基于Vxworks的嵌入式存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

馬天乙

【摘要】針對嵌入式設(shè)備中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求，本文給出了一個(gè)基于VxWorks操作系統(tǒng)和嵌入式SATA NANDrive存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)方案，介紹了硬件構(gòu)成，詳細(xì)描述了在VxWorks操作系統(tǒng)中SATA設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)過程。

【關(guān)鍵詞】VxWorks;SATA NANDrive;MPC8548E;驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

1.引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛，包括工業(yè)控制、軍工、航空航天等等，同時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求也無處不在，傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤HDD（Hard Disk Drive）由于可靠性等原因已不適合在上述特殊應(yīng)用環(huán)境中使用。固態(tài)電子盤SSD（Solid State Disk）而以其讀寫速度快、防震性能優(yōu)異、低功耗、工作溫度范圍大等優(yōu)點(diǎn)，占據(jù)了在嵌入式系統(tǒng)中存儲(chǔ)應(yīng)用的主流地位。

本文針對某設(shè)備中的多路以太網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求，介紹了一個(gè)以MPC8548E為處理器，SATA NANDrive為存儲(chǔ)芯片，在嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)Vxworks環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟硬件設(shè)計(jì)方案，試驗(yàn)證明，連續(xù)寫入數(shù)據(jù)速率大于60MB/s，滿足百兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。

2.硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是以MPC8548E為主處理器，通過MPC8548E PCIe接口外接Marvell 88SE9230芯片實(shí)現(xiàn)PCIe到SATA的接口協(xié)議轉(zhuǎn)換，連接4片GLS85LS1032P SATA NANDrive實(shí)現(xiàn)128GB容量SSD存儲(chǔ)。下面詳細(xì)描述硬件設(shè)計(jì)方案。

（1）MPC8548概述

處理器是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心器件，本設(shè)計(jì)以Freescale MPC8548E為主處理器。MPC8548E是基于PowerPC架構(gòu)的PowerQuicc III處理器，它基于嵌入式e500內(nèi)核，頻率最高可達(dá)1.2GHz，集成4個(gè)三速以太網(wǎng)控制器（eTSECs），1路PCIe接口。設(shè)計(jì)中MPC8548E頻率設(shè)為800Mhz，PCIe采用x1協(xié)議。

（2）存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

MPC8548E不包含SATA接口，這就需要考慮如何通過現(xiàn)有接口擴(kuò)展出利于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用的SATA控制器，SATA控制器用來完成SATA SSD的控制和數(shù)據(jù)的存取，設(shè)計(jì)中選用Marvell 88SE9230芯片，實(shí)現(xiàn)PCIe協(xié)議到SATA協(xié)議的轉(zhuǎn)換。88SE9230擁有4個(gè)6G/s的高速SATA3.0接口，設(shè)計(jì)采用SATA 1.0，PCIe 1.0a x1方案，總線速率可達(dá)到1.5Gb/s。

本設(shè)計(jì)選用Greenliant公司生產(chǎn)的GLS85 LS1032P SATA NANDrive作為主存儲(chǔ)芯片。GLS85LS1032P芯片是一個(gè)BGA封裝的工業(yè)級SSD芯片，內(nèi)部集成了SATA接口和32GB SLC NAND Flash，連續(xù)讀寫速率可達(dá)到120/80MB/s，內(nèi)置微控制單元（MCU）把SATA指令轉(zhuǎn)換為對Flash操作需要的數(shù)據(jù)和控制信號，支持?jǐn)?shù)據(jù)緩沖區(qū)與Flash之間DMA方式讀寫，內(nèi)置多任務(wù)接口提升多片F(xiàn)lash同時(shí)讀寫的性能。設(shè)計(jì)中選用4片SATA NANDrive接入88SE9230，實(shí)現(xiàn)128GB存儲(chǔ)量。

3.軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要介紹在VxWorks系統(tǒng)中如何實(shí)現(xiàn)SATA NANDrive驅(qū)動(dòng)。

