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一種基于FAS466的合成孔徑雷達高速數據記錄器的設計
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（SAR）數據存儲設備的設計。該設備可以脫離微機平臺時將SAR數據記錄到SCSI硬盤。給出了記錄器的系統結構和硬件、軟件設計方法。關鍵詞：FAS466處理器合成孔徑雷達高速數據記錄SCSI接口標準
合成孔徑雷達(SAR)經歷了從光學記錄成像到數字記錄成像，從低分辨率到高分辨率，從單通道、單極化到多通道、多極化，從單頻到多頻的發展過程。SAR系統的迅速發展，使SAR的數據量也急劇增多，普通的存儲器已經無法滿足SAR系統對大容量、高速數據存儲的要求。
常規的數據記錄器的設計思路是通過高速PCI接口，采用SCSI總線處理器將高速數字信號存入SCSI硬盤。其缺點是數據傳輸的速率受PCI帶寬的限制，而且PCI接口對微機系統的依賴性，使系統的模塊化設計變得非常困難。另外，SAR對數據記錄器的可靠性和工作環境的要求也非常高，使SAR數據記錄器不能按照常規的方法設計。筆者通過對SAR系統的研究，基于模塊化設計的思想，開發了一種基于FAS466的高速實時數據記錄器。其特點是采用高速DMA接口、可脫離微機平臺工作、體積小、可靠性高，實際持續存儲速度達到72MB／s。
圖1
1SCSI總線和硬盤
SCSI是美國ANSI9．2委員會定義的計算機和外設之間的接口標準。本系統采用SCSI硬盤，因為5CSI接口比常見的IDE接口具有更多優點：(1)SCSI提供了一個高速傳輸通道，傳輸速度更快；(2)SCSI接口采用總線主控數據傳輸(BusMasterDataTransfer)，占用CPU資源少；(3)可同時串接多臺不同類型的設備；(4)SCSI硬盤在標識硬盤扇區時使用了線性的概念，即硬盤只有順序的第1扇區、第2扇區…第n扇區，不像IDE硬盤的"柱面／磁頭／扇區"三維格式。這種線性編排方式訪問延時最小，可加快硬盤存取速率，尤其在持續大容量控據存儲時，所顯現的優勢更為明顯。
2系統的硬件結構設計
整個系統的設計總體框圖如圖1所示，包括高速數據源、高速差分接收器、DMA控制器、數據緩存器、DSP微處理器、SCSI協議控制器和高速SCSI硬盤等子系統；下面分別給出各子系統的設計(PADBUS表示控制信號線，DATABUS表示數據信號線)。
2．1高速數據源和高速差分線性接收器
系統的高速數據源接口為16位的并行接口，數據傳輸接口的所有信號均采用低電壓差分模式LVDS傳輸，信號進入記錄器之后要將LVDS電平轉換成TTL電平。
2．2數據緩存器
數據緩存的目的是為SCSI的高速DMA傳輸做好準備，使兩邊數據傳輸速度匹配。數據的流向一般是一個口進，一個口出，不對信號進行任何處理。雙口隨機存儲器RAM雖然也可完成這個任務，但是由于它需要復雜的地址譯碼電路，所以不采用，而采用FIFO。由于SAR系統每幀數據小于8KB，本系統選用的FIFO深度為8KB。
2．3SCSI協議控制器--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，支持先進的SCSl自動配置模式的1層和2層協議，內部嵌有微控制器，能夠通過編程方式靈活地協調SCSI作業隊列，可以工作在啟動或目標模式并支持單端或低電壓差分模式的SCSI連接。
FAS466區別于其它SCSI協議控制器的最大特點是它采用微處理器和DMA接口結構，而常見的SCSI協議控制器采用PCI接口總線結構。這是本設計采用FAS466的一個主要原因。采用微處理器和DMA接口結構，可以通過DSP對傳輸進行控制，脫離微機平臺，減少傳輸帶寬限制，使數據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模塊組成。外部微處理器通過微處理器接口對FAS466進行控制，SCSI控制器提供靈活、有效的底層SCSI協議控制，微控制器負責控制數據從DMA接口到SCSI硬盤的傳輸以及各個模塊之間的協調。圖2為FAS466的內部結構。
2．4OMA控制器
