嵌入式高速數據記錄系統的設計與實現

馬建鵬，喻崇仁，沈月峰，王施人

（北京計算機技術及應用研究所，北京 100854）

0 引言

隨著武器裝備的不斷發展，數據探測手段日臻豐富完善，對裝備中的嵌入式數據記錄系統提出了更高的數據傳輸速率需求與更大的數據存儲容量需求，并要求系統在連接管理主機時，能夠快速完成數據的導入、導出與回放等數據管理功能[1]。然而，單FPGA架構的數據記錄系統雖然可以實現快速數據傳輸與大容量存儲擴展，但難以完成復雜的數據管理；而單處理器架構的數據記錄系統則難以實現數據的高速傳輸以及大容量的存儲擴展。現有的嵌入式數據記錄系統通常采用單處理器架構，使用通用文件系統或流媒體策略進行數據管理[2]，難以滿足高速的數據傳輸需求，并且數據管理效率較低[3]。

本文針對裝備中嵌入式數據記錄系統的需求現狀與數據特點，采用FPGA+DSP的系統架構，使用FPGA來完成數據的快速傳輸與分發，以及大容量的存儲擴展；同時，通過研究通用文件系統與流媒體策略各自的特點，創造性提出了一種輕量級文件管理系統；該文件管理系統使用微型管理數據，可在數據高速記錄或回放時，進行內存管理數據的實時更新，以及硬盤管理數據的快速同步，完成對記錄文件的高效可靠管理。

1 系統設計

系統采用FPGA+DSP的硬件架構[4]。FPGA芯片與DSP芯片之間使用SRIO總線連接，FPGA芯片與硬盤之間使用SATA總線連接，FPGA芯片與外部數據采集設備之間使用PCIe總線相連，DSP芯片與外部管理主機通過網絡相連。系統架構如圖1所示。其中，FPGA完成與數據采集設備間的數據傳輸、存儲空間的數據讀寫、與DSP芯片間的數據通信，以及數據采集設備接口、硬盤接口與DSP通信接口間的數據轉發控制；DSP完成與管理主機的信息交互、與FPGA芯片間的數據通信、以及數據的組織與操作控制。

圖1 系統架構圖

FPGA邏輯由PCIe接口控制模塊、SRIO接口控制模塊、SATA接口控制模塊與傳輸控制模塊構成。其中，PCIe接口控制模塊主要實現PCIe協議的解析與封裝、收發數據的緩存，以及數據的DMA傳輸控制；SRIO接口控制模塊主要實現SRIO協議的解析與封裝、收發數據的緩存，以及數據的DMA傳輸控制；SATA接口控制模塊主要實現SATA命令的生成與SATA協議的解析/封裝，以及收發數據的緩存；傳輸控制模塊主要用于接收解析來自DSP芯片的管理指令、PCIe接口數據到SATA接口的分發控制，以及SATA接口數據到SRIO接口的轉發控制。

DSP芯片軟件包括SRIO接口驅動程序、網卡驅動程序、多線程管理程序與定時器程序。其中，文件管理程序完成對數據的組織與操作。

2 系統數據管理

2.1 數據結構

針對數據記錄系統數據的特點與大容量存儲的特性，同時考慮嵌入式設備有限的內存資源以及較低的處理主頻，本文采用了一種較為簡潔的層次化數據結構進行數據管理，該數據結構主要包括數據記錄系統信息、數據目錄表和數據索引表。

2.1.1 數據記錄系統信息

數據記錄系統信息包含當前存儲資源與數據文件資源的使用現狀，便于系統快速的查找、創建與獲取文件信息。數據記錄系統信息在系統運行時常駐內存，便于快捷地進行數據管理；同時，在FPGA外接非易失存儲介質中同步進行信息更新，以便在上電或系統異常時，恢復內存中的數據記錄系統信息。數據記錄系統信息內容如表1所示。

表1 數據記錄系統信息

其中，數據記錄系統標識是當前數據記錄系統的代號，用以數據記錄系統所記錄數據在異地備份時，區分不同數據記錄系統的數據；存儲設備最大容量是FPGA外接非易失存儲介質中，除去管理占用，可用于存儲記錄數據的最大容量；存儲設備可用容量是除去當前記錄數據占用容量以外的可用于分配的存儲容量；可用索引表項個數是指系統支持的最大索引表項的個數；數據文件個數是指當前系統已經創建的數據文件個數；可用項表記錄文件目錄表或文件索引表數組的可用編號；已用項表記錄文件目錄表或文件索引表數組的已用編號；可用索引表用于記錄不連續的可用存儲區域；校驗值是使用循環冗余校驗算法對文件系統信息進行的校驗計算值。

