硬盘磁盘阵列卡

SiZOOM奇作电子RAID5硬盘阵列控制器IP核简介c北京奇作电子有限公司·版权所有1/13文档编号:S0-1302文档版本:1.
0RAID5硬盘阵列控制器IP核简介SiZOOM奇作电子RAID5硬盘阵列控制器IP核简介c北京奇作电子有限公司·版权所有2/131概述本文档对我公司的"RAID5硬盘阵列控制器IP核"(以下简称"本IP核"或"本产品")做简要说明,用户可通过本文档了解本产品的基本特性.
本IP核是基于Xilinx公司的7系列及UltraScale系列FPGA设计的芯片级IP,用于实现高性能和高可靠性的海量数据存储.
通过向单个FPGA芯片(例如XC7K410T)加载本IP,即可使得FPGA芯片能够以RAID5、RAID0、RAID1等多种模式控制多达10块SATA接口硬盘,从而实现高速数据存储功能.
加载本IP的FPGA还为用户提供以太网、RapidIO、LVDS总线等多个数据接口,用户通过使用约定的简易协议即可实现对硬盘阵列的高速访问.
本IP核为数据存储提供了极高的可靠性,通过多种技术手段实现对用户数据的可靠存储.
SiZOOM奇作电子RAID5硬盘阵列控制器IP核简介c北京奇作电子有限公司·版权所有3/132产品技术2.
1概述本产品是由我公司完全自主开发的、基于FPGA芯片实现的数字逻辑IP核.
本IP核独立占用一块FPGA芯片,通过加载本IP核,FPGA芯片即成为具备对多达10块SATA接口硬盘进行阵列控制的高性能存储控制器芯片.
本IP核在FPGA内部实现SATA控制器、RAID控制器、DDR3缓冲控制器、流程调度逻辑、数据接口逻辑等多个功能单元,对外控制数量可配置的多达10块SATA接口硬盘,以RAID0、RADI1、RAID5等多种模式对硬盘进行阵列化控制,从而基于硬盘的并行化工作实现高速的数据存储功能.
本IP核的主要技术指标如下.
硬盘接口接口形式:SATA3.
0(6Gbps).
适配符合SATA3.
0规范的各种硬盘、固态盘.
接口数量:10个.
(可通过配置剪裁使用,例如仅控制5块硬盘.
)阵列形式支持的模式:RAID5、RAID1、RADI0、RAID10、RAID50、RAID51.
存储性能连续写入带宽:>2.
5GBps.
连续读出带宽:>2.
5GBps.
数据缓存使用2GBDDR3SDRAM.
用户接口SiZOOM奇作电子RAID5硬盘阵列控制器IP核简介c北京奇作电子有限公司·版权所有4/13高速串行协议:4xRapidIO(5G)或FibreChannel(8G)或4xXilinxAurora或PCIE数量:根据具体FPGA型号而异,可配置多个数据通道LVDS差分总线协议:自定义数量:根据具体FPGA型号而异,可配置多个数据通道千兆以太网(通过LVDS差分总线扩展配套芯片电路实现).
2.
2构架本IP核的功能框架如下图所示.
图·本IP核内部逻辑模块框架本IP核内部集成DDR3SDRAM控制器,基于DDR3存储芯片实现2GB数据缓冲池.
缓冲池一方面能够对外部输入的实时数据流进行缓冲,从而平滑硬盘阵列SiZOOM奇作电子RAID5硬盘阵列控制器IP核简介c北京奇作电子有限公司·版权所有5/13的短暂性带宽下滑;另一方面对数据进行纠错性缓存,例如如果写入硬盘的数据块出现偶发错误,则调用缓冲池中的数据进行再次写入,直至数据写入正确.
本IP核内部实现RAID阵列管理逻辑,将10块硬盘分为A\B两组,每组5块硬盘.
每组硬盘可组成RAID0,RAID5两种模式,两组硬盘可组成RAID10,RAI50,RAID51等模式.
每5块硬盘的控制构架可由下图进一步细化说明.
图·RAID控制器逻辑构架本IP核内部使用Xilinx的Microblaze处理器实现对全局逻辑的调度以及监测、文件系统管理等功能.
2.
3SATA本IP核使用的SATA3.
0主控制器是我公司自主研发的数字逻辑IP核,该IP核应用于FPGA芯片中,为用户屏蔽复杂的SATA协议,使用户通过简便易用的逻辑接口即可实现对SATA接口硬盘的快速读写控制.
