（信号与信息处理专业论文）基于arm的sata磁盘阵列的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 在数据记录系统中，往往需要高速海量的、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 实际工程的需要；而其他存储设备，如r a m 、f l a s h 等，容量又难以做大。 所以有人提出了磁盘阵列的概念。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和容量。目前的市场上的磁盘阵列卡都不 能脱离计算机，虽然速度和容量都很可观，但是做不到便携。 本论文利用a r m 和f p g a 实现对s a t a 硬盘接口控制器的控制从而控 制s a t a 磁盘阵列，并利用u s b 总线实现磁盘阵列与p c 之间的数据传输。 这样就使磁盘阵列脱离了计算机，达到高速海量、便携的目的。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：1 对系统的整体方案进行论证；2 进行系统 的硬件电路设计，p c b 板制作加工；3 系统的相关软件的设计及调试。 关键词：磁盘阵列；s a t a 硬盘；a r m ；u s b 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t p o r t a b l es t o r a g ed e v i c eo fh i g hs p e e da n dg r e a tc a p a c i t yi sc o m m o nn e e di n d a t ac o l l e c t o r a l t h o u g hc a p a c i t yo fh a r dd i s kb e c o m em o r ea n dm o r eb i g g e r w i t hd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , s t o r a g es p e e do fh a r dd i s kj u s ti s a b o u t1 0m b sn o wa n dc a n t s a t i s f yt h en e e do f 。a c t u a lp r o j e c t ；o t h e rs t o r a g e d e v i c es u c ha sr a m ，f l a s hh a v i n gh i g hs t o r a g es p e e db u tj u s th a v es m a l l c a p a b i l i t y s ot h er e d u n d a n ta r r a y so fi 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 fr 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 s i n t oa na r r a yo fd i s kd r i v e sw h i c hy i e l d sp e r f o r m a n c e e x c e e d i n gt h a to fas i n g l e l a r g ee x p e n s i v ed r i v ea n da p p e a r st ob eas i n g l el o g i c a ls t o r a g eu n i to rd r i v et o t h ec o m p u t e r t h es t o r a g es p e e da n dc a p a b i l i t yo fr a i di ss e v e r a le v e nh u n d r e d s o ft i m e so ft h a to fs i n g l el a r g ee x p e n s i v ed i s k a l t h o u g hh a v i n gc o n s i d e r a b l e s t o r a g es p e e da n dc a p a b i l i t yt h ec o m m o na r r a yo fd i s kc a nn o ti n d e p e n d e n t l y w o r kw i t h o u tc o m p u t e ra n di sn o tp o r t a b l e t h et h e s i sm a k e su s eo fa r ma n df p g a t oc o n t r o ls a t ah a r dd i s ki n t e r f a c e c o n t r o l l e rt h e nt oc o n t r o la r r a y so fs a t ad i s ct h e r e b y , a n dm a k eu s eo ft h eu s b h i g h w a yt or e a l i z et h ed a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e nt h ea r r a y so fs a t ad i s k sa n d p c i nt h i sw a yt h ea r r a y so fs a t ad i s k sc a nw o r ki n d e p e n d e n t l yw i t h o u t c o m p u t e r a n d y i e l d s f i n e p e r f o r m a n c e o f h i 曲s t o r a g es p e e d a n d g r e a t c a p a b i l i t y t h i ss y s t e mh a v i n gf i n ef l e x i b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t ym a ya d a p tt o s a t i s f yv a r i o u sm e m o r yr e q u e s t t h ec o n t e n to ft h i st h e s i sm a i n l y s c h e m eo ft h es y s t e m 2 d e s i g n i n gt h e m a k i n gt h ep c bb o a r d 3 d e s i g n i n g s y s t e r m i n c l u d e s ：1 d e m o n s t r a t i n g t h ee n t i r e s y s t e m a t i ch a r d w a r ee l e c t r o c i r c u i t a n d a n dd e b u g g i n gt h es o f t w a r ea b o u tt h e k e yw o r d s ：a r r a y so fd i s k s ；s a t ah a r dd i s k ；a r m ；u s b 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) ： 兰刍垄逸 曰期：善一7 年弓月7 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文背景 在数据记录系统中，往往需要高速海量的、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 实际工程的需要；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。