基于FPGA控制的IDE磁盤陣列設計

隨著雷達技術的不斷發(fā)展，如何高速穩(wěn)定地存儲回波數(shù)據(jù)已經成為一個亟待解決的問題。當前高速存儲設備主要應用在服務器上，不僅價格高昂，而且功能可擴展性不強。因此，本文使用FPGA實現(xiàn)符合ATA-6規(guī)范的IDE接口，配合SDRAM組成了高速數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。通過FPGA把四塊IDE硬盤配置成RAID 0陣列，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的高速存儲。實測時整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定，平均存儲速率200MB/s，配合板載的128MB內存，突發(fā)存儲速率可以達到800MB/s。采集過程中，可以通過軟件實時觀測回波數(shù)據(jù)的IQ分解和脈沖壓縮。

作為采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)主要考慮的是存儲容量、存儲速率和可操作性。由于目前比較通用的FAT32或NTFS格式的采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)用FPGA實現(xiàn)較困難，因此，在自行定義的存儲格式及其傳輸協(xié)議的基礎上設計了一種實用的IDE硬盤陣列及其采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)，并且通過使用PCI傳輸卡就可以把磁盤陣列中的數(shù)據(jù)導入計算機，實現(xiàn)格式上的轉化。

1 系統(tǒng)設計

為使系統(tǒng)的存儲速率最大化，硬盤配置成RAID 0模式。工作時，AD采樣后得到的信號首先分流成四路，然后流向四個硬盤，每一路磁盤的工作模式都相同。圖1給出其中某一路的存儲流程圖。

由圖1可知，分流后的AD數(shù)據(jù)首先暫存到FPGA內部的FIFO 0中，由于磁盤存儲數(shù)據(jù)時工作在Ultra DMA模式下，所以每傳輸一幀數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA都需要給磁盤一個CRC校驗結果，磁盤會對FPGA給出的CRC校驗結果進行核對。如果正確，磁盤就會存儲本幀數(shù)據(jù)；若出現(xiàn)錯誤，磁盤會拋棄本幀數(shù)據(jù)，并向FPGA報錯。因此從FIFO 0讀取的數(shù)據(jù)不能直接流向硬盤，而必須流向一個大容量的高速緩存器件，以便在CRC校驗結果出錯的情況下重新傳輸出錯幀數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)中高速緩存器件選用HY57V561620C(L)T(P)，其數(shù)據(jù)吞吐率可以達到200MB/s，容量為32MB。

數(shù)據(jù)存儲完成后，需要通過PCI卡導入到計算機中進行計算和分析。導出數(shù)據(jù)的流程圖和存儲數(shù)據(jù)相似，如圖2所示。


2 IDE協(xié)議的FPGA實現(xiàn)

2.1 IDE協(xié)議簡介

IDE(Integrated Drive Electronics)是集成磁盤電路設備， 其正式名稱是AT-Attachment。它是Compaq公司為解決老式的ST506/412接口速度慢、開發(fā)成本高而開發(fā)出的硬盤標準。由于IDE接口的硬盤具有價格低廉、穩(wěn)定性好、標準化程度高等優(yōu)點，迅速得到普及[1]。

IDE接口硬盤的幾種傳輸模式有很明顯的區(qū)別，其經歷了三個不同的技術變化，由PIO(Programmed I/O)模式，DMA(Direct Memory Access)模式，直到現(xiàn)在的Ultra DMA 模式。其中PIO模式的傳輸速率最慢，最老的PIO mode 0傳輸速率為3.3MB/s，最新的PIO mode 4傳輸速率為16.7MB/s。本文存儲數(shù)據(jù)時采用了Ultra DMA模式，最高速率100MB/s。在計算機上使用時，PIO傳輸模式會大量占用中央處理器的資源；而后IDE接口及裝置開始有了DMA的支持，DMA模式有Single-DMA和Multi-DMA兩種，與PIO模式相比達到了節(jié)省處理器資源的效果，但隨后被性能更好的Ultra DMA所取代。

2.2 IDE協(xié)議的軟件實現(xiàn)

FPGA對IDE硬盤的控制通過命令寄存器和控制寄存器實現(xiàn)，如表1所示[2]。其中帶“-”的信號(如“”)表示低電平有效。對磁盤進行任何操作之前首先需要讀取特征寄存器，此寄存器指示磁盤是否處于空閑狀態(tài)。如果磁盤空閑，可以向命令寄存器寫入需要執(zhí)行的命令代碼。如果對磁盤進行無數(shù)據(jù)操作，只需要寫入命令字然后等待磁盤執(zhí)行任務結束即可。如果執(zhí)行的是讀(寫)操作，就需要通過扇區(qū)數(shù)寄存器確定讀(寫)扇區(qū)總數(shù)，通過扇區(qū)號寄存器和柱面寄存器確定讀(寫)地址。命令執(zhí)行完畢后，F(xiàn)PGA需要讀狀態(tài)寄存器。如果ERR位有效，表明執(zhí)行上一個命令的過程中產生了錯誤，具體錯誤類型可以通過讀錯誤寄存器得到。


