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一種基于FAS466的合成孔徑雷達(dá)高速數(shù)據(jù)記錄器的設(shè)計(jì)
摘要：介紹一種基于高性能SCSI總線處理器FAS466的專用高速合成孔徑雷達(dá)（SAR）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的設(shè)計(jì)。該設(shè)備可以脫離微機(jī)平臺(tái)時(shí)將SAR數(shù)據(jù)記錄到SCSI硬盤(pán)。給出了記錄器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件、軟件設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞：FAS466處理器合成孔徑雷達(dá)高速數(shù)據(jù)記錄SCSI接口標(biāo)準(zhǔn)
合成孔徑雷達(dá)(SAR)經(jīng)歷了從光學(xué)記錄成像到數(shù)字記錄成像，從低分辨率到高分辨率，從單通道、單極化到多通道、多極化，從單頻到多頻的發(fā)展過(guò)程。SAR系統(tǒng)的迅速發(fā)展，使SAR的數(shù)據(jù)量也急劇增多，普通的存儲(chǔ)器已經(jīng)無(wú)法滿足SAR系統(tǒng)對(duì)大容量、高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求。
常規(guī)的數(shù)據(jù)記錄器的設(shè)計(jì)思路是通過(guò)高速PCI接口，采用SCSI總線處理器將高速數(shù)字信號(hào)存入SCSI硬盤(pán)。其缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾适躊CI帶寬的限制，而且PCI接口對(duì)微機(jī)系統(tǒng)的依賴性，使系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)變得非常困難。另外，SAR對(duì)數(shù)據(jù)記錄器的可靠性和工作環(huán)境的要求也非常高，使SAR數(shù)據(jù)記錄器不能按照常規(guī)的方法設(shè)計(jì)。筆者通過(guò)對(duì)SAR系統(tǒng)的研究，基于模塊化設(shè)計(jì)的思想，開(kāi)發(fā)了一種基于FAS466的高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄器。其特點(diǎn)是采用高速DMA接口、可脫離微機(jī)平臺(tái)工作、體積小、可靠性高，實(shí)際持續(xù)存儲(chǔ)速度達(dá)到72MB／s。
圖1
1SCSI總線和硬盤(pán)
SCSI是美國(guó)ANSI9．2委員會(huì)定義的計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間的接口標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)采用SCSI硬盤(pán)，因?yàn)?CSI接口比常見(jiàn)的IDE接口具有更多優(yōu)點(diǎn)：(1)SCSI提供了一個(gè)高速傳輸通道，傳輸速度更快；(2)SCSI接口采用總線主控?cái)?shù)據(jù)傳輸(BusMasterDataTransfer)，占用CPU資源少；(3)可同時(shí)串接多臺(tái)不同類(lèi)型的設(shè)備；(4)SCSI硬盤(pán)在標(biāo)識(shí)硬盤(pán)扇區(qū)時(shí)使用了線性的概念，即硬盤(pán)只有順序的第1扇區(qū)、第2扇區(qū)…第n扇區(qū)，不像IDE硬盤(pán)的"柱面／磁頭／扇區(qū)"三維格式。這種線性編排方式訪問(wèn)延時(shí)最小，可加快硬盤(pán)存取速率，尤其在持續(xù)大容量控?fù)?jù)存儲(chǔ)時(shí)，所顯現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)更為明顯。
2系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總體框圖如圖1所示，包括高速數(shù)據(jù)源、高速差分接收器、DMA控制器、數(shù)據(jù)緩存器、DSP微處理器、SCSI協(xié)議控制器和高速SCSI硬盤(pán)等子系統(tǒng)；下面分別給出各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(PADBUS表示控制信號(hào)線，DATABUS表示數(shù)據(jù)信號(hào)線)。
2．1高速數(shù)據(jù)源和高速差分線性接收器
