基于Linux的嵌入式高速SAR數(shù)據(jù)存儲技術(shù)?

黃斌

（海裝重慶局，重慶400043）

基于Linux的嵌入式高速SAR數(shù)據(jù)存儲技術(shù)?

黃斌

（海裝重慶局，重慶400043）

為了實現(xiàn)對SAR原始回波數(shù)據(jù)的實時存儲，提出了在以PowerPC為硬件核心的嵌入式Linux軟件平臺上，使用SSD硬盤實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)存儲的方案。采用Linux驅(qū)動程序控制SAS硬盤控制器，將SAR原始回波數(shù)據(jù)記錄在SSD硬盤陣列上。模擬實驗測試中數(shù)據(jù)存儲速度可以達到200 Mbyte／s。分析了影響數(shù)據(jù)存儲速度的因素，實驗表明該方案可以滿足SAR原始回波數(shù)據(jù)實時存儲的要求。

合成孔徑雷達；原始回波數(shù)據(jù)；高速數(shù)據(jù)存儲；嵌入式Linux；SSD硬盤；SAS控制器

1 引言

合成孔徑雷達（SAR）是一種脈沖體制的高分辨率成像雷達，具有全天時、全天候、側(cè)視成像、分辨率不隨軌道高度變化等優(yōu)點，使之成為備受關(guān)注的測繪和偵察手段。隨著SAR圖像分辨率的提高、測繪帶寬的增大以及工作模式的增多，SAR原始回波數(shù)據(jù)存儲速度構(gòu)成了制約圖像質(zhì)量和觀測效率的重要因素。因此，SAR原始回波數(shù)據(jù)記錄速度對于SAR相關(guān)技術(shù)研究和應用有著重要意義［1］。

本文針對SAR原始回波數(shù)據(jù)高速實時存儲的需求，提出了以PowerPC為核心使用SSD硬盤的系統(tǒng)設計方案。該方案采用SAS控制器控制SSD硬盤，通過在嵌入式Linux軟件平臺上開發(fā)驅(qū)動模塊，將PCI總線上采集到的回波數(shù)據(jù)不經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)存，以零拷貝的方式直接存儲到SSD硬盤陣列中，有效提高了數(shù)據(jù)的存儲速度。最后對該存儲方案進行了測試和分析。

2 系統(tǒng)設計方案分析

目前，在實際應用中，高速實時存儲系統(tǒng)的存儲過程一般分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲兩個部分。數(shù)據(jù)采集一般負責將數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)緩存區(qū)中，數(shù)據(jù)存儲負責將緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)記錄在磁盤陣列中。根據(jù)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲之間軟硬件的實現(xiàn)方式不同以及存儲過程本身實現(xiàn)方式不同，數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)可以分為專用型數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)和嵌入式總線型數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)兩種結(jié)構(gòu)形式。

嵌入式總線型存儲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1中的方式1（細箭頭）和方式2（粗箭頭）分別代表了存儲系統(tǒng)中兩種不同的數(shù)據(jù)流走向，也代表了兩種不同的總線型數(shù)據(jù)存儲方式［2］。在方式1所代表的存儲方式中，系統(tǒng)內(nèi)存將數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲兩個過程聯(lián)系起來，高速數(shù)據(jù)通過FPGA采集緩存后，由PCI總線送進系統(tǒng)內(nèi)存，然后再通過SAS控制器將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫入SSD磁盤陣列中。從圖1中可看出，數(shù)據(jù)進出內(nèi)存都要占用PCI總線，由于PCI總線是一種共享總線，同一時刻只能有一個設備占用總線，因此數(shù)據(jù)采集硬件將外部數(shù)據(jù)送入內(nèi)存的同時，SAS控制器不能將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫入SSD磁盤陣列，即數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲過程不能并行執(zhí)行，只能順序操作，從而使總線的效率降低了一半，進而也限制了存儲系統(tǒng)性能的提高［3］。

