| 作者：李福平 北京中科泛華測(cè)控技術(shù)有限公司 時(shí)間：2008-07-08 摘要： 本文闡述了測(cè)控領(lǐng)域高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/讀取的基本概念和方式，從存儲(chǔ)介質(zhì),、總線架構(gòu)方面介紹了流盤技術(shù),，其中涉及到了最新的流盤系列產(chǎn)品,，便于用戶了解流盤領(lǐng)域的最新進(jìn)展,。
關(guān)鍵詞： 流盤,；存儲(chǔ)介質(zhì),；總線,；PXIe
前言
在測(cè)控領(lǐng)域，從多通道低采樣率到多通道高采樣率的數(shù)據(jù)采集,，只要存儲(chǔ)/讀取速度超過20MB/s，總量超過2GB,，工程師們都需要花費(fèi)較多的精力或財(cái)力以解決數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/讀取的問題,，
傳統(tǒng)儀器如示波器的存儲(chǔ)能力是有限的，采集周期由儀器上緩存大小決定,，采樣結(jié)束以后,，需要通過網(wǎng)絡(luò)、GPIB或者是USB總線將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ),。舉例來(lái)講,，如果采樣率為100MS/s，采樣通道緩存為256MB,，那么當(dāng)數(shù)據(jù)填滿緩存時(shí)采集過程只持續(xù)了2.56s,，緩存中的數(shù)據(jù)通過GPIB總線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)(傳輸速率1MB/s)，傳遞過程需費(fèi)時(shí)256s，即4分多鐘內(nèi)系統(tǒng)只連續(xù)采集了256M的數(shù)據(jù),；而使用最新的采集和流盤設(shè)備,，如NI的PXIe設(shè)備，使用相同采樣率,、相同大小的板上緩存,，采集存儲(chǔ)過程可以一直持續(xù)下去，直到存儲(chǔ)的硬盤被填滿(最高2TB即2000GB),。采集的數(shù)據(jù)還可被直接從硬盤上通過相關(guān)設(shè)備完全回放出來(lái),，整個(gè)文件完全是Windows系統(tǒng)文件。
本文的目的就是介紹高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵限制因素,，進(jìn)而說(shuō)明數(shù)據(jù)流盤的原理及其應(yīng)用,，最后介紹最新的數(shù)據(jù)流盤產(chǎn)品。
所謂流盤即持續(xù)從或者向存儲(chǔ)器(Memory)中傳輸數(shù)據(jù),。存儲(chǔ)器可以是設(shè)備的板上緩存(Onboard Memory),、控制器上的RAM或者是控制器上的硬盤。數(shù)據(jù)向這些存儲(chǔ)器上傳輸?shù)乃俾适艿蕉喾N因素的限制,，包括系統(tǒng)的帶寬和存儲(chǔ)器介質(zhì)的讀寫速度等,。本文介紹了流盤中使用到的總線種類和存儲(chǔ)介質(zhì)類型，以提供關(guān)于流盤的應(yīng)用信息,，便于應(yīng)用于不同總線不同存儲(chǔ)器的流盤應(yīng)用,，涉及了最新的數(shù)據(jù)流盤產(chǎn)品。 存儲(chǔ)介質(zhì)
IDE
IDE集成驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備是由Western Digital,、ATA和APTI在1986年聯(lián)合開發(fā)的較早的應(yīng)用于硬盤和其它存儲(chǔ)介質(zhì)的一種接口規(guī)范,。1990年11月，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)采用了IDE接口標(biāo)準(zhǔn),。將IDE命名為ATA(高級(jí)技術(shù)附加裝置),。隨著技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)介質(zhì)的容量越來(lái)越大,，原先的規(guī)范已不適應(yīng)更大容量的存儲(chǔ)介質(zhì),，于是EIDE(Enhanced IDE)被開發(fā)出來(lái)，它可以支持的磁盤容量達(dá)到8.4GB,，同時(shí)該協(xié)議也發(fā)展成為可支持其它類型的存儲(chǔ)介質(zhì),，如CD、DVD-ROMS,、磁帶存儲(chǔ)器和大容量軟盤,。隨著磁盤容量的進(jìn)一步增大，ATA標(biāo)準(zhǔn)也不斷的修改,，以支持137GB進(jìn)而160GB的容量,，現(xiàn)在是128PiB(或者144PetaBytes)的硬盤容量。在串行ATA(SATA) 標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)之前，IDE,、EIDE和ATA都是同義詞,，并且與并行ATA接口(PATA)具有互換性。
SATA