系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)源接口為16位的并行接口，數(shù)據(jù)傳輸接口的所有信號(hào)均采用低電壓差分模式LVDS傳輸，信號(hào)進(jìn)入記錄器之后要將LVDS電平轉(zhuǎn)換成TTL電平。
2．2數(shù)據(jù)緩存器
數(shù)據(jù)緩存的目的是為SCSI的高速DMA傳輸做好準(zhǔn)備，使兩邊數(shù)據(jù)傳輸速度匹配。數(shù)據(jù)的流向一般是一個(gè)口進(jìn)，一個(gè)口出，不對(duì)信號(hào)進(jìn)行任何處理。雙口隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM雖然也可完成這個(gè)任務(wù)，但是由于它需要復(fù)雜的地址譯碼電路，所以不采用，而采用FIFO。由于SAR系統(tǒng)每幀數(shù)據(jù)小于8KB，本系統(tǒng)選用的FIFO深度為8KB。
2．3SCSI協(xié)議控制器--FAS466
FAS466(FastArchitectureSCSIProcessor)處理器是Qlogic公司1999年上市的一種高性能SCSI引擎，它源于Qlogic公司的TEC450／452三重嵌入式控制鋁系列，可提供Ultra2SCSI的同步傳輸速率，支持先進(jìn)的SCSl自動(dòng)配置模式的1層和2層協(xié)議，內(nèi)部嵌有微控制器，能夠通過(guò)編程方式靈活地協(xié)調(diào)SCSI作業(yè)隊(duì)列，可以工作在啟動(dòng)或目標(biāo)模式并支持單端或低電壓差分模式的SCSI連接。
FAS466區(qū)別于其它SCSI協(xié)議控制器的最大特點(diǎn)是它采用微處理器和DMA接口結(jié)構(gòu)，而常見(jiàn)的SCSI協(xié)議控制器采用PCI接口總線結(jié)構(gòu)。這是本設(shè)計(jì)采用FAS466的一個(gè)主要原因。采用微處理器和DMA接口結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)DSP對(duì)傳輸進(jìn)行控制，脫離微機(jī)平臺(tái)，減少傳輸帶寬限制，使數(shù)據(jù)記錄器具有非常好的靈活性和可移植性。FAS466由SCSI控制器、微控制器、DMA接口和微處理器接口四個(gè)模塊組成。外部微處理器通過(guò)微處理器接口對(duì)FAS466進(jìn)行控制，SCSI控制器提供靈活、有效的底層SCSI協(xié)議控制，微控制器負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)從DMA接口到SCSI硬盤(pán)的傳輸以及各個(gè)模塊之間的協(xié)調(diào)。圖2為FAS466的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
2．4OMA控制器
本設(shè)計(jì)采用DMA接口代替高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中常見(jiàn)的PCI接口。這不但使傳輸數(shù)據(jù)的速率有了比較明顯的提高，而且使數(shù)據(jù)記錄器可以脫離微機(jī)系統(tǒng)，使模塊化設(shè)計(jì)成為現(xiàn)實(shí)。
本設(shè)計(jì)采用CPLD器件實(shí)現(xiàn)DMA控制器，而不采用專用的DMA控制器，主要考慮以下一些因素：本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到72Mg／s，一般的專用DMA控制器難以勝任；專用的DMA控制器與FAS466之間的連接需要大量的邏輯轉(zhuǎn)換電路和外圍連線，使設(shè)計(jì)難度加大；DMA
控制器還需要在DSP的控制下與FAS466進(jìn)行協(xié)調(diào)才能一起工作，這增加了軟件編程的難度；使用CPLD器件，除了完成DMA控制器的功能之外，還可以把電路中的譯碼、邏輯轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)復(fù)位等模塊設(shè)計(jì)進(jìn)去，減小了設(shè)備的體積，方便了以后對(duì)系統(tǒng)的升級(jí)和改進(jìn)。
圖3
2．5DSP微處理器
該高速數(shù)據(jù)記錄器選用TI公司的TMS320F206作為微處理器。主要考慮TMS320F206片內(nèi)包含32K×l6字的FLASHEEPROM，使DSP周?chē)娐泛?jiǎn)單、設(shè)備的體積減小，而且系統(tǒng)升級(jí)也比較方便；指令集非常豐富，與TMS320C5X系列指令兼容；TMS320F206的指令周期為50ns，符合系統(tǒng)對(duì)DSP速度的要求。
