基于COM Express架构的数据记录仪的设计与实现

摘 要： 为实现声纳数据的海量实时存储，提出一种基于COM Express架构的数据记录仪的设计与实现方法。该记录仪在COM Express载板上集成了ETXexpress处理器模块、光纤数据采集子卡，以及由4个500 GB硬盘组成的RAID0存储阵列。应用结果表明，该记录仪可以达到80 MB/s以上的实时存储速率，很好地胜任了声纳数据的存储任务。
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。

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。

2.2 光纤接口设计