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 逻辑上的一个磁盎驱动器来使用。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“1 。 r a i d ( 磁盘阵列) 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。目前的数据记录系统所需求的磁盘存储容量日益增大，往 往需要几t b ( 1 t b = 1 0 0 0 g b ) 甚至是几十t b 的容量，这么大的磁盘容量在 单个磁盘上实现是非常困难的，即使实现成本也是非常高的；对于存储速度 的要求则是几十m b s 甚至是几百m b s ，而现在的单个i d e 磁盘的平均存储 速度在1 0 m b s 左右，s a t a 磁盘的平均存储速度在7 0 8 0 m b s ，单个磁盘 无法满足当前的数据记录系统的要求。这样，各种各样的磁盘阵列卡就应运 而生了，这些阵列接口卡都是基于p c i 、p c i x 或p c i e 总线的，能够对s c s i 、 i d e 和s a t a 硬盘进行扩展形成r a i d ，在容量和速度上都能够满足数据记录 系统的要求，但是这些阵列卡所应用的环境都是各种类型的服务器或工作站， 需要接插在计算机主板的插槽上：而当前国内外的便携式的数据记录系统大 多是将计算机小型化，减少通用外设，添加一些专门外设来实现的，体积自 然受到计算机主机的限制，而真正的能够脱离计算机主机的便携式高速海量 数据记录系统在目前的国内外市场上还没有产品，这样的产品在市场上还是 有很大的需求的。本设计就是要直接用a r m 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、大数据量的采集存储任 哈尔滨工程大学硕士学位论文 务，并实现与主机进行通讯，高速上传数据。 1 2 硬盘的发展 从1 9 5 6 年9 月，m m 的一个工程小组向世界展示了第一台磁盘存储系 统i b m 3 5 0 r a m a c ( r a n d o m a c c e s s m e t h o d o f a c c o u n t i n ga n d c o n t r 0 1 ) 至今， 磁盘存储系统已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1 6 0 g b 的硬盘只需要2 张3 5 英寸磁盘片即可。 总的来说，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。硬盘结构如图1 1 所示。 图1 1 硬盘内部结构图 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，外面覆臂上的磁头在磁道间移动( 当磁盘旋转时，磁头部 件保持在一个位置上，则每个磁头会在相应的磁盘表面划出一个圆形轨迹， 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 这些圆形轨迹叫磁道) 。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性能和参数包括： 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1 ； 硬盘机械部件的抗震性； 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 计算机通过i d e 接口从硬盘的缓存中将数据读出交给相应的控制器的速度。 寻道时间指磁头从一磁道移动至另一磁道的时间。另外一个重要的指标是硬 盘容量，也就是硬盘所能存储数据的总字节数。 所有种类的硬盘工作基本原理都类似：遵循应用程序的f 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。 我们来看看到底是那些指标决定了硬盘的性能 1 转速： 硬盘的转数也就是硬盘电机主轴的转速。主轴转速( r o t a t i o n a ls p e e d 或 s p i n d l es p e e d ) 是划分硬盘档次的一个重要指标。以每分钟硬盘盘片的旋转圈 数来表示，单位r p m ，目前常见的硬盘转速有5 4 0 0 r p m 、7 2 0 0 r p m 和1 0 0 0 0 r p m 等。理论上转速越高，硬盘性能相对就越好，因为较高的转速能缩短硬盘的 平均等待时间并提高硬盘的内部传输速度。但是转速越快的硬盘发热量和噪 音相对也越大。为了解决这一系列的负面影响，应用在精密机械工业上的液 态轴承马达( f l u i dd y n a m i cb e a r i n gm o t o r s ) 便被引入到硬盘技术中。液态轴 承马达使用的是黏膜液油轴承，以油膜代替滚珠。这样可以避免金属面的直 接磨擦，将噪声及温度被减至最低；同时油膜可有效吸收震动，使抗震能力 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 得到提高；此外这还能减少磨损，提高硬盘寿命。 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来满足不断增 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 ( 磁阻磁头技术) 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5 g 的硬盘已经全部使用了g m r 磁头( 巨磁阻磁头) 。 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 硬盘早己不需要交错因子，磁碟每次从磁头下经过一 圈，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而放慢速度。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。 4 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。 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，硬盘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 耍快的多。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 更多的系统等待时问被节约。 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 i = f v 6 6 ： 自从9 8 年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 颈有极其重要的意义。