在方式2所代表的存儲方式中，數(shù)據(jù)不經(jīng)過內(nèi)存，而是在采集和存儲之間建立了直接數(shù)據(jù)傳輸通道，這也是本文所采用的數(shù)據(jù)傳輸方法。這種方法采用映射內(nèi)存以及總線主控技術(shù)，SAS控制器為PCI總線的主設備，而數(shù)據(jù)采集FPGA為從設備，SAS控制器對FPGA直接進行訪問，這樣數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲避開了系統(tǒng)內(nèi)存這一環(huán)節(jié)。這種工作方式有效地縮短了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸路徑，從而在提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度的同時減小了系統(tǒng)延遲和響應時間，獲得了優(yōu)良的性能［4］。該系統(tǒng)實現(xiàn)方式的關(guān)鍵是如何協(xié)調(diào)FPGA和SAS控制器的工作，這需要軟件對其進行準確的管理和控制［5］。

本文所介紹的系統(tǒng)采用方式2存儲方式，在嵌入式Linux平臺上通過Linux驅(qū)動模塊來管理SAS控制器完成整個數(shù)據(jù)存儲過程，存儲過程中PowerPC

負責響應FPGA發(fā)出的中斷進行中斷處理，整個數(shù)據(jù)存儲過程由SAS控制器通過DMA方式完成。

3 硬件系統(tǒng)介紹

硬件系統(tǒng)主要由PowerPC處理器、FPGA、SAS硬盤控制器和SSD硬盤陣列組成。PowerPC處理器主要負責整個系統(tǒng)的控制和管理，包括系統(tǒng)內(nèi)存和PCI總線等硬件資源。FPGA主要負責對數(shù)據(jù)進行采集處理，按照一定格式將數(shù)據(jù)存儲到緩存中。FPGA作為PCI總線上的從設備與系統(tǒng)進行交互。SAS硬盤控制器負責讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲到SSD硬盤陣列中。SSD硬盤陣列是數(shù)據(jù)的存儲介質(zhì)。硬件系統(tǒng)使用了SSD硬盤，與傳統(tǒng)的機械硬盤相比它有許多突出的特點。SSD硬盤指使用NAND FLASH組成的固態(tài)硬盤，其特別之處在于沒有機械結(jié)構(gòu)，利用傳統(tǒng)的NAND FLASH特性，以區(qū)塊寫入和擦除的方式作讀寫的功能，具有響應時間短、讀寫效率高、耗電低、耐震、穩(wěn)定性高和耐低溫等優(yōu)點。采用SSD硬盤作為數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)，使整個系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性和適用性。

4 軟件系統(tǒng)設計及實現(xiàn)

4.1 U-Boot的移植

嵌入式Linux的運行需要一個Bootloader進行引導。本系統(tǒng)使用U-Boot作為Linux的Bootloader。U-Boot是在Linux內(nèi)核運行之前運行的一段程序，這段程序完成硬件的初始化和建立內(nèi)存空間的映射圖等重要工作，為內(nèi)核的啟動創(chuàng)建正確的環(huán)境，并最終引導啟動內(nèi)核。U-Boot在很大程度上是依賴于具體硬件而實現(xiàn)的，特別是在嵌入式系統(tǒng)中。因此U-Boot除了依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu)外，還需要修改其中部分源碼以適應具體的嵌入式板級設備。

4.2 嵌入式Linux的移植

嵌入式Linux是整個系統(tǒng)的基礎，它為包含在硬件平臺上的所有底層可編程部件提供服務，并且為運行在系統(tǒng)上的應用程序提供可執(zhí)行環(huán)境。本系統(tǒng)針對嵌入式Linux所做的主要工作是針對具體板級設備的硬件驅(qū)動進行移植和開發(fā)，使內(nèi)核能夠進行編譯、下載和運行。因為實際系統(tǒng)中硬件的配置和嵌入式Linux的默認硬件配置有所不同，所以需要修改部分硬件驅(qū)動來滿足實際系統(tǒng)需要。

4.3 高速存儲驅(qū)動模塊原理及實現(xiàn)

