數(shù)據(jù)流盤高速存儲讀取技術最新進展

摘要： 本文闡述了測控領域高速數(shù)據(jù)存儲/讀取的基本概念和方式，從存儲介質(zhì)、總線架構方面介紹了流盤技術，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域的最新進展。
關鍵詞： 流盤；存儲介質(zhì)；總線；PXIe

前言

　　在測控領域，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、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備，如NI的PXIe設備，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設備完全回放出來，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鍵限制因素，進而說明數(shù)據(jù)流盤的原理及其應用，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，以提供關于流盤的應用信息，便于應用于不同總線不同存儲器的流盤應用，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)動電子設備是由Western Digital、ATA和APTI在1986年聯(lián)合開發(fā)的較早的應用于硬盤和其它存儲介質(zhì)的一種接口規(guī)范。1990年11月，美國國家標準機構采用了IDE接口標準。將IDE命名為ATA(高級技術附加裝置)。隨著技術的發(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)，同時該架構還能降低系統(tǒng)能耗和減小系統(tǒng)復雜性。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。

　　·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”的編碼技術來提供錯誤檢查及恢復。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技術實施復雜。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

　　PCI總線
　　PCI是將外部設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插槽更多是應用于服務器產(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，特別適合于測控領域的應用，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，每個設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

　　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。下面介紹不同的流盤架構及特點。

　　使用普通PCI架構
　　PCI總線是一種并行總線，最高帶寬132MB/s，持續(xù)帶寬110MB/s，所有的設備共享該帶寬，存儲順序是數(shù)據(jù)先傳到設備緩存，再經(jīng)PCI總線傳輸?shù)娇刂破?，?jīng)過I/O總線，到內(nèi)存RAM、CPU、最后存儲到硬盤上，由于各個設備共享帶寬，而且數(shù)據(jù)需要經(jīng)過CPU處理最后存儲到硬盤上，普通的IDE硬盤讀寫速度也不快，因此，采用該架構數(shù)據(jù)的存儲速度一般不會超過20MB/s。如圖1所示，一般的PXI設備工作原理與次類似。

圖1 PCI總線數(shù)據(jù)存儲/讀取