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 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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 和d m a 1 3 3 标准又粉墨登场了。 1 3 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 ap 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 ed i s k s 的缩写，直译为“廉价 冗余磁盘阵列”，也筒称为“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i ( 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 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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。r 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 凡如0 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，但因为任何一个磁盘驱动 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、 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。 5 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 l 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， 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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 0 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 0 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 m a 3 3 、d m a 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 l ，数据库的数据文件则是存放于 r a i d 5 的磁盘驱动器上。 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 i u c o p e r m i n c8 0 0 都用做文件服务器，奔腾 1 6 6 会比n i l 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“出头之日”。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 4 硬盘接口分类 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，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，而光纤通道只用在高端服务器上，价格昂贵。s a t a 是种 新生的硬盘接口类型，还正出于市场普及阶段，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，比如闰r a l o o 和s a i a ；u l t r a l 6 0 s 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。 1 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a t a - 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 ad 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1 ：3 ) ，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1 2 1 ，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 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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 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嘲。 4 s a t a 使用s a t a ( s e r i a la t a ) 口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 c l 、a p t 、d e l l 、l 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 l a 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 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。 串口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 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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 御隗将实现6 0 0 m b s 的最高数据传输率“。 1 5p c 卜x 总线概述 计算机总线是计算机各部件之间传输指令、数据和地址等信息的公共信 道，是计算机各部件联系的桥梁。p c i 总线自从1 9 9 2 年问世以来，以其高 数据传输率、与微处理器相对独立、功能强大的特征成为迄今为止最成功的 接口规范之一。然而，p c i 所采用的3 3 m i - i z 工作频率、3 2 位总线、最大带 宽1 3 3 m b s 的设计，在网络传输速度已至1 0 g b s ，硬盘输送数据的速度达 1 0 m b s ，而且处理器的速度比p c i 诞生时要快1 7 倍，大多数产品前端总线 频率都在1 0 0 m l t z 1 3 3 m f i z 的今天，已经成为制约i 0 速度的瓶颈。同 时，p c i 预留的6 4 位地址，数据多路复用、6 6 m h z 的发展空间也不能满足 需要。目前迫切需要一个新的标准来取代目前的接口，就象当初p c i 取代i s a 总线一样。于是，c o m p a q 、l i p 和i b m 联合推出了新型i o 接1 2 1 和总线标 准p c i x 。衡量一种总线的性能主要是通过相应的指标。