基于FC-SCSI的多通道高速信號采集與實時存儲系統

盛 丁，邢錢艦，馬振國，趙 備，2

（1.浙江大學生物醫學工程與儀器科學學院，杭州310027；2.杭州電子科技大學計算機學院，杭州310027）

基于FC-SCSI的多通道高速信號采集與實時存儲系統

盛 丁1，邢錢艦1，馬振國1，趙 備1，2

（1.浙江大學生物醫學工程與儀器科學學院，杭州310027；2.杭州電子科技大學計算機學院，杭州310027）

傳統的多通道信號采集與存儲系統面對龐大的數據采集任務，缺乏足夠的傳輸帶寬以及實時存儲能力。為此，提出一種以光纖通道-小型計算機系統接口（FC-SCSI）為核心的實時采集存儲方案。運用鏈式查找表結構以及動態流控技術，提高FC-SCSI軟件協議存儲速率，解決多通道同步采集的大容量流數據實時落盤問題，實現具備大數據量采集、實時可靠存儲、便攜性能好的綜合數據處理存儲系統。實驗結果表明，在2.125 Gb光纖通道條件下，該系統可靠穩定存儲速率為186.6 MB/s，達到2.125 Gb光纖通道理論速率的94.7%，與傳統FC-SCSI存儲方案的167.1 MB/s速率相比提升了11.7%。

光纖通道；現場可編程門陣列；多通道信號采集；高速信號；實時存儲；動態流控

1 概述

隨著現代測量技術的迅猛發展，系統測量精度不斷提高，傳統單一傳感器模塊很難滿足高精度、大范圍的測量需求。各類傳感器陣列、傳感器網絡應運而生，導致大容量多通道測量數據實時采集與存儲技術面臨挑戰，各種新機理、高性能信號處理存儲平臺的研制受到廣泛的重視［1］。單一的PCIExpress總線接口已經難以滿足高速數據傳輸、運算及存儲的綜合需求。例如，文獻［2］提出一種基于PCI Express總線和Aurora協議的高速數據傳輸系統設計方案，支持雙單工同時收發以及PCIExpress通信模塊8管道工作模式，采用光纖通道傳輸存儲，數據傳輸速率達1.25 Gb/s。但是，隨著對系統帶寬與實時性的要求不斷提高，PCI Express總線技術帶寬較低，在存儲領域的應用存在瓶頸。文獻［3］設計一種基于閃存的高速海量存儲模塊，符合嵌入式實時存儲領域對存儲帶寬與容量的要求，運用高密度的NADN FLASH存儲陣列以及大規模的現場可編程門陣列（Field Programmable Gate A rray，FPGA）與數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP），實現了海量數據的超高速存儲。盡管閃存在存儲帶寬方面表現優異，但是其外部接口的單一性，降低了系統的通用性與可擴展性，另外，較高的成本也成為了限制閃存大規模運用的制約因素。而光纖通道-小型計算機系統接口（Fibre Channel-small Computer System Interface，FC-SCSI）技術最初誕生于高速存儲需求，隨著硬盤矩陣和光纖通道（Fibre Channel，FC）技術的逐步成熟，FC-SCSI以其高可靠性、高帶寬、低延遲等優點，更適合成為高性能存儲領域主流協議。同時FC-SCSI存儲方案能與PC機上高性價比的SCSI總線硬盤很好兼容，具有良好的通用性與易擴展性，應用前景廣闊。文獻［4］提出一種光纖通道高性能協議引擎設計方案，在FPGA平臺上實現了2.125 Gb/s的光纖通道硬件核心模塊，為其在高性能信號處理系統中的應用提供硬件基礎，系統光纖通道存儲速率達160 MB/s。但FC-SCSI協議效率同樣是系統性能的重要影響因素，系統在軟硬件交互與FC-SCSI協議效率方面仍然存在優化空間。

