视频高速硬盘存储技术的研究

摘要对于视频高速硬盘存储技术的研究，关键在于数据的大容量、快速、持续稳定存储。选用SCSI硬盘作为存储介质具有很高的可靠性和稳定性。主流的SCSI接口芯片采用的是PCI总线接口，而本文采用Qlogic公司的Fast结构的SCSI协议控制器FAS368M，它内部是微处理器和DMA接口的结构，使用时可脱离主机，便于小型化，可以根据需要进行多种专用接口设计。采用可编程逻辑器件CPLD构造了一个独立的DMA控制器，用于时序配合。同时用微处理器来控制设备中各部件的工作，实现系统的初始化及其快速的中断处理。本文对SCSI存储系统的工作原理、硬件接口电路、数据处理过程等进行了详细的介绍。关键字：SCSI硬盘控制快速存储CPLDABSTRACTForvideofrequencyhigh-speedharddrivesavingtenchnialresearch,thekeyliesinthebigcapacityofthedata、fast、keeponastabilitysaving.SCSIharddisk,usedasstoragemedia,possesshighlyreliabilityandstability.ThemainstreaminterfacechipsarealwaysbasedonPCIbus,butthispaperexploitsSCSIbuscontrollerFAS368MproducedbyQlogicCo.inFaststructure,whichismicro-processorandDMAstructure.FAS368Mispronetominaturizationwithouthostcomputer,whichcanbedesignedtovariousspecificinterfaceaccordingtodemand.Inaddition,inordertoreinforcetheversatilityofthissystem,weconstructanautonomousDMAcontrollerwithCPLDusedtoharmonysequence.Themicroprocessorcontrolequipmentseachpartsofthesystem,performingtheinitializationofthesystemandthequicklyinterrupthandling.Thispaperelaborateontheoperationalprinciple,hardwareinterfacecircuit,andhardwareorganizationofSCSImemorysystem.Keywords：SCSI，harddiskcontrol，highspeedstorage，CPLDI目录第一章绪论............................................11.1课题来源及研究的目的....................................11.2本论文研究内容与主要工作................................2第二章方案的选择..........................................32.1IDE接口硬盘与SCSI接口硬盘的性能对比分析...............32.2SCSI接口芯片的选择.....................................52.3本章小结................................................7第三章SCSI协议的原理.....................................83.1SCSI工业标准及发展阶段.................................83.2SCSI协议原理...........................................8第四章高速硬盘存储系统的组成及其原理.....................184.1系统总体结构...........................................184.2FIFO..................................................194.3CPLD..................................................214.4FAS368M...............................................214.5SCSI硬盘..............................................264.6CPU....................................................26第五章时序仿真...........................................28总结..................................................30致谢...................................错误!未定义书签。参考文献..................................................311第一章绪论1.1课题来源及研究的目的在21世纪的今天，用来存储视频的介质是越来越多，从原来的磁带存储，到后来的硬磁盘存储、光盘存储等，都为视频的存储提供了广阔的空间。硬盘具有响应速度快、传输速率高和存储非线性的特点，随着技术的不断发展，基于硬盘的存储方式有了很大的飞跃，但无论采用什么方式的存储结构，RAID技术是所有存储产品容错的通用方法。