本設計采用DMA接口代替高速數據存儲中常見的PCI接口。這不但使傳輸數據的速率有了比較明顯的提高，而且使數據記錄器可以脫離微機系統，使模塊化設計成為現實。
本設計采用CPLD器件實現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：本設計的數據傳輸速率達到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換電路和外圍連線，使設計難度加大；DMA
控制器還需要在DSP的控制下與FAS466進行協調才能一起工作，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、邏輯轉換、系統復位等模塊設計進去，減小了設備的體積，方便了以后對系統的升級和改進。
圖3
2．5DSP微處理器
該高速數據記錄器選用TI公司的TMS320F206作為微處理器。主要考慮TMS320F206片內包含32K×l6字的FLASHEEPROM，使DSP周圍電路簡單、設備的體積減小，而且系統升級也比較方便；指令集非常豐富，與TMS320C5X系列指令兼容；TMS320F206的指令周期為50ns，符合系統對DSP速度的要求。
DSP負責對各個模塊進行協調和控制，實現高速數據記錄的功能。需要注意的是：FAS466的微處理器接口數據／地址總線是復用的，而TMS320F206的數據／地址總線是分開的，需要外部邏輯將數據和信號總線整合。高速數據通過信號源接口進入本系統，首先進行電平轉換，然后進入數據緩存器；在DMA控制器的控制下進入SCSI協議控制器；最后通過SCSI協議控制器存入高速SCSI硬盤。整個數據流程中，DSP微處理器負責各個子系統之間的協調和控制。由于采用分離的微處理器總線和DMA總線結構，因此達到了較高的記錄速度。
3系統的軟件設計
軟件模塊的設計是本系統設計的重點和難點，它負責對相關硬件控制和協調，最終實現SCSI協議、硬盤的控制和DMA傳輸等。本系統中，軟件設計分為DSP控制軟件和DMA控制器的CPLD實現兩部分。程序的優劣關系到整個系統數據存儲的速度，下面分別討論。
3．1DSP控制軟件
一般來說．要完成一次數據交換必須完成SCSI總線的仲裁、選擇、消息、命令、數據和狀態等階段。這些階段，微處理器TMS320F206通過對FAS466寄存器的讀寫控制完成實現。FAS466的寄存器主要有：
(1)命令寄存器(CommandRegister)：F206通過向命令寄存器寫入相應指令，控制FAS466完成初始化、復位、總線分配與復位以及SCSI總線各個階段的轉變等功能；(2)FIFO寄存器(FIFORegister)：這是一個16字深的FIFO寄存器，SCSI硬盤和FAS466之間的數據交換都通過這個FIFO完成；(3)傳輸計數寄存器(TransferCountRegister)：是一個減法計數器，用于保存一次DMA數據傳輸的字節數；(4)中斷寄存器(InterruptRegistet)：F206通過FAS466中斷寄存器了解SCSI命令的執行情況，從而決定程序的執行流向。
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硬盤建立同步傳輸協議，在硬盤準備好的情況下才可以發送各種SCSI命令，如讀、寫等，同時處理好各種意外情況的發生。
3．2DMA控制器的CPLD實現設計
FAS466外部DMA控制器由CPLD實現。FAS466通過DREQ信號有效請求數據傳輸；DMA控制器檢測到DREQ有效并且外部FIFO非空，則使DACK有效并通知FAS466開始DMA傳輸。控制器的狀態機如圖4所示。CPLD除了實現FAS466的外部DMA控制器之外，還實現FAS466與外部微處理器的部分邏輯和其它邏輯控制。CPLD內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數據存儲設備的設計。本設備可以脫離微機平臺將SAR數據實時高速記錄到SCSI硬盤。數據傳輸采用高速DMA接口，實現了模塊化設計，可移植性好，可以靈活地應用在各種系統中。
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