4.3.1 塊設備操作的分層結(jié)構(gòu)分析

要實現(xiàn)高速存儲Linux驅(qū)動模塊，就必須對Lin-ux內(nèi)核中SCSI設備的操作機制進行詳細的分析。圖2是Linux內(nèi)核中SCSI設備操作的一個分層實現(xiàn)圖，主要由虛擬文件系統(tǒng)、文件系統(tǒng)層、通用塊層、I／O調(diào)度程序?qū)?、塊設備驅(qū)動程序和SCSI子系統(tǒng)組成。虛擬文件系統(tǒng)層的作用是屏蔽下層具體文件系統(tǒng)操作的差異，為上層應用的操作提供統(tǒng)一的接口。文件系統(tǒng)層的主要作用是針對不同的文件系統(tǒng)提供不同的文件操作集合。通用塊層作用是接收上層發(fā)出的硬盤請求，經(jīng)過處理后發(fā)出I／O請求，它是塊設備提供的通用抽象視圖。I／O調(diào)度層的功能是接收通用塊層發(fā)出的I／O請求，緩存請求并試圖按照調(diào)度算法合并相鄰請求。塊設備驅(qū)動層負責從上層取出I／O請求，根據(jù)請求信息向具體塊設備控制器發(fā)送命令［6］。

4.3.2 SCSI子系統(tǒng)分析

塊設備包括SCSI硬盤、SATA硬盤和閃存等許多其它設備，塊設備驅(qū)動層是這些塊設備的統(tǒng)一抽象層。具體到不同的塊設備，又要使用不同的子系統(tǒng)驅(qū)動程序。由于本文所介紹的系統(tǒng)使用的是基于SCSI的存儲系統(tǒng)，所以本節(jié)將對Linux內(nèi)核中SCSI子系統(tǒng)進行分析。

Linux內(nèi)核中SCSI子系統(tǒng)是一種分層的架構(gòu)，共分為3層。頂部的那層叫做SCSI上層，它代表的是內(nèi)核（設備級）最高級別的接口。SCSI上層接收來自內(nèi)核上層的請求并將其轉(zhuǎn)換成SCSI命令，同時將狀態(tài)信息通知內(nèi)核上層。接下來的是SCSI中間層，也稱為公共層或統(tǒng)一層。它是SCSI上層和底層的公共服務層，提供了很多可供SCSI上層和底層驅(qū)動器使用的函數(shù)，因而可以充當這兩層間的連接層。中間層抽象化了底層驅(qū)動器的實現(xiàn)，這意味著可以以同樣的方式使用帶不同接口的控制器。SCSI中間層還提供了底層驅(qū)動器注冊和錯誤處理以及SCSI上層和底層間的SCSI命令排隊等功能。最后是SCSI底層，在SCSI底層的是一組驅(qū)動，稱為SCSI底層驅(qū)動。它們是一些可與具體物理設備連接的特定驅(qū)動程序。底層提供了自中間層到特定硬件設備的一種抽象，每個SCSI底層驅(qū)動都提供了到特定硬件的不同接口，但所使用的到中間層的接口卻是一組標準接口。SCSI底層包含大量處理各種不同類型SCSI控制器的驅(qū)動。SCSI具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖4 給出了對SCSI設備進行寫操作時Linux內(nèi)核中的程序執(zhí)行流程。

4.3.3 高速存儲驅(qū)動模塊的實現(xiàn)

高速存儲驅(qū)動模塊主要在兩個層次上實現(xiàn)，整個數(shù)據(jù)存儲程序流程如圖5所示。首先是在通用塊層完成初始化bio結(jié)構(gòu)和通過submit-bio（）函數(shù)提交操作請求。bio結(jié)構(gòu)中包含了讀寫硬盤操作時需要的所有信息，所以可以根據(jù)需要初始化包括設置硬盤描述符、讀寫數(shù)據(jù)量大小和存儲硬盤扇區(qū)位置等信息。但是在bio結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)存儲位置只能設置為系統(tǒng)內(nèi)存虛擬地址，無法直接將其指向FPGA虛擬地址。為了解決這個問題，在系統(tǒng)內(nèi)存中分配一塊內(nèi)存，在這塊內(nèi)存中設置標志和參數(shù)，然后將這塊內(nèi)存虛擬地址賦值給bio結(jié)構(gòu)。然后是在SCSI子系統(tǒng)中根據(jù)bio內(nèi)存中設置的標志和參數(shù)，判斷該請求是否是高速存儲驅(qū)動模塊請求。如果是，則根據(jù)FPGA緩存物理地址和讀寫數(shù)據(jù)量大小通過SCSI底層驅(qū)動設置控制器特定寄存器，完成數(shù)據(jù)傳輸［7］。主要流程如圖6所示。

