基于SCSI協(xié)議控制器FAS466實現(xiàn)專用高速SAR數(shù)據(jù)存儲設備的設計

合成孔徑雷達（SAR）經(jīng)歷了從光學記錄成像到數(shù)字記錄成像，從低分辨率到高分辨率，從單通道、單極化到多通道、多極化，從單頻到多頻的發(fā)展過程。SAR系統(tǒng)的迅速發(fā)展，使SAR的數(shù)據(jù)量也急劇增多，普通的存儲器已經(jīng)無法滿足SAR系統(tǒng)對大容量、高速數(shù)據(jù)存儲的要求。

常規(guī)的數(shù)據(jù)記錄器的設計思路是通過高速PCI接口，采用SCSI總線處理器將高速數(shù)字信號存入SCSI硬盤。其缺點是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾适躊CI帶寬的限制，而且PCI接口對微機系統(tǒng)的依賴性，使系統(tǒng)的模塊化設計變得非常困難。另外，SAR對數(shù)據(jù)記錄器的可靠性和工作環(huán)境的要求也非常高，使SAR數(shù)據(jù)記錄器不能按照常規(guī)的方法設計。通過對SAR系統(tǒng)的研究，基于模塊化設計的思想，開發(fā)了一種基于FAS466的高速實時數(shù)據(jù)記錄器。其特點是采用高速DMA接口、可脫離微機平臺工作、體積小、可靠性高，實際持續(xù)存儲速度達到72MB／s。

1 SCSI總線和硬盤

SCSI是美國ANSI9．2委員會定義的計算機和外設之間的接口標準。本系統(tǒng)采用SCSI硬盤，因為5CSI接口比常見的IDE接口具有更多優(yōu)點：（1）SCSI提供了一個高速傳輸通道，傳輸速度更快；（2）SCSI接口采用總線主控數(shù)據(jù)傳輸（Bus Master Data Transfer），占用CPU資源少；（3）可同時串接多臺不同類型的設備；（4）SCSI硬盤在標識硬盤扇區(qū)時使用了線性的概念，即硬盤只有順序的第1扇區(qū)、第2扇區(qū)…第n扇區(qū)，不像IDE硬盤的“柱面／磁頭／扇區(qū)”三維格式。這種線性編排方式訪問延時最小，可加快硬盤存取速率，尤其在持續(xù)大容量控據(jù)存儲時，所顯現(xiàn)的優(yōu)勢更為明顯。

2 系統(tǒng)的硬件結構設計

整個系統(tǒng)的設計總體框圖如圖1所示，包括高速數(shù)據(jù)源、高速差分接收器、DMA控制器、數(shù)據(jù)緩存器、DSP微處理器、SCSI協(xié)議控制器和高速SCSI硬盤等子系統(tǒng)；下面分別給出各子系統(tǒng)的設計（PAD BUS表示控制信號線，DATA BUS表示數(shù)據(jù)信號線）。

2．1 高速數(shù)據(jù)源和高速差分線性接收器

系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)源接口為16位的并行接口，數(shù)據(jù)傳輸接口的所有信號均采用低電壓差分模式LVDS傳輸，信號進入記錄器之后要將LVDS電平轉換成TTL電平。

2．2 數(shù)據(jù)緩存器

數(shù)據(jù)緩存的目的是為SCSI的高速DMA傳輸做好準備，使兩邊數(shù)據(jù)傳輸速度匹配。數(shù)據(jù)的流向一般是一個口進，一個口出，不對信號進行任何處理。雙口隨機存儲器RAM雖然也可完成這個任務，但是由于它需要復雜的地址譯碼電路，所以不采用，而采用FIFO。由于SAR系統(tǒng)每幀數(shù)據(jù)小于8KB，本系統(tǒng)選用的FIFO深度為8KB。

2．3 SCSI協(xié)議控制器--FAS466

FAS466（Fast Architecture SCSI Processor）處理器是Qlogic公司1999年上市的一種高性能SCSI引擎，它源于Qlogic公司的TEC450／452三重嵌入式控制鋁系列，可提供Ultra2 SCSI的同步傳輸速率，支持先進的SCSl自動配置模式的1層和2層協(xié)議，內(nèi)部嵌有微控制器，能夠通過編程方式靈活地協(xié)調(diào)SCSI作業(yè)隊列，可以工作在啟動或目標模式并支持單端或低電壓差分模式的SCSI連接。

FAS466區(qū)別于其它SCSI協(xié)議控制器的最大特點是它采用微處理器和DMA接口結構，而常見的SCSI協(xié)議控制器采用PCI接口總線結構。這是本設計采用FAS466的一個主要原因。采用微處理器和DMA接口結構，可以通過DSP對傳輸進行控制，脫離微機平臺，減少傳輸帶寬限制，使數(shù)據(jù)記錄器具有非常好的靈活性和可移植性。 FAS466由SCSI控制器、微控制器、DMA接口和微處理器接口四個模塊組成。外部微處理器通過微處理器接口對FAS466進行控制，SCSI控制器提供靈活、有效的底層SCSI協(xié)議控制，微控制器負責控制數(shù)據(jù)從DMA接口到SCSI硬盤的傳輸以及各個模塊之間的協(xié)調(diào)。圖2為FAS466的內(nèi)部結構。

