基于SCSI總線的超高速實時圖像數據存儲系統(tǒng)
關鍵詞：超高速 SCSI 實時存儲 圖像
引言
目前，對高速數字圖像的采集與存儲的需求越來越大，但大多數此類系統(tǒng)都依賴速微機、高速圖像采集卡和超大容量內存。滿足這些條件必然使成本成倍增高，價格昂貴，且它有一個很大的缺點是容量小，即便是使用超大容量內存，其增擴的容量也只能達到幾G字節(jié)的量級，如果再增大容量，系統(tǒng)的體積和成本已不允許。因此，應用范圍受到限制。
基于冗余磁盤陣列RAID （Redundant Arrays of Inexpensive Disks）技術的應用日漸廣泛。雖然它利用了磁盤的超大容量、體積小巧的優(yōu)勢，通過磁盤陣列結構解決了快速CPU和慢速的磁盤I/O之間的“瓶頸”難關，達到了高速大容量存儲的目的；但是它結構復雜，磁盤冗余導致成本較高。
為了充分發(fā)揮各種技術的優(yōu)勢，本文基于SCSI總線的理論體系，設計出一種以SCSI硬盤為存儲載體，由單片機控制的超高速、數字化圖像數據采集與存儲系統(tǒng)。超高速是指它能夠實時存儲千幀每秒的視頻圖像，數據率約是100Mb/s；數字化是指從高速相機的輸出全為數字化，存儲也全為數字量。它能脫離微機系統(tǒng)而單獨完全采集存儲的工作，操作簡單而實用。下面從技術方案和體系結構來介紹本系統(tǒng)。
一、系統(tǒng)的技術方案及體系結構
對于超高速、大容量實時視頻圖像存儲系統(tǒng)，存儲時間和速率是最高要的技術指標，但存儲介質的長時間的傳輸速率，即它們的持續(xù)傳輸速率又是最重要的。存儲介質的猝發(fā)傳輸速率和內部傳輸速率都不能作為實時存儲系統(tǒng)的衡量指標。普通的IDE接口硬盤，雖然其猝發(fā)傳輸速率和總線傳輸速率都能在33Mb/s以上，但實際上持續(xù)傳輸速率還不到5Mb/s，遠不能達到要求。相比之下，SCSI硬盤的持續(xù)傳輸速率明顯高于IDE接口硬盤。目前，10000轉的SCSI硬盤的持續(xù)傳輸率大多數都能達到25Mb/s。如果讓幾個SCSI硬盤并行工作，那么總的傳輸率達到100Mb/s是可以實現的。
1.SCSI總線系統(tǒng)及特點
SCSI （Small Computer System Interface），即小型計算機系統(tǒng)接口，是美國ANSI9.2委員會定義的計算機和外設之間的接口標準。起初是以磁盤存儲設備為主，但由于它的靈活性、設備獨立性等特點，使SCSI不僅在磁帶設備、打印設備、CD-ROM WORM等外設中得到普遍應用，也在許多新I/O設備和計算機網絡、計算機工業(yè)控制等領域不斷發(fā)展。圖1是SCSI典型的系統(tǒng)結構圖。
在SCSI 系統(tǒng)中，多個設備可以用同一電纜相連。在8位SCSI數據線情況下，可以掛接8個外設；而現在的Ultera SCSI可以達到32位數據線，能掛接32個外設。在任意時刻，只能有兩個設備可相互通信，其中發(fā)送命令的設備叫啟動設備（initiator），執(zhí)行命令的設備叫目標設備（target）。SCSI上設備的唯一標識是SCSI ID，它既是設備的地址，也是設備優(yōu)先級代碼。SCSI中的操作是由啟動設備啟動的，啟動設備先選擇一個目標設備，在目標設備選擇完成后，目標設備在協議上獲得對總線的控制權，由目標設備決定是繼續(xù)控制總線還是釋放總線。SCSI設備之間沒有主從關系，一個設備既可成為啟動設備，也可以起目標設備的作用。計算機上的SCSI適配器是典型的啟動設備。SCSI接口硬盤是典型的Target。在SCSI總線上，可以存在于多個啟動設備和多個目標設備，但一個系統(tǒng)中至少應該有一個啟動設備和一個目標設備。圖1是典型的多啟動設備多目標設備系統(tǒng)。除此之外，還有單啟動設備多目標設備、單啟動設備單目標設備。本文的高速數據存儲系統(tǒng)采用單啟動設備目標設備系統(tǒng)結構。
SCSI雖然有其獨有特點，但接口控制復雜。任何一個SCSI系統(tǒng)都具有適配器和控制器相配對的結構，通常適配器就是上面所說的啟動設備。適配器的復雜性在于必須從硬件和軟件兩部分實現SCSI設備與各種操作系統(tǒng)的接口。軟件要完成把SCSI命令解釋給操作系統(tǒng)和把操作系統(tǒng)的操作命令翻譯給SCSI設備；硬件要完成SCSI總線的各種時序和內部電路的控制。
2.系統(tǒng)方案的制定
根據SCSI協議，消息、命令、數據、狀態(tài)四個階段統(tǒng)稱為信息階段，這是因為它們都是通過數據總線傳送數據和控制信息的。其中消息、命令和狀態(tài)的傳輸采用異步方式，數據的傳輸可用異步和同步兩種方式。
