，只作测试研究， 本文不作重点介绍；i d e 控制器是系统设计重点部分，对其设计时主要采用模块设计方 法，i d e 控制器的具体结构如图2 2 2 。 图2 2 1 中的周围器件中数据采集口主要接收来自线阵c c d ( c h a 唱ec o u p l ed e v i c e ， 电荷耦合器件) 相机信号，采用线阵c c d 相机是基于烟草除杂项目高检测精度，强实 时性的要求考虑的；r s 2 3 2 连接p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ，个人电脑) ，与p c 机通讯检 测数据存储的正确性；f l a s h 采用的是8 m b y t ea m 2 9 l v 0 6 5 d 器件，作为程序存储区， 因为f l a s h 掉电数据不丢失特性，系统设计完整程序将存储到f l a s h 中，以便上电后启 动c p u 运作；s d r a m ( s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a m ，同步动态存储器) 采用的是1 6m b y t e m t 4 8 l c 4 m 3 2 8 2 ，大容量数据传输过程中，s d r a m 作为大容量数据缓存区；r a m 采 用的是1 m b y t ei d t 7 1 v 4 1 6 器件，作为程序运行时程序存储区；j t a g ( j o i n tt e s t a c t i o n g r o u p ，联合测试活动组) 接口主要下载程序到f p g a 开发板中，并进行调试；该存储 系统使用的a t a 硬盘是符合i d e 接口标准的希捷酷鱼硬盘，选用该硬盘是因为容量大 ( 8 0 g ) ，转速快，达到7 2 0 0 转分，传输速度快，外部传输速率达到1 0 0 m b s e c ，满足 系统需求。 该系统作为除杂系统的存储部分，主要实现数据的存取功能。在整个除杂系统中， 数据采集口( 如c c d 相机) 将数据传送到f p g a 丌发板的n i o s 系统中，经n i o s 系统 和硬盘进行数据交换，再通过通讯接口连接到显示器，实现监控。数据的处理，信息的 采集、存储都是在已经下载好程序的f p g a 开发板( 更具体的是n i o s 系统) 中进行的， 完全脱离个人主机，实现了脱机操作，为在线控制提供了方便。 图2 2 2i d e 控制器设计结构框图 硕j ：论文基十f p g a 的网络存储系统的研究与设计 图2 2 2 的i d e 控制器设计说明，设计分为w i s h b o n e 从机和御隗主机控制器两大 部分进行，w i s h b o n e 从机部分主要完成a t a 主机控制器与w i s h b o n e 总线接口，向御r a 主机控制器传递参数，a t a 主机控制器读写的寄存器都在这里定义；a t a 主机控制器部 分主要由两部分组成，即p i o 存储和d m a 存储：先进行p i o 设计，通过p i o 存储实现 存取a t a 硬盘数据，在p i o 设计实现功能的基础上，进行d m a 设计。有关i d e 控制 器的模块设计在第四章进行详细阐述。 2 3 系统开发流程 对整个f p g a 开发系统( 存储系统) 的研究设计，具体的f p g a 开发流程如图2 3 1 所示5 】： 硬f 1 部分软件部分 图2 3 1 系统f p g a 开发流程图 存储系统的f p g a 开发重点在硬件部分，进行硬件部分设计时，首先建立q u a r t u s 项目及n i o s 系统，经过功能时序仿真、编译、综合，然后下载到f p g a 中进行测试。 9 2 系统方案 硕j ：论文 进行模块设计时，每个模块都要进行功能时序仿真，可通过r t l 阅读器观察逻辑组合， 也可通过s i g n a l t a p 逻辑分析仪观察信号触发，及时发现并修正错误，硬件部分程序功 能满足要求后，再进行软件部分程序的编写，在a l t e r a 的s d k ( 软件开发包) 中进行编 译，调试，最后和硬件程序一起下载到f p g a 开发板中进行调试，图2 3 1 左部分是使 用a l t e r a 提供的开发工具进行f p g a 丌发的n i o s 硬件开发流程： 1 、设计输入：创建q u a r t u si i 项目，创建n i o s 系统模块。 2 、功能时序仿真：通过系统自带仿真工具或者第三方提供的仿真工具进行仿真验 证，如果满足系统设计要求，继续执行下面的设计，否则有针对性的修改程序，再重新 迸行仿真，直到符合系统要求。 2 、编译设计：创建编译程序设置，分配信号到器件引脚，指定器件和编程设置。 3 、编程：配置f p g a ，在用户n i o s 系统中运行软件，下载设计到f p g a 丌发板中 的f l a s h 存储器。 