相控陣?yán)走_(dá)是一種多功能、高性能的雷達(dá)，具有多功能、多目標(biāo)、遠(yuǎn)距離、高數(shù)據(jù)率、高可靠性及自適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)^[1]。隨著計(jì)算機(jī)和集成電路等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，相控陣?yán)走_(dá)在地基、?；⒖栈约疤旎玫搅藦V泛的應(yīng)用。隨之而來(lái)的是，數(shù)據(jù)記錄的速率和容量也需要相應(yīng)提升。

    而近年來(lái)存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展得很快，自2001年SATA1.0標(biāo)準(zhǔn)提出，如今SATA接口協(xié)議第三代已經(jīng)達(dá)到了6.0 Gb/s^[2]。新一代的SSD(Solid State Disk）基于Nand Flash存儲(chǔ)技術(shù)提供了超過(guò)了200 MB/s傳輸帶寬以及更低的功耗^[3]。這些都為相控陣?yán)走_(dá)的數(shù)據(jù)高速大容量存儲(chǔ)提供了支持。本文針對(duì)傳統(tǒng)記錄回放系統(tǒng)的兩種架構(gòu)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種通用的記錄回放系統(tǒng)，由FPGA控制SATA IP核實(shí)現(xiàn)相控陣?yán)走_(dá)天線陣面數(shù)據(jù)的高速存儲(chǔ)。

1 問(wèn)題的提出

    傳統(tǒng)典型的高速數(shù)據(jù)記錄回放系統(tǒng)一般采用兩種架構(gòu)，即PCIE總線和自定義Flash存儲(chǔ)陣列架構(gòu)。PCIE總線架構(gòu)框圖如圖1所示。

    CPU模塊通過(guò)PCIE總線接收采集模塊的數(shù)據(jù)放入內(nèi)存，然后再經(jīng)由PCIE總線將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)送給RAID控制模塊，完成一次記錄操作。在操作過(guò)程中，數(shù)據(jù)流兩次經(jīng)過(guò)內(nèi)存，采集模塊和RAID控制模塊共享PCIE總線，兩個(gè)模塊分時(shí)通過(guò)PCIE總線傳輸數(shù)據(jù)。這種架構(gòu)的記錄回放系統(tǒng)有以下缺陷：(1)PCIE對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，只用到了50%效率；(2)系統(tǒng)記錄回放速度受限于PCIE總線的傳輸速度。

    自定義Flash存儲(chǔ)陣列架構(gòu)框圖如圖2所示。該系統(tǒng)為一個(gè)獨(dú)立模塊，把Flash芯片分成多個(gè)組，通過(guò)擴(kuò)展Flash的位寬、深度提高記錄速度和存儲(chǔ)容量。FPGA將數(shù)據(jù)通過(guò)Flash的數(shù)據(jù)線、地址線存到Flash陣列里。這種架構(gòu)的記錄回放系統(tǒng)有以下缺陷：(1)存儲(chǔ)接口不是基于標(biāo)準(zhǔn)的傳輸存儲(chǔ)協(xié)議，而且受限于Flash芯片類(lèi)型，使得系統(tǒng)的通用性與擴(kuò)展性受限；(2)一般自定義接口規(guī)范用于滿足某種特定雷達(dá)的指標(biāo)，一旦指標(biāo)發(fā)生變化，或者不能滿足雷達(dá)系統(tǒng)性能提升的要求，硬件就需要重新設(shè)計(jì)，造成一定的資源浪費(fèi)。

2 問(wèn)題的解決思路

    根據(jù)以上的對(duì)比，可以將兩者優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，提出一種新的記錄回放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。最直接的方式就是在自定義Flash存儲(chǔ)陣列系統(tǒng)中，選用標(biāo)準(zhǔn)的存儲(chǔ)協(xié)議接口代替自定義接口。目前，主流的存儲(chǔ)協(xié)議有IDE、SCSI、SATA等。IDE和SCSI屬于并行接口，在高速的數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)中，并行傳輸?shù)拇a間串?dāng)_等問(wèn)題會(huì)使誤碼率大大提高，而串行接口協(xié)議就很好地解決了這些問(wèn)題，該協(xié)議已經(jīng)相對(duì)成熟；SATA二代支持3 Gb/s的傳輸帶寬，并且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于開(kāi)發(fā)^[2]。圖3為SATA陣列記錄回放系統(tǒng)框圖。

