基于Vxworks的嵌入式存儲器設計

馬天乙

【摘要】針對嵌入式設備中數據存儲需求，本文給出了一個基于VxWorks操作系統和嵌入式SATA NANDrive存儲器的設計方案，介紹了硬件構成，詳細描述了在VxWorks操作系統中SATA設備驅動設計過程。

【關鍵詞】VxWorks;SATA NANDrive;MPC8548E;驅動設計

1.引言

隨著計算機技術的發展，嵌入式系統應用的領域越來越廣泛，包括工業控制、軍工、航空航天等等，同時數據存儲的需求也無處不在，傳統的機械硬盤HDD（Hard Disk Drive）由于可靠性等原因已不適合在上述特殊應用環境中使用。固態電子盤SSD（Solid State Disk）而以其讀寫速度快、防震性能優異、低功耗、工作溫度范圍大等優點，占據了在嵌入式系統中存儲應用的主流地位。

本文針對某設備中的多路以太網數據存儲需求，介紹了一個以MPC8548E為處理器，SATA NANDrive為存儲芯片，在嵌入式實時系統Vxworks環境下實現的數據存儲軟硬件設計方案，試驗證明，連續寫入數據速率大于60MB/s，滿足百兆以太網數據存儲需求。

2.硬件設計

本設計是以MPC8548E為主處理器，通過MPC8548E PCIe接口外接Marvell 88SE9230芯片實現PCIe到SATA的接口協議轉換，連接4片GLS85LS1032P SATA NANDrive實現128GB容量SSD存儲。下面詳細描述硬件設計方案。

（1）MPC8548概述

處理器是整個設計的核心器件，本設計以Freescale MPC8548E為主處理器。MPC8548E是基于PowerPC架構的PowerQuicc III處理器，它基于嵌入式e500內核，頻率最高可達1.2GHz，集成4個三速以太網控制器（eTSECs），1路PCIe接口。設計中MPC8548E頻率設為800Mhz，PCIe采用x1協議。

（2）存儲器設計

MPC8548E不包含SATA接口，這就需要考慮如何通過現有接口擴展出利于數據存儲使用的SATA控制器，SATA控制器用來完成SATA SSD的控制和數據的存取，設計中選用Marvell 88SE9230芯片，實現PCIe協議到SATA協議的轉換。88SE9230擁有4個6G/s的高速SATA3.0接口，設計采用SATA 1.0，PCIe 1.0a x1方案，總線速率可達到1.5Gb/s。

本設計選用Greenliant公司生產的GLS85 LS1032P SATA NANDrive作為主存儲芯片。GLS85LS1032P芯片是一個BGA封裝的工業級SSD芯片，內部集成了SATA接口和32GB SLC NAND Flash，連續讀寫速率可達到120/80MB/s，內置微控制單元（MCU）把SATA指令轉換為對Flash操作需要的數據和控制信號，支持數據緩沖區與Flash之間DMA方式讀寫，內置多任務接口提升多片Flash同時讀寫的性能。設計中選用4片SATA NANDrive接入88SE9230，實現128GB存儲量。

3.軟件設計

軟件設計主要介紹在VxWorks系統中如何實現SATA NANDrive驅動。

（1）驅動設計原理

由于88SE9230是一款透明PCIe橋芯片，對于設備和設備驅動器透明，故驅動程序可以簡化為實現SATA控制器的驅動和管理。

SATA SSD是一種塊設備。在Vxworks系統下，塊設備的驅動程序不直接與Vxworks的I/O系統連接，而是掛接在文件系統上，文件系統再與I/O系統連接，用戶通過訪問文件系統訪問塊設備。Vxworks中塊設備一般采用dosFs文件系統。它向下提供了標準的接口，可以掛接多種塊設備驅動。文件系統把自己作為一個驅動程序裝載到I/O系統中，并把請求轉發給實際的設備驅動程序，塊設備通過調用文件系統的設備初始化函數來安裝驅動。

（2）SATA驅動設計

本設計采用的是SATA NANDrive，故驅動程序設計參照VxWorks6.6下ATA的驅動程序框架，在原有BSP中添加SATA驅動程序。編寫驅動函數如下：sataDrv：初始化SATA設備;sataDriveInit：初始化中斷向量、內存映射、連接中斷;sataDevCreate：創建塊設備，初始化設備描述符;sataBlkDevFill：填寫塊設備數據結構;sataBlkWrt：SATA SSD數據塊寫入;sataBlkRd：SATA SSD數據塊讀取，sataReset：復位SATA SSD控制器。

系統boot時會首先在sysLib.c中sysHw-Init2中調用sataDriveInit函數來初始化中斷向量、內存映射、連接中斷等，接著在usrConfig.c中調用sataDrv驅動SATA控制器，完成SATA控制器的配置、SSD識別、SSD參數獲取、中斷函數掛接和塊設備讀寫接口實現等內容。

驅動SATA控制器后，在SATA SSD上建立dosFs文件系統需要以下操作：首先調用iosDrvInstall初始化dosFs文件系統，調用sataDevCreate創建塊設備，調用dcacheDev-Create、usrFdiskPartCreate創建磁盤高速緩沖區和磁盤分區，運行dosFsDevCreate創建dosFs文件系統，最后調用dosFsVolFoemat格式化分區。

格式化完成后系統就可以訪問SSD分區和進行文件操作了，在Shell里運行“devs”命令所顯示出的系統設備列表可以看到SATA設備。編寫應用程序在SATA SSD上進行文件讀寫操作，測試結果為最高連續寫速率大于60MB/s，連續讀速率大于80MB/s，滿足設計需求。 4.結論

本文給出了一個基于VxWorks操作系統的嵌入式SATA NANDrive存儲器的設計方案，詳細描述了硬件構成和軟件驅動設計過程。與傳統的機械硬盤和商用SSD相比較，SATA NANDrive不僅提供了通用的便于實現的SATA接口，還提供了更高的讀寫速度、更好的環境適用性，特別適合軍工航電等行業對數據存儲的技術需求，是嵌入式數據存儲未來的一個重要發展方向。

參考文獻

[1]Freescale Semiconductor.MPC8548E PowerQUICC IIIIntegrated Processor Hardware Specifications.http：//www.Freescale.com.

[2]Marvell.Marvell-88SE92xx-Datasheet.http：/www.marvell.com.

[3]Greenliant.GLS85LS1016P/1032P Industrial Grade SATA NANDrive Datasheet.http：/www.greenliant.com.

[4]肖忠炳等.基于VxWorks的大容量SATA電子盤驅動實現[J].航空電子技術，2012.

[5]方盈，等.VxWorks下多協議轉換硬件電路及其驅動設計與實現[J].計算機測量與控制，2013，21：5.