经过q u a r t u s 软件的编程，编译，映射等步骤后，代码调通后，利用s o p cb u i d e r 生 成一个嵌入式n i o s 处理器，s o p cb u i l d e r 的生成结果作为特定用户设计开发软件的起点。 在接下来的设计中进j y f p g a 开发的n i o s 软件丌发，图2 3 1 右部分是软件开发流程，其 流程如下： 1 、得到目标n i o s 系统的s d k 。 2 、创建和编译应用软件( 本文中设计c 程序) 。 3 、将可执行程序代码下载到丌发板。 4 、调试代码( 常用标准输入输出设备是u a l 玎) 。 5 、转换自引导代码( 编写的软件程序要转换为系统可识别的代码，即将c 文件转 换为s r e c o u t 文件) 。 6 、将用户设计从f p g a 开发板转移到目标硬件。 硬件部分和软件部分都符合要求，意味着n i o s 系统模型建立完毕。 2 4 本章小结 本章介绍系统设计思想，整体采用自顶向下设计方法，具体模块采用自底向上设计 方法；将基于f p g a 的存储系统进行层次划分，分为n i o sc p u 、驱动软件层、接口硬 件层，并说明各部分所实现的功能，n i o sc p u 是系统的核心，驱动软件层实现与硬件 部分的结合，接口硬件层包含主要功能模块及接口等：针对设计中的f p g a 开发板及i d e 控制器介绍了基于f p g a 开发的存储系统框图；然后介绍基于q u a r t u s 设计的f p g a 开 发流程。 1 0 硕1 ：论文基于f p g a 的刚络存储系统的研究与设计 3 系统设计遵循的协议标准 整个f p g a 开发系统( 存储系统) 是根据a t a a t a p i 6 协议进行分析，在n i o s 系 统上建立模型的。由于a l t e r a 公司的n i o s 系统提供的a v a l o n 总线与w i s h b o n e 总线有相 通之处，而w i s h b o n e 的i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ，知识产权) 核是公开源码、免费的， 所以m 核之问的连接采用w i s h b o n e 标准。本章首先介绍a t a 协议，然后介绍a v a l o n 总线和w i s h b o n e 总线，重点介绍w i s h b o n e 总线，并对两种总线进行对比，选择w i s h b o n e 总线作为总线互联标准。 3 1a t a 协议分析 a t 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 ，高速硬盘接口，a t 附加装置) ，协议包括 接口电气物理特性、接口信号、接口寄存器、传输的命令描述、传输协议、传输时序等 内容【埔】。 3 1 1a t a 协议发展史 a t a a t a p i 协议由技术委员会( t e c h n i c a lc o m m i t t e e ) t 1 3 维护和发展，又称i d e 协议。随着社会对接口速度和性能要求的不断提高，a r a 协议也进行了不断的修订，下 面介绍a t a 协议发展状况【4 - 5 】【1 乒17 】： 1 、a t a 1 ：a t a 硬盘接口的第一代标准a n s ix 3 2 7 9 1 9 9 4 。 2 、觚a 2 ：a 1 r a 硬盘接口的第二代标准a n s ix 3 2 7 9 1 9 9 5 。 3 、觚3 ：a t a 硬盘接口的第三代标准a n s ix 3 t 1 3 2 0 0 8 dr e v i s i o n7 ( d r a f t ) 。 4 、a t a a t a p i - 4 ：a t a 硬盘接口的第四代标准a n s i x 3 t 1 3 d 9 6 1 5 3 ( d r a f t ) 。 5 、a t a a t a p i 5 ：这一规格里数据流传输速率( i nb u r s tm o d e ) 提升为6 6 6 6 m b s e c 。 6 、a t a a t a p i 6 ：这一规格里规定的数据流传输速率( i nb u r s tm o d e ) 为1 0 0 m b s e c 。 7 、a t a a t a p i 7 ：这一规格里数据流传输速率( i nb u r s tm o d e ) 提升为13 3 m b s e c 。 8 、删a t a p i 8 ：目前正在发展修订中。 9 、s a t a ：即s e r i a la t a ( 串行a t a ) 。这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得名。 3 1 2i d e 接口 i d e ( i n t e g r a t e dd r i v ee l e c t r o n i c s ) 的中文意思是“集成驱