5 應用程序的設計和實現(xiàn)

5.1 存儲數(shù)據(jù)管理

在數(shù)據(jù)存儲過程中，為了提高存儲速度，存儲系統(tǒng)采用了對硬盤陣列順序?qū)懭氲姆绞?，也就是按照硬盤的邏輯塊地址將數(shù)據(jù)依次寫入硬盤。這樣雖然可以提高數(shù)據(jù)的存儲速度，但是硬盤陣列中就沒有文件系統(tǒng)，這對數(shù)據(jù)的管理提出了要求。存儲系統(tǒng)在使用中需要記錄多個任務，并且每個任務所記錄的數(shù)據(jù)都有不同的參數(shù)和格式，所以必須設計出一種格式對任務信息和數(shù)據(jù)進行管理，這樣才能事后方便地對所記錄的數(shù)據(jù)進行下載、恢復和處理。在存儲系統(tǒng)中根據(jù)具體需求用頭表和任務信息表兩個部分來管理硬盤所記錄的數(shù)據(jù)。頭表包含硬盤陣列的一些總的信息，包括硬盤個數(shù)、總?cè)萘?、剩余容量等。?個任務對應1個任務信息表，任務信息表占1個扇區(qū)共512 byte，包含有每個任務的具體信息，例如起始、結(jié)束邏輯塊地址、數(shù)據(jù)參數(shù)等。在開始記錄前和停止記錄后將得到的參數(shù)信息更新到指定的硬盤邏輯塊地址中進行保存。當需要下載數(shù)據(jù)時將數(shù)據(jù)和參數(shù)信息一起發(fā)送給主機，主機就可以根據(jù)這些參數(shù)信息將數(shù)據(jù)進行恢復和處理。

5.2 網(wǎng)絡遠程控制

在數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)實際應用中，需要能夠?qū)ζ溥M行遠程的管理和控制。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

從圖7中可以看出，系統(tǒng)主機需要通過網(wǎng)絡來控制數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。為了實現(xiàn)該功能，必須定義出網(wǎng)絡控制和管理命令協(xié)議。根據(jù)具體應用的需要定義了各種網(wǎng)絡命令，目前實現(xiàn)了任務啟動／停止、數(shù)據(jù)刪除、信息查詢、工作模式設置和數(shù)據(jù)下載等命令，如圖8所示。為了確保存儲系統(tǒng)收到命令，存儲系統(tǒng)需要對系統(tǒng)主機發(fā)出的每個命令進行應答。

6 存儲系統(tǒng)的性能測試和分析

為了測試存儲系統(tǒng)的性能，測試中FPGA采集模塊產(chǎn)生模擬數(shù)據(jù)，使用4塊SSD硬盤組成RAID0陣列，系統(tǒng)持續(xù)記錄20min。在測試過程中對數(shù)據(jù)存儲信號和中斷信號進行測試，如圖9所示。其中上方1通道的信號為存儲信號，有效時為高電平；下方2通道的信號為中斷信號，周期264ms。每個中斷周期存儲的數(shù)據(jù)為64 Mbyte。

從圖9可以看出，系統(tǒng)存儲在264ms的周期中，存儲64 Mbyte數(shù)據(jù)只用了150 ms左右，其余100 ms時間用來防止硬盤寫入速度的波動，避免數(shù)據(jù)的丟失和對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。通過對存儲數(shù)據(jù)的校驗證明存儲系統(tǒng)的正確性，可見整個系統(tǒng)可以滿足200 Mbyte／s的持續(xù)存儲速度。與其它使用FPGA實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)存儲的方案比較［8，9］，本系統(tǒng)在速度上具有一定優(yōu)勢。