（1）驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)原理

由于88SE9230是一款透明PCIe橋芯片，對于設(shè)備和設(shè)備驅(qū)動(dòng)器透明，故驅(qū)動(dòng)程序可以簡化為實(shí)現(xiàn)SATA控制器的驅(qū)動(dòng)和管理。

SATA SSD是一種塊設(shè)備。在Vxworks系統(tǒng)下，塊設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序不直接與Vxworks的I/O系統(tǒng)連接，而是掛接在文件系統(tǒng)上，文件系統(tǒng)再與I/O系統(tǒng)連接，用戶通過訪問文件系統(tǒng)訪問塊設(shè)備。Vxworks中塊設(shè)備一般采用dosFs文件系統(tǒng)。它向下提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，可以掛接多種塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)。文件系統(tǒng)把自己作為一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序裝載到I/O系統(tǒng)中，并把請求轉(zhuǎn)發(fā)給實(shí)際的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，塊設(shè)備通過調(diào)用文件系統(tǒng)的設(shè)備初始化函數(shù)來安裝驅(qū)動(dòng)。

（2）SATA驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的是SATA NANDrive，故驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)參照VxWorks6.6下ATA的驅(qū)動(dòng)程序框架，在原有BSP中添加SATA驅(qū)動(dòng)程序。編寫驅(qū)動(dòng)函數(shù)如下：sataDrv：初始化SATA設(shè)備;sataDriveInit：初始化中斷向量、內(nèi)存映射、連接中斷;sataDevCreate：創(chuàng)建塊設(shè)備，初始化設(shè)備描述符;sataBlkDevFill：填寫塊設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);sataBlkWrt：SATA SSD數(shù)據(jù)塊寫入;sataBlkRd：SATA SSD數(shù)據(jù)塊讀取，sataReset：復(fù)位SATA SSD控制器。

系統(tǒng)boot時(shí)會(huì)首先在sysLib.c中sysHw-Init2中調(diào)用sataDriveInit函數(shù)來初始化中斷向量、內(nèi)存映射、連接中斷等，接著在usrConfig.c中調(diào)用sataDrv驅(qū)動(dòng)SATA控制器，完成SATA控制器的配置、SSD識別、SSD參數(shù)獲取、中斷函數(shù)掛接和塊設(shè)備讀寫接口實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容。

驅(qū)動(dòng)SATA控制器后，在SATA SSD上建立dosFs文件系統(tǒng)需要以下操作：首先調(diào)用iosDrvInstall初始化dosFs文件系統(tǒng)，調(diào)用sataDevCreate創(chuàng)建塊設(shè)備，調(diào)用dcacheDev-Create、usrFdiskPartCreate創(chuàng)建磁盤高速緩沖區(qū)和磁盤分區(qū)，運(yùn)行dosFsDevCreate創(chuàng)建dosFs文件系統(tǒng)，最后調(diào)用dosFsVolFoemat格式化分區(qū)。

格式化完成后系統(tǒng)就可以訪問SSD分區(qū)和進(jìn)行文件操作了，在Shell里運(yùn)行“devs”命令所顯示出的系統(tǒng)設(shè)備列表可以看到SATA設(shè)備。編寫應(yīng)用程序在SATA SSD上進(jìn)行文件讀寫操作，測試結(jié)果為最高連續(xù)寫速率大于60MB/s，連續(xù)讀速率大于80MB/s，滿足設(shè)計(jì)需求。 4.結(jié)論

本文給出了一個(gè)基于VxWorks操作系統(tǒng)的嵌入式SATA NANDrive存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)描述了硬件構(gòu)成和軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)過程。與傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤和商用SSD相比較，SATA NANDrive不僅提供了通用的便于實(shí)現(xiàn)的SATA接口，還提供了更高的讀寫速度、更好的環(huán)境適用性，特別適合軍工航電等行業(yè)對數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的技術(shù)需求，是嵌入式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)未來的一個(gè)重要發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

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