以上述研究為基礎，本文提出一種基于FPGA和FC的多通道高速信號采集與實時存儲系統，包括多通道采集技術與光纖通道高速存儲技術，并針對系統的存儲速率開展系統測試。

2 系統框架設計

本節提出一種高速大容量數據采集與實時存儲的解決方案，總體框架結構如圖1所示，主要由數據采集模塊、信號處理模塊以及上位機PC組成。數據采集模塊負責數據的采集與發送，總共有16路同步高速采集通道與兩路信號發送通道。其中，16路高速ADC同步采集產生的實時數據流量高達每秒幾百兆字節甚至幾千兆字節，對于鏈路帶寬和可靠性要求較高。VPX總線引入了目前最新串行總線技術，在背板互聯性能上具備更高帶寬以及更為強大的交換能力，滿足信號處理模塊與數據采集模塊之間通過機箱背板相連的需求，實現了大容量數據的高速傳輸、處理及控制［5］。

圖1 系統總體框架結構

信號處理模塊選取FPGA作為系統處理模塊的核心組成部分。FPGA具備其他硬件資源無法比擬的靈活性，擁有時鐘頻率高、內部延時小、運行速度快等優點［6］，為系統功能自定義、現場快速反應提供了平臺基礎。此外，由于過大數據帶寬，FPGA內部的Block RAM資源雖然具備較好的靈活性，但是兆級別的緩存空間難以滿足系統幾百兆字節帶寬的緩存需求，因此系統配備了大容量DDR2作為流數據的高速緩存，合理運用乒乓緩存技術，努力克服系統性能波動帶來存儲速率的影響，進一步保證了系統的實時性與可靠性。

為了提高系統數據存儲速率與可靠性，充分發揮信號處理平臺的高效性，克服系統在存儲性能上的瓶頸，設計采用光纖通道作為系統存儲的傳輸媒介，以實現信號處理模塊與上位機PC的互連。相比于傳統的iSCSI存儲互聯技術，光纖通道具有可靠性高、傳輸速率快、延遲低等優點，可以更好地應對大容量帶寬、高實時性的任務需求，滿足大部分高速傳輸存儲系統設計。另外，TCP/IP在結構上存在缺陷導致其存在潛在的安全攻擊，而FC則不存在這樣的問題，利用FC網絡進行數據傳輸，可靠性更好。尤其是FC-SCSI協議的成熟，使得FC成為了存儲領域的主要互聯技術之一，為系統大容量數據實時存儲提供鏈路保障。

3 多通道采集技術

數據采集模塊主要實現對16通道中頻模擬信號的高精度數字化處理以及2通道數據的模擬化回放，板卡由4片模擬數字轉換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）、1片數字模擬轉換器（Digital to Analog Converter，DAC）及其外圍電路構成。其中，ADC是一款4通道、14位高速串行輸出的模數轉換器，最高轉換速率可達125 M s/s。DAC則是一款16位高動態范圍的數模轉換器DAC。

復雜的電磁環境對信號采集系統的可靠性要求很高［7］，16個通道采集的數據必須保證嚴格同步，否則后期的數據協同處理將失去意義。盡管采用了高度同步的時鐘以及高精度的ADC，而制作工藝、走線長度、外界干擾、高時鐘頻率等因素的影響，都對通道間的同步提出了更高的要求。以板上走線為例，研究發現，對于典型的FR4材料PCB板，其信號傳播速度存在以下公式［8］：

其中，Vp代表信號在FR4材料板子上的傳輸速率；C代表光在真空中的傳播速率；在非磁性介質中μ= 1；εr代表介電常數，FR4材料的典型值約為4.2。

根據公式估算得到，信號的傳播速度約為0.5倍光速，即1.5×108m/s。由于通道數量多，通道之間信號線長差異不可避免，假定2個通道之間走線長度相差15 cm，根據公式，計算得出線路延遲為1 ns。若FPGA的處理時鐘頻率為200 MHz，則周期為5 ns，延遲占比高達20%，增加FPGA時鐘對信號的正常采集的難度。