在整個存儲系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲速度是最關(guān)鍵的性能指標。實際系統(tǒng)中當FPGA數(shù)據(jù)采集緩存存滿數(shù)據(jù)時，以中斷方式周期性的通知PowerPC，從而使PowerPC控制硬盤控制器來讀取數(shù)據(jù)。由于FPGA采集緩存容量的限制，中斷周期時間相對較短?？梢娪涗浫蝿站哂幸欢ǖ膶崟r性，即在中斷周期內(nèi)必須將FPGA緩存中的數(shù)據(jù)全部存儲到硬盤陣列中。而由于硬盤本身的原理和結(jié)構(gòu)決定了硬盤在寫入數(shù)據(jù)時速度會有一定波動，通常所說的硬盤速度是指硬盤的平均速度。顯然，由于記錄任務的實時性要求，硬盤陣列平均寫入速度肯定無法應用到實際系統(tǒng)中，為了保證實時性只能將硬盤陣列的最低寫入速度應用到實際存儲系統(tǒng)中，通常為了保證系統(tǒng)的可靠性，會在硬盤陣列最低速度基礎上再留出一定冗余時間。為了解決硬盤陣列寫入速度不穩(wěn)定從而影響存儲速度的問題，可以使用擴大FPGA采集緩存方法，使存儲速度接近于硬盤陣列平均速度，能夠進一步有效地提高存儲速度。

SAS即串行SCSI技術(shù)的出現(xiàn)，擺脫傳統(tǒng)并行SCSI技術(shù)在連接設備個數(shù)和總線帶寬上的限制。傳統(tǒng)并行SCSI采用并行總線結(jié)構(gòu)，總線總的帶寬為320 Mbyte／s，而SAS采用串行總線結(jié)構(gòu)，每個通道傳輸?shù)乃俾矢哌_3 Gbit／s，使用多個通道時帶寬可以成倍增加［10］。隨著SSD固態(tài)硬盤技術(shù)的發(fā)展，SSD固態(tài)硬盤可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械硬盤應用到實際系統(tǒng)中。目前，Intel SSD硬盤可以達到250 Mbyte／s的持續(xù)讀取速度和170 Mbyte／s的持續(xù)寫入速度，再結(jié)合RAID技術(shù)可大大提高硬盤陣列的讀寫性能。將SAS和SSD技術(shù)應用到存儲系統(tǒng)中為存儲速度的進一步提高奠定了基礎。同時，在嵌入式Linux軟件平臺上能夠很好地支持SAS和SSD技術(shù)。試驗證明，在使用SAS和SSD的存儲系統(tǒng)上，基于嵌入式Linux的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的存儲速度還有很大的提升空間。

PCIExpress總線克服了PCI總線在總線帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率上的限制，由于在Linux內(nèi)核中PCI Express的驅(qū)動軟件與PCI總線完全兼容，所以高速存儲軟件系統(tǒng)也可以應用于基于PCIExpress總線的存儲系統(tǒng)中。

7 結(jié)論

本文提出了一種基于Linux的嵌入式高速數(shù)據(jù)存儲方案，通過使用Linux驅(qū)動等軟件模塊控制和管理存儲系統(tǒng)，實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)的記錄。該系統(tǒng)既可以滿足高速數(shù)據(jù)存儲速度的要求，又具有容量大、

穩(wěn)定性高、耐震、耐低溫等優(yōu)點。測試表明系統(tǒng)可以達到200 Mbyte／s的持續(xù)存儲速度。由于該方案可以擴展到PCI-E架構(gòu)上，再結(jié)合SSD硬盤的使用，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲速度還有很大的提升空間。

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Embedded High-speed SAR Data Storage Technology Based on Linux

HUANGBin
（Chongqing Bureau of Naval Armament Department，Chongqing 400043，China）

In order to record SAR（Synthetic Aperture Radar）raw echo data，a method with SSD（Solid State Disk）on embedded Linux is provided in this paper.Linux drivers are used tomanage the SAS（Serial Attached SCSI）controller and the data is stored in SSD with high-speed.The speed of data storage can achieve 200 Mbyte／s in experiment.The factors influencing storage speed are analysed.The test result shows that the design can satisfy the requirements of high-speed data storage.

synthetic aperture radar（SAR）；raw echo data；high-speed data storage；embedded Linux；solid state disk（SSD）；serial attached SCSI（SAS）controller

TN95

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.11.015

黃斌（1979—），男，四川資中人，碩士研究生，主要研究方向為通信技術(shù)。

1001-893X（2011）11-0073-06

2011-06-16；

2011-10-26

HUANG Bin was born in Zizhong，Sichuang Province，in 1979. He is now a graduate student.His research direction is communication technology.

Email：huangbin09.com＠163.com