SATA在2003年被開發(fā)出來(lái)以代替舊的PATA規(guī)范,，SATA采用串行連接方式,，以連續(xù)串行的方式傳送數(shù)據(jù)，采用類似于以太網(wǎng),、光纖和PCI總線的形式以8B/10B的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼,，能對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)檢查。SATA接口針腳數(shù)目更少,，僅用四支針腳完成所有工作,，分別用于連接電纜、連接地線,、發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù),，同時(shí)該架構(gòu)還能降低系統(tǒng)能耗和減小系統(tǒng)復(fù)雜性。傳輸信號(hào)采用LVDS形式(低電壓差分信號(hào),，更穩(wěn)定,、速度更快)。SATA 1.0定義的數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)150MB/s,，比最快的PATA(即ATA/133)所能達(dá)到133MB/s的數(shù)據(jù)傳輸率更高,，SATA 2.0的數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到300MB/s，最終SATA將實(shí)現(xiàn)600MB/s的最高數(shù)據(jù)傳輸率,。
SATA還具有熱插拔的功能,。在連接形式上，每個(gè)SATA硬盤獨(dú)占一個(gè)傳輸通道,，所以不存在像并行ATA那樣的主/從控制的問題,。
RAID系統(tǒng)
RAID廉價(jià)磁盤的冗余陣列，主要架構(gòu)就是將多塊磁盤通過軟件或者硬件形成一個(gè)邏輯上的存儲(chǔ)單元,，目前RAID根據(jù)工作方式可以分為很多類型,，以下主要介紹RAID0~5。
·RAID0：磁盤沒有奇偶數(shù)目的要求,，數(shù)據(jù)被平均分割存儲(chǔ)到多個(gè)磁盤上，總的讀寫速度就是磁盤數(shù)量乘以單個(gè)磁盤的讀寫速度,，缺點(diǎn)在于一塊磁盤損壞,，則整個(gè)磁盤陣列即壞，數(shù)據(jù)無(wú)法被修復(fù),。
·RAID1：磁盤數(shù)目必須為偶數(shù),，數(shù)據(jù)被平均分割存儲(chǔ)到多個(gè)磁盤上，但是每個(gè)磁盤又配置一個(gè)鏡像磁盤，用于備份數(shù)據(jù),，因此RAID1型的數(shù)據(jù)讀取速度比寫速度要快,，而且RAID1型當(dāng)一個(gè)磁盤忙或者損壞時(shí)，可以從其鏡像磁盤中讀取/寫入數(shù)據(jù),，提高了數(shù)據(jù)的可靠性,。
·RAID2：在位(bit)的層面上將數(shù)據(jù)分割存儲(chǔ)到各個(gè)磁盤上，RAID2使用稱為“加重平均糾錯(cuò)碼”的編碼技術(shù)來(lái)提供錯(cuò)誤檢查及恢復(fù),。除了平均分割數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到多個(gè)磁盤上外,，還需要磁盤存放校驗(yàn)碼，RAID2技術(shù)實(shí)施復(fù)雜,。因此,，在商業(yè)環(huán)境中很少使用。
·RAID3和RAID4：平均分割存儲(chǔ)數(shù)據(jù),，類似于RAID0,，但是需要一塊磁盤作為奇偶校驗(yàn)盤，寫盤速度主要受奇偶校驗(yàn)盤的影響,，該陣列在任何一塊磁盤損壞時(shí),，仍然可以恢復(fù)數(shù)據(jù)。商業(yè)上很少使用該類型磁盤陣列,。
·RAID5：類似于RAID3和RAID4,，但是奇偶校驗(yàn)不是制定某一個(gè)盤，而是所有磁盤輪流存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和校驗(yàn)信息,，當(dāng)某一塊磁盤損壞時(shí)仍然可以重建數(shù)據(jù),。性能比RAID0稍低，但是可靠性高,。 總線結(jié)構(gòu)
PCI總線
PCI是將外部設(shè)備互連到一塊主板上的接口標(biāo)準(zhǔn),，由英特爾公司1991年推出。此標(biāo)準(zhǔn)允許在計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝多達(dá)10個(gè)遵從PCI標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展卡,。最早提出的PCI總線工作在33MHz頻率之下,，傳輸帶寬達(dá)到133MB/s(33MHz * 32bit/s)，基本上滿足了當(dāng)時(shí)處理器的發(fā)展需要,。1993年又提出了64bit的PCI總線,，后來(lái)又提出把PCI 總線的頻率提升到66MHz。目前廣泛采用的是32bit,、33MHz的PCI 總線,，64bit的PCI插槽更多是應(yīng)用于服務(wù)器產(chǎn)品。
PXI總線
