基于SCSI协议处理器FAS466实现图像数据存储系统的设计
作者：盛翠霞，张涛，陈俊江，姚清华，袁红艳
由于高帧频、大面阵ccd数字相机的图像数据量非常巨大，存储流量超过50mbps。而且图像输出速率也比较高，所以高速图像数据的实时记录是一个不易解决的问题。高帧频、大面阵ccd相机的数字视频存储的一般方案是基于高性能计算机体系结构，把pci总线的视频采集卡与高性能ide硬盘系统或基于pci-scsi桥的scsi存储硬盘系统结合起来完成任务。这种方案实现起来比较容易，但存在总线瓶颈问题，一次存储占用两次pci总线，而且还受到操作系统和文件系统的限制，因而在实际应用中存储速度很难突破40mbps。针对这一问题，本文设计出脱离计算机平台的图像数据存储方式，采用fpga芯片控制时序，运用vhdl语言编程实现微处理器和dma控制功能，从而协调scsi协议处理器实现数据的传输。fpga的运用比单独使用dma控制器减少了电路板的体积，降低了成本，提高了存储的速率。
1 系统的硬件结构设计
实现scsi协议和硬盘存储，通常需要有微处理器、dma控制器、scsi协议控制器、数据缓存器等硬件支持和相应的软件控制模块。而本系统。dma控制通过对fpga编程来实现。图像数据存储系统结构图如图l所示。
1．1微处理器
微处理器负责对各个模块进行协调和控制。本系统所设计的专用高速硬盘存储设备实现数据的持续高速存储，要求处理数据的速度高，因此采用dsp微处理器。微处理器主要功能如下：
（1）完成与外接数据的传输起始、结束控制。
（2）对fpga进行复位、开始操作。
（3）对fas466的初始化操作，对传输的异常情况进行中断处理。
（4）对协议控制芯片内部寄存器的读写控制，从而控制scsi总线的命令传输和状态监控。
对scsi的命令信息进行解释、执行、管理；对来自scsi总线的信息状态进行翻译、执行、管理。
1．2 dma控制器
dma控制器控制数据发送或接收源的数据缓冲器与scsi协议控制器内部缓冲器之间的数据传送，这样通过与协议控制器的dma接口相协调以控制数据源与scsi总线间的数据传送。本设计采用fpga器件，利用vhdl语言编程实现dma控制器功能．而不采用专用的dma控制器，主要考虑以下一些因素：本设计的数据传输速率达到50mbps，而一般的专用dma控制器难以胜任；专用的dma控制器与scsi协议控制芯片之间的连接需要大量的逻辑转换电路和外围连线，使设计难度加大；使用fpga器件，除了完成dma控制功能之外，还可以把电路中的逻辑转换、系统复位等模块设计进去，减小了设备的体积，方便了以后对系统的升级和改进。
1．3 scsi协议处理器（fas466）
scsi协议处理器是scsi总线操作的执行部件，各公司都有专门的scsi集成电路芯片作为协议控制器，如qlogic公司的fas368m、fas466等。fas466（fast architecture scsi processor）处理器是qloglc公司1999年上市的一种高性能scsi引擎，它源于qlogic公司的tec450／452三重嵌入式控制的铝系列，可提供fast40的同步传输速率，它的同步数据宽总线传输速率可达80mbps；支持先进的scsi自动配置模式的1层和2层协议；内部嵌有微控制器，能够通过编程方式灵活地协调scsi作业队列．可以工作在启动或目标模式并支持单端或低电压差分模式的scsi连接。
fas466区别于其他scsi协议处理器的最大特点是：它采用微处理器和dma接口结构，而常见的scsi协议控制器采用pci接口总线结构。这是本设计采用fas466的一个主要原因。采用微处理器和dma接口结构，可以通过dsp对传输进行控制，脱离微机平台，减少传输带宽限制，使数据存储系统具有非常好的灵活性和可移植性。fas466由scsi控制器、微控制器、dma接口和微处理器接口四个模块组成。外部微处理器通过微处理器接口对fas466进行控制，协议控制器接受微处理器的操作指令，如总裁、选择、失连、复位总线等。scsi控制器提供灵活、有效的底层scsi协议控制，微控制器则负责控制数据从dma接口到scsi硬盘的传输以及各个模块之间的协调。fas466的内部结构如图2所示。
1．4 数据缓存器
在设备的输入接口部分，需要有数据缓存单元。数据缓存的目的是为scsi的高速dma传输做好准备，使两边数据传输速度匹配。数据的流向一般是一个口进，一个口出，不对信号进行任何处理。普通的存储器在写入的同时不能读取，双口随机存储器ram虽然也可完成这个任务，但是由于它需要复杂的地址译码电路，所以不采用。采用fifo芯片，可以去掉复杂的缓存器译码电路，大大简化了系统设计。缓存单元在结构上相当于先进先出（first in first out，fifo）队列，即先到的数据先被存储。本设计中fifo选用idt公司的idt72v2113芯片。
2系统的软件设计
软件设计是本系统设计的重点和难点，它负责对相关硬件的控制和协调，最终实现scsi协议、硬盘的控制和dma传输等。软件设计分为scsi控制软件和dma控制器的fpga实现两部分。下面分别进行讨论。
2．1 scsi控制软件
一般来说，要完成一次数据交换必须完成scsi总线的仲裁、选择、消息、命令、数据和状态等阶段。这些阶段，微处理器通过对fas466寄存器的读写控制来实现。
fas466的寄存器主要有：
（1）命令寄存器：dsp通过向命令寄存器写入相应指令，控制fas466完成初始化、复位、总线分配与复位以及scsi总线各个阶段的转变等功能。
（2）fifo寄存器：这是一个128字节的双端口ram，scsi硬盘和fas466之间的数据交换都通过该fif016字（深）的fifo寄存器来完成。
（3）传输计数寄存器：是一个减法计数器，用于保存一次dma数据传输的字节数。
