基于Zynq-7100數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)

鄭駿 徐海納

摘要：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊廣泛地用于雷達(dá)、醫(yī)療、通信等行業(yè)。隨著雷達(dá)系統(tǒng)高數(shù)據(jù)率、小型化的要求，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊帶來了更大的挑戰(zhàn)。針對(duì)相關(guān)要求，設(shè)計(jì)了一款基于Zynq-7100的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊一方面采用Zynq-7100內(nèi)的PL實(shí)現(xiàn)raid0方式完成對(duì)多路mSATA盤的控制，以及高速采集數(shù)據(jù)的收發(fā);另一方面采用Zynq的PS實(shí)現(xiàn)自定義文件，完成了對(duì)mSATA盤的管理。模塊測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊速度高，性能穩(wěn)定，并有效地減少了設(shè)備的體積。

關(guān)鍵詞：Zynq-7100;raid0;mSATA;文件系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）23-0045-02

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊是用來對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行、系統(tǒng)測(cè)試或科學(xué)試驗(yàn)等過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流或信號(hào)進(jìn)行記錄，后期向用戶提供獲得的原始數(shù)據(jù)的設(shè)備。其廣泛應(yīng)用于軍工、安全、控制、航天航空等領(lǐng)域。隨著雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展，高速多通道采集技術(shù)的成熟，對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊提出了更大的要求：1）高存儲(chǔ)速率，可以實(shí)時(shí)連續(xù)記錄高速的原始數(shù)據(jù);2）大存儲(chǔ)容量，滿足采集設(shè)備下發(fā)的海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ);3）存儲(chǔ)可靠性，保證存儲(chǔ)設(shè)備穩(wěn)定的工作，以及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的正確性;4）小型化設(shè)計(jì)，在保證存儲(chǔ)容量的同時(shí)，需要減少系統(tǒng)的體積，有一定的擴(kuò)展性。

Xilinx公司的全可編程Zynq-7100系列芯片成功將高大1GHz的Cortex-A9 MPCore雙核處理器與低功耗可編程邏輯緊密集成在一起;并在ARM處理器與FPGA之間采用AXI4通信總線，在器件內(nèi)部提供了高可靠性，高帶寬的通道。結(jié)合該器件的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊相對(duì)于其他架構(gòu)的存儲(chǔ)模塊具有存儲(chǔ)速率高，存儲(chǔ)空間靈活的特點(diǎn)。

1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊總體設(shè)計(jì)

基于Zynq-7100數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊由數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元兩部分組成，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊總體框圖如圖1所示。

數(shù)據(jù)處理單元完成高速數(shù)據(jù)的接收，存儲(chǔ)自定系統(tǒng)的數(shù)據(jù)打包，數(shù)據(jù)寫入讀取，以及外部通信、調(diào)試的工作。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元由mSATA固態(tài)硬盤陣列構(gòu)成，提供1TB～8TB的存儲(chǔ)空間的擴(kuò)展，以及410MB/s～3.2GB/s的數(shù)據(jù)讀寫速率。

2 硬件構(gòu)成與設(shè)計(jì)

基于Zynq-7100數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。模塊為標(biāo)準(zhǔn)的6U VPX結(jié)構(gòu)，其主要由Zynq-7100處理平臺(tái)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元DDR3、FlASH，文件存儲(chǔ)單元，以及通信外設(shè)組成。

2.1 Zynq-7100處理平臺(tái)

Zynq-7100處理平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的接收，存儲(chǔ)文件的生成，存儲(chǔ)，轉(zhuǎn)儲(chǔ)，以及系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)的功能。

XC7Z100芯片為Xilinx公司Zynq-7000系列的全可編程Soc，PL單元提供1組X4的SRIO接口;提供8組SATA接口;提供多個(gè)交互接口。PS單元?jiǎng)t提供以太網(wǎng)接口，以及串行接口。