SiZOOM奇作电子RAID5硬盘阵列控制器IP核简介c北京奇作电子有限公司·版权所有6/13该IP核基于Xilinx7系列及UltraScale系列FPGA器件,使用FPGA内置的高速串行解串器(GTX或GTH)实现SATA协议物理层,使用FPGA内部通用逻辑资源实现SATA协议的链路层及传输层,每个控制器只需占用约6K个寄存器和40KB存储器资源.
主要技术特性如下.
SATA3.
0(6Gbps)速率标准.
支持SATA3.
0接口的硬盘,包括磁盘/固态盘,3.
5寸/2.
5寸/mSATA等形式.
固态硬盘连续写入速率优于每秒400M字节.
固态硬盘连续读出速率优于每秒420M字节.
用户无需了解SATA协议细节,只需操作简单接口即可实现使用.
非常简洁的控制接口(寄存器形式及FIFO形式)和数据接口(FIFO形式).
SATA控制器内部逻辑构架如下.
图·SATA控制器构架SiZOOM奇作电子RAID5硬盘阵列控制器IP核简介c北京奇作电子有限公司·版权所有7/13该SATA控制器完全遵循相关协议规范(SerialATARevision3.
0)设计,其中SATA协议的物理层使用FPGA内部集成的高速串行数据收发控制器实现,完成诸如时钟恢复、逗点检测、8B10B编解码等功能;控制器的链路层和传输层则完全通过FPGA内部的可编程逻辑模块实现,完成诸如数据CRC校验、扰码、协议原语生成与解析,帧组装和解析等功能.
为封闭SATA协议的复杂细节、简化用户对IP核的使用,该控制器采用了极其简单的对外接口.
外部逻辑只需对最常见的寄存器及FIFO模块进行接口驱动即可实现对硬盘的读写控制.
数据接口采用两个独立FIFO,一个用于向硬盘写入数据,一个用于读出硬盘数据.
控制接口采用2个寄存器及1个指令FIFO接口,用户只需向指令FIFO写入参数和指令即可控制IP核进行硬盘读写工作;在寄存器接口读取数据即可获知IP运行状态.
2.
4可靠性本IP核通过多项设计确保数据写入和读出的可靠性.
数据传输.
本IP核对外通信典型地采用RapidIO协议、以太网等协议,数据通信以帧为基本单位进行组织,每个数据帧都配有CRC校验字和帧序号,因此对于数据传输错误是完全可检测的.
当出现数据通信错误时,通信逻辑将使用重新传输机制对数据重传,直至数据传输正确.
SATA接口.
基于SATA协议,FPGA与每一块硬盘之间的数据也是基于帧格式进行组织和传输的,每一帧数据同样也配有CRC校验字,因此FPGA与SATA之间的数据传输错误也是完全可检测的,同样地,对于偶发的数据传输错误,FPGASiZOOM奇作电子RAID5硬盘阵列控制器IP核简介c北京奇作电子有限公司·版权所有8/13将重新发起读写操作,直至数据传输正确.
在数据传输被确认正确之前,数据会被缓存在DDR3SDRAM中,直至确认传输正确,数据才会被从DDR3中抹去.
系统所采用的RAID5构架可进一步确保可靠性,RAID5构架在进行数据存储时,会产生冗余的校验数据,即使在某块硬盘永久损毁或失效时,数据仍可以完整地保留在其余的硬盘之中.
当用户使用正常的硬盘替换失效硬盘时,新使用的硬盘中应有的数据可以从其余硬盘中恢复.
如下图,10块硬盘以RAID5模式并行工作,本系统以8KB为最小管理空间,每块硬盘间歇性、条带化地存储冗余信息,任意一块硬盘上的数据或冗余信息可以基于其余硬盘中的数据计算出来.
图·RAID5构架下数据在10块硬盘上的分布SiZOOM奇作电子RAID5硬盘阵列控制器IP核简介c北京奇作电子有限公司·版权所有9/13数据流进入阵列系统时,以8KB为最小单位进行组织,依据当前所使用的LBA扇区地址的不同,而决定原始数据以及由原始数据产生的冗余数据对应使用的硬盘和硬盘空间.
如下图所示.
图·数据流进入RAID5阵列2.
5文件管理用户使用本IP核进行数据存储时,对存储空间的使用有两种模式,通过不同的指令参数即可灵活使用不同的模式.
这两种模式分别为:1.
绝对地址控制;2.
文件控制.
绝对地址控制,即用户直接指定数据流存储的扇区.
例如,如果每块硬盘拥有100个扇区,则10块硬盘以RAID5模式组织时,可用扇区为800个,其余200SiZOOM奇作电子RAID5硬盘阵列控制器IP核简介c北京奇作电子有限公司·版权所有10/13个扇区为冗余空间.
当用户需要存储50个扇区的数据时,可直接在800个扇区范围上指定所需的50个连续扇区地址范围.