2．4 OMA控制器

本設計采用DMA接口代替高速數(shù)據(jù)存儲中常見的PCI接口。這不但使傳輸數(shù)據(jù)的速率有了比較明顯的提高，而且使數(shù)據(jù)記錄器可以脫離微機系統(tǒng)，使模塊化設計成為現(xiàn)實。

本設計采用CPLD器件實現(xiàn)DMA控制器，而不采用專用的DMA控制器，主要考慮以下一些因素：本設計的數(shù)據(jù)傳輸速率達到72Mg／s，一般的專用DMA控制器難以勝任；專用的DMA控制器與FAS466之間的連接需要大量的邏輯轉換電路和外圍連線，使設計難度加大；DMA控制器還需要在DSP的控制下與FAS466進行協(xié)調(diào)才能一起工作，這增加了軟件編程的難度；使用CPLD器件，除了完成DMA控制器的功能之外，還可以把電路中的譯碼、邏輯轉換、系統(tǒng)復位等模塊設計進去，減小了設備的體積，方便了以后對系統(tǒng)的升級和改進。

2．5 DSP微處理器

該高速數(shù)據(jù)記錄器選用TI公司的TMS320F206作為微處理器。主要考慮TMS320F206片內(nèi)包含32K×l6字的FLASH EEPROM，使DSP周圍電路簡單、設備的體積減小，而且系統(tǒng)升級也比較方便；指令集非常豐富，與TMS320C5X系列指令兼容；TMS320F206的指令周期為50ns，符合系統(tǒng)對DSP速度的要求。

DSP負責對各個模塊進行協(xié)調(diào)和控制，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)記錄的功能。需要注意的是：FAS466的微處理器接口數(shù)據(jù)／地址總線是復用的，而TMS320F206的數(shù)據(jù)／地址總線是分開的，需要外部邏輯將數(shù)據(jù)和信號總線整合。高速數(shù)據(jù)通過信號源接口進入本系統(tǒng)，首先進行電平轉換，然后進入數(shù)據(jù)緩存器；在DMA控制器的控制下進入SCSI協(xié)議控制器；最后通過SCSI協(xié)議控制器存入高速SCSI硬盤。整個數(shù)據(jù)流程中，DSP微處理器負責各個子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)和控制。由于采用分離的微處理器總線和DMA總線結構，因此達到了較高的記錄速度。

3 系統(tǒng)的軟件設計

軟件模塊的設計是本系統(tǒng)設計的重點和難點，它負責對相關硬件控制和協(xié)調(diào)，最終實現(xiàn)SCSI協(xié)議、硬盤的控制和DMA傳輸?shù)?。本系統(tǒng)中，軟件設計分為DSP控制軟件和DMA控制器的CPLD實現(xiàn)兩部分。程序的優(yōu)劣關系到整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲的速度，下面分別討論。

3．1 DSP控制軟件

一般來說．要完成一次數(shù)據(jù)交換必須完成SCSI總線的仲裁、選擇、消息、命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)等階段。這些階段，微處理器TMS320F206通過對FAS466寄存器的讀寫控制完成實現(xiàn)。FAS466的寄存器主要有：

（1）命令寄存器（Command Register）：F206通過向命令寄存器寫入相應指令，控制FAS466完成初始化、復位、總線分配與復位以及SCSI總線各個階段的轉變等功能；（2）FIFO寄存器（FIFO Register）：這是一個16字深的FIFO寄存器，SCSI硬盤和FAS466之間的數(shù)據(jù)交換都通過這個FIFO完成；（3）傳輸計數(shù)寄存器（Transfer Count Register）：是一個減法計數(shù)器，用于保存一次DMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)；（4）中斷寄存器（Interrupt Registet）：F206通過FAS466中斷寄存器了解SCSI命令的執(zhí)行情況，從而決定程序的執(zhí)行流向。

SCSI控制軟件流程如圖3所示。首先初始化SCSI控制器，然后SCSI控制器與SCSI硬盤建立同步傳輸協(xié)議，在硬盤準備好的情況下才可以發(fā)送各種SCSI命令，如讀、寫等，同時處理好各種意外情況的發(fā)生。

3．2 DMA控制器的CPLD實現(xiàn)設計

FAS466外部DMA控制器由CPLD實現(xiàn)。FAS466通過DREQ信號有效請求數(shù)據(jù)傳輸；DMA控制器檢測到DREQ有效并且外部FIFO非空，則使DACK有效并通知FAS466開始DMA傳輸?？刂破鞯臓顟B(tài)機如圖4所示。CPLD除了實現(xiàn)FAS466的外部DMA控制器之外，還實現(xiàn)FAS466與外部微處理器的部分邏輯和其它邏輯控制。CPLD內(nèi)部邏輯功能模塊如圖5所示。

本文介紹了一種基于高性能SCSI總線處理器FAS466的專用高速SAR數(shù)據(jù)存儲設備的設計。本設備可以脫離微機平臺將SAR數(shù)據(jù)實時高速記錄到SCSI硬盤。數(shù)據(jù)傳輸采用高速DMA接口，實現(xiàn)了模塊化設計，可移植性好，可以靈活地應用在各種系統(tǒng)中。

責任編輯：gt