為了在數據分析之前，統一消除各因素帶來的通道間延遲，采取延遲補償的方式修正。FPGA提供的輸入輸出延遲補償模塊是FPGA上自帶的可編程絕對延遲單元，允許各輸入信號有獨立延遲，具備3種可選工作模式，使用靈活方便。若是FPGA工作時鐘頻率較低，對多路信號間相位差異的容忍度較好，可以通過調整FPGA內部時鐘資源的相位來盡可能達到所有通道采樣要求。但是在高頻率工作時鐘下（超過200 MHz），難以通過統一調整FPGA內部時鐘來滿足所有信號的正常采集。這時就需要借助FPGA提供的輸入輸出延遲補償模塊進行鏈路訓練。FPGA輸入輸出延遲補償模塊提供信號進入處理模塊前的最后修正，為到達時間較早的信號通道提供相應的延時補償，可以統一消除之前包括制作工藝、走線長度、外界干擾等所有因素帶來的共同影響，最終保證FPGA內部時鐘采集到各通道數據基本同步，確保FPGA內部數據處理的準確性。經分析得出，輸入輸出延遲補償模塊接收200 MHz信號時鐘，內部分為64拍，調節步長為78.125 ps。修正后的通道延時小于80 ps，占時鐘周期的比例僅為1.6%，對于數字信號處理而言，其影響基本可以忽略［9］。

4 光纖通道高速存儲技術

4.1 FC-SCSI軟件協議研究

系統中的高速信號采集部分運用相對高性能的器件以及合理的組織架構，足以滿足帶寬性能需求。存儲速率的限制成為了系統的瓶頸，存儲方案的選擇至關重要。FC協議具有可靠性高、傳輸速率快、延遲低等優點，最早用于提高磁盤存儲的傳輸帶寬，隨著FC SAN的大規模應用，FC在成為了存儲領域主要互聯協議之一。SCSI是一種計算機與智能設備之間的通用接口，如今已經發展成為一種獨立的接口標準。其中，最為典型的就是SCSI硬盤，具有接口速度快、緩存容量大、CPU占有率低等優點，同時硬盤本身還支持熱插拔，大大提高了系統的靈活性與可擴展性。方案選擇FC與SCSI的結合FC-SCSI作為系統存儲的核心解決方案，一方面利用FC的高帶寬提高系統存儲速率，另外充分發揮SCSI接口的靈活性，合理裁剪系統資源、分配磁盤大小，系統落盤的數據直接存儲于PC機硬盤當中，提高系統的便攜性，同時，通過硬盤數量的熱插拔擴展，也可以進一步提升存儲系統的容量與續航能力。本節首先對傳統的FC-SCSI協議進行探索與分析，隨后分別從協議開銷和動態流控的角度提出了相應的優化方案。

FC-SCSI負責SCSI界面協議與FC-4層協議相互映射，其交互方式如圖2所示。發送方發起FCCmd命令，告知接收方將要發送的數據大小，并等待接收方的回應FC-XRdy。雙方握手完成之后，正式開始發送數據。每次發送數據包最大為2 MB，之后等待接收方的FC-XRdy，確認數據已經正確接收。當最后一個數據包發送完畢之后，接收方根據接收到的所有數據進行簡單校驗，確認無誤之后發送FCStatus幀，表明整個數據分組發送結束。

圖2 FC-SCSI協議交互流程及開銷

在實時操作系統VxW orks中實現FC-SCSI協議，測試結果表明，光纖通道接收并處理一個2 MB數據包的時間大約為10 368μs，而一次握手（即一次FC-Cm d操作）的時間長達5 126μs，若整個數據分組僅發送一個2 MB數據包，協議開銷占比高達33%。

FC-SCSI協議規定了較為復雜的交互流程，雖然在一定程度上提升了傳輸數據的可靠性，但是在數據流量比較松散的隨機存儲環境中，存儲效率低下，直接移植FC-SCSI協議，并不能發揮系統的最佳性能，需要在協議實現上做一定的優化。禁用FCCmd是業界常用的一種直接有效提升FC-SCSI協議效率的方法［10］，但是FC-Cm d作為FC-SCSI協議的核心組成部分，對數據的可靠性、穩定性起到了至關重要的作用。放棄FC-Cmd，在鏈路狀況不佳情況下，FC-SCSI協議的端到端數據無差錯傳輸很難得到保證。