借助AXI（高級(jí)擴(kuò)展總線）互聯(lián)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)部PL與PS之間的高性能的數(shù)據(jù)交換。為自定義文件系統(tǒng)的生成，文件數(shù)據(jù)管理方面提供了片內(nèi)高速可靠的途徑。

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元分為3個(gè)部分：數(shù)據(jù)緩存、內(nèi)存以及配置存儲(chǔ)部分。

數(shù)據(jù)緩存單元采用兩組MT29F系列芯片，構(gòu)建容量為4GB存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的緩存。

內(nèi)存單元采用2片MT41K系列芯片以及1GB的數(shù)據(jù)空間，完成系統(tǒng)的運(yùn)行。

配置存儲(chǔ)單元采用256Mb的QSPI FLASH芯片，用于系統(tǒng)的上電配置以及引導(dǎo)。

2.3 外部通信單元

外部通信單元主要有以太網(wǎng)通信單元，串口通信單元，以及GPIO接口單元。

以太網(wǎng)通信單元，選用100/1000M傳輸速率自適應(yīng)功能的以太網(wǎng)物理層芯片88E1116。配合XC7Z100芯片PS單元的MAC層控制器，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。

串口通信單元，選用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232。配合XC7Z100芯片PS單元的串口控制器，實(shí)現(xiàn)串口通信功能。

GPIO接口單元，由XC7Z100芯片PL單元直接提供，采用電平轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行信號(hào)的保護(hù)。

2.4 文件存儲(chǔ)單元

文件存儲(chǔ)單元由mSATA固態(tài)硬盤構(gòu)成。其讀寫速率可達(dá)到410MB/s，物理接口為mSATA接口。

設(shè)計(jì)中固態(tài)硬盤通過接插件安裝在電路板上?？蓪?shí)現(xiàn)多達(dá)8塊固態(tài)硬盤的安裝?？梢愿鶕?jù)需要安裝靈活安裝所需的固態(tài)硬盤。

3軟件系統(tǒng)架構(gòu)與設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用Vivado2017.4設(shè)計(jì)套件完成軟件系統(tǒng)的架構(gòu)與調(diào)試工作。按照存儲(chǔ)的功能，將整個(gè)系統(tǒng)分為五個(gè)功能模塊，分別為高速數(shù)據(jù)接口管理模塊、數(shù)據(jù)緩存管理模塊、文件系統(tǒng)管理模塊、RAID控制管理模塊，狀態(tài)顯示模塊。

3.1 高速數(shù)據(jù)接口管理模塊設(shè)計(jì)

高速數(shù)據(jù)接口管理模塊主要通過Zynq-7100的高速串行數(shù)據(jù)收發(fā)控制器實(shí)現(xiàn)的控制功能，提供存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)外的數(shù)據(jù)交互控制。

接收數(shù)據(jù)經(jīng)過高速數(shù)據(jù)接口管理模塊。如果是模塊的控制指令，將被分發(fā)到文件系統(tǒng)管理模塊;反之將分發(fā)到數(shù)據(jù)緩存管理模塊。

發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)過高速數(shù)據(jù)接口管理模塊，區(qū)分模塊的狀態(tài)數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)儲(chǔ)數(shù)據(jù)，供外部系統(tǒng)使用。

3.2 數(shù)據(jù)緩存管理模塊設(shè)計(jì)

由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元（mSATA）在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)會(huì)有短暫性的帶寬下滑，以及數(shù)據(jù)偶發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤出現(xiàn)，采用DDR3存儲(chǔ)芯片實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的緩存。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊對(duì)外的數(shù)據(jù)輸入接口為X4 SRIO，最大數(shù)據(jù)速率為5Gb/s×4×0.8=2GB/s（即每秒有2GB的數(shù)據(jù)需要寫入）。而模塊的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元最大為8個(gè)固態(tài)硬盤，最大數(shù)據(jù)速率為410MB/s×8=3.2GB/s（即出現(xiàn)最壞的帶寬下滑情況，抑或數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤情況下的數(shù)據(jù)量為3.2GB）。