目前，对高速数字图像的采集与存储的需求越来越大，但大多数此类系统都依赖速微机、高速图像采集卡和超大容量内存。满足这些条件必然使成本成倍增高，价格昂贵，且它有一个很大的缺点是容量小，即便是使用超大容量内存，其增扩的容量也只能达到几G字节的量级，如果再增大容量，系统的体积和成本已不允许。因此，应用范围受到限制。基于冗余磁盘阵列RAID（RedundantArraysofInexpensiveDisks）技术的应用日渐广泛。虽然它利用了磁盘的超大容量、体积小巧的优势，通过磁盘阵列结构解决了快速CPU和慢速的磁盘I/O之间的“瓶颈”难关，达到了高速大容量存储的目的；但是它结构复杂，磁盘冗余导致成本较高为了充分发挥各种技术的优势，基于SCSI总线的理论体系，设计出一种以SCSI硬盘为存储载体，由单片机控制的超高速、数字化图像数据采集与存储系统。超高速是指它能够实时存储千帧每秒的视频图像，数据率约是100Mb/s；数字化是指从高速相机的输出全为数字化，存储也全为数字量。它能脱离微机系统而单独完全采集存储的工作，操作简单而实用。下面从技术方案和体系结构来介绍本系统。事后处理，是指在现场只对其检测数据进行实时记录，事后借助比现场更加方便的处理设备，对数据进行细致的分析处理。21.2本论文研究内容与主要工作一种以SCSI硬盘为存储载体，由单片机控制的超高速、数字化图像数据采集与存储系统，能够独立完成采集存储的工作。图1.1论文所做的主要内容3第二章方案的选择现在主要的存储介质有硬盘、磁带机等，磁带机虽然有容量大，成本低等特点，但随着存储技术的高速发展，硬盘在以下方面已得到了充分的发展。1.存储容量（目前IDE硬盘的存储容量已突破300GB，而SCSI硬盘因制造成本和技术因素等限制，最高容量依然停留在147GB这个容量级上。虽然是这样，依然比磁带机有着明显的优势。）；2.读取速度（IDE硬盘已经发展到ATA133也称为ATA－7，ATA133接口支持133MB/S数据传输速度。而SCSI硬盘已经发展到Ultra320，SCSI传输速度为320MB/S）；无论在上述两个方面，还是在稳定性、可靠性方面，硬盘已经远远的将磁带机落在后边，所以现在的存储，绝大多数都选择了有发展前景的硬盘来存储数据。而硬盘又可以分为IDE硬盘和SCSI硬盘，对这两种硬盘的选择是方案选择的关键。2.1IDE接口硬盘与SCSI接口硬盘的性能对比分析2.1.1接口速度方面SCSI(SmallComputerSystemInterface，小型计算机系统接口)原是一种广泛应用于小型机上的高速数据传输技术，现在越来越多地出现在PC服务器上，SCSI接口正在成为PC服务器的标准接口。而IDE接口则是普通PC的标准接口。早期IDE接口的数据传输率非常低，从PIO0模式到UDMA33、UDMA66、UDMA100，直至最新的ATA/133标准，理论上的数据传输率只达到133MB/s。采用UltraWIDE、Ultra2WIDE、Ultra160/m标准的SCSI接口速度分别可以达到40MB/s、80MB/s、160MB/s，现在Ultra320标准已经确定，数据传输率已经达到了320MB/s。2.1.2转速方面硬盘转速是决定传输性能的一个关键因素。当主流IDE硬盘的转速在5400rpm时，SCSI硬盘的转速已达7200rpm，而现在主流的IDE硬4盘转速提高到7200rpm时，SCSI硬盘的转速已经高达15000rpm。高转速意味着硬盘的平均寻道时间短，能够迅速找到需要的磁道和扇区，对存取的时间起着关键性的作用。2.1.3缓存容量方面缓存容量也是影响硬盘性能的重要因素之一。SCSI硬盘一般都配置了较大（8MB甚至更多）的缓存，用来解决硬盘与内存之间的传输速度瓶颈问题。同时，SCSI硬盘采用了巨型磁阻磁头技术（GMR），其读、写分别由不同的磁头来完成，大大提高了硬盘的速度。而IDE硬盘的缓存容量比较小，一般为2MB，虽然现在也出现了8MB缓存的IDE硬盘，但是由于IDE硬盘的先天不足，所以其性能没有得到显著的提升。2.1.4CPU占用率方面比较SCSI硬盘和IDE硬盘的CPU占用率，可以发现SCSI硬盘具有相当的优势。SCSI硬盘可通过独立的、高速的SCSI卡来控制数据的读写操作，大大提高了系统的整体性能。而IDE硬盘没有专用的数据处理芯片来担当数据处理重任，所以对CPU的占用比较多，比如当保存一个比较大的Word文件时，您就会发现计算机停顿一下，这是因为CPU处理数据的结果。2.1.5扩展性方面SCSI的扩展性要比IDE好得多。一般每个IDE系统可有两个IDE通道，总共连4个IDE设备，使用比较特殊技术的主板也只能最大支持8个设备。而SCSI接口可连接7-15个设备，比IDE要多很多。现在IDE只有硬盘和光驱两类设备，SCSI则多得多，比如扫描仪、打印机等。IDE的电缆长度大约为45cm，SCSI则可以达到1.5-12m，甚至更长，安装的自由度高了很多。由于SCSI设备的中断共享，即只由SCSI卡占用一个中断，连接在其上的设备由SCSI卡提供ID地址。因此使中断得到了扩展，解决了出现中断冲突的问题。综上几点，选择SCSI硬盘作为存储介质，然而，对SCSI硬盘的控制却又有不同的选择。52.2SCSI接口芯片的选择2.2.1选择QLOGIC公司的FAS系列芯片主流的SCSI接口芯片大都采用的是PCI总线接口,这需要建立在微机的平台上进行操作。数据的传输是由缓冲存储器（图2.1中为IDT芯片）－SCSI接口协议芯片（图2.1中为LSI芯片）－基于PCI总线的SCSI卡－微机。比如LSILOGIC公司的LSI系列芯片，大多采用这种结构。数据流内部逻辑控制图2.1基于PC机的存储结构图而为了能够更加有效的利用协议范围内的资源，发挥专用处理芯片的效率，本设计采用了QlOGIC公司的FAST结构的SCSI总线处理器芯片，采用的是微处理器和DMA接口的结构，使用时具有很大的灵活性，可以根据需要进行多种专用接口设计，其应用的范围更广