理想情況下，異步傳輸一個字節(jié)只需要一個系統(tǒng)平衡延時加一個電纜延時差，其時值為45ns+4ns=49ns，實際上應考慮信號的跳變時值和總線傳輸延時。分析認為，異步方式下，傳輸一個字節(jié)需要4個跳變加上它們在電纜上的傳輸延時。其典型傳輸時間可以計算為
t=4×5.25×L+4×30
其中，t為一個字節(jié)的傳輸時間，單位為ns；L為電纜長度，單位為m。在電纜為1m長的情況下，傳輸速率約為7.1Mb/s。
同步傳輸機制引入了同步偏移和總線緩沖的概念，即目標設備可以連續(xù)發(fā)若干個REQ信號而不需要啟動設備的ACK馬上回答。這樣就大大減少了總線傳輸延時，從而提高了傳輸速率。因此，本系統(tǒng)以16位數據同步傳輸為基礎進行設計。
結合以上的分析，實時圖像數據采集存儲系統(tǒng)可用SCSI硬盤作為存儲介質；多個SCSI硬盤并行工作以求速度的成倍提高；圖像數據的采集源選用高速數字相機，以千幀每秒的速率分多路輸出，每路的數據寬度可以是8位或16位。再設計相應的接口控制電路控制軟件，加上附屬電路構成。體系結構如圖2所示。
3.系統(tǒng)的體系結構和功能描述
（1）單片機
單片機的主要功能如下：
*對SCSI總線信息狀態(tài)進行翻譯、執(zhí)行、管理；
*負責對主機與緩沖器、緩沖器與SCSI總線之間的數據傳送控制；
*控制DMA控制器。
單片機通過緩沖器與SCSI接口控制電路交換信息，包括命令描述和狀態(tài)消息等。單片機對SCSI總線的控制是通過協議控制器實現的。為了完成一個I/O進程，單片機把進程分為仲裁、選擇、數據傳輸等階段，并分別以相應的內部控制命令交給協議控制器執(zhí)行。
（2）數字圖像接口電路
主要完成視頻信號的數字轉換和后續(xù)的邏輯控制。另外，有時8位的數據寬度對于后面的高速存儲任務來講是不夠的，必須依靠此電路來轉為16位寬或32位寬。
（3）SCSI總線控制器
這是SCSI總線來操作的執(zhí)行部件，一般稱為適配器。SCSI總線的時序很復雜也很有規(guī)律，規(guī)律是指SCSI總線的所操作都是由8個獨立的總線階段組成的，它們分別是：總線空閑、仲裁、選擇、消息、命令、數據輸入、數據輸出及狀態(tài)階段。它們之間的遷移有著嚴格的規(guī)定，圖3是SCSI的階段遷移圖。適配器接受微處理器的操作指令，如仲裁、選擇、失連、復位總線等。適配器是啟動設備，是發(fā)出命令的一方（在微處理器控制下）。硬盤是目標設備，它的響應信息和返回狀態(tài)等都由徽處理器分析，并決定適配器的下一步操作。另外，啟動I/O進程，參加仲裁、競爭總線、選擇目標設備等都是由微處理器控制操作的。
（4）DMA控制器
適配器中的DMA控制器，一是控制圖像數字接口電路與緩沖器之間的數據傳送；二是控制緩沖器和SCSI總線之間的數據傳送，也可以通過緩沖器直接控制圖像接口電路和SCSI總線之間的數據傳送。
二、實驗結果
系統(tǒng)結構后，用IBM生產的DDRS34560型硬盤和DMVS-09V型硬盤做數據傳輸實驗，兩種硬盤的性能指標如表1所列。分析傳輸320MB數據和1GB數據的結果如表2所列。
表1
| 型 號 | DDRS34560 | DMVS-09V |
| 容量/GB | 4.5 | 9.1 |
| 接口類型 | Ultra2 SCSI | Ultera2 SCSI |
| 轉速/（r*min-1） | 7200 | 10000 |
| 最大外部傳速輸率/（MB*s-1） | 20 | 80 |
| 持續(xù)傳輸速率/（MB*s-1） | 8.6-12.3 | 15.2-29.5 |
| 平均尋道時間/ms | 4.9 | 7.5 |
| 數據緩存/B | 512K | 2M |
表2
| 型 號 | 傳輸數據量/B | 耗時/s | 速率/（MB/s） |
| DDRS34560 | 320M | 26 | 12.3 |
| 1G | 110 | 11.6 | |
| DMVS-09V | 320M | 12 | 26.67 |
| 1G | 39 | 25.6 |
用加拿大的DALSA公司的CA-D6-256型高速相機輸出955幀/s的260×260×8bit視頻圖像，本系統(tǒng)可以實時地無壓縮并行存儲到多個硬盤，記錄時間在30min以上。
實踐證明了本文論述的超高速實時圖像存儲系統(tǒng)是能實現的。
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