摘? 要: 介紹了ZFX86的性能特征以及以ZFX86微處理器為核心,設(shè)計(jì)NAS系統(tǒng)的硬件原理,詳細(xì)闡述了NAS的操作系統(tǒng)平臺(tái)以及管理系統(tǒng)的架構(gòu)。

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1? ZFX86簡(jiǎn)介

　　ZFX86是ZF Micro Devices公司設(shè)計(jì)的35mm×35mm的超低功耗(100MHz的工作頻率下小于0.5W)片上PC;帶有奔騰級(jí)North/South Bridge的Cyrix FP DX的32位核,CPU內(nèi)核可工作在133MHz;采用BGA封裝的CPU芯片,在-10℃～60℃工作無(wú)需風(fēng)扇,在設(shè)計(jì)專用系統(tǒng)時(shí),ZFX86解決了由于風(fēng)扇可靠性低引起的系統(tǒng)故障。ZFX86支持Windows 9X、Windows CE、Windows NT、Linux等多種操作環(huán)境。由于它帶有專有的自動(dòng)防故障裝置系統(tǒng)(FailSafe TM)和強(qiáng)大的內(nèi)部資源,因而可以作為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享設(shè)備的處理核心,使得系統(tǒng)在性能和安全方面都具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

　　ZFX86主要由以下部分組成:工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的32位處理器內(nèi)核、北橋(North Bridge)、南橋(South Bridge)、帶有ZF專有代碼的12KB的ROM(BIOS Update ROM)、ZF專有數(shù)字邏輯等。ZFX86的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

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????ZFX86處理器內(nèi)核是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的32位處理內(nèi)核。這種內(nèi)核帶有集成的浮點(diǎn)協(xié)處理器和8KB的L1(Level 1)Cache。處理器支持8位、16位和32位的數(shù)據(jù)類型,可以工作在實(shí)時(shí)、虛擬的8086和保護(hù)模式。通過(guò)32位的脈沖模式總線,CPU可以訪問(wèn)到256MB的物理存儲(chǔ)空間。通過(guò)利用一個(gè)數(shù)學(xué)協(xié)處理器,CPU并行處理浮點(diǎn)指令。由于處理器采用靜態(tài)設(shè)計(jì)及其特有的電源管理模式(SMM),使得處理器成為一款理想的低功耗內(nèi)核。

　　北橋模塊是高性能的32位控制器,是基于為奔騰級(jí)處理器設(shè)計(jì)的PC87550 PCI系統(tǒng)控制器。北橋控制器的存儲(chǔ)控制器用于支持SDRAM;存儲(chǔ)器可以設(shè)置為16位或32位,支持256MB的存儲(chǔ)空間。SDRAM的寫緩沖器為32B,CPU到PCI的寫緩沖器為32B,PCI的寫緩沖器為16B。

　　南橋模塊是一個(gè)增強(qiáng)的PCI-to-ISA橋模塊,該模塊提供AT/ISA功能。南橋的內(nèi)部功能模塊包括Front-PCI interface/Back-side PCI總線、PCI配置寄存器、IDE控制器(UDMA-33)、USB控制器、集成高級(jí)I/O口、ISA總線接口、AT兼容邏輯、電源管理模塊、8個(gè)通用I/O口和ZF Logic。

　　ZF FailSafe Boot ROM帶有12KB的BIOS Update ROM(BUR)。BUR是 ZFX86的內(nèi)置軟件,該軟件用作原型調(diào)試工具和Flash的更新單元。啟動(dòng)時(shí),BUR執(zhí)行基本的單元初始化功能和測(cè)試ZF的內(nèi)部靜態(tài)RAM。BUR的代碼功能可分為4種屬性:基本部件初始化及基本調(diào)試程序診斷功能、通過(guò)Z-tag實(shí)現(xiàn)取數(shù)和執(zhí)行及為用戶代碼提供的基本操作系統(tǒng)功能。

　　ZF專有數(shù)字邏輯包含:特殊和通用的片選、看門狗定時(shí)器、脈寬調(diào)制(PWM)產(chǎn)生器、Z-tag接口和flash控制器等部分。

2?基于NAS的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享設(shè)備的設(shè)計(jì)思想

2.1 NAS簡(jiǎn)介

　　網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)(Network Attached Storage,NAS)是一種專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)文件存儲(chǔ)及文件備份設(shè)備。它通過(guò)自帶的網(wǎng)絡(luò)接口把存儲(chǔ)設(shè)備直接連入到網(wǎng)絡(luò)中,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享。按照TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信,面向消息傳遞,以文件的I/O方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。一個(gè)NAS包括核心處理器、文件服務(wù)管理工具、1個(gè)或者多個(gè)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(例如磁盤陣列、CD/DVD驅(qū)動(dòng)器或可移動(dòng)的存儲(chǔ)介質(zhì))的硬盤驅(qū)動(dòng)器。NAS系統(tǒng)建立在現(xiàn)有的LAN和文件系統(tǒng)協(xié)議之上。NAS以標(biāo)準(zhǔn)化訪問(wèn)協(xié)議(如NFS和SMB)為客戶提供服務(wù),能夠提供異構(gòu)平臺(tái)間的文件和數(shù)據(jù)的共享。

