【IC693CPU313】

廈門(mén)莫格電氣自動(dòng)化有限公司
作為自動(dòng)化、控制和過(guò)程解決方案等領(lǐng)域的企業(yè)之一，AB，GE，英維思，福克斯波羅等歐美的產(chǎn)品

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控制系統(tǒng)零部件解決方案

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地 址：廈門(mén)市思明區(qū)檳榔西里197號(hào)第四層B19單元

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摘  要： 在研究磁盤(pán)接口功能和現(xiàn)有磁盤(pán)接口設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了一種帶四級(jí)流水的磁盤(pán)接口設(shè)計(jì)模型，并對(duì)該模型實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的模塊間通訊題目和模塊間緩沖治理題目進(jìn)行了相應(yīng)的分析和設(shè)計(jì)。通過(guò)FPGA仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在各種情況下，磁盤(pán)接口的吞吐率都有進(jìn)步，在高寫(xiě)請(qǐng)求率和重負(fù)載兩種情況下尤為明顯。
隨著網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，人們對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能要求越來(lái)越高，尤其是關(guān)鍵事務(wù)的應(yīng)用。廉價(jià)冗余磁盤(pán)陣列(RAID)采用分條和冗余的方法進(jìn)步了存儲(chǔ)系統(tǒng)的容量、速度和可靠性，已成為高性能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的*結(jié)構(gòu)。磁盤(pán)陣列控制器是磁盤(pán)陣列的核心，多數(shù)緩存預(yù)取策略、緩存置換策略、磁盤(pán)聚合寫(xiě)策略、數(shù)據(jù)冗余計(jì)算、數(shù)據(jù)備份與重建均由磁盤(pán)陣列控制器完成。磁盤(pán)接口控制器主要負(fù)責(zé)磁盤(pán)組的治理及讀寫(xiě)磁盤(pán)操縱的具體實(shí)現(xiàn)。
流水線技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)中同時(shí)具備空間并行性和時(shí)間并行性的技術(shù)，它把一個(gè)順序處理的過(guò)程分解成若干個(gè)子處理過(guò)程，每個(gè)子處理過(guò)程能在的獨(dú)立模塊上有效地并行工作。本文通過(guò)對(duì)磁盤(pán)接口控制器的流水線設(shè)計(jì)，進(jìn)步了磁盤(pán)接口的吞吐率。較高的磁盤(pán)接口控制器吞吐率可以降低均勻訪問(wèn)時(shí)間，使復(fù)雜有效的預(yù)取和置換算法方便地應(yīng)用于磁盤(pán)陣列，進(jìn)步緩存的，從而進(jìn)步磁盤(pán)陣列的整體性能。
1 現(xiàn)有磁盤(pán)接口控制器設(shè)計(jì)
磁盤(pán)接口設(shè)計(jì)方式主要有2種：(1)使用通用處理器充當(dāng)磁盤(pán)接口控制器，通過(guò)在處理器上運(yùn)行相應(yīng)的軟件完成來(lái)自控制器上其他處理器的磁盤(pán)操縱請(qǐng)求。這種方式zui大的優(yōu)點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)也很明顯。每一個(gè)新的磁盤(pán)操縱請(qǐng)求必須在前一磁盤(pán)操縱請(qǐng)求完成之后才能啟動(dòng)，并且需要占用大量處理器時(shí)間的異或操縱也由該處理器承擔(dān)，這使得每一次磁盤(pán)操縱的時(shí)間太長(zhǎng)，進(jìn)而使得磁盤(pán)接口控制器的均勻磁盤(pán)訪問(wèn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，吞吐率較低，尤其是降級(jí)模式讀操縱和磁盤(pán)寫(xiě)操縱。(2)把需要長(zhǎng)時(shí)間占用通用處理器的異或操縱獨(dú)立出來(lái)，由異或ASIC完成此功能，其他操縱仍由通用處理器運(yùn)行相應(yīng)的軟件完成。現(xiàn)在的中低端磁盤(pán)陣列常采用這種方式。使用的ASIC分擔(dān)所有的異或操縱，固然可以部分減少需要異或操縱的磁盤(pán)訪問(wèn)時(shí)間，如降級(jí)模式讀操縱和磁盤(pán)寫(xiě)操縱，但新的磁盤(pán)操縱也必須在前一磁盤(pán)操縱完成之后才會(huì)啟動(dòng)，磁盤(pán)操縱過(guò)程也是按順序執(zhí)行的，整體的吞吐率仍不是很高。所以這種方式不適合于磁盤(pán)陣列的需要。
2 并行流水線設(shè)計(jì)模型
與其他磁盤(pán)接口不同，磁盤(pán)陣列中的磁盤(pán)接口除了簡(jiǎn)單地完成磁盤(pán)的讀寫(xiě)外，還需要完成數(shù)據(jù)塊的邏輯地址到實(shí)際磁盤(pán)物理地址的映射和保證數(shù)據(jù)塊在磁盤(pán)陣列中可靠地存儲(chǔ)。根據(jù)所有磁盤(pán)操縱請(qǐng)求完成的特點(diǎn)，磁盤(pán)接口操縱被劃分為4個(gè)子任務(wù)，每一個(gè)子任務(wù)由一個(gè)獨(dú)立的模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，這些模塊可以在同一芯片內(nèi)，也可以在不同芯片中。這4個(gè)模塊分別是：共享緩存操縱模塊、異或計(jì)算操縱模塊、地址映射模塊和磁盤(pán)操縱模塊。共享緩存操縱模塊根據(jù)給定的共享緩存數(shù)據(jù)塊地址讀寫(xiě)數(shù)據(jù)塊；異或計(jì)算操縱模塊是在降級(jí)模式讀磁盤(pán)操縱和正常模式下磁盤(pán)寫(xiě)操縱時(shí)，完成異或計(jì)算；地址映射模塊主要實(shí)現(xiàn)磁盤(pán)數(shù)據(jù)塊的放置策略，將主機(jī)訪問(wèn)磁盤(pán)陣列的地址，如邏輯塊地址LBA、邏輯單元號(hào)LUN，轉(zhuǎn)換為實(shí)際的磁盤(pán)號(hào)、柱面號(hào)、磁道號(hào)、扇區(qū)號(hào)等；磁盤(pán)操縱模塊主要是根據(jù)地址映射模塊操縱后的結(jié)果完成磁盤(pán)的讀寫(xiě)，包括相應(yīng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換。圖1是同一芯片實(shí)現(xiàn)各模塊的磁盤(pán)接口控制器的結(jié)構(gòu)框圖。

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