一種基于SATA硬盤陣列的數據存儲與控制系統設計

李秦

（陜西財經職業技術學院 陜西 咸陽 712000）

隨著現代存儲技術的發展，硬盤存儲容量和速度也越來越快。當前單塊的硬盤其對數據的讀寫速度通常在100 MBytes/s，而隨著現代科學實驗對數據采集的速度的要求，200 MBytes/s、400 MBytes/s甚至更高。而要達到如此高的速度，則必須要采用多塊硬盤同時對數據進行讀寫才能完成。如果要采用多塊硬盤對數據進行讀寫，則需要通過硬盤陣列控制系統對其進行控制才能實現。對此本文采用一種基于SATA硬盤陣列的控制系統，并對其實現進行了詳細的設計。

1 系統原理

在對數據的存儲當中，之所以磁盤陣列能夠實現對多塊不同硬盤的并行操作，其主要是由磁盤當中數據傳輸特性來進行決定的。在通常狀態下，在對磁盤進行數據寫入的時候，主機通常首先會將數據寫入到磁盤的高速緩存當中。當其中的緩存寫滿了之后，主機則需要等待其緩存為空，當緩存變為空后，主機則開始進入到下一次的讀寫存儲。磁盤控制器在緩存被寫滿之后，將其中的數據通過高速緩存的方式寫入到磁盤的介質當中。數據在高速緩存寫入的過程當中其速度通常都比較快。當數據在通過高速緩存被寫入到磁盤介質的過程中，因為其中哦的磁頭其平均的尋道時間通常表現都比較長，并且受到主軸轉速不高等相關因素的影響，從而造成了磁盤介質寫入的速度變得非常的慢，并且其寫入的速度要遠遠比高速緩存的速度慢。由此兩者因為在寫入速度方面存在的差異，造成了當高速緩存在寫滿后，磁盤控制器在對高速緩存進行讀寫的過程中，可先對其他的設備進行高速的緩存，最后再來寫當前設備的緩存區。通過這樣的方式在減少了主機寫入高速緩存的時間，并可在同一個時間對多個不同的硬盤進行同時寫入操作。

2 系統整體硬件方案設計

2.1 系統整體方案

為更好的提高該系統的性能，文中將該控制系統設計為如圖1所示。

圖1 系統整體架構設計Fig.1 Overall system architecture design

該系統在初始化之后，通過相關的參數設定，從而進入到相應的工作模式，而當數據在存儲的時候，其首先是通過ARM對硬盤當中的基本分區信息進行讀取，從而借助ARM的處理功能找到在硬盤當中存在的空閑信息，并發出寫的命令。通過這樣的方式，在完成對所有空閑硬盤的搜索之后，再回到第一塊硬盤的操作當中。同時，在圖1的整體系統設計當中，通過數據采集器對你數據的采集，其首先是通過FPGA的邏輯處理功能，對ARM狀態進行檢測，在確認可以對數據進行寫入之后，將數據從FPGA中的FIFO當中讀寫，并通過FPGA當中的PCI-X總線，將命令送入到SI13124處理器當中，最后該處理器則自動按照原始設定的程序將命令發送給制定的地址。當數據存儲工作完成之后，ARM在直接對其中的FAT表進行更新，從而完成了對整個控制系統硬盤的存儲。

而在圖1中可以看出，FPGA與主機的連接是通過USB接口的方式，通過USB器件則將系統映射盤符，而主機則以移動硬盤的方式對系統進行訪問，在此時FPGA則通過該USB器件將系統的命令傳遞給SI13124，SI13124則根據命令的要求將其完成，并執行相應的操作，FPGA主要的功能則是將其中的護具進行拆包，并將其轉換為字節送入到USB器件當中。當主機通過網卡方式進行連接的時候，ARM則將該系統映射為FTP，主機則如訪問FTP的方式進行訪問。在這種訪問模式下的ARM其同樣通過FPGA的邏輯功能，向SI13124發出命令并執行。在圖1中通過ARM連接SDRAM，其主要的作用則是通過SDRAM為ARM提供足夠的空間，因為本身ARM內部的存儲空間是比較小的。當系統在遇到比較大的程序的時候，可將其直接存到SDRAM當中，而不需要存入到ARM中。

2.2 系統器件選擇

對該系統的設計，其主要的目的就是要通過磁盤陣列的方式提高對數據存儲的速度，并可脫離主機進行獨立的工作，同時還可與主機進行連接進行對數據的回收。對此，結合圖1對系統的設計，將系統分為USB接口、SATA磁盤列陣、FPGA磁盤接口控制器、ARM邏輯控制、ARM處理器等構成。其中主要對系的工作模式和文件系統進行管理；USB接口其主要的功能也是實現與主機的聯機，從而得到對數據回收的目的；SATA控制器的作用則指實現FPGA與SATA的邏輯的轉換，通過PCI-X的方式來實現，并對數據進行拆包和打包。因此，本系統中對硬件的選擇中，處理器選擇AT91 RM9200，該處理器具有性價比高、易用、功耗低等特點；對FPGA邏輯處理模塊的選擇采用CycloneⅡ系列，該系列具有低成本、高密度等優點；USB接口采用CY7V68013A芯片，該芯片其傳輸速率可達到56 Mbyres/s，同時其中智能可有效的減少開發時間，并確保USB接口的兼容性；總線傳輸則采用PCI-X傳輸協議，該傳輸協議其最高的傳輸速率可達到1 GB/S，并適用于服務器或工作站等平臺。

3 系統軟件設計

3.1 FPGA邏輯設計

在該系統當中對的邏輯進行設計則采用語言來進行實現，其具體的邏輯框架圖則如圖2所示：

圖2 FPGA內部邏輯Fig.2 FPGA internal logic

通過圖2可以看出，該部分包括3個主要的邏輯設計，與邏輯控制設計、接口設計、與硬盤控制器等部分。同時由于該系統進行設計的時候，與的傳輸中，其總線采用的是64位，在工作方式的時候為低32位，而在當中的總線是為32位，當總線處在工作模式的時候則為16位，以此需要將其從32位轉換為16位，對此本文在對該問題進行處理的時候則采用32位的模式實現上述接口的通訊，其具體的轉換的方式則如圖3所示。

圖3 系統數據流程設計Fig.3 System data flow design

3.2 硬盤讀寫程序設計

系統在進行初始化并設定好最初的工作模式的時候，對SⅠ13124的狀態進行讀取，從而確認硬盤準備好可向硬盤的端口寫入地址/命令，通過SATA硬盤接口控制器執行相關的操作，并最后返回并進行下一次操作。

4 仿真結果

通過采用MATLAB軟件對上述的程序進行仿真，從而可以得到如圖4的讀寫時序圖。

圖4 硬盤讀寫程序設計Fig.4 Hard literacy program design

同時通過上述設計，SATA硬盤傳輸速度可達到300 MB/s，PCI-X總線帶寬可達到1 GB/s。

圖5 ARM讀寫FIFO時序圖Fig.5 Read and write timing diagram

5 結論

通過采用at91 rm9200、cYCLONEⅡ等對系統CPU進行和FPGA進行設計，從而實現SATA硬盤傳輸最大速度直接達到300 MB/s，以此最終實現對數據的高速存儲和讀寫。

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