4.2 鏈式查找映射結構

協議開銷的大小依賴于有效數據與協議內容的比例，一次分組操作中，有效數據的傳輸量越大，其傳輸效率越高。然而，由于系統緩存區大小的限制，一次傳輸的有效數據量也將受限，一次性申請一塊較大內存失敗的可能性也會更高，另外過大的緩存空間還會提高系統的延遲。為了盡可能獲得靈活合適的緩存區大小，提高寫存操作的隔離性與并行性，本文采取了鏈式緩存結構。緩存結構設計方案如圖3所示。由多個分散的小緩存區，映射到一張鏈表組成一塊較大的緩沖區。一方面，鏈式結構相對連續存儲結構更加靈活，可擴展性更好；另一方面，分塊緩存，提供了更好的并行操作，提高系統資源利用效率。

圖3 鏈式查找映射結構設計方案

查找映射結構軟硬件交互流程如下：

Step1 構建一張鏈表用于查找分散映射的內存地址，并初始化硬件處理隊列（Hardware Queue，HWQ）與軟件處理隊列（Software Queue，SWQ）。

Step2 底層HW任務接收到存儲請求FCCm d，并呈遞給上層，SW隊列回復FC-XRdy，告之發送方數據接收準備完成。

Step3 HW隊列通過PCIe以DMA的方式將光纖通道接收到的數據迅速調入內存，并填充可用鏈表節點，隨后發起中斷。

Step4 SW隊列捕獲到相應中斷以后，查找填充的鏈表信息，并定位到內存。最后發起SCSI存儲命令，將內存中的數據有序搬到硬盤。與此同時，系統繼續并行執行Step3。

采用查找映射結構，不僅解決了緩存空間限制，硬件操作的分離，也提供了更好的并行性。根據協議開銷占比公式：

已知處理2 MB數據包的時間Tdata約為10 368μs，FC-Cmd操作的時間Tprotocol約為5 126μs。綜合考慮系統緩存空間大小及延時相關因素，盡可能減少FCSCSI軟件協議帶來的上層開銷，如果選取查找隊列映射空間為32 MB，即Lqueue=16，則計算得到理論效率η約為97.0%。理論有效傳輸速率與理論效率存在以下關系：

其中，v′代表FC無損速率，計算結果為192.9 MB/s。在32 MB查找空間下，最終理論有效傳輸速率為187.1 MB/s。

4.3 用戶層動態流控技術

鏈式查找映射結構在一定程度上緩解了FCCmd握手帶來的協議開銷，提高了FC-SCSI協議的實現效率。但是，仍然無法解決每一個2 MB數據包帶來的FC-XRdy開銷。尤其當數據包出錯時，引起長時間的數據校驗，延遲了FC-XRdy的回復時間。采取的解決辦法是模仿FC流量控制機制，采用基于信用度（Credit）的緩存區策略［11］，如圖4所示，即雙方收發數據前，協定允許的最大信用度（類似TCP/ IP協議中的窗口大小）。在信用度內持續不斷發包而不用等待接收方的確認，來避免因為某個數據包的出錯帶來的整條鏈路延遲。此外，實驗測試發現，SCSI總線的磁盤陣列，存儲性能上存在巨大的波動。最高存儲速率可以超過200 MB/s，而最差情況下只有140 MB/s～150 MB/s。過大的Credit在磁盤陣列效率低下的情況下，會給緩存區帶來巨大的壓力，甚至溢出導致丟包現象。而采取較為保守的Credit策略，則無法發揮磁盤陣列的最大效益。所以，本節提出一種動態流控技術，合理平衡緩存區的壓力，同時兼顧磁盤陣列的性能。

圖4 基于信用度的流控機制

有關研究表明，瞬時的信用度與FC數據發送以及處理速度存在以下關系［12］：其中，Creditn代表該時刻的信用度大小；Creditn-1代表前一時刻的信用度大小；u代表Host端FC數據發送速率；v代表Slave端FC數據接收處理速率；Δt取值為發送端與接收端之間鏈路的單程傳播時延；LFC為FC數據的長度；M為一個開關量，用于判斷鏈路信用度是否為0，取值如下［12］：

