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[嵌入式/ARM] 基于COM Express架构的数据记录仪的设计与实现

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admin 发表于 2013-3-24 01:10:15 | 显示全部楼层 |阅读模式

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摘  要:  关键词: COM Express;PCI Express总线;记录仪;光纤数据采集
       在军事应用领域,基于通用信号的处理平台,通常需要实现高速大容量的数据存储。如何解决数据I/O和存储带宽瓶颈,以满足雷达、声纳等系统对高速大容量数据存储的要求,以及如何基于不同的架构平台,开发通用、开放的存储模块,是需要解决的一个问题。
     现阶段声纳某型数据记录仪采用CPCI架构,记录仪中的数据采集板卡与信号处理机之间的通信接口采用并行的LVDS连接线,数据采集板卡通过PCI总线将接收到的数据提交至主控板进行存储。由于受并行连接线间串扰和PCI总线带宽的双重限制,记录仪的性能、通用性和可扩展性差,存储速率也不理想,不能很好地满足未来声纳系统对实时数据存储的要求。因此,基于新架构和高速串行总线的数据记录仪的研究变得十分迫切。
     基于上述问题,本文提出了一种基于COM Express架构的新型数据记录仪的设计与实现方法,并且对其硬件重要组成部件--光纤采集子卡进行了详细讨论,最后给出了测试结果。
1 记录仪系统结构与关键技术
1.1 记录仪系统结构

     本设计从架构体系和总线结构两个方面进行考虑,选择了德国控创公司的ETXexpress-PC模块作为处理器单元,在COM Express载板上设计了XMC-PCIE规格的夹层卡作为光纤数据采集模块,同时使用4个500 GB的磁盘组成RAID0存储阵列完成新型记录仪的设计。记录仪结构框图如图1所示。
    2012110705110017041740.gif
       控创公司的ETXexpress-PC模块使用Intel公司的45 nm工艺级酷睿2双核处理器以及GS45和ICH9M芯片组,支持SATA 、USB、PCI Express、千兆以太网等高速接口,并且模块都严格遵循COM Express规范,便于载板的升级,减少了重复设计带来的资源浪费[1]。
     为加速产品的开发,记录仪主要是在控创公司提供的一款COM Express评估板的基础上进行设计的。在有限的载板空间上,为了给光纤采集卡提供足够的安装空间,设计保留了原载板的VGA、PS/2、RS232、USB、LAN等必须的外围接口,去掉了Express Card、Mini Express等记录仪不需要却占用大量空间的接口。载板上没有给硬盘留出空间,是因为实际应用中为了方便硬盘的拆卸和更换,记录仪的机箱设计了专门的硬盘仓。SATA硬盘是通过定制的加固SATA连接线与载板连接,所以只需要在载板的合适位置安装上定制的SATA卡座即可。
1.2 关键技术
     COM(Computer On Module)Express是国际工业电气协会(PICMG)定义的计算机模块标准,由几大嵌入式工业计算机厂商共同制定[2]。COM Express的处理器模块集成了CPU和南北桥芯片,所有的I/O功能都通过AB和CD两个440 PIN的双排连接器实现。其中,AB连接器定义了PCI Express、SATA、SDVO、千兆以太网以及USB等高速接口,CD连接器定义了PCI、IDE等传统的并行总线接口。用户可以根据不同的应用场合选择不同CPU性能、功耗、I/O能力的处理器模块,以及开发不同的功能模块。功能模块一般都设计成标准的接口,通过特定的连接器与载板相连。与传统的CPCI架构相比,COM Express具有接口丰富、使用灵活、开发周期短的优势。
     数字光纤通信是一种远程数据传输技术,具有高带宽、低延迟、高可靠性、传输距离长、抗干扰性强、技术成熟等优点[3]。点到点的光纤通信速率可以达到2 Gb/s~4 GB/s,在远程数据采集、远程实时监控的领域有着广泛的应用前景。本设计选用光纤来代替并行LVDS连接线作为记录仪数据采集接口,很好地克服了高速串扰和通信距离的问题。
     传统的32 bit/33 MHz PCI总线的理论传输速率为133 MB/s,远远达不到要求,成为了制约记录仪存储性能的主要因素。PCI Express是第三代高性能I/O总线,在总线结构上由并行总线变为了串行总线,采用点到点的互连,大大提高了系统的传输带宽。并且其总线结构从地址空间、配置机制以及软件上均保持了与PCI总线的兼容[4]。使用PCIE总线代替PCI总线作为数据采集卡与主控板之间的数据通路,不仅可以大幅提高存储的性能,还可以保持良好的向上兼容性。
     磁盘阵列(RAID)是指将多台硬盘通过RAID控制器(软件或硬件控制器)组合成虚拟单台大容量硬盘的使用,通过资源冗余来提供各种服务质量。例如,将多个独立的磁盘组织成一个逻辑盘,提供更大的存储容量;通过数据分割、多通道并行来提高数据的I/O速率;通过保存冗余的数据、校验信息来提高存储系统的可靠性等。使用多磁盘的RAID技术将大大提高存储容量、存储速率以及可靠性。
2 光纤采集卡的设计
2.1 光纤采集卡概述

     光纤采集卡是记录仪的核心部分。板卡是基于Xilinx公司的一款Virtex5系列FPGA芯片XC5VLX50T进行开发的,遵循VITA42.3 XMC PCI Express规范所定义的尺寸形状和机械结构,使用Samtec公司的标准XMC连接器ASP-105885与COM Express载板之间进行互连通信。板卡主要由光纤接口模块、DDR2高速缓存模块、PCIE接口模块、电源管理模块、时钟管理模块和复位电路组成,其系统框图如图2所示。
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   2.2 光纤接口设计
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