文档介绍：华中科技大学
硕士学位论文
基于FPGA的磁盘阵列控制器的硬件设计与实现
姓名:刘晓芳
申请学位级别:硕士
专业:计算机系统结构
指导教师:刘景宁
20060509
华中科技大学硕士学位论文
摘要
随着存储技术的迅速发展,存储业务需求的不断增长,独立的磁盘冗余阵列可
利用多个磁盘并行存取提高存储系统的性能。磁盘阵列技术采用硬件和软件两种方
式实现,软件 RAID(Redundant Array of Independent Disks)主要利用操作系统提供
的软件实现磁盘冗余阵列功能,对系统资源利用率高,节省成本。硬件 RAID 将大
部分 RAID 功能集成到一块硬件控制器中,系统资源占用率低,可移植性好。
分析了软件 RAID 的性能瓶颈,使用硬件直接完成部分计算提高软件 RAID 性
能。针对 RAID5 采用 FPGA(Field Programmable Gate Array)技术实现 RAID 控制
器硬件设计,完成磁盘阵列启动、数据缓存(Cache)以及数据 XOR 校验等功能。
基于硬件 RAID的理论,提出一种基于 Virtex-4 的硬件 RAID 控制器的系统设计方案:
独立微处理器和较大容量的内存;实现 RAID 级别迁移,在线容量扩展,在线数据
热备份等高效、用户可定制的高级 RAID 功能;利用 Virtex-4 内置硬 PowerPC 完成
RAID 服务器部分配置和管理工作,运行 Linux 操作系统、RAID 管理软件等。控制
器既可以作为 RAID 控制卡在服务器上使用,也可作为一个独立的系统,成为磁盘
阵列的调试平台。
随着集成电路的发展,芯片的体积越来越小,电路的布局布线密度越来越大,
信号的工作频率也越来越高,高速电路的传输线效应和信号完整性问题越来越明显。
RAID 控制器属于高速电路的范畴,在印刷电路板(Printed Circuit Block, PCB)实现
时分别从叠层设计、布局、电源完整性、阻抗匹配和串扰等方面考虑了信号完整性
问题,并基于 IBIS(I/O Buffer Information Specification)模型进行了信号完整性分
析及仿真。

关键词:磁盘阵列,现场可编程门阵列,片上系统,信号完整性
I
华中科技大学硕士学位论文
Abstract
Growing businesses need storage solutions that can help to protect critical data with
RAID technology while enabling enhanced performance, reliability, and scalability in the
server itself. For the soft RAID technology, RAID uses redundant information for data
recovery to improve data reliablity, but the generation of the redundant information needs
putation, and it will consume much CPU resource. If we integrate much of
RAID technology into a hardware controller, the system will be more efficient and safety.
This paper first introduces the principle, architecture and PCB design of the RAID
expansion card based on FPGA. The expansion card can perform the functions of system
booting, data caching and puting. Furthermore, with deep research on the RAID
system, in this paper we propose a solution to realize a RAID controller based on
Virtex- support online capacity expansion and RAID level migration. When something
emergent happen, RAID