IDE硬盤在高速數據采集系統中的應用*

周瑞巖 張彥敏

(1.91404部隊 秦皇島 066000)(2.武漢第二船舶設計研究所 武漢 430064)

IDE硬盤在高速數據采集系統中的應用*

周瑞巖1張彥敏2

(1.91404部隊 秦皇島 066000)(2.武漢第二船舶設計研究所 武漢 430064)

分析了利用DSP、FPGA、CPLD和雙端口RAM等高速器件設計完成基于IDE硬盤的高速數據采集的實時存儲系統。對于硬盤的讀寫PIO模式及硬盤的數據存儲FAT32格式實現方法等進行了詳細的論述。

IDE硬盤; PIO傳輸模式; FAT32

1 引言

在航空航天、遙感測量、現代電子測試等很多領域,要求能及時保存原始測試數據,用于事后數據分析和處理,同時隨著探測器前端性能的提高,對于各種系統存儲容量、體積、造價、穩定性等都提出了更高的要求。以往采用多機處理并行處理、傳輸和并行記錄技術。但是這類系統具有對工作環境要求較高,加之體積比較龐大、需配套計算機、存儲量小等諸多缺點,很難適用于特殊環境要求。因此研制容量大、功耗低、性能可靠、體積小、造價低的數據存儲記錄系統是十分必要的。特別是對于大容量、低價格、普及強、速度較高的IDE硬盤,提出了采用DSP控制IDE硬盤對高速采集的數據進行實時無丟失存儲。本系統的特點:

1) 采用PIO模式進行塊操作的寫盤方法,從而大大提高了寫盤的速度;

2) 采用CPLDFPGA現場可編程邏輯器件對部分電路進行集成,提高了系統的穩定性和可靠性;具有較好的通用性,還有較強的可擴展性,可滿足多種場合的需要而無須改動任何硬件;

3) 以FAT32格式存儲數據實現硬盤的在線和脫線操作,操作簡單實用;

4) 以DSP為核心,采用了雙端口RAM與硬盤數據線間的高速數據傳輸方案,解決了高速采集數據、DSP、硬盤之間時序的不匹配的問題。

2 系統的硬件介紹

硬盤存儲采集系統的原理框圖如圖1所示。圖中整個硬盤存儲采集系統分為三大部分: 1) 數據采集及其控制部分; 2) 數據采集的數據緩沖部分; 3) 硬盤存儲的主存儲及其控制部分。

圖1 系統硬件的總體框圖

由于IDE硬盤的工作時序和速度與數據采集的時序和速度不匹配,從數據采集部分得到的并行數據需采用雙端口RAM做數據的緩存,然后在DSP的控制之下,將雙端口RAM中的數據直接寫入硬盤,這里使用FPGA完成DSP與硬盤讀寫時序的兼容轉換。硬盤的尋道時間和讀寫時間相對于數據采集和緩存的速率來講是相對較慢的,因此采用適當的讀寫方法,提高硬盤的讀寫速度,還有采用適當的文件存儲格式是本系統設計的重點和難點。

2.1 數據采集及控制電路

數據采集要求數據采集器具有多通道、高速率、高精度、低噪聲等性能,設計中采用了TI公司的AD8364數據采集器件。AD8364是一款采樣率為250kHz,并行16位,獨立6通道同時采樣的模擬數字轉換器件。具有低噪聲無碼丟失可以達到14位,低功耗450毫瓦,差分輸入,顯然滿足設計要求。ADS8364六個通道分別是CHA+、CHA-、CHB+、CHB-、CHC+、CHC-,六通道是同時采集分時轉換存儲,每通道250KHZ,并行的數據輸出。CPLD數據采集控制部分是完成對A/D器件的各控制信號的輸入,如圖2所示RD1、HOLD1、CLKAD1均為AD的控制信號,使六通道同時對數據采樣,分時寫入到雙端口RAM IDT70V26中。

圖2 數據采集及緩沖存儲系統的控制信號時序

2.2 雙端口RAM的緩沖存儲器

由于時序的不匹配,使得在高速采集系統中采集的數據無法直接存入硬盤,因此需要一個緩沖存儲器進行匹配或緩沖,使得高速數據和硬盤存儲可以分別按照各自不同的時序和速度、邏輯分別對雙端口RAM的一端寫入或讀取。將雙端口RAM IDT70V26(25/35/55ns三種存取速度)分成高位和低位地址兩部分實現乒乓操作,使數據交替存儲,實現了數據的高速無丟失存儲,同時相對于其它類型的存儲方式它的外圍電路及相應的控制信號較為簡單。