文件控制,是指本系统内建了一套文件系统,支持文件的建立、命名、信息备注等功能,同时对每个文件的扇区地址进行了管理,用户在使用存储空间时,无需(也不能)直接指定扇区地址,而只需指定文件ID号.
仍以上述举例情况说明,在系统所覆盖的800个扇区空间内,可能前100个扇区被用作文件管理,其余700个扇区被用作数据存储.
当用户需要存储50个扇区大小的数据块时,只能指定这部分数据需要被存储到的文件,而不能指定绝对扇区.
本IP核内建的固件将获取文件对应的扇区地址,并引导数据存入该扇区区域.
2.
6用户接口本IP核提供基于高速串行信号的数据接口以及基于LVDS总线的数据接口.
通过使用我公司提供的基于Zynq7芯片(XC7Z020)的电路,LVDS总线接口可扩展为千兆以太网接口.
用户可以通过该任意一条数据接口实现以下4类功能.
1.
向系统发送指令.
例如,要求向存储空间写入数据的指令.
2.
获取系统状态.
例如,系统当前工作状态、存储空间使用情况.
3.
向系统发送数据,并将数据存入系统内部存储介质(例如系统中的固态硬盘).
4.
从系统获取数据,例如,从系统存储空间获取存盘数据.
本IP核系统支持多指令并发,目前最多支持8条指令并行执行.
该特性类似于硬盘的NCQ(NativeCommandQueuing,原生命令队列)功能.
用户可以同时向本IP核发送多条写入或读取指令,每条指令以不同的ID号进行标记,其对应的SiZOOM奇作电子RAID5硬盘阵列控制器IP核简介c北京奇作电子有限公司·版权所有11/13数据帧也标以对应的ID号,本IP核内部对各指令对应的数据进行排序和分别缓冲,再以基于充分发挥硬盘阵列性能的决策机制,决定数据向硬盘写入或从硬盘读出的时机.
例如,当对某文件的写入数据量积累到一定量(例如数MB)后再发起一次写入操作,而避免频繁的小容量操作.
基于该特性,用户可以同时打开多个文件,并以规模较小的数据块(例如数KB)单位交错地向多个文件写入数据,这样在用户一侧则不必配置大容量缓冲(例如DDR3SDRAM).
本IP核基于端口和数据流实现对存储空间的访问以及系统状态的访问.
如下图所示,在"存储控制芯片(FPGA)"内部,其核心逻辑"存储控制"单元提供4个FIFO构架的缓冲接口,分别如下:S1:指令端口.
该端口用于缓冲用户指令.
S2:数据端口.
该端口用于缓冲需要被写入存储空间的数据.
U1:状态端口.
该端口用于缓冲向用户反馈的系统状态.
U2:数据端口.
该端口用于缓冲向用户返回的从存储空间读出的数据.
图·使用及数据接口模型如上图所示,用户端芯片与存储控制芯片通过数据链路互联,通过光路或电路实现的高速串行链路(例如基于RapidIO协议)或以太网链路.
通过利用数据链路协议实现端口寻址,用户逻辑与存储控制逻辑之间即可实现基于上述4个端口的通信.
SiZOOM奇作电子RAID5硬盘阵列控制器IP核简介c北京奇作电子有限公司·版权所有12/13以使用RapdioIO协议为例,系统约定使用RapidIO数据报中的地址字段信息实现上述4种端口寻址;再以网络通信为例,数据通道使用TCP/IP协议,系统利用TCP数据报中的端口字段信息实现上述4种端口寻址.
如下图示意.
图·RapidIO协议下的控制方法示意关于本IP核的详细接口协议,请参见文档:《S0-1303-RAIDIP用户接口协议详细说明》.
3产品形式本产品可基于Xilinx公司的以下FPGA实现:具备高速串口(GTX或GTH)的Artix7、Kintex7、Virtex7、Zynq7系列具备高速串口(GTX或GTH)的UltraScale、UltraScale+系列本产品交付形式之一是向用户提供FPGA下载文件(.
bit文件).
我公司向用户提供相关设计约束,例如电路原理及PCB实现的参考图、FPGA管脚试用约束要求等,用户根据约束进行电路设计并提供FPGADNA码(芯片序列号),我公司为用户综合生成绑定DNA码的下载文件.
另外,我公司也可为用户提供电路设计、定制设计和调试服务,以电路模块或系统整机形式为用户提供产品.
SiZOOM奇作电子RAID5硬盘阵列控制器IP核简介c北京奇作电子有限公司·版权所有13/13下图展示的是一款基于本IP核控制10块mSATA硬盘的CPCI电路板产品.
(本文档至此结束)