對式（5）稍作化簡得到：

假定鏈路單程傳輸時延Δt相對固定，每次發送的FC數據長度LFC也一致。信用度的變化量取決于，上一時刻Slave數據處理速率與本時刻Host數據發送速率的速率差。磁盤矩陣存儲性能不穩定，即v存在巨大波動，若是v迅速減小，信用度有可能迅速變為0，導致發送方停止發數，而接收方緩存仍然留有余量。

為了最大化避免此類現象的發生，根據4.2節中的查找隊列長度對式（5）進行修正，即在協議上層對流控策略進行動態修正，使其盡可能發揮最大性能。修正后的結果如式（8）所示。其中，Lmax代表查找隊列最大長度；Lqueue為隊列當前長度。與式（5）相比，采用分段動態流控技術，即設定流控閾值為一半查找隊列長度。當查找隊列滿負荷，立即將信用度置0，停止發數。在查找隊列空間相對較為充足但超過閾值時，根據雙方速度對比確定信用度。處理速率慢于發送速率，保持信用度不變，使查找隊列緩存穩步增長，以保證其充分利用；否則，強制擴大信用度至閾值大小，爭取在磁盤陣列性能爆發點獲得高效率，提高系統整體性能。

5 系統測試

5.1 測試環境

高性能信號采集處理存儲系統測試平臺如圖5所示。圖中2臺模擬信號發生器（字母A），為射頻發射器提供基頻信號源，字母B是一塊射頻傳感器陣列，板上總共包含16個射頻傳感器，產生16個通道數據，字母C代表數據采集模塊，通過VPX背板與前面的信號處理板（字母D）相連，D板完成數據處理之后，通過光纖通道，將數據實時傳輸至光纖通道適配卡（字母E），E卡置于機箱的PCIe槽位中，作為主機的PCIe設備，發起SCSI操作將數據存人磁盤陣列（字母F）。

圖5 系統測試平臺

5.2 緩存區實驗

根據FC-SCSI協議效率分析得知，對于協議開銷而言，緩存區空間越大，一次完整的數據分組操作所傳輸的有效數據量就可能越大，相應的協議開銷就能更小。然而，對于實時數據處理系統而言，系統延遲大小也是系統的重要性能指標，隨著緩沖區空間的不斷增大，必然帶來系統延遲的提高與不確定性。

為了充分了解緩存區與協議效率以及系統延遲這三者之間的關系，尋找合理的緩存空間大小，本文進行了緩存區大小實驗，結果如圖6所示。

圖6 緩存區實驗結果

實驗結果中緩存區大小以2的冪次方增長，為了方便觀察，已經將緩存區大小坐標軸做了對數處理。在緩存區空間較小區域，隨著緩存區不斷增大，系統存儲延時提升并不明顯，FC-SCSI協議開銷相當大，即有效數據存儲效率很低。緩存區空間2 MB～32 MB范圍內，FC-SCSI協議開銷從80%左右迅速下降到10%以下，與此同時，系統存儲延時提升依舊不明顯，系統整體性能逐步變好。

但是，在緩存區空間大于32 MB數據段，情況則剛好相反，系統存儲延時迅速攀升，而FC-SCSI協議開銷降低十分有限，系統整體性能不升反降。

綜上所述，系統緩存區在32 MB大小左右能夠獲得系統的最佳性能。

5.3 光纖通道存儲速率測試

光纖通道存儲速率測試平臺在圖5的基礎上，加入光纖通道分析儀實時監控速率，并記錄流數據的最低平均速率作為參考指標。分別對8 KB～2 MB大小的數據包做了存儲性能測試，結果如圖7所示。圖7記錄了3種不同情況下的存儲速率，分別對應未做優化的FC-SCSI協議存儲實現，采用32 MB查找結構實現的FC-SCSI存儲，以及在此基礎上加入動態流控技術的實現。

