作者：李福平 北京中科泛華測控技術(shù)有限公司  時間：2008-07-08

摘要： 本文闡述了測控領(lǐng)域高速數(shù)據(jù)存儲/讀取的基本概念和方式，從存儲介質(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)域的最新進展。
關(guān)鍵詞： 流盤；存儲介質(zhì)；總線；PXIe

前言

　　在測控領(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/讀取速度超過20MB/s，總量超過2GB，工程師們都需要花費較多的精力或財力以解決數(shù)據(jù)存儲/讀取的問題， 

　　傳統(tǒng)儀器如示波器的存儲能力是有限的，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)傳送到計算機中進行存儲。舉例來講，如果采樣率為100MS/s，采樣通道緩存為256MB，那么當數(shù)據(jù)填滿緩存時采集過程只持續(xù)了2.56s，緩存中的數(shù)據(jù)通過GPIB總線傳輸?shù)接嬎銠C(傳輸速率1MB/s)，傳遞過程需費時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，采集存儲過程可以一直持續(xù)下去，直到存儲的硬盤被填滿(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，整個文件完全是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，進而說明數(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)從或者向存儲器(Memory)中傳輸數(shù)據(jù)。存儲器可以是設(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器的流盤應(yīng)用，涉及了最新的數(shù)據(jù)流盤產(chǎn)品。

存儲介質(zhì)

　　IDE
　　IDE集成驅(qū)動電子設(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介質(zhì)的一種接口規(guī)范。1990年11月，美國國家標準機構(gòu)采用了IDE接口標準。將IDE命名為ATA(高級技術(shù)附加裝置)。隨著技術(shù)的發(fā)展，存儲介質(zhì)的容量越來越大，原先的規(guī)范已不適應(yīng)更大容量的存儲介質(zhì)，于是EIDE(Enhanced IDE)被開發(fā)出來，它可以支持的磁盤容量達到8.4GB，同時該協(xié)議也發(fā)展成為可支持其它類型的存儲介質(zhì)，如CD、DVD-ROMS、磁帶存儲器和大容量軟盤。隨著磁盤容量的進一步增大，ATA標準也不斷的修改，以支持137GB進而160GB的容量，現(xiàn)在是128PiB(或者144PetaBytes)的硬盤容量。在串行ATA(SATA) 標準出現(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的方式對數(shù)據(jù)進行編碼，能對傳輸數(shù)據(jù)進行糾錯檢查。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。傳輸信號采用LVDS形式(低電壓差分信號，更穩(wěn)定、速度更快)。SATA 1.0定義的數(shù)據(jù)傳輸率可達150MB/s，比最快的PATA(即ATA/133)所能達到133MB/s的數(shù)據(jù)傳輸率更高，SATA 2.0的數(shù)據(jù)傳輸率達到300MB/s，最終SATA將實現(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SATA硬盤獨占一個傳輸通道，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邏輯上的存儲單元，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)被平均分割存儲到多個磁盤上，總的讀寫速度就是磁盤數(shù)量乘以單個磁盤的讀寫速度，缺點在于一塊磁盤損壞，則整個磁盤陣列即壞，數(shù)據(jù)無法被修復(fù)。

　　·RAID1：磁盤數(shù)目必須為偶數(shù)，數(shù)據(jù)被平均分割存儲到多個磁盤上，但是每個磁盤又配置一個鏡像磁盤，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型當一個磁盤忙或者損壞時，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)分割存儲到各個磁盤上，RAID2使用稱為“加重平均糾錯碼”的編碼技術(shù)來提供錯誤檢查及恢復(fù)。除了平均分割數(shù)據(jù)并存儲到多個磁盤上外，還需要磁盤存放校驗碼，RAID2技術(shù)實施復(fù)雜。因此，在商業(yè)環(huán)境中很少使用。

　　·RAID3和RAID4：平均分割存儲數(shù)據(jù)，類似于RAID0，但是需要一塊磁盤作為奇偶校驗盤，寫盤速度主要受奇偶校驗盤的影響，該陣列在任何一塊磁盤損壞時，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，但是奇偶校驗不是制定某一個盤，而是所有磁盤輪流存儲數(shù)據(jù)和校驗信息，當某一塊磁盤損壞時仍然可以重建數(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準，由英特爾公司1991年推出。此標準允許在計算機內(nèi)安裝多達10個遵從PCI標準的擴展卡。最早提出的PCI總線工作在33MHz頻率之下，傳輸帶寬達到133MB/s(33MHz * 32bit/s)，基本上滿足了當時處理器的發(fā)展需要。1993年又提出了64bit的PCI總線，后來又提出把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)標準由NI公司在1997年率先提出，PXI基于CPCI標準，增加了時鐘和同步觸發(fā)總線，特別適合于測控領(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總線標準，新的PCIe標準不再向下兼容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)流行的點對點串行連接，比起PCI以及更早期的計算機總線的共享并行架構(gòu)，每個設(shè)備都有自己的專用連接，不需要向整個總線請求帶寬，x1(單線)傳輸可以達到250MB/s，如果使用x16線連接，傳輸速率可以達到8GB/s的理論帶寬。2007年1月，PCIe 2.0標準發(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的帶寬則達到了16GB/s。

　　PXIe
　　PXIe該標準是2005年8月根據(jù)PCIe的出臺而發(fā)布的，不像PCI和PCIe的不向下兼容性，在一個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。

     使用普通PCIe架構(gòu)
　　PCIe總線是一種串行總線，單線傳輸(x1)可以達到250MB/s，16線(x16)時傳輸速率可達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，此時的瓶頸主要存在于讀寫硬盤的速度。一般存儲/讀取的速度均在100MB/s以上。

圖2 PCIe數(shù)據(jù)存儲/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/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)存儲速度可達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RAID磁盤陣列進行數(shù)據(jù)的寫入/讀取。持續(xù)寫入/讀取速度可以達到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

　　流盤即持續(xù)從或者向存儲器中傳輸數(shù)據(jù)，要達到較高的流盤速度和效率，需要綜合考慮存儲器、總線和系統(tǒng)架構(gòu)等因素，如果選擇成熟的產(chǎn)品進行測控方面的應(yīng)用，NI的產(chǎn)品是個不錯的選擇。