DSP負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)記錄的功能。需要注意的是：FAS466的微處理器接口數(shù)據(jù)／地址總線是復(fù)用的，而TMS320F206的數(shù)據(jù)／地址總線是分開(kāi)的，需要外部邏輯將數(shù)據(jù)和信號(hào)總線整合。高速數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)源接口進(jìn)入本系統(tǒng)，首先進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)緩存器；在DMA控制器的控制下進(jìn)入SCSI協(xié)議控制器；最后通過(guò)SCSI協(xié)議控制器存入高速SCSI硬盤(pán)。整個(gè)數(shù)據(jù)流程中，DSP微處理器負(fù)責(zé)各個(gè)子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)和控制。由于采用分離的微處理器總線和DMA總線結(jié)構(gòu)，因此達(dá)到了較高的記錄速度。
3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
軟件模塊的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，它負(fù)責(zé)對(duì)相關(guān)硬件控制和協(xié)調(diào)，最終實(shí)現(xiàn)SCSI協(xié)議、硬盤(pán)的控制和DMA傳輸?shù)取１鞠到y(tǒng)中，軟件設(shè)計(jì)分為DSP控制軟件和DMA控制器的CPLD實(shí)現(xiàn)兩部分。程序的優(yōu)劣關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的速度，下面分別討論。
3．1DSP控制軟件
一般來(lái)說(shuō)．要完成一次數(shù)據(jù)交換必須完成SCSI總線的仲裁、選擇、消息、命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)等階段。這些階段，微處理器TMS320F206通過(guò)對(duì)FAS466寄存器的讀寫(xiě)控制完成實(shí)現(xiàn)。FAS466的寄存器主要有：
(1)命令寄存器(CommandRegister)：F206通過(guò)向命令寄存器寫(xiě)入相應(yīng)指令，控制FAS466完成初始化、復(fù)位、總線分配與復(fù)位以及SCSI總線各個(gè)階段的轉(zhuǎn)變等功能；(2)FIFO寄存器(FIFORegister)：這是一個(gè)16字深的FIFO寄存器，SCSI硬盤(pán)和FAS466之間的數(shù)據(jù)交換都通過(guò)這個(gè)FIFO完成；(3)傳輸計(jì)數(shù)寄存器(TransferCountRegister)：是一個(gè)減法計(jì)數(shù)器，用于保存一次DMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)；(4)中斷寄存器(InterruptRegistet)：F206通過(guò)FAS466中斷寄存器了解SCSI命令的執(zhí)行情況，從而決定程序的執(zhí)行流向。
SCSI控制軟件流程如圖3所示。首先初始化SCSI控制器，然后SCSI控制器與SCSI硬盤(pán)建立同步傳輸協(xié)議，在硬盤(pán)準(zhǔn)備好的情況下才可以發(fā)送各種SCSI命令，如讀、寫(xiě)等，同時(shí)處理好各種意外情況的發(fā)生。
3．2DMA控制器的CPLD實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)
FAS466外部DMA控制器由CPLD實(shí)現(xiàn)。FAS466通過(guò)DREQ信號(hào)有效請(qǐng)求數(shù)據(jù)傳輸；DMA控制器檢測(cè)到DREQ有效并且外部FIFO非空，則使DACK有效并通知FAS466開(kāi)始DMA傳輸�？刂破鞯臓顟B(tài)機(jī)如圖4所示。CPLD除了實(shí)現(xiàn)FAS466的外部DMA控制器之外，還實(shí)現(xiàn)FAS466與外部微處理器的部分邏輯和其它邏輯控制。CPLD內(nèi)部邏輯功能模塊如圖5所示。
本文介紹了一種基于高性能SCSI總線處理器FAS466的專用高速SAR數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的設(shè)計(jì)。本設(shè)備可以脫離微機(jī)平臺(tái)將SAR數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)高速記錄到SCSI硬盤(pán)。數(shù)據(jù)傳輸采用高速DMA接口，實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)，可移植性好，可以靈活地應(yīng)用在各種系統(tǒng)中。
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