一种专用高速硬盘存储设备的设计与实现

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 摘要：介绍一种专用高速硬盘存储设备，可以脱离微机平台实现将高速数据送入SCSI硬盘。给出了该设备的系统结构和硬件设计方法。

    关键词：SCSI SCSI协议控制器 高速数据存储

在高速数据采集存储系统中，数据存储是一项关键技术。通常的做法是把数据存入大容量存储器中，采集结束后再进行数据处理和保存。这种方法。持续采集时间受存储器容量的限制，在许多场合可能无法满足要求；而存储器容量的增加，其价格也会成倍增长。因此，从存储容量、读写速度和单位成本等方面综合考虑，采用高速硬盘直接数据存储是很有优势的。

对于硬盘而言，在持续高速数据存储中，关键是它的持续数据传输速率（sustained transfer rate）能否满足要求。目前，15000r/min的小型计算机系统接口SCSI（Small Computer System Interface）硬盘，总线数据传输速率为80～320MB/s，持续数据传输速率大于40MB/s。而PC机普遍配置的IDE硬盘，虽然它的总线数据传输速率可以达到33～100MB/s，但持续数据传输速率只有15MB/s左右，性能低于SCSI硬盘。

本文设计了一种专用高速硬盘存储设备，它脱离微机平台实时将高速数据送入SCSI硬盘，持续存储速率可达35MB/s（使用Seagate公司生产的ST336752LW型硬盘）。
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1 SCSI总线及硬盘

SCSI是美国ANSI9.2委员会定义的计算机和外设之间的接口标准，最初是以磁盘存储设备为主，但由于它的灵活性、设备独立等特点，使之不仅在磁带设备、打印设备、光盘驱动设备等外设中得到普遍应用，也在许多I/O设备和计算机网络、计算机工业控制等领域不断发展。随着外设速率的不断提高，SCSI的性能几乎每5年提高一倍，目前Ultra320 SCSI总线数据传输速率可达320MB/s。

SCSI是设备无关的输入输出总线，可以挂接多达8个以上的设备。对于SCSI总线上的设备，如果是任务的触发者，则称为启动设备；如果是任务的执行者，则称为目标设备。通常启动设备先选择一个目标设备，继而由目标设备决定继续控制总线或释放总线，直到完成任务。本文的专用高速硬盘存储设备采用单启动、单目标结构。

SCSI硬盘在标识硬盘扇区时使用了线性的概念，即硬盘只有顺序的第1扇区、第2扇区…第n扇区，不像IDE硬盘的“柱面/磁头/扇区”三维格式。这种线性编排方式访问延时最小，可加快硬盘存取速率，尤其在持续大容量数据存储时，所显现的优势较明显。目前，操作系统内部也使用线性编号的扇区，其目的是加快介质存取速度，加大介质访问容量。

综上所述，该专用高速硬盘存储设备使用SCSI总线不仅数据传输速率高，而且在需要时可以增加设备中的硬盘数量来扩展存储空量，甚至可以把硬盘替换为其它SCSI存储设备。

2 系统结构设计

为了实现SCSI协议和硬盘存储，一般需要有微处理器、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。

·微处理器用来控制设备中各部件的工作，实现设备本身的特定功能。该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。通常这些需要传输和处理大量数据的设备均选用数字信号处理器DSP作为微处理器。同时，SCSI协议中许多复杂的控制功能也需要这个微处理器来实现。

·传送大量数据大多会采用直接存储器访问DMA（Direct Memory Access）方式，因此需要独立的DMA控制器或选用内置DMA控制器的微处理器。出于简化电路和提高速率的考虑，该设备采用复杂可编程逻辑器件CPLD构造了一个独立的DMA控制器。

·要实现SCSI协议需要有SCSI协议控制器。DSP中通常不会集成SCSI协议控制器，因此一般情况下，需要选择通用的SCSI协议控制器，辅助DSP实现SCSI协议和通信。

·在设备的输入接口部分，需要有数据缓存单元。普通的存储器在写入的同时不能读取；采用双口随机存储器RAM虽然可以解决并发访问的问题，但它必需的双边地址译码又是不可忽视的问题。对于单纯的数据存储设备，不需要对数据做压缩、信号分析等预处理工作，缓存单元在结构上相当于先进先出（First In First Out，FIFO）队列，先到的数据先被存储。所以采用专用FIFO芯片，可以去掉复杂的缓存器译码电路，大大简化系统设计。而且，采用专用FIFO芯片，整个设备从外部数据接口看来，就是一个写不满的FIFO，也大大简化了对设备数据接口的操作。

专用高速硬盘存储设备的框图如图1所示。图1中各方框表示一个基本模块，括号中文字表示具体实现的器件，虚线左侧部分不属于设备模块。

该高速硬盘存储设备设计中向处理器选用了TI公司生产的TMS320F206，SCSI协议控制器选用了Qlogic公司生产的FAS368M，DMA控制器和其它外围逻辑转换电路选用了ALTERA公司生产的CPLD器件EPM7064。

TMS320C206是TI公司生产的CPLD器件EPM7064。

TMS320C206是TI公司生产的TMS320系列单片数字信号处理器中的一种低价格、高性能的定点DSP芯片。该芯片功耗低，处理能力强，指令周期最短为25ns，运算能力达40MIPS，片内具有32KB的闪烁存储器和4.5KB的RAM，是最早使用闪烁存储器的DSP芯片之一。由于闪烁存储器具有比ROM灵活、比RAM便宜的特点，因此使用TMS320F206不仅降低了成本、

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