圖7 光纖通道存儲速率對比

觀察結果發現，純FC-SCSI實現方案整體速率偏低，直接使用難以滿足項目需求。在采用查找結構優化之后，整體性能較純FC-SCSI有了較大提升，尤其是中小數據包大小性能提升更為明顯。然而，1 MB以上的較大數據包存儲速率卻并不理想，與純FC-SCSI差別不大。而動態流控技術帶來的性能提升則更多地體現在大數據包方面。

純FC-SCSI實現方案速率的測試結果與4.1節給出的分析基本吻合，性能主要受制于協議開銷。查找結構為FC數據傳輸提供了更加靈活的緩存以及更高的并行性。但是由于磁盤陣列存儲速率的不穩定性，導致存儲速率難以突破170 MB/s。

動態流控技術嘗試以緩存隊列作為反饋，動態調節信用度，以克服磁盤陣列性能波動帶來的影響，提高磁盤陣列使用效率。在2 MB數據分組大小點，存儲速率由167.1 MB/s上升到186.6 MB/s，與理論速度187.1 MB/s基本相符，速率提升11.7%。文獻［4］提出的FC處理方案，其速率最終典型值為1.280 Gb/s，即160 MB/s，同樣是在2.125 Gb光纖通道條件下，本文系統方案速率提升16.6%。另外，根據FC協議，考慮FC協議存在的8 bit～10 bit編碼與首部開銷，2.125 Gb FC的理論有效帶寬約為197 MB/s。系統實際測試有效帶寬為186.6 MB/s，帶寬利用率達到94.7%，符合設計需求。

6 結束語

本文介紹一種基于FC-SCSI的多通道高速信號采集與實時存儲系統設計與實現方案。系統具備多通道同步采集、高速實時存儲，便攜性好等特點，具備廣泛的適用性。其中，2.125 Gb FC的平均存儲速率達到186.6 MB/s，系統測試結果符合理論估計，滿足項目使用需求。今后將結合高速固態硬盤技術進一步提高系統性能。

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編輯 劉 冰

Multi-channel High-speed Signal Acquisition and Real-time Storage System Based on FC-SCSI

SHENG Ding1，XING Qianjian1，MA Zhenguo1，ZHAO Bei1，2
（1.School of Biomedical Engineering&Instrument Science，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；2.School of Computing Science and Technology，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310027，China）

Traditional multi-channel signal acquisition and storage system is facing a huge task of data collection，the lack of adequate transmission bandwidth and storage capacity in real-time.This paper proposes a Fibre Channel-small Computer System Interface（FC-SCSI）as the core of the real-time acquisition and storage solutions.It uses chain lookup table structure and dynamic flow control technology to improve the FC-SCSI software protocol storage efficiency，focusing on solving a large-capacity multi-channel synchronous stream data off the disk in real-time acquisition problem s，and it realizes a large amount of data acquisition，real-time and reliable storage，portability and good performance integrated data processing storage system s.Experimental results show that under 2.125 Gb Fibre Channel（FC），reliable and stable storage speed is 186.6 MB/s，which is 94.7%of 2.125 Gb theoretical rate of FC，and the speed is enhanced by 11.7%com pared with 167.1 MB/s of traditional FC-SCSI storage solutions.

Fibre Channel（FC）；Field Programmable Gate Array（FPGA）；multi-channel signal acquisition；high-speed signal；real-time storage；dynamic flow control

盛 丁，邢錢艦，馬振國，等.基于FC-SCSI的多通道高速信號采集與實時存儲系統［J］.計算機工程，2015，41（11）：120-125，130.

英文引用格式：Sheng Ding，Xing Qianjian，Ma Zhenguo，et al.Multi-channel High-speed Signal Acquisition and Realtime Storage System Based on FC-SCSI［J］.Computing Engineering，2015，41（11）：120-125，130.

1000-3428（2015）11-0120-06

A

TP391

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.11.021

浙江省自然科學基金資助項目（Y1101336）。

盛 丁（1991-），男，碩士研究生，主研方向：高性能嵌入式平臺；邢錢艦、馬振國、趙 備，博士。

2014-11-24

2014-12-18 E-m ail：369430825@qq.com