一种基于SATA硬盘阵列的数据存储与控制系统设计

李秦

（陕西财经职业技术学院 陕西 咸阳 712000）

随着现代存储技术的发展，硬盘存储容量和速度也越来越快。当前单块的硬盘其对数据的读写速度通常在100 MBytes/s，而随着现代科学实验对数据采集的速度的要求，200 MBytes/s、400 MBytes/s甚至更高。而要达到如此高的速度，则必须要采用多块硬盘同时对数据进行读写才能完成。如果要采用多块硬盘对数据进行读写，则需要通过硬盘阵列控制系统对其进行控制才能实现。对此本文采用一种基于SATA硬盘阵列的控制系统，并对其实现进行了详细的设计。

1 系统原理

在对数据的存储当中，之所以磁盘阵列能够实现对多块不同硬盘的并行操作，其主要是由磁盘当中数据传输特性来进行决定的。在通常状态下，在对磁盘进行数据写入的时候，主机通常首先会将数据写入到磁盘的高速缓存当中。当其中的缓存写满了之后，主机则需要等待其缓存为空，当缓存变为空后，主机则开始进入到下一次的读写存储。磁盘控制器在缓存被写满之后，将其中的数据通过高速缓存的方式写入到磁盘的介质当中。数据在高速缓存写入的过程当中其速度通常都比较快。当数据在通过高速缓存被写入到磁盘介质的过程中，因为其中哦的磁头其平均的寻道时间通常表现都比较长，并且受到主轴转速不高等相关因素的影响，从而造成了磁盘介质写入的速度变得非常的慢，并且其写入的速度要远远比高速缓存的速度慢。由此两者因为在写入速度方面存在的差异，造成了当高速缓存在写满后，磁盘控制器在对高速缓存进行读写的过程中，可先对其他的设备进行高速的缓存，最后再来写当前设备的缓存区。通过这样的方式在减少了主机写入高速缓存的时间，并可在同一个时间对多个不同的硬盘进行同时写入操作。

2 系统整体硬件方案设计

2.1 系统整体方案

为更好的提高该系统的性能，文中将该控制系统设计为如图1所示。

图1 系统整体架构设计Fig.1 Overall system architecture design

该系统在初始化之后，通过相关的参数设定，从而进入到相应的工作模式，而当数据在存储的时候，其首先是通过ARM对硬盘当中的基本分区信息进行读取，从而借助ARM的处理功能找到在硬盘当中存在的空闲信息，并发出写的命令。通过这样的方式，在完成对所有空闲硬盘的搜索之后，再回到第一块硬盘的操作当中。同时，在图1的整体系统设计当中，通过数据采集器对你数据的采集，其首先是通过FPGA的逻辑处理功能，对ARM状态进行检测，在确认可以对数据进行写入之后，将数据从FPGA中的FIFO当中读写，并通过FPGA当中的PCI-X总线，将命令送入到SI13124处理器当中，最后该处理器则自动按照原始设定的程序将命令发送给制定的地址。当数据存储工作完成之后，ARM在直接对其中的FAT表进行更新，从而完成了对整个控制系统硬盘的存储。

而在图1中可以看出，FPGA与主机的连接是通过USB接口的方式，通过USB器件则将系统映射盘符，而主机则以移动硬盘的方式对系统进行访问，在此时FPGA则通过该USB器件将系统的命令传递给SI13124，SI13124则根据命令的要求将其完成，并执行相应的操作，FPGA主要的功能则是将其中的护具进行拆包，并将其转换为字节送入到USB器件当中。当主机通过网卡方式进行连接的时候，ARM则将该系统映射为FTP，主机则如访问FTP的方式进行访问。在这种访问模式下的ARM其同样通过FPGA的逻辑功能，向SI13124发出命令并执行。在图1中通过ARM连接SDRAM，其主要的作用则是通过SDRAM为ARM提供足够的空间，因为本身ARM内部的存储空间是比较小的。当系统在遇到比较大的程序的时候，可将其直接存到SDRAM当中，而不需要存入到ARM中。

2.2 系统器件选择

对该系统的设计，其主要的目的就是要通过磁盘阵列的方式提高对数据存储的速度，并可脱离主机进行独立的工作，同时还可与主机进行连接进行对数据的回收。对此，结合图1对系统的设计，将系统分为USB接口、SATA磁盘列阵、FPGA磁盘接口控制器、ARM逻辑控制、ARM处理器等构成。其中主要对系的工作模式和文件系统进行管理；USB接口其主要的功能也是实现与主机的联机，从而得到对数据回收的目的；SATA控制器的作用则指实现FPGA与SATA的逻辑的转换，通过PCI-X的方式来实现，并对数据进行拆包和打包。因此，本系统中对硬件的选择中，处理器选择AT91 RM9200，该处理器具有性价比高、易用、功耗低等特点；对FPGA逻辑处理模块的选择采用CycloneⅡ系列，该系列具有低成本、高密度等优点；USB接口采用CY7V68013A芯片，该芯片其传输速率可达到56 Mbyres/s，同时其中智能可有效的减少开发时间，并确保USB接口的兼容性；总线传输则采用PCI-X传输协议，该传输协议其最高的传输速率可达到1 GB/S，并适用于服务器或工作站等平台。

3 系统软件设计

3.1 FPGA逻辑设计

在该系统当中对的逻辑进行设计则采用语言来进行实现，其具体的逻辑框架图则如图2所示：

图2 FPGA内部逻辑Fig.2 FPGA internal logic

通过图2可以看出，该部分包括3个主要的逻辑设计，与逻辑控制设计、接口设计、与硬盘控制器等部分。同时由于该系统进行设计的时候，与的传输中，其总线采用的是64位，在工作方式的时候为低32位，而在当中的总线是为32位，当总线处在工作模式的时候则为16位，以此需要将其从32位转换为16位，对此本文在对该问题进行处理的时候则采用32位的模式实现上述接口的通讯，其具体的转换的方式则如图3所示。

图3 系统数据流程设计Fig.3 System data flow design

3.2 硬盘读写程序设计

系统在进行初始化并设定好最初的工作模式的时候，对SⅠ13124的状态进行读取，从而确认硬盘准备好可向硬盘的端口写入地址/命令，通过SATA硬盘接口控制器执行相关的操作，并最后返回并进行下一次操作。

4 仿真结果

通过采用MATLAB软件对上述的程序进行仿真，从而可以得到如图4的读写时序图。

图4 硬盘读写程序设计Fig.4 Hard literacy program design

同时通过上述设计，SATA硬盘传输速度可达到300 MB/s，PCI-X总线带宽可达到1 GB/s。

图5 ARM读写FIFO时序图Fig.5 Read and write timing diagram

5 结论

通过采用at91 rm9200、cYCLONEⅡ等对系统CPU进行和FPGA进行设计，从而实现SATA硬盘传输最大速度直接达到300 MB/s，以此最终实现对数据的高速存储和读写。

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