PCI eXtensions for Instrumentation (PXI)標(biāo)準(zhǔn)由NI公司在1997年率先提出,，PXI基于CPCI標(biāo)準(zhǔn),，增加了時(shí)鐘和同步觸發(fā)總線,，特別適合于測(cè)控領(lǐng)域的應(yīng)用，但是其核心仍然是PCI總線,。最高傳輸速度為133MB/s,。
PCIe
PCI Express (PCIe)總線在2003年由Intel提出，用于替代PCI總線標(biāo)準(zhǔn),，新的PCIe標(biāo)準(zhǔn)不再向下兼容PCI,。二者之間的主要差別在于PCIe總線是串行總線，采用了目前業(yè)內(nèi)流行的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行連接,，比起PCI以及更早期的計(jì)算機(jī)總線的共享并行架構(gòu),，每個(gè)設(shè)備都有自己的專用連接，不需要向整個(gè)總線請(qǐng)求帶寬,，x1(單線)傳輸可以達(dá)到250MB/s,，如果使用x16線連接，傳輸速率可以達(dá)到8GB/s的理論帶寬,。2007年1月,，PCIe 2.0標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，除了向下兼容PCIe 1.0之外,，將單線速度提高到了500MB/s,，x16的帶寬則達(dá)到了16GB/s。
PXIe
PXIe該標(biāo)準(zhǔn)是2005年8月根據(jù)PCIe的出臺(tái)而發(fā)布的,，不像PCI和PCIe的不向下兼容性,，在一個(gè)PXIe混合插槽里即可以安裝PXI板卡，又可以兼容PXIe板卡,。 流盤架構(gòu)
要實(shí)現(xiàn)高效率的數(shù)據(jù)流盤,，并不是采用高速的總線加高速讀取的磁盤就可以實(shí)現(xiàn)的，還需要采用合理的流盤架構(gòu),。下面介紹不同的流盤架構(gòu)及特點(diǎn),。 使用普通PCIe架構(gòu)
PCIe總線是一種串行總線，單線傳輸(x1)可以達(dá)到250MB/s,，16線(x16)時(shí)傳輸速率可達(dá)4GB/s,，各設(shè)備專用各自總線，因此傳輸速率較高,，如圖2所示,，數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)到設(shè)備緩存上，再直接傳遞到I/O總線,，經(jīng)過RAM,、CPU、傳遞到硬盤上,，此時(shí)的瓶頸主要存在于讀寫硬盤的速度,。一般存儲(chǔ)/讀取的速度均在100MB/s以上。 
圖2 PCIe數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/讀取 使用直接讀/寫盤結(jié)構(gòu)
以上結(jié)構(gòu),，數(shù)據(jù)都要經(jīng)過I/O總線,、內(nèi)存和CPU，在一定程度上該過程限制了存儲(chǔ)/讀取的速度,，而且CPU的多線程性又增加了丟失數(shù)據(jù)的可能性和系統(tǒng)的不穩(wěn)定性,，所以出現(xiàn)了直接讀/寫盤結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)原理如圖3所示,，數(shù)據(jù)從設(shè)備的緩存中讀出后直接寫入磁盤,，或者從磁盤中讀取后直接輸出。 
圖3 直接讀/寫盤結(jié)構(gòu) 該結(jié)構(gòu)有兩種典型應(yīng)用,，一種是NI的PXI系統(tǒng)配合Express Card接口卡,、RAID磁盤陣列，數(shù)據(jù)從設(shè)備緩存讀取后經(jīng)PCI總線不經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)存和CPU直接經(jīng)過Express Card接口卡存入RAID磁盤陣列,，持續(xù)存儲(chǔ)速度可達(dá)100MB/s(見圖4所示),。 
圖4 PXI總線直接讀/寫硬盤 另一種典型結(jié)構(gòu)是NI的PXIe總線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過PXIe總線上的一款專門的數(shù)據(jù)流盤卡,，對(duì)RAID磁盤陣列進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入/讀取,。持續(xù)寫入/讀取速度可以達(dá)到300MB/s、600MB/s甚至更高(見圖5所示),。 
圖5 PXIe流盤系統(tǒng)(NI的600MB/s流盤設(shè)備) 結(jié)語(yǔ)
流盤即持續(xù)從或者向存儲(chǔ)器中傳輸數(shù)據(jù),，要達(dá)到較高的流盤速度和效率，需要綜合考慮存儲(chǔ)器,、總線和系統(tǒng)架構(gòu)等因素,，如果選擇成熟的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)控方面的應(yīng)用，NI的產(chǎn)品是個(gè)不錯(cuò)的選擇,。 |