此外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)DDR3芯片組的控制，其讀寫最大數(shù)據(jù)速率為1600Mb/s×16×1/8=3.125GB/s（即每秒可滿足3.125GB的數(shù)據(jù)要求）?？梢栽跀?shù)據(jù)緩存的容量以及數(shù)據(jù)率的兩個(gè)方面滿足系統(tǒng)需求。

3.3 文件系統(tǒng)管理模塊設(shè)計(jì)

文件系統(tǒng)管理模塊實(shí)現(xiàn)在Zynq-7100的PS端。使用自定義的文件系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持文件的建立、命名、信息備注等功能。對(duì)每個(gè)文件的扇區(qū)地址進(jìn)行了管理，用戶只需指定文件ID號(hào)。當(dāng)需要對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作時(shí)，文件系統(tǒng)管理模塊將獲取文件對(duì)應(yīng)的扇區(qū)地址，并完成相關(guān)操作。

3.4 RAID控制管理模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中通過Zynq-7100 PL端的數(shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)mSATA盤的控制和管理。SATA控制管理模塊遵循SATA協(xié)議。使用Zynq-7100集成的高速串行數(shù)據(jù)收發(fā)控制器實(shí)現(xiàn)SATA數(shù)據(jù)的解碼、同步以及RAID工作。

3.5 狀態(tài)顯示模塊設(shè)計(jì)

本板指示燈顯示模塊主要將本模塊中各個(gè)電源軌的反饋信號(hào)，mSATA盤在位信號(hào)，工作狀態(tài)等信息，通過板載的LED燈反饋工作狀態(tài)。

狀態(tài)信息上報(bào)模塊將mSATA盤的工作狀態(tài)，電源軌工作狀態(tài)，系統(tǒng)周期自檢信息等通過以太網(wǎng)形式進(jìn)行發(fā)送給上位機(jī)，實(shí)時(shí)觀測(cè)。

4模塊測(cè)試與分析

對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊性能進(jìn)行測(cè)試，將模塊通過母板與數(shù)據(jù)產(chǎn)生板相連接。模塊采用8個(gè)mSATA盤（容量1TB）做為存儲(chǔ)介質(zhì)，內(nèi)部的緩存區(qū)設(shè)置為1Mb。對(duì)連續(xù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行寫入操作，每個(gè)mSATA盤的測(cè)試結(jié)果如圖3所示。在高溫60℃，低溫-40℃的環(huán)境中進(jìn)行相同測(cè)試。每個(gè)mSATA盤測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

滿足對(duì)于模塊具有1TB～8TB的存儲(chǔ)空間的擴(kuò)展，以及410MB/s～3.2GB/s的數(shù)據(jù)讀寫速率的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

基于Zynq-7100數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊軟硬件相結(jié)合的設(shè)計(jì)，以及相關(guān)的測(cè)試結(jié)果表明，使用該平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)方法，為高速存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)提供了可行的設(shè)計(jì)方案?；赯ynq-7100處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)，即具備了FPGA硬件可編程的優(yōu)勢(shì)，又將文件系統(tǒng)有效的移植到Cortex-A9處理器上完成，滿足了高速率、大容量以及小型化的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊佳朋.SATA控制器的設(shè)計(jì)與FPGA驗(yàn)證[D].太原：太原理工大學(xué)，2013.

[2] 李曄.基于FPGA的嵌入式高速SATA接口主機(jī)控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2011.

[3] 劉文國(guó)，李廣軍，林水生.基于FPGA的SATA硬盤加解密控制器設(shè)計(jì)[J].電子與封裝，2009，9（6）：25-28.

[4] 朱琛，崔鐳，邵春偉，等.基于FPGA的高速光纖傳輸卡[J].電子與封裝，2018，18（3）：22-25.

[5] 范國(guó)浩，張艷兵，李新娥.基于FPGA抗高沖擊機(jī)載雷達(dá)回波存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42（4）：78-80，84.

【通聯(lián)編輯：李雅琪】