与传统p c i 相比， p c i x 具有无可争议的巨大优势h ，主要表现在以下方面： 1 总线频率最高达1 3 3 m i - i z ，带宽6 4 位，数据吞吐速度可达1 g b s ； 2 总线工作效率大增，更易与内存控制器、桥接器以及未来的包协议i 0 规范配合； 3 对工作进行了有效划分：设备只需发出一次数据请求，便可放弃对总 线的控制，而非一直占着总线，连续不停地查询总线，以期获得一个响应； 4 由于采用了字节计数设定，设备可预先指定自己请求的字节数，提高 了总体效率。 5 具有完整的向后兼容能力，有效地保护了用户投资，而且“标准”的 p c i 卡亦可在p c i - x 总线上正常使用。 1 6u 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 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 1 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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 ( 数据) 和g n d ( u s b 地) 。线缆最大长度不超过5 m 。u s b l 1 的传输速率最高为1 2 m 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。当一台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 a 电流。按u s b l 0 1 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l m s ( 1 k h z ) ，即每隔l m s ，u 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 b i t 。1 个u s b 数据包可包含0 - 1 0 2 3 字节数据。 每个数据包的传送都以1 个同步字段开始阁。 1 7 论文研究内容 目前市场上的单块i d e 硬盘的平均传输速率在1 0 m b s 左右，s a t a 硬盘 的平均传输速率在7 0 m b s 左右，而现有的磁盘阵列平均传输速度则从 i o o m b s 到2 g m b s 不等，丽这些磁盘阵列并不适用于数据采集系统。本设 计结合数据采集系统进行，使采集到的数据存储速度能够达到3 2 0 m b s 的速 度，主要工作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。 具体工作包括： 1 用a r m 实现文件系统的管理 a r m 对文件系统的管理由h a g 配合s a t a 硬盘控制器完成，主要有以 下几个部分： ( 1 ) f p g a 完成数据的缓存和分割 ( 2 ) f p g a 构成主桥以实现a r m 到p c i x 接口时序的转换 ( 3 ) a r m 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a r m 、f p g a 编程。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 用u s b 接口与网卡接口实现磁盘阵列与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 之自j 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传输。网卡接口也具有方便灵活的特点，并可以实现 f t p 工作方式，能够做到一个采集器通过交换机与多个p c 机之间的连接， 实现采集器与p c 机之间的高速通讯。要做的工作包括：硬件设计以及u s b 固件的修改；网卡驱动程序的编写。 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 t 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， 在本设计中计划采用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，但对本设计 中的数据管理已经足够了。 要做的工作包括制定系统方案、硬件平台设计与调试、a r m 、f p g a 编 程。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章基于a r m 的磁盘阵列总体方案 对于磁盘阵列的管理设计了以下几种方案，通过这些方案性能优劣的比 较来选择最终的方案。 2 1 基于a r m 的l d e 磁盘阵列 2 1 1 基于a r m 的i d e 磁盘阵列框图 删 s n 咖 且 t a 图2 1 基于a r m 的i d e 磁盘阵列框图 系统上电初始化后，根据设定的工作状态进入相应的工作模式，当进行 数据存储时，首先由a r m 读取一块硬盘的基本分区信息，然后查找硬盘的 空簇，找到空簇后发出写命令，再读取下一块硬盘的基本分区信息，查找硬 盘的空簇，找到空簇后发出写命令，依此类推，直到所有硬盘都完成操作后， 再返回第一块硬盘进行操作；同时，由采集器来的数据，首先由f p g a 进行 位宽转换，将6 4 b i t 宽度的数据转换为1 6 b i t 的宽度；再由f p g a 内部的f i f o 进行缓冲；当数据量达到5 1 2 字节时，f p g a 检测a r m 的状态，确认可以 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 写数据后，再将数据从f i f o 中读出，按照i d e 协议中的p i o 工作模式写入 一块i d e 磁盘，写完后再检测下一块硬盘的是否可写，确认可写后再从f i f o 中读取5 1 2 字节写入下一块i d e 磁盘，依此类推将数据写入各个磁盘当中； 数据存储完成后，a r m 则完成目录项，更新f a t 表，保证整个文件可靠存 储完成。与主机联机选择u s b 接口时，u s b 器件将系统映射为一个盘符， 主机则像访问移动硬盘一样的访问系统，此时，f p g a 则译码u s b 器件的命 令并将命令送入各硬盘，依次从各硬盘中读出数据或将数据依次写入硬盘； 与主机联机选择网卡接口时，a r m 可以将系统映射为f r p ，主机则同访问 f r p 工作站一样的访问系统，此时，a r m 可以通过f p g a 向各硬盘发出命令， f p g a 负责将数据写入各硬盘或从各硬盘中读出。图2 1 中与a r m 连接的 s d r a m 的作用是为a r m 运行程序提供足够的存储空间，因为a r m 的片内 r a m 过小，程序较大时需要将程序放在片外的s d r a m 中。 2 1 2 基于a r m 的l d e 磁盘阵列的器件选择 2 1 2 1 处理器的选择 本系统中处理器的作用是对整个系统的控制和对文件系统的管理，不涉 及复杂的算法，但是对外设的控制能力的要求较高，所以采用微控制器比较 合适。目前应用较多的微控制器有m s p 4 3 0 系列婀、p i c 系列川、a v r 系列嗍、 m c s 5 1 系列州和a r m 系列“1 等，各类微控制器的特性如表2 1 所示。 表2 i 各系列微控制器性能比较 微控制m s p 4 3 0 p i c 系列a v r 系列m c s - 5 1 系a r m 系列 器系列系列 列 指令系统1 6 位 1 6 位8 位8 位 3 2 位兼容1 6 位 时钟频率8 m h z