高速大容量固态存储系统设计与实现

发布时间：2017-08-30 22:07

  本文关键词：高速大容量固态存储系统设计与实现

  更多相关文章： SATA控制器 高速存储 磁盘阵列 RocketIO 固态盘

【摘要】：随着科学技术的发展,装备面临的信号环境越来越复杂,研制周期也越来越短。在这些系统的研制和测试阶段,一种能够在试验过程中将电磁信号实时、高精度记录下来的大容量存储系统就变得十分必要。通过存储系统记录的数据,可以进行事后分析、研究改进算法或设计。为满足试验的需求,这种存储系统必须具备高带宽、大容量的特点。在项目需求背景下,本文分析各种要求指标,给出系统的总体设计方案。以SSD固态盘为存储载体,通过使用多块SSD盘并行读写的方式,实现高带宽传输、大容量存储的目标;以Xilinx公司Virtex-5系列FPGA为开发平台,实现SATA接口的固态盘存储控制器,并通过例化多个SATA控制器的方式来实现简单的RAID0磁盘阵列形式;使用FPGA提供的Rocket IO高速收发器硬核来实现数据的高速串行传输,一方面完成系统与采集模块的外部接口,另一方面完成系统与固态盘之间的数据通信;采用DDR2 SDRAM存储器作为系统的高速缓存,解决数据传输速度不匹配的问题。论文主要工作如下:1.分析研究了Rocket IO高速收发器的结构、特性,各模块的功能与工作方式;设计实现高速数据传输功能,并完成Virtex-5 FPGA与数据采集端的Virtex-6 FPGA的通信测试。2.基于SATA2.0协议,设计了由应用层、传输层、链路层和物理层组成的SATA控制器架构。物理层在基于Rocket IO高速串行收发器通信基础上,使用VHDL硬件描述语言实现OOB信号模块和状态控制模块,并通过OOB信号与固态盘建立通信链接;设计实现链路层中的CRC校验模块、扰码模块和收发控制模块,实现了帧收发的CRC校验、扰码与解扰以及通过原语交互的控制功能;设计实现传输层的帧封装、帧解析以及状态控制模块,完成数据及命令的帧组装与帧解析功能;分析研究了嵌入式总线PLB总线,通过给SATA控制器配置PLB总线接口,使之成为基于FPGA的嵌入式系统中用户IP核,可以灵活被调用;介绍了嵌入式处理器PowerPC,通过高级语言实现命令发送的应用层。3.通过MIG工具对设计的DDR2 SDRAM存储器高速缓存进行了测试,验证了设计的正确性。最终的存储系统中使用MPMC对DDR2 SDRAM进行控制。设计测试了外部接口模块,对多路RocketIO收发器接收到的数据采集端数据进行缓存,完成数据拼接、位宽转换等功能,最后通过NPI接口实现了对MPMC的访问。4.最后,在对SATA控制器、NPI控制器、高速缓存模块等各子模块功能进行了单项测试的基础上,使用EDK工具建立基于FPGA的嵌入式存储系统,测试了对由多块SSD盘组成的磁盘阵列的读写控制性能,测试结果表明,本论文所设计的基于高速串行传输的大容量固态存储系统工作稳定,性能优良,满足系统需求中提出的指标要求。
【关键词】：SATA控制器 高速存储 磁盘阵列 RocketIO 固态盘
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP333
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 符号对照表13-14
• 缩略语对照表14-20
• 第一章 绪论20-24
• 1.1 课题的研究背景和意义20-21
• 1.2 国内外相关技术的研究现状21-23
• 1.2.1 相关存储技术研究现状21-22
• 1.2.2 SATA应用研究现状22-23
• 1.3 本文主要内容及论文结构安排23-24
• 第二章 高速大容量存储系统总体设计24-30
• 2.1 系统总体方案设计24-25
• 2.1.1 存储系统的技术要求24
• 2.1.2 存储系统的整体构成24-25
• 2.2 系统存储控制模块设计25-26
• 2.3 大容量磁盘阵列设计26-28
• 2.4 本章小结28-30
• 第三章 高速串行传输接口30-60
• 3.1 Rocket IO GTX的结构与特性简介30-34
• 3.1.1 Rocket IO GTX的特性30-31
• 3.1.2 Rocket IO GTX的结构31-34
• 3.2 Rocket IO GTX模块设计34-40
• 3.2.1 参考时钟与用户时钟34-37
• 3.2.2 时钟数据恢复（CDR）37-38
• 3.2.3 时钟修正38-39
• 3.2.4 串行器/解串器39
• 3.2.5 8B/10B编码39-40
• 3.2.6 COMMA字符对齐检测40
• 3.3 Rocket IO GTX高速串行接口设计与验证40-54
• 3.3.1 Rocket IO GTX设计要点40-41
• 3.3.2 Rocket IO GTX的软硬件设计41-49
• 3.3.3 Rocket IO GTX接口数据传输的测试49-54
• 3.4 系统外部接口模块设计54-59
• 3.4.1 MPMC与NPI接口55-56
• 3.4.2 数据缓存模块56-59
• 3.5 本章小结59-60
• 第四章 基于FPGA的SATA控制器设计60-80
• 4.1 SATA物理层协议与实现60-63
• 4.1.1 物理层的功能60-61
• 4.1.2 OOB带外信号61-62
• 4.1.3 物理层的设计实现62-63
• 4.2 SATA链路层协议研究63-69
• 4.2.1 链路层的功能63-64
• 4.2.2 原语与 8B/10B编码64-68
• 4.2.3 CRC校验68
• 4.2.4 扰码/解扰码68-69
• 4.3 SATA传输层协议研究69-72
• 4.3.1 传输层的功能69
• 4.3.2 帧信息结构FIS69-72
• 4.4 SATA链路层与传输层的FPGA设计与实现72-78
• 4.4.1 链路层与传输层总体设计72
• 4.4.2 各模块FPGA设计实现72-75
• 4.4.3 嵌入式PLB总线75-76
• 4.4.4 嵌入式用户IP核76-78
• 4.5 SATA应用层协议研究78-79
• 4.5.1 应用层的功能78
• 4.5.2 Power PC440微处理器78-79
• 4.5.3 应用层的设计实现79
• 4.6 本章小结79-80
• 第五章 高速大容量存储系统测试80-92
• 5.1 系统测试环境80-81
• 5.2 系统高速缓存的测试81-83
• 5.3 基于单SATA核的固态盘存储控制器测试83-88
• 5.4 基于多SATA核的磁盘阵列控制器测试88-91
• 5.5 本章小结91-92
• 第六章 总结与展望92-94
• 参考文献94-96
• 致谢96-98
• 作者简介98-99
• 1.基本情况98
• 2.教育背景98
• 3.攻读硕士学位期间的研究成果98-99

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本文编号：761740