IDT7026內部有8個獨立于雙端口存儲單元的鎖存邏輯單元,作為令牌使用,可將空間劃分成1～8個區段。或者用雙口SRAM的“/BUSY”信號,可以保證兩個左右端口可靠的完成數據的交換。但是兩種方法都不同程度使讀寫速度受限。

本系統要求高的數據吞吐率,若使左右端口不對相同的存儲單元訪問,就能提高吞吐率,只要左右地址總線上的地址不相同就可以了。基于此,左右兩個端口的最高位地址AL13和AR13由FPGA和CPLD控制控制,并且互為相反。FLAG0接雙口SRAM的右邊端口最高位地址AR13,把FLAG0反向后接AL11,就把雙口SRAM分為上下各8K×16bit的兩個區,當FLAG0=1時,CPLD向雙口SRAM的低半區寫數據,而FPGA可以從雙口SRAM的高半區讀數據,完成后轉換。可見,FPGA和CPLD對雙口SRAM的訪問永遠不會發生沖突。

2.3 DSP與IDE硬盤的接口

目前還沒有在DSP中集成和專門用于硬盤的磁盤驅動器和接口電路,利用DSP控制現有的IDE硬盤,可以極大地提高系統的性價比,同時發揮了DSP指令執行速度快、控制能力強、內部邏輯尋址方便等優點,本系統中采用了一片TMS320C5409作為其控制器。用FPGA連接DSP管腳和IDE硬盤,實現DSP和IDE硬盤的時序的兼容及管腳的兼容。考慮到高速數據的讀取和存儲設計中必須合理劃分軟件和硬件功能,把數據從雙端口RAM到IDE硬盤的高速數據流交由FPGA中轉,把硬盤數據讀寫控制命令和對硬盤各種參數以及硬盤內部存儲扇區的種種尋址功能交由DSP完成,實現連續的高速數據流的存儲。

圖3 PIO格式DSP控制硬盤讀寫的基本時序(讀)

3 硬盤及硬盤的讀寫

硬盤讀寫是一個復雜的過程,這其中涉及到硬盤的接口方式、尋址方式、控制寄存器的讀寫、硬盤的數據存儲格式、硬盤的讀寫速度等諸多復雜的方面。現代的硬盤經歷了從磁性介質、光磁介質到最新的FLASH存儲材料,但是ATA標準對它們都是適用的,硬盤的數據傳輸可以按照PIO方式、DMA方式進行,而硬盤內部數據的尋址方式又可以按照CHS或者是LBA(塊)方式。

3.1 IDE硬盤的寄存器模型簡介

IDE硬盤的寄存器分為兩組(見表1):命令寄存器組和控制寄存器組,DSP便是通過對IDE接口硬盤的控制，就是通過硬盤控制器上的這兩組寄存器實現的。

數據寄存器:是主控制器和硬盤控制器的緩沖區之間進行數據交換的寄存器,使用該寄存器進行數據傳輸的模式成為PIO模式,當然,除了PIO方式之外,數據傳輸還可以通過DMA的方式進行。

表1 硬盤控制寄存器及其尋址

狀態寄存器:在狀態寄存器中保存了執行最后一個命令時磁盤驅動器的狀態,在本設計中硬盤讀寫時要不斷地對狀態寄存器進行檢查,而所有命令的執行及數據的讀寫時狀態寄存器都必須滿足一定的條件,否則將出現不可預知結果。

錯誤寄存器:如果在狀態寄存器中設置了ERR位,那么在錯誤寄存器中將會保存最后執行的命令的診斷碼。

命令寄存器:在這個寄存器中接受并保存了發送到控制器的命令。命令一發送到命令寄存器中,命令就開始執行。

LBA HIGH、LBA MID、LBA LOW和設備寄存器的低4位和成為介質地址寄存器,介質寄存器可以用CHS或PIO方式進行尋址。

3.2 硬盤的尋址方式

IDE驅動器的介質通過磁頭、柱面和扇區組織,采用物理尋址(CHS)或邏輯尋址(LBA)方式。CHS模式中,可以使用柱面、磁頭和扇區號唯一地確定一個扇區。而LBA方式,驅動器是以連續序列的通過邏輯塊編號尋址的區段組成。LBA模式中,可以使用28個數據位表示邏輯區塊的地址信息。設計中采用LBA方式確定要讀寫的硬盤扇區的地址。

3.3 IDE驅動器的讀寫過程

在PIO模式下使用READ SECTORS(20H)和WRITE SECTORS(30H)命令向驅動器發出讀寫數據的請求,然后通過數據寄存器讀寫數據。命令需要讀寫數據的起始扇區號、邏輯地址,扇區數等作為參數。注意命令執行前,一定要驅動器空閑,而讀寫數據命令發出后,要有驅動器數據請求,當然在整個過程中不能有錯誤,否則轉入相應的錯誤寄存器判斷。