2.1.2 數據文件目錄表

數據文件目錄表用來存放單個記錄文件的目錄信息。數據文件目錄表的具體內容如表2所示。

表2 數據文件目錄表

其中，文件名稱是系統根據當前時間與數據特征自動生成的記錄數據文件的名稱；文件創建時間即當前文件目錄表的生成時間；文件類型即當前記錄數據文件的類型代號；文件位置即當前記錄數據文件所占用的文件索引項編號；文件索引項個數即當前記錄數據文件所占用的文件索引項個數；寫入速率即當前記錄數據由數據采集設備寫入FPGA時的平均速率。

2.1.3 數據文件索引表

數據文件索引表用來存放每個記錄文件的存儲信息。數據文件索引表的具體內容如表3所示。

表3 數據文件索引表

數據文件索引表包含若干表項，每個表項由起始地址和長度構成。數據文件索引表和數據文件目錄表一一對應，分別存儲數據文件的存儲信息和邏輯信息，并在存儲設備指定的區域連續存放，以便快速檢索。

2.2 數據操作

本系統支持的數據操作包括格式化、數據記錄系統信息更新、采集數據、導入數據、導出數據、回放數據、記錄文件刪除和碎片整理。

格式化是將存儲設備的存儲空間和管理數據結構初始化的過程，即FPGA芯片在DSP芯片的控制下，清空外接存儲設備上數據管理信息的過程。

數據記錄系統信息更新是在完成一次格式化、數據采集、數據導入或記錄文件刪除操作后。更新數據記錄系統信息結構，并回寫存儲設備的過程。主要包括對數據記錄系統信息、相關索引表項信息，以及數據文件目錄表中相關表項信息的修改。

數據采集是實時采集信息的過程。在啟動采集時，系統首先檢查存儲容量和可用數據文件個數是否可以支撐當前采集過程；在采集過程中，系統保存采集數據的同時，進行數據管理信息的更新。

數據導入是將存儲在主機上的記錄數據導入高速數據記錄設備的過程。數據導入過程與數據采集過程類似，在啟動導入時，系統首先檢查存儲容量和可用數據文件個數是否可以支撐當前導入過程；在導入過程中，系統保存導入數據的同時，進行數據管理信息的更新。

數據導出是將高速數據記錄設備上的記錄文件導出到外部主機的過程。在啟動導出過程時，系統通過查找，獲取指定記錄文件的數據文件目錄表和數據文件索引表，并將數據文件索引表下發給FPGA；在導出數據過程中，接收到停止信號或完成全部內容導出時，完成本次導出過程。

數據回放是將高速數據記錄設備中的記錄文件，從高速數據采集接口返回給采集設備的過程。數據回放過程類似數據導出過程，只不過通過PCIe接口將記錄數據輸出。

記錄文件刪除是刪除指定記錄文件的過程。文件刪除過程中涉及對可用索引表項的碎片整理。

碎片整理是對合并可用索引表中可合并表項的過程[5]。適時的碎片整理可明顯提升系統管理效率。碎片整理過程如圖2所示。

圖2 碎片整理流程

文件管理模塊獲取當前刪除記錄文件的數據文件索引表；將數據文件索引表項中的諸表項均在可用索引表中查找是否存在可合并項；若存在向前或向后的可合并表項，則合并當前兩個索引項，并查找是否還有其他可合并項；若向前和向后合并項均存在，則合并三個索引項，并查找其他文件索引表項是否存在可合并項；當數據文件索引表中的所有表項均查找完成時，結束本次操作[6]。

3 系統實現與性能評估

系統基于VPX架構進行硬件實現，如圖3所示。其中，PCIe接口通過接插件引出，經過底板與數據采集設備相連；網口通過接插件引出，經過底板與控制主機相連；硬盤作為子板，固定在系統板卡上。

圖3 系統硬件實現圖

系統測試環境由測試主機1、高速數據記錄設備與測試主機2構成，如圖4所示。其中，測試主機1為VPX架構主板，搭載4塊SATA 3.0固態硬盤，與高速數據記錄設備通過底板上PCIe總線相連；測試主機2為普通主機，通過網絡與高速數據記錄設備相連。

圖4 系統測試環境

測試主機1上運行Ubuntu操作系統，通過運行dd命令模擬系統記錄過程，在大數據連續寫入時，測得系統記錄性能為1.4GB/s。測試主機2運行Ubuntu操作系統，控制程序產生啟動回放命令，通過網絡控制系統啟動回放過程，在系統數據傳輸穩定后，測得系統回放性能為1.2GB/s。

4 結語

本設計針對武器裝備對嵌入式數據記錄系統更快數據傳輸速率以及更復雜數據管理的需求，采用FPGA+DSP架構，通過對系統功能進行適宜的分割，并結合FPGA芯片與DSP芯片各自的特點，提出了一種輕量級文件管理系統。該文件管理系統使用微型管理數據，可在數據高速記錄或回放等高速應用場景中，進行內存管理數據的實時更新，以及硬盤管理數據的快速同步，完成對記錄文件的高效可靠管理。該系統在實際應用中達到了GB級的記錄效率，滿足了應用需求，具備很好的可推廣性。