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6U VPX存储功能电路模块

产品概述

本电路模块板卡用于实现大带宽数据流的存储,主要应用于科学仪器、雷达、电子战、卫星通信等领域,典型应用包括实现ADC采样数据流的实时记录、DAC重构数据流的供给、光纤或RapidIO等高速数据接口的数据记录等场景。

本板卡基于标准6U VPX板型,采用单片FPGA直接驱动多达10mSATA固态硬盘,以简洁、高效、可靠的SOC(片上系统)技术构架实现数据存储功能。板卡对外提供多个数据接口,用户可同时并发操控各个接口,向板卡同时发起多条数据流/多个文件的并行存入或读出。

基于本产品的一种典型的信号采集记录系统应用场景如下图所示。图中数据存储模块(即本板卡)实现数据存储功能。“信号采集模块”通过模数转换器件采样模拟信号,并将数据按来源以文件形式实时存储,或使用存盘文件驱动数模转换器产生模拟信号。“控制处理模块”使用某种处理器监控存储模块。用户的“通用计算机”可使用千兆网接口实时监测系统并实现数据的导入导出。

技术构架

本板卡以Xilinx公司的Kintex7系列芯片XC7K420T为核心处理器,基于片上系统SOC构架驱动10mSATA固态硬盘,实现了完整的数据存储服务,包括高速数据接口、存储介质驱动、RAID管理、缓存管理、系统调度、文件系统等各项功能。相较于使用通用计算机体系构架实现的存储系统,本产品能以更高的灵活性、更小的体积、更低的功耗实现更高的性能。本板卡另集成一片Xilinx公司的Zynq7系列芯片XC7Z020,用以扩展出千兆网接口,并实现对主芯片XC7K420T的配置管理。本板卡还集成总容量为2GBDDR3 SDRAM,用以实现数据缓冲。

技术参数

l  板卡结构:

标准6U VPX功能板,支持铝合金外壳风冷/导冷散热,整板功耗小于60W

l  存储介质:

5块或10SATA3.0接口mSATA硬盘实现数据的固态存储。

2GB DDR3 SDRAM实现数据的缓冲存储。

l  RAID构架:

硬盘数量:5块或10块 (实际存储容量>8TB)。

RAID模式: RAID0RAID5RAID10RAID50RAID51

l  存储性能:

连续写入/读出速率大于2.5GBps,突发写入/读出速率大于6GBps

l  数据管理:

可基于原始地址模式进行存储和管理,用户直接以绝对扇区地址为参数实现对存储空间的访问,从而可通过主控驱动层软件实现标准文件系统。

可基于本板卡提供的自定义文件系统进行存储和管理,用户以文件ID为参数实现对存储空间的访问,支持文件的建立、删除、命名、信息备注等功能。

l  数据接口:

VPX-P1上定义24x SRIO+12x SRIO接口,信号线速率可配置。

VPX-P4上定义1路千兆以太网。

前面板定义110G SFP光纤接口 + 1路千兆以太网 + 1路串口。

l  适应性

工作温度 -40°~80°,满足车载/机载震动要求。

多指令并发功能  

       本板卡的FPGA IP设计是一套具备多端口、多指令并发执行的复杂逻辑系统。本系统对外提供多达4套独立接口,其典型配置是24x RapidIO+1路光纤+1路千兆网,系统同时伺服所有接口,用户的指令及数据可经任意接口通信。本系统可按文件模式管理存储空间,用户存储数据时,只需在数据帧的特定字段标识出文件ID,该数据帧即可追加存入对应的文件,系统最多支持32个独立数据流同时并发对应存入(或读出)32个文件。如下图所示,端口0~端口3并发工作,端口#0同时输入有对应文件0和文件2的数据,标记有不同目的地址(文件)的数据帧进入本系统后被实时自动识别,并被存入不同的文件中,系统同时为各个文件在存储空间内部动态实时分配存储空间。

高可靠性

      本系统采用多种技术手段,为数据存储提供极高的可靠性。1-对外数据接口采用RapidIO协议或以太网协议,通过CRC校验及出错重传机制确保数据正确性;2-本系统的数据缓冲、内部链路均采用ECC纠错保障数据完整性;3-基于DDR3/DDR4内存实现多个缓冲区,只有确认缓存与硬盘之间正确读写后,数据才会从缓冲区移除;4-通过SATAPCIe(NVMe)接口控制硬盘,使用CRC校验监测错误,发生错误时执行硬盘与缓冲区之间的读写重试操作;5-5块硬盘为一组以RAID5模式冗余存储,允许任意1块硬盘永久损坏;6-硬盘内部的数据完整性由硬盘厂商保障。

流程样例  

      用户通过标准RapidIO帧或以太网帧与本系统交互,帧的不同字段用以区分不同参数,以RapidIO格式的文件写入指令为例,部分字段示例如下。


<文件写入指令帧>内容样例(256字节RapidIO帧)

地址字段偏移

地址字段含义

0x00

帧类型标识

本类型帧固定为0x000A1200 ,表示本帧是文件写入指令帧。

数据字段偏移

数据字段含义

0x00

CmdType

指令码,本类型帧固定为0x000A1200

0x04

CmdID

指令ID,用户指定。

0x08

FileID

所需操作的文件ID号。

0xFC

ChkSUM

校验和。

      

      以用户试图向ID=3的文件写入数据为例,如下图,操作流程如下。1-用户发出指令,要求写入ID=3的文件;2-本系统发出回复,同意文件写入;3-用户发出多帧数据,帧中约定字段标识出帧隶属于ID=3的文件;4-5-6用户依次发出多帧数据;7-用户数据发送结束,要求关闭文件;8-本系统回复文件写入完成。

主控软件

      本系统为用户提供运行于Windows平台的示例监控软件,软件通过计算机的千兆网接口与系统硬件互联。软件提供文件操作、硬件状态监测、实时数据监测等功能,可实现文件的建立、删除、格式化、命名、写入、导出等各项功能,可实时监测硬件温度、电压、存储容量、读写速率等各项参数,可使用时域、频谱、瀑布图、能量图等多种形式观察接口和存盘数据,可基于多种频谱触发策略实时分析数据。