3.4 硬盤分區及文件存儲

了解硬盤中文件存儲的基本結構,可以直接控制硬盤的文件讀寫。這樣,可提高硬盤讀寫速度,另外可保證與現有操作系統的兼容,必要時還可以建立一定的保密機制。

硬盤經分區、格式化之后,可分為根引導區、根記錄區、分區表、數據區四個部分:

1) 讀取硬盤的根引導區:根引導區(Boot Sector)位于硬盤的第一個邏輯扇區,其中的硬盤分區表包括四個分區項,每項16個字節,記錄了各個分區的信息。讀取扇區記錄其基本信息(如分區類型、扇區有效結尾字符、當前分區起始扇區號)。為了編程及應用的方便,格式化硬盤為一個區。

表2 系統讀入到DSP內部寄存器的硬盤的分區表的內容

2) 對硬盤的DBR(DOS引導記錄區)的操作:通過前面(劃線)內容讀取DBR,它包括引導程序和一個被稱為BPB的分區參數記錄表等內容。DBR占用三個扇區。第一個扇區為引導記錄信息,保存了一些重要的參數和引導程序。在本設計中可以通過讀取第一個扇區掌握需要的一些信息,如每區的扇區數、FAT表個數、DBR總扇區數、分區總扇區數等參數,從而可以計算得到FAT1、FAT2的扇區起始地址和根目錄的起始扇區地址。

3) 空簇寫入文件:通過讀取FAT表,我們就把硬盤中的空簇記錄下來,將數據寫入相應空簇指向的扇區從而完成數據的存儲部分。

4) 寫文件的根目錄項,完成對DIR區的相應的文件屬性等信息。這樣就完成了一個基本文件的讀寫,再將硬盤插入到計算機中就可以讀出相應的文件。

4 結語

本文論述了一種基于IDE硬盤和其文件系統的高速數據采集設計方案,編程中硬盤扇區地址最多要10或40(空簇號計算成扇區地址)個指令周期,50M的時鐘頻率,只要200ns或800ns。理論上,寫一個簇的空間32Kbit只需要7×200+1×800=2200ns,與尋道需要的毫秒相比可忽略,使硬盤的平均傳輸速率高于一般的IDE接口速率,可達8MB(64Mbit)左右,滿足16通道的數據采集實時存儲要求。實驗證明,實際使用效果良好,實現了數據的高速無丟失實時及計算機可識別存儲。

[1] J. Masiewicz. Information Technology — AT Attachment with Packet Inerface-7 Volume 3(ATA/ATAPI-7 V3)[J]. Utrecht University Information & Computing Sciences,2000,27.

[2] 王祖麟.A/D轉換器ADS7822在高速數據采集中的應用[J].電子元器件應用,2004(5):48-50.

[3] 吳芝路.基于IDE硬盤的高速數據存儲器研究[J].電子技術應用,2000,26(5):16-17.

[4] 朱寧.硬盤分區及FAT32文件結構[J].通訊與廣播電視,2002(4):27-36.

[5] 徐小玲.IDE硬盤讀寫技術[J].電子科技大學學報,2002,31(6):636-641.

[6] 呂雷.由FPGA和DSP控制的高速IDE硬盤存儲技術[J].航空兵器,2006,29(4):43-45.

[7] 羅悅擇,沈建華.嵌入系統的硬盤文件操作[J].計算機工程,2004,30(2):176-177.

[8] 龐曉輝,胡修林,張蘊玉,等.高速數據采集系統的設計與實現[J].儀器儀表學報,2000,21(3):297-299.

[9] TMS320F206對基于FAT32文件系統IDE硬盤的文件操作[J].現代電子技術,2004,27(6):88-91.

[10] FRIEDHELM SCHMIDT. SCSI總線和IDE接口:協議、應用和編程(第二版)[M].北京:中國電力出版社,2001.

Application of Hard Disk in High Speed Data Collection System

ZHOU Ruiyan1ZHANG Yanmin2

(1. No. 91404 Troops of PLA, Qinhuangdao 066000)(2. Wuhan Second Ship Design Research Institute, Wuhan 430064)

This paper analyses the high speed data collection and the real time storage design with the using of DSP、FPGA、CPLD、double-ported RAM and IDE hard disk. Introduces the read-write mode PIO and the FAT32 for data storage of the hard disk.

IDE hard disk, PIO transport protocols, FAT32 Class Number TX971; TP391.9

2016年10月3日,

2016年11月26日

周瑞巖,男,研究方向:水面艦艇作戰試驗、部隊訓練。張彥敏,高級工程師,研究方向:援潛救生、水下作業及重要設施安全保障。

TX971; TP391.9

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.04.026