基于FAS466的高速CCD相机数字视频实时存储系统设计
2008-04-29
作者：盛翠霞1，2,张 涛1，陈俊江1
摘 要：为了满足高帧频" title="高帧频">高帧频、大面阵CCD相机数字视频实时存储要求，设计出基于SCSI协议处理器（FAS466），脱离计算机平台的图像数据直接存储系统。该系统采用FPGA芯片编程实现DMA控制功能，从而协调SCSI协议处理器实现数据的传输。此外，系统采用双硬盘交替存储方案以提高存储速度，实现存储流量达70MBps。本文介绍了该设备的系统结构和软硬件设计方法。
关键词： FAS466协议处理器 微处理器 DMA控制器 FPGA FIFO
由于高帧频、大面阵CCD数字相机的图像数据量非常巨大，存储流量超过50MBps。而且图像输出速率也比较高，所以高速图像数据的实时记录是一个不易解决的问题。高帧频、大面阵CCD相机的数字视频存储的一般方案是基于高性能" title="高性能">高性能计算机体系结构，把PCI总线的视频采集卡与高性能IDE硬盘系统或基于PCI-SCSI桥的SCSI存储硬盘系统结合起来完成任务。这种方案实现起来比较容易，但存在总线瓶颈问题，一次存储占用两次PCI总线，而且还受到操作系统和文件系统的限制，因而在实际应用中存储速度很难突破40MBps[1]。针对这一问题，本文设计出脱离计算机平台的图像数据存储方式，采用FPGA芯片控制时序，运用VHDL语言编程实现微处理器和DMA控制功能，从而协调SCSI协议处理器实现数据的传输。FPGA的运用比单独使用DMA控制器减少了电路板的体积，降低了成本,提高了存储的速率。
1 系统的硬件结构设计
实现SCSI协议和硬盘存储，通常需要有微处理器、DMA控制器、SCSI协议控制器、数据缓存" title="数据缓存">数据缓存器等硬件支持和相应的软件控制模块。而本系统DMA控制通过对FPGA编程来实现。图像数据存储系统结构图如图1所示。
1.1 微处理器
微处理器负责对各个模块进行协调和控制。本系统所设计的专用高速硬盘存储设备实现数据的持续高速存储，要求处理数据的速度高，因此采用DSP微处理器。微处理器主要功能如下：
（1）完成与外接数据的传输起始、结束控制。
（2）对FPGA进行复位、开始操作。
（3）对FAS466的初始化操作,对传输的异常情况进行中断处理。
（4）对协议控制芯片内部寄存器的读写控制，从而控制SCSI总线的命令传输和状态监控。对SCSI的命令信息进行解释、执行、管理；对来自SCSI总线的信息状态进行翻译、执行、管理。
1.2 DMA控制器
DMA控制器控制数据发送或接收源的数据缓冲器与SCSI协议控制器内部缓冲器之间的数据传送，这样通过与协议控制器的DMA接口相协调以控制数据源与SCSI总线间的数据传送。本设计采用FPGA器件，利用VHDL语言编程实现DMA控制器功能，而不采用专用的DMA控制器，主要考虑以下一些因素：本设计的数据传输速率" title="传输速率">传输速率达到50MＢps，而一般的专用DMA控制器难以胜任；专用的DMA控制器与SCSI协议控制芯片之间的连接需要大量的逻辑转换电路和外围连线，使设计难度加大；使用FPGA器件，除了完成DMA控制功能之外，还可以把电路中的逻辑转换、系统复位等模块设计进去，减小了设备的体积，方便了以后对系统的升级和改进。
1.3 SCSI协议处理器(FAS466)
SCSI协议处理器是SCSI总线操作的执行部件，各公司都有专门的SCSI集成电路芯片作为协议控制器，如Qlogic公司的FAS368M、FAS466等。FAS466(Fast Architecture SCSI Processor)处理器是Qlogic公司1999年上市的一种高性能SCSI引擎，它源于Qlogic公司的TEC450／452三重嵌入式控制的铝系列，可提供Fast40的同步传输速率[2]，它的同步数据宽总线传输速率可达80MBps；支持先进的SCSI自动配置模式的1层和2层协议；内部嵌有微控制器，能够通过编程方式灵活地协调SCSI作业队列，可以工作在启动或目标模式并支持单端或低电压差分模式的SCSI连接。
