文档介绍：华中科技大学
硕士学位论文
基于FPGA的磁盘阵列协处理卡的硬件设计与实现
姓名:余红梅
申请学位级别:硕士
专业:计算机系统结构
指导教师:冯丹
20060509
华中科技大学硕士学位论文
摘要*
随着信息技术的飞速发展,数据存储容量需求急剧增长,磁盘阵列技术应运而
生。虽然磁盘阵列利用多个磁盘并行存取提高了存储系统的性能,但是磁盘阵列在
操作系统的引导、Cache 和冗余信息计算方面依然存在不足,严重影响系统性能的提
高。为了缓解这种情况,提高磁盘阵列的性能,提出了一种基于 FPGA(Field
Programmable Gate Array)的磁盘阵列协处理卡的解决方案,并进行了相关的研究。
针对由通用计算机部件集成的磁盘阵列系统,设计了基于 32 位 PCI(Peripheral
Component Interconnect)总线的磁盘阵列协处理卡,利用 PCI 总线的高速特性,解
决了磁盘阵列处理器和协处理卡之间的通信问题。
采用 FPGA 技术,实现校验的功能,使得奇偶校验计算工作完全从系统处理器
中独立出来;采用非易失性存储设备――NVRAM(Non-Volatile RAM)与 FPGA 的
控制功能相配合,实现磁盘阵列 Cache,从而加速磁盘阵列的响应速度;采用 Flash
闪存作为存储操作系统和控制程序的设备,在可编程逻辑芯片上实现磁盘阵列系统
的引导。
随着集成电路的发展,信号的工作频率越来越高,硬件设计时需要考虑高速电
路的信号完整性。运用高速 PCB(Printed Circuit Board)设计规则进行了协处理卡的
板级设计,并完成了 33MHz PCI 总线和 66MHz PCI 总线的调试。
调试结果表明,该协处理卡能高速完成校验运算、实现磁盘阵列 Cache 和磁盘
阵列启动的功能,有助于提高磁盘阵列控制器的性能。

关键词:磁盘阵列,现场可编程门阵列,外设部件互连总线,印制电路板

*本文的研究工作受到国家 973 计划项目(2004CB318201)的资助
I
华中科技大学硕士学位论文
Abstract*
With the developing of information technology, storage subsystem is ing more
and more important, so the RAID (Redundant Array of Independent Disks) es
out and feeds these needs. Though a RAID improves the performance of the storage
system by fetching the disks at the same time, the operating system booting、Cache and
pute are also the bottleneck of the system performance. In order to
e this status and improve the performance of the RAID system, the RAID
Coprocessor Card based on FPGA is studied in detail.
For RAID which posed of general ponents, a RAID Coprocessor Card
is designed based on 32bit PCI bus. It can solve munication problem between the
RAID server and RAID Coprocessor Card through the high speed PCI bus.
The RAID parity function is implemented by FPAG technology so the redundant
information generating process could be independent from the CPU. The RAID Cache is
implemented with Non-Volatile storage device, NVRAM (Non-Volatile RAM) combined
with FPGA, and can speedup the response time of RAID. The op