2.2 NAS的體系結(jié)構(gòu)

　　本文所設(shè)計(jì)的NAS系統(tǒng)主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和資源的管理。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)是以ZFX86作為核心處理器,以外存儲(chǔ)器SDRAM作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記憶緩處理單元,外圍RAID接口用來(lái)連接磁盤陣列。磁盤陣列連接一系列硬盤,用來(lái)存儲(chǔ)大容量的數(shù)據(jù),為客戶端提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)。同時(shí)大容量的空間為客戶端提供一定的磁盤共享服務(wù)。對(duì)于一個(gè)共享設(shè)備來(lái)說(shuō),實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換,操作系統(tǒng)和文件管理軟件直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能。在本系統(tǒng)中,采用經(jīng)最大量裁減的嵌入式Linux作為NAS的操作系統(tǒng),以嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)加上PHP和Apache作為Web管理系統(tǒng)的平臺(tái)。在設(shè)計(jì)中,可以把這些系統(tǒng)作為一個(gè)整體放在DOC盤,嵌入在硬件平臺(tái)中。這樣使整個(gè)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,增加了可靠性和安全性,也節(jié)約了資源。NAS的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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2.3 基于ZFX86的NAS的硬件結(jié)構(gòu)

　　采用ZFX86為核心處理器的NAS硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用RAID接口掛接4個(gè)硬盤實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),采用DOC盤(DiskOnChip 2000)作為嵌入式Linux的系統(tǒng)啟動(dòng)盤,硬件平臺(tái)具有10M/100M Base-T高速以太網(wǎng)功能。DOC是M-Systems提供的一種基于NAND技術(shù)的高效能單芯片快閃存儲(chǔ)器。這一獨(dú)特的信息保存解決方案,是成本低、效益高及性價(jià)比好的信息保存方式,遠(yuǎn)勝于常規(guī)硬盤,特別適合于有空間限制和容量變化的應(yīng)用。相對(duì)于通用硬盤來(lái)說(shuō),使用壽命更長(zhǎng)久。

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2.4 NAS系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　基于嵌入式Linux的NAS系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)如圖4所示。

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　　嵌入式Linux對(duì)網(wǎng)絡(luò)的支持具有先天的優(yōu)勢(shì),使用者可以根據(jù)具體的硬件對(duì)Linux進(jìn)行定制,這樣將會(huì)大大減少內(nèi)核的規(guī)模,提高執(zhí)行速度。在本系統(tǒng)中,引入了DOC盤,整個(gè)操作系統(tǒng)和所有應(yīng)用軟件的容量不超過(guò)16MB,但需要對(duì)Linux做裁減。在硬件的要求上,只需要使Linux支持ZFX86。

2.5 NAS管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　NAS系統(tǒng)是一個(gè)沒(méi)有鍵盤、鼠標(biāo)和顯示器的黑匣子。所有的工作,包括網(wǎng)絡(luò)配置都是通過(guò)Web頁(yè)面服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。Web頁(yè)面主要用于管理員與管理系統(tǒng)的交互對(duì)話,實(shí)現(xiàn)對(duì)Windows用戶、UNIX用戶的管理以及用戶磁盤配額等操作。Web管理系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

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　　在本管理系統(tǒng)中,使用Web頁(yè)面管理系統(tǒng)的最大好處就是所有與嵌入式Linux和應(yīng)用模塊之間的信息交流都是通過(guò)網(wǎng)頁(yè)交互操作的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。管理員只需要按照頁(yè)面上的信息進(jìn)行操作,就可以完成系統(tǒng)的設(shè)置,而不需要去理會(huì)操作系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)模塊內(nèi)部是怎樣去處理這些事情。這樣在管理上更方便、更簡(jiǎn)潔,性能上也更可靠、更優(yōu)越。

　　管理員在第一次使用該系統(tǒng)時(shí),系統(tǒng)要求使用者更改預(yù)設(shè)的系統(tǒng)超級(jí)密碼,以便日后管理此NAS服務(wù)器。管理員可以通過(guò)任意一臺(tái)客戶端計(jì)算機(jī)為服務(wù)器配置IP地址、DNS和子網(wǎng)掩碼等連接網(wǎng)絡(luò)所需要的設(shè)定。管理員可以通過(guò)Web管理頁(yè)面設(shè)定Windows操作平臺(tái)的用戶和密碼,對(duì)該用戶進(jìn)行管理。對(duì)于UNIX用戶來(lái)說(shuō),管理員也可以通過(guò)Web頁(yè)面進(jìn)行管理。由于NAS的資源是有限的,因此每個(gè)用戶在系統(tǒng)上所占有的資源和空間受到限制,但管理員能夠通過(guò)NAS管理系統(tǒng)的Web頁(yè)面對(duì)用戶進(jìn)行磁盤配額。

3? 結(jié)束語(yǔ)

　　ZFX86 CPU是一款高度集成的芯片,其規(guī)格、尺寸以及性能上的優(yōu)勢(shì)使得它成為設(shè)計(jì)嵌入式NAS系統(tǒng)的理想微處理器。本文所闡述的基于ZFX86的NAS系統(tǒng)非常適合中小型企業(yè)、大中院校、學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)和共享數(shù)據(jù)的需要。采用裁減的嵌入式操作系統(tǒng)Linux作為NAS系統(tǒng)的操作平臺(tái),使整個(gè)系統(tǒng)在穩(wěn)定性和可靠性上具有優(yōu)勢(shì);基于Web頁(yè)面的系統(tǒng)管理方式,為使用者提供了一個(gè)簡(jiǎn)易、快捷、安全的管理應(yīng)用系統(tǒng);所有的操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序都放在DOC中,且只占不到10MB的空間,使安全性和可靠性得到了保證,且節(jié)約了成本。

參考文獻(xiàn)

1?? ZFX86TM System-on-a-Chip Training Book Version 1.0 Rev C.2001

2?? ZFX86TM BIOS User′s Manual Supplement Version 1.06 Rev A.2001

3?? ZFX86TM Z-tag Manager User′s Manual Software V1.9.2001