FAS466区别于其他SCSI协议处理器的最大特点是：它采用微处理器和DMA接口结构，而常见的SCSI协议控制器采用PCI接口总线结构。这是本设计采用FAS466的一个主要原因。采用微处理器和DMA接口结构，可以通过DSP对传输进行控制，脱离微机平台，减少传输带宽限制，使数据存储系统具有非常好的灵活性和可移植性。 FAS466由SCSI控制器、微控制器、DMA接口和微处理器接口四个模块组成。外部微处理器通过微处理器接口对FAS466进行控制，协议控制器接受微处理器的操作指令，如总裁、选择、失连、复位总线等。SCSI控制器提供灵活、有效的底层SCSI协议控制，微控制器则负责控制数据从DMA接口到SCSI硬盘的传输以及各个模块之间的协调。FAS466的内部结构如图2所示。
1.4 数据缓存器
在设备的输入接口部分，需要有数据缓存单元。数据缓存的目的是为SCSI的高速DMA传输做好准备，使两边数据传输速度匹配。数据的流向一般是一个口进，一个口出，不对信号进行任何处理。普通的存储器在写入的同时不能读取，双口随机存储器RAM虽然也可完成这个任务，但是由于它需要复杂的地址译码电路，所以不采用。采用FIFO芯片，可以去掉复杂的缓存器译码电路，大大简化了系统设计。缓存单元在结构上相当于先进先出（First In First Out，FIFO）队列，即先到的数据先被存储。本设计中FIFO选用IDT公司的IDT72V2113芯片。
2系统的软件设计
软件设计" title="软件设计">软件设计是本系统设计的重点和难点，它负责对相关硬件的控制和协调，最终实现SCSI协议、硬盘的控制和DMA传输等。软件设计分为SCSI控制软件和DMA控制器的FPGA实现两部分。下面分别进行讨论。
2.1 SCSI控制软件
一般来说，要完成一次数据交换必须完成SCSI总线的仲裁、选择、消息、命令、数据和状态等阶段。这些阶段，微处理器通过对FAS466寄存器的读写控制来实现。FAS466的寄存器主要有：
(1)命令寄存器:DSP通过向命令寄存器写入相应指
令，控制FAS466完成初始化、复位、总线分配与复位以及SCSI总线各个阶段的转变等功能。
（2）FIFO寄存器：这是一个128字节的双端口RAM，SCSI硬盘和FAS466之间的数据交换都通过该FIFO16字（深）的FIFO寄存器来完成。
（3）传输计数寄存器：是一个减法计数器，用于保存一次DMA数据传输的字节数。
（4）中断寄存器：DSP通过FAS466中断寄存器了解SCSI命令的执行情况，从而决定程序的执行流向。
SCSI控制软件流程如图3所示。首先初始化SCSI控制器，然后SCSI控制器与SCSI硬盘建立同步传输协议，在硬盘准备好的情况下才可以发送各种SCSI命令，如读、写等，同时处理好各种意外情况的发生。
2.2 DMA控制器的FPGA实现设计
FAS466外部DMA控制器由FPGA实现。FAS466通过DREQ信号有效请求数据传输，当DMA控制器检测到DREQ有效并且外部FIFO非空时，使DACK有效并通知FAS466开始DMA传输。DMA控制器的状态机如图4所示。
FPGA除了实现FAS466的外部DMA控制器之外，还实现FAS466与外部微处理器的部分逻辑和其他逻辑控制。FPGA内部逻辑功能模块如图5所示。
本文在FAST-40 SCSI协议基础上，对实时高速数字视频SCSI存储系统的软硬件进行了设计。利用FAS466作为SCSI控制器实现启动器功能，控制两块SCSI硬盘实现直接存储，充分利用SCSI总线的带宽，从而大幅度提高了系统的效率。初步建立了较完善实用的直接存储的结构体系，实现存储流量达70MBps。为解决大面阵、高帧频CCD数据实时存储奠定了良好的基础。该项技术的解决，将会大力促进在科学研究、军事技术、尤其在航天、航空侦察及高速数据记录领域的应用发展。
参考文献
1 黄 进.基于SCSI实时高速数字视频直接存储技术的研究[D].长春:中科院长春光机所,2005
2 赵忠文,曾 峦.一种专用高速硬盘存储设备的设计与实现[J].电子技术应用,2002;28(8):18～20
3 达选福,张伯珩,边川平.高速CCD图像数据存储技术[J].光子学报,2003;32（11）:1393～1395
4 栾志超,欧阳益民.用FPGA的直写硬盘图像记录技术[J].光电工程,2003;30 (6):47～49
5 欧阳兴华.计算机系统接口——SCSI [M].北京:电子工业出版社，1994
6 王忠宝,李变侠,曹剑中.SCSI处理器FAS466的通用软件解决方案及应用[J]. 国外电子元器件,2005;27(9):26～29