    本設(shè)計(jì)中，在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)SATA硬盤(pán)的讀寫(xiě)操作。為了提高記錄回放速度，在FPGA里還實(shí)現(xiàn)了RAID0功能，對(duì)多個(gè)硬盤(pán)并行讀寫(xiě)。系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量和記錄速度可根據(jù)配置硬盤(pán)的數(shù)量靈活調(diào)整，大大增強(qiáng)了通用性和可擴(kuò)展性。

3 實(shí)現(xiàn)

    FPGA內(nèi)部的SATA硬盤(pán)控制設(shè)計(jì)是記錄回放系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)選用Xilinx公司的Viretx-5的FPGA芯片，芯片型號(hào)為XC5VSX50T。芯片內(nèi)部集成的GTP可以滿足SATA2.0協(xié)議中要求的3.0 Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了兩路SATA硬盤(pán)的并行讀寫(xiě)，下面對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

3.1 SATA硬盤(pán)控制

    使用SATA IP核實(shí)現(xiàn)硬盤(pán)的讀寫(xiě)操作。IP符合SATA協(xié)議要求，采用3層設(shè)計(jì)，即物理層、鏈路層和傳輸層。應(yīng)用層邏輯開(kāi)發(fā)基于傳輸層。傳輸層包含兩個(gè)接口，控制接口和數(shù)據(jù)接口。控制接口實(shí)現(xiàn)對(duì)IP內(nèi)部的寄存器操作；數(shù)據(jù)接口采用FIFO技術(shù)，為用戶提供讀寫(xiě)數(shù)據(jù)通道。應(yīng)用層對(duì)IP核的寄存器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬盤(pán)的DMA數(shù)據(jù)傳輸，表1列出了寄存器的詳細(xì)信息。

    系統(tǒng)采用DMA傳輸對(duì)硬盤(pán)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。圖4給出了應(yīng)用層中一次DMA操作的流程圖。圖5和圖6分別為在DMA操作過(guò)程中寄存器讀寫(xiě)和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖。

3.2 RAID0控制

    為了提高記錄回放速度，需要使用多個(gè)硬盤(pán)組成陣列。本系統(tǒng)在FPGA內(nèi)部開(kāi)發(fā)了兩個(gè)硬盤(pán)并行讀寫(xiě)的RAID0控制功能模塊，設(shè)計(jì)原理如圖7所示。通過(guò)擴(kuò)展位寬的方式實(shí)現(xiàn)兩個(gè)硬盤(pán)的同步讀寫(xiě)。

3.3 數(shù)據(jù)管理

    傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄回放系統(tǒng)直接以文件形式記錄數(shù)據(jù)，文件形式的數(shù)據(jù)可以在操作系統(tǒng)下方便靈活地訪問(wèn)，但受到文件系統(tǒng)對(duì)文件的管理約束，記錄過(guò)程中的數(shù)據(jù)不一定連續(xù)存儲(chǔ)在硬盤(pán)的連續(xù)邏輯塊地址上[7]。在該記錄系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)是順序存儲(chǔ)到硬盤(pán)中的，可以在一定程度上提高記錄系統(tǒng)的帶寬。因此采用了自定義的文件系統(tǒng)，將磁盤(pán)的存儲(chǔ)空間分為管理區(qū)、標(biāo)識(shí)區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)。數(shù)據(jù)區(qū)存放實(shí)際的數(shù)據(jù)；管理區(qū)存放的是記錄的文件的信息，一般包括數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置信息、長(zhǎng)度信息及數(shù)據(jù)到文件的映射信息；標(biāo)識(shí)區(qū)是標(biāo)記磁盤(pán)的空間使用情況。圖8為自定義文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