系統(tǒng)上電后要對硬盤進行復位操作，檢測到BSY位和DRQ位都為低電平時硬盤復位結束。然后通過Set Feature和Set Multiple Mode等命令完成對硬盤的配置。如圖3，對硬盤的配置以及讀(寫)命令的發(fā)送都是用PIO模式實現(xiàn)的。圖4給出PIO模式的時序圖，表2給出其時序要求[2]。下面以寫磁盤為例介紹磁盤工作在48位尋址時PIO命令的執(zhí)行：FPGA首先連續(xù)寫兩次磁盤的特征寄存器，因為在PIO模式下此寄存器已經廢棄，所以值可以任意。然后連續(xù)寫兩次扇區(qū)數(shù)寄存器，第一次寫入寫扇區(qū)總數(shù)的高8位，第二次寫入寫扇區(qū)總數(shù)的低8位。再依次寫兩次扇區(qū)號寄存器、柱面寄存器0、柱面寄存器1，順序寫入起始扇區(qū)地址的第24～31位、0～7位、32～39位、8～15位、40～47位、16～23位。至此，硬盤就可以確定寫數(shù)據(jù)的起始地址以及寫數(shù)據(jù)總量。然后FPGA需要寫驅動器/磁頭寄存器以確定磁盤的尋址方式。一般采用邏輯尋址。最后向命令寄存器中寫入命令碼34H。參數(shù)發(fā)送完畢后，F(xiàn)PGA至少等待400ns，然后讀可選狀態(tài)寄存器，一旦檢測到BSY為低電平、DRQ為高電平，就說明磁盤已經就緒可以接收數(shù)據(jù)，此時只需按照PIO時序的要求向數(shù)據(jù)寄存器寫入數(shù)據(jù)即可。數(shù)據(jù)寫入完成后，F(xiàn)PGA需等待磁盤給出的中斷信號INTRQ，此信號有效后FPGA讀狀態(tài)寄存器，整個寫扇區(qū)的命令執(zhí)行完畢，磁盤可以繼續(xù)接收其他命令。

　　完成硬盤的復位和配置以后，F(xiàn)PGA循環(huán)檢測有無讀寫命令。以寫硬盤為例介紹，F(xiàn)PGA完成對硬盤的復位和配置后就進入到命令檢測狀態(tài)。一旦檢測到寫硬盤命令，程序進入到寫狀態(tài)。FPGA首先向硬盤命令寄存器和狀態(tài)寄存器寫入必要的信息，然后等待DMARQ信號有效，進而對DMA通道進行初始化。全部準備工作完成后，F(xiàn)PGA內部FIFO中的數(shù)據(jù)就可以存儲到硬盤中。數(shù)據(jù)在傳輸過程中，硬盤隨時可能暫停傳輸，一旦暫停，F(xiàn)PGA就只能等待硬盤再次就緒。前一幀的DMA數(shù)據(jù)傳輸完畢后，F(xiàn)PGA需要向硬盤發(fā)送CRC結果，如果CRC結果正確硬盤就會接收當前數(shù)據(jù)；如果錯誤，硬盤就會向FPGA報錯，此時數(shù)據(jù)就需要重新傳輸。圖5為寫硬盤流程圖。讀硬盤的過程和寫過程相似，本文不再詳細介紹。


3 上位機軟件設計

整個磁盤系統(tǒng)通過VC界面進行管理，操作界面如圖6。軟件提供了最多四個采集通道，用戶可以根據(jù)自己的需要進行任意配置。采集數(shù)據(jù)前，可以設置采集時鐘為外時鐘或內時鐘。觸發(fā)方式分：自動觸發(fā)、上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)、低電平采集、高電平采集。針對雷達的特殊工作方式，系統(tǒng)也可以工作在間斷采集模式下。

數(shù)據(jù)采集過程中，磁盤系統(tǒng)配合PCI 9054卡可以得到當前回波的IQ數(shù)據(jù)以及脈沖壓縮結果。采集結束后，可以根據(jù)需要導出任何一部分數(shù)據(jù)。

本文采用FPGA實現(xiàn)了符合ATA-6規(guī)范的IDE協(xié)議，將硬盤組成磁盤陣列實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的高速穩(wěn)定存儲, 平均數(shù)據(jù)流達到200MB/s，峰值傳輸速率達到800MB/s。在試驗階段先后使用了希捷、邁拓、西數(shù)等廠家的硬盤進行試驗。經過測試整個系統(tǒng)的運行比較穩(wěn)定，長時間采集不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況。如果希望增強系統(tǒng)的抗震性，可以在板卡上掛IDE接口的固態(tài)盤，整個系統(tǒng)的性能不會受到影響。