（4）中断寄存器：dsp通过fas466中断寄存器了解scsi命令的执行情况，从而决定程序的执行流向。
scsi控制软件流程如图3所示。首先初始化scsi控制器，然后scsi控制器与scsl硬盘建立同步传输协议，在硬盘准备好的情况下才可以发送各种scsi命令，如读、写等，同时处理好各种意外情况的发生。
2．2 dma控制器的fpga实现设计
fas466外部dma控制器由fpga实现。fas466通过dreq信号有效请求数据传输，当dma控制器检测到dreq有效并且外部fif0非空时，使dack有效并通知fas466开始dma传输。dma控制器的状态机如图4所示。
fpga除了实现fas466的外部dma控制器之外，还实现fas466与外部微处理器的部分逻辑和其他逻辑控制。fpga内部逻辑功能模块如图5所示。
本文在fast-40 scsi协议基础上，对实时高速数字视频scsi存储系统的软硬件进行了设计。利用fas466作为scsi控制器宴现启动器功能，控制两块scsi硬盘实现直接存储，充分利用scsi总线的带宽，从而大幅度提高了系统的效率。初步建立了较完善实用的直接存储的结构体系，实现存储流量达70mbps。为解决大面阵、高帧频ccd数据实时存储奠定了良好的基础。该项技术的解决，将会大力促进在科学研究、军事技术、尤其在航天、航空侦察及高速数据记录领域的应用发展。
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1 系统的硬件结构设计
实现scsi协议和硬盘存储，通常需要有微处理器、dma控制器、scsi协议控制器、数据缓存器等硬件支持和相应的软件控制模块。而本系统。dma控制通过对fpga编程来实现。图像数据存储系统结构图如图l所示。
1．1微处理器
微处理器负责对各个模块进行协调和控制。本系统所设计的专用高速硬盘存储设备实现数据的持续高速存储，要求处理数据的速度高，因此采用dsp微处理器。微处理器主要功能如下：
（1）完成与外接数据的传输起始、结束控制。
（2）对fpga进行复位、开始操作。
（3）对fas466的初始化操作，对传输的异常情况进行中断处理。
（4）对协议控制芯片内部寄存器的读写控制，从而控制scsi总线的命令传输和状态监控。
对scsi的命令信息进行解释、执行、管理；对来自scsi总线的信息状态进行翻译、执行、管理。
1．2 dma控制器
dma控制器控制数据发送或接收源的数据缓冲器与scsi协议控制器内部缓冲器之间的数据传送，这样通过与协议控制器的dma接口相协调以控制数据源与scsi总线间的数据传送。本设计采用fpga器件，利用vhdl语言编程实现dma控制器功能．而不采用专用的dma控制器，主要考虑以下一些因素：本设计的数据传输速率达到50mbps，而一般的专用dma控制器难以胜任；专用的dma控制器与scsi协议控制芯片之间的连接需要大量的逻辑转换电路和外围连线，使设计难度加大；使用fpga器件，除了完成dma控制功能之外，还可以把电路中的逻辑转换、系统复位等模块设计进去，减小了设备的体积，方便了以后对系统的升级和改进。
1．3 scsi协议处理器（fas466）
scsi协议处理器是scsi总线操作的执行部件，各公司都有专门的scsi集成电路芯片作为协议控制器，如qlogic公司的fas368m、fas466等。fas466（fast architecture scsi processor）处理器是qloglc公司1999年上市的一种高性能scsi引擎，它源于qlogic公司的tec450／452三重嵌入式控制的铝系列，可提供fast40的同步传输速率，它的同步数据宽总线传输速率可达80mbps；支持先进的scsi自动配置模式的1层和2层协议；内部嵌有微控制器，能够通过编程方式灵活地协调scsi作业队列．可以工作在启动或目标模式并支持单端或低电压差分模式的scsi连接。
fas466区别于其他scsi协议处理器的最大特点是：它采用微处理器和dma接口结构，而常见的scsi协议控制器采用pci接口总线结构。这是本设计采用fas466的一个主要原因。采用微处理器和dma接口结构，可以通过dsp对传输进行控制，脱离微机平台，减少传输带宽限制，使数据存储系统具有非常好的灵活性和可移植性。fas466由scsi控制器、微控制器、dma接口和微处理器接口四个模块组成。外部微处理器通过微处理器接口对fas466进行控制，协议控制器接受微处理器的操作指令，如总裁、选择、失连、复位总线等。scsi控制器提供灵活、有效的底层scsi协议控制，微控制器则负责控制数据从dma接口到scsi硬盘的传输以及各个模块之间的协调。fas466的内部结构如图2所示。
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2．2 dma控制器的fpga实现设计
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fpga除了实现fas466的外部dma控制器之外，还实现fas466与外部微处理器的部分逻辑和其他逻辑控制。fpga内部逻辑功能模块如图5所示。
本文在fast-40 scsi协议基础上，对实时高速数字视频scsi存储系统的软硬件进行了设计。利用fas466作为scsi控制器宴现启动器功能，控制两块scsi硬盘实现直接存储，充分利用scsi总线的带宽，从而大幅度提高了系统的效率。初步建立了较完善实用的直接存储的结构体系，实现存储流量达70mbps。为解决大面阵、高帧频ccd数据实时存储奠定了良好的基础。该项技术的解决，将会大力促进在科学研究、军事技术、尤其在航天、航空侦察及高速数据记录领域的应用发展。
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