曾巒；熊偉；趙忠 發表於 2020-07-01 08:00:00
引言
目前，對高速數字圖像的採集與存儲的需求越來越大，但大多數此類系統都依賴速微機、高速圖像採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字節的量級，如果再增大容量，系統的體積和成本已不允許。因此，應用範圍受到限制。
基於冗餘磁碟陣列RAID （Redundant Arrays of Inexpensive Disks）技術的應用日漸廣泛。雖然它利用了磁碟的超大容量、體積小巧的優勢，通過磁碟陣列結構解決了快速CPU和慢速的磁碟I/O之間的「瓶頸」難關，達到了高速大容量存儲的目的；但是它結構複雜，磁碟冗餘導致成本較高。
為了充分發揮各種技術的優勢，本文基於SCSI總線的理論體系，設計出一種以SCSI硬碟為存儲載體，由單片機控制的超高速、數位化圖像數據採集與存儲系統。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；數位化是指從高速相機的輸出全為數位化，存儲也全為數字量。它能脫離微機系統而單獨完全採集存儲的工作，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。
一、系統的技術方案及體系結構
對於超高速、大容量實時視頻圖像存儲系統，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，即它們的持續傳輸速率又是最重要的。存儲介質的猝發傳輸速率和內部傳輸速率都不能作為實時存儲系統的衡量指標。普通的IDE接口硬碟，雖然其猝發傳輸速率和總線傳輸速率都能在33Mb/s以上，但實際上持續傳輸速率還不到5Mb/s，遠不能達到要求。相比之下，SCSI硬碟的持續傳輸速率明顯高於IDE接口硬碟。目前，10000轉的SCSI硬碟的持續傳輸率大多數都能達到25Mb/s。如果讓幾個SCSI硬碟並行工作，那麼總的傳輸率達到100Mb/s是可以實現的。
1.SCSI總線系統及特點
SCSI （Small Computer System Interface），即小型計算機系統接口，是美國ANSI9.2委員會定義的計算機和外設之間的接口標準。起初是以磁碟存儲設備為主，但由於它的靈活性、設備獨立性等特點，使SCSI不僅在磁帶設備、列印設備、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、計算機工業控制等領域不斷發展。圖1是SCSI典型的系統結構圖。
在SCSI 系統中，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，其中發送命令的設備叫啟動設備（initiator），執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後，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控制總線還是釋放總線。SCSI設備之間沒有主從關係，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接口硬碟是典型的Target。在SCSI總線上，可以存在於多個啟動設備和多個目標設備，但一個系統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。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採用單啟動設備目標設備系統結構。
SCSI接口硬碟除了有上述優點外，它另一特點是在標識硬碟扇區時使用了線性的概念，即硬碟只有第1扇區、第2扇區……第n扇區，不像IDE硬碟「柱面/ 磁頭/扇區」的三維格式。這種順序編排扇區地址的優點是訪問延時最小，可加快硬碟存取速率，尤其在大容量的持續數據的傳輸中，這種線性編排的方式所顯現的優勢是明顯的。如IBM生產的DMVS-09V型硬碟，其持續傳輸速率理論上可達到29.5Mb/s。目前的作業系統的內部也使用線性編號的扇區，其目的是加快介質存取速度，加大介質訪問容量。
SCSI雖然有其獨有特點，但接口控制複雜。任何一個SCSI系統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。適配器的複雜性在於必須從硬體和軟體兩部分實現SCSI設備與各種作業系統的接口。軟體要完成把SCSI命令解釋給作業系統和把作業系統的操作命令翻譯給SCSI設備；硬體要完成SCSI總線的各種時序和內部電路的控制。
2.系統方案的制定
根據SCSI協議，消息、命令、數據、狀態四個階段統稱為信息階段，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、命令和狀態的傳輸採用異步方式，數據的傳輸可用異步和同步兩種方式。
理想情況下，異步傳輸一個字節只需要一個系統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=45.25L+430
其中，t為一個字節的傳輸時間，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衝的概念，即目標設備可以連續發若干個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，實時圖像數據採集存儲系統可用SCSI硬碟作為存儲介質；多個SCSI硬碟並行工作以求速度的成倍提高；圖像數據的採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體，加上附屬電路構成。體系結構如圖2所示。
3.系統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總線信息狀態進行翻譯、執行、管理；
*負責對主機與緩衝器、緩衝器與SCSI總線之間的數據傳送控制；
*控制DMA控制器。
單片機通過緩衝器與SCSI接口控制電路交換信息，包括命令描述和狀態消息等。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，並分別以相應的內部控制命令交給協議控制器執行。
（2）數字圖像接口電路
主要完成視頻信號的數字轉換和後續的邏輯控制。另外，有時8位的數據寬度對於後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總線來操作的執行部件，一般稱為適配器。SCSI總線的時序很複雜也很有規律，規律是指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：總線空閒、仲裁、選擇、消息、命令、數據輸入、數據輸出及狀態階段。它們之間的遷移有著嚴格的規定，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，是發出命令的一方（在微處理器控制下）。硬碟是目標設備，它的響應信息和返回狀態等都由徽處理器分析，並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衝器之間的數據傳送；二是控制緩衝器和SCSI總線之間的數據傳送，也可以通過緩衝器直接控制圖像接口電路和SCSI總線之間的數據傳送。
二、實驗結果系統結構後，用IBM生產的DDRS34560型硬碟和DMVS-09V型硬碟做數據傳輸實驗，兩種硬碟的性能指標如表1所列。分析傳輸320MB數據和1GB數據的結果如表2所列。
用加拿大的DALSA公司的CA-D6-256型高速相機輸出955幀/s的2602608bit視頻圖像，本系統可以實時地無壓縮並行存儲到多個硬碟，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是能實現的。
責任編輯：gt
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