摘 要： 為實現(xiàn)聲納數(shù)據(jù)的海量實時存儲，提出一種基于COM Express架構(gòu)的數(shù)據(jù)記錄儀的設(shè)計與實現(xiàn)方法。該記錄儀在COM Express載板上集成了ETXexpress處理器模塊、光纖數(shù)據(jù)采集子卡，以及由4個500 GB硬盤組成的RAID0存儲陣列。應(yīng)用結(jié)果表明，該記錄儀可以達(dá)到80 MB/s以上的實時存儲速率，很好地勝任了聲納數(shù)據(jù)的存儲任務(wù)。
關(guān)鍵詞： COM Express；PCI Express總線；記錄儀；光纖數(shù)據(jù)采集

在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，基于通用信號的處理平臺，通常需要實現(xiàn)高速大容量的數(shù)據(jù)存儲。如何解決數(shù)據(jù)I/O和存儲帶寬瓶頸，以滿足雷達(dá)、聲納等系統(tǒng)對高速大容量數(shù)據(jù)存儲的要求，以及如何基于不同的架構(gòu)平臺，開發(fā)通用、開放的存儲模塊，是需要解決的一個問題。
現(xiàn)階段聲納某型數(shù)據(jù)記錄儀采用CPCI架構(gòu)，記錄儀中的數(shù)據(jù)采集板卡與信號處理機(jī)之間的通信接口采用并行的LVDS連接線，數(shù)據(jù)采集板卡通過PCI總線將接收到的數(shù)據(jù)提交至主控板進(jìn)行存儲。由于受并行連接線間串?dāng)_和PCI總線帶寬的雙重限制，記錄儀的性能、通用性和可擴(kuò)展性差，存儲速率也不理想，不能很好地滿足未來聲納系統(tǒng)對實時數(shù)據(jù)存儲的要求。因此，基于新架構(gòu)和高速串行總線的數(shù)據(jù)記錄儀的研究變得十分迫切。
基于上述問題，本文提出了一種基于COM Express架構(gòu)的新型數(shù)據(jù)記錄儀的設(shè)計與實現(xiàn)方法，并且對其硬件重要組成部件——光纖采集子卡進(jìn)行了詳細(xì)討論，最后給出了測試結(jié)果。
1 記錄儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)
1.1 記錄儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本設(shè)計從架構(gòu)體系和總線結(jié)構(gòu)兩個方面進(jìn)行考慮，選擇了德國控創(chuàng)公司的ETXexpress-PC模塊作為處理器單元，在COM Express載板上設(shè)計了XMC-PCIE規(guī)格的夾層卡作為光纖數(shù)據(jù)采集模塊，同時使用4個500 GB的磁盤組成RAID0存儲陣列完成新型記錄儀的設(shè)計。記錄儀結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

控創(chuàng)公司的ETXexpress-PC模塊使用Intel公司的45 nm工藝級酷睿2雙核處理器以及GS45和ICH9M芯片組，支持SATA 、USB、PCI Express、千兆以太網(wǎng)等高速接口，并且模塊都嚴(yán)格遵循COM Express規(guī)范，便于載板的升級，減少了重復(fù)設(shè)計帶來的資源浪費(fèi)[1]。
為加速產(chǎn)品的開發(fā)，記錄儀主要是在控創(chuàng)公司提供的一款COM Express評估板的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計的。在有限的載板空間上，為了給光纖采集卡提供足夠的安裝空間，設(shè)計保留了原載板的VGA、PS/2、RS232、USB、LAN等必須的外圍接口，去掉了Express Card、Mini Express等記錄儀不需要卻占用大量空間的接口。載板上沒有給硬盤留出空間，是因為實際應(yīng)用中為了方便硬盤的拆卸和更換，記錄儀的機(jī)箱設(shè)計了專門的硬盤倉。SATA硬盤是通過定制的加固SATA連接線與載板連接，所以只需要在載板的合適位置安裝上定制的SATA卡座即可。
1.2 關(guān)鍵技術(shù)
COM(Computer On Module)Express是國際工業(yè)電氣協(xié)會(PICMG)定義的計算機(jī)模塊標(biāo)準(zhǔn)，由幾大嵌入式工業(yè)計算機(jī)廠商共同制定[2]。COM Express的處理器模塊集成了CPU和南北橋芯片，所有的I/O功能都通過AB和CD兩個440 PIN的雙排連接器實現(xiàn)。其中，AB連接器定義了PCI Express、SATA、SDVO、千兆以太網(wǎng)以及USB等高速接口，CD連接器定義了PCI、IDE等傳統(tǒng)的并行總線接口。用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用場合選擇不同CPU性能、功耗、I/O能力的處理器模塊，以及開發(fā)不同的功能模塊。功能模塊一般都設(shè)計成標(biāo)準(zhǔn)的接口，通過特定的連接器與載板相連。與傳統(tǒng)的CPCI架構(gòu)相比，COM Express具有接口豐富、使用靈活、開發(fā)周期短的優(yōu)勢。
數(shù)字光纖通信是一種遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，具有高帶寬、低延遲、高可靠性、傳輸距離長、抗干擾性強(qiáng)、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)[3]。點(diǎn)到點(diǎn)的光纖通信速率可以達(dá)到2 Gb/s～4 GB/s，在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程實時監(jiān)控的領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。本設(shè)計選用光纖來代替并行LVDS連接線作為記錄儀數(shù)據(jù)采集接口，很好地克服了高速串?dāng)_和通信距離的問題。
傳統(tǒng)的32 bit/33 MHz PCI總線的理論傳輸速率為133 MB/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求，成為了制約記錄儀存儲性能的主要因素。PCI Express是第三代高性能I/O總線，在總線結(jié)構(gòu)上由并行總線變?yōu)榱舜锌偩€，采用點(diǎn)到點(diǎn)的互連，大大提高了系統(tǒng)的傳輸帶寬。并且其總線結(jié)構(gòu)從地址空間、配置機(jī)制以及軟件上均保持了與PCI總線的兼容[4]。使用PCIE總線代替PCI總線作為數(shù)據(jù)采集卡與主控板之間的數(shù)據(jù)通路，不僅可以大幅提高存儲的性能，還可以保持良好的向上兼容性。
磁盤陣列（RAID）是指將多臺硬盤通過RAID控制器（軟件或硬件控制器）組合成虛擬單臺大容量硬盤的使用，通過資源冗余來提供各種服務(wù)質(zhì)量。例如，將多個獨(dú)立的磁盤組織成一個邏輯盤，提供更大的存儲容量；通過數(shù)據(jù)分割、多通道并行來提高數(shù)據(jù)的I/O速率；通過保存冗余的數(shù)據(jù)、校驗信息來提高存儲系統(tǒng)的可靠性等。使用多磁盤的RAID技術(shù)將大大提高存儲容量、存儲速率以及可靠性。
2 光纖采集卡的設(shè)計
2.1 光纖采集卡概述
光纖采集卡是記錄儀的核心部分。板卡是基于Xilinx公司的一款Virtex5系列FPGA芯片XC5VLX50T進(jìn)行開發(fā)的，遵循VITA42.3 XMC PCI Express規(guī)范所定義的尺寸形狀和機(jī)械結(jié)構(gòu)，使用Samtec公司的標(biāo)準(zhǔn)XMC連接器ASP-105885與COM Express載板之間進(jìn)行互連通信。板卡主要由光纖接口模塊、DDR2高速緩存模塊、PCIE接口模塊、電源管理模塊、時鐘管理模塊和復(fù)位電路組成，其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.2 光纖接口設(shè)計