    該記錄回放系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理可以分為三個(gè)步驟，首先要?jiǎng)澐趾糜脖P(pán)中管理區(qū)、標(biāo)識(shí)區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)的容量，構(gòu)建好文件系統(tǒng)的框架；然后把經(jīng)過(guò)記錄的數(shù)據(jù)順序地存放在數(shù)據(jù)區(qū)；最后在一個(gè)文件記錄結(jié)束后，把文件的位置、大小、文件的標(biāo)識(shí)符等相關(guān)信息添加到管理區(qū)和標(biāo)識(shí)區(qū)。

    在每次記錄開(kāi)始前要先遍歷管理區(qū)中的標(biāo)識(shí)區(qū)，根據(jù)標(biāo)識(shí)區(qū)的值來(lái)獲得記錄的起始地址。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，記錄的數(shù)據(jù)都是放在數(shù)據(jù)區(qū)的，如果標(biāo)識(shí)區(qū)表明數(shù)據(jù)區(qū)為空，那這次記錄的起始地址就是數(shù)據(jù)區(qū)的起始地址，一般情況下是要緊接著上一個(gè)文件的結(jié)束地址來(lái)存儲(chǔ)。如果數(shù)據(jù)區(qū)被寫(xiě)滿，會(huì)提示是否要清空磁盤(pán)的數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)區(qū)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)和管理區(qū)中存儲(chǔ)的文件的相關(guān)信息。記錄時(shí)，數(shù)據(jù)被順序存放到數(shù)據(jù)區(qū)。記錄結(jié)束時(shí)，要將文件的信息寫(xiě)到管理區(qū)相應(yīng)的位置，當(dāng)然管理區(qū)也是順序讀寫(xiě)的，同時(shí)要更新標(biāo)識(shí)區(qū)的標(biāo)識(shí)，以便下次記錄時(shí)計(jì)算數(shù)據(jù)記錄的起始地址。

4 系統(tǒng)性能測(cè)試

    在對(duì)該記錄回放系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，選用兩塊Intel 公司的固態(tài)硬盤(pán)作為存儲(chǔ)介質(zhì)，型號(hào)為SSDSA2SH064G1GC，單盤(pán)標(biāo)稱(chēng)的讀速率為250 MB/s，寫(xiě)速率為170 MB/s，容量為64 GB，在Xilinx ISE 14.6中的Chip Scope來(lái)觀察波形。在實(shí)際測(cè)試中，每個(gè)盤(pán)一次讀寫(xiě)256個(gè)扇區(qū)，最后測(cè)得平均記錄速率為292 MB/s，回放速率為340 MB/s。同時(shí)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)，記錄回放的數(shù)據(jù)沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤。圖9和圖10分別為讀寫(xiě)硬盤(pán)時(shí)的波形圖。

    針對(duì)相控陣?yán)走_(dá)天線陣面?zhèn)鹘y(tǒng)記錄回放系統(tǒng)的不足，實(shí)現(xiàn)了一種通用性好、集成度高的SATA陣列記錄回放系統(tǒng)。系統(tǒng)基于FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)SATA硬盤(pán)的讀寫(xiě)，既滿足了對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速率帶寬的要求，而且不用重新繪制電路板，就可以應(yīng)用在不同型號(hào)的雷達(dá)上。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了RAID0功能，兩個(gè)硬盤(pán)并行讀寫(xiě)，平均記錄速率為292 MB/s，回放速率為340 MB/s。同時(shí)，采用自定義的文件管理系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于管理。為了實(shí)現(xiàn)更高的速率，可以在目前實(shí)現(xiàn)的兩路硬盤(pán)并行讀寫(xiě)擴(kuò)展為8路硬盤(pán)同時(shí)讀寫(xiě)，這也是本文的下一步工作。

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