基于SOA架構的網(wǎng)絡硬盤控制器的設計

摘要：

項目設計一種采用“流程+引擎+構件”的SOA三層架構的網(wǎng)絡硬盤控制器。系統(tǒng)采用FPGA作為系統(tǒng)控制器，在FPGA內(nèi)部MicroBlaze軟核處理器上移植PetaLinux操作系統(tǒng)，加載NFS網(wǎng)絡文件系統(tǒng)，將擴展Int 13H規(guī)范中定義的基本硬盤操作指令封裝成原子構件，并采用VHDL硬件描述語言實現(xiàn)各原子構件，實現(xiàn)對硬盤的基本操作。設計引擎模塊，根據(jù)NFS文件系統(tǒng)操作指令，調(diào)用相關原子操作，實現(xiàn)硬盤存儲空間管理、文件存儲操作、用戶管理等功能。本文設計網(wǎng)絡硬盤控制器可作為個人存儲服務器連接到以太網(wǎng)，用戶可通過連接網(wǎng)絡的任意主機實現(xiàn)對服務器硬盤的訪問管理。

1 引言

隨著電子郵箱及網(wǎng)絡硬盤的普及，用戶可不用攜帶存儲設備，而直接通過網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)的上傳和下載，實現(xiàn)個人數(shù)據(jù)的管理。然而，使用網(wǎng)絡運營商提供的網(wǎng)絡硬盤可用空間有限，且數(shù)據(jù)保密性不強。本項目旨在研究一種適合于個人應用的網(wǎng)絡硬盤存儲裝置，該網(wǎng)絡硬盤使用RJ45接口連接到以太網(wǎng)，通過以太網(wǎng)以TCP/IP協(xié)議，用戶可用以太網(wǎng)上任意主機實現(xiàn)對網(wǎng)絡硬盤的管理操作，與電子郵箱及網(wǎng)絡運營商提供的網(wǎng)絡硬盤相比，此項目設計的個人網(wǎng)絡存儲硬盤有著存儲空間容量大、使用安全、可靠性較高等優(yōu)點。

2 系統(tǒng)原理與特點

系統(tǒng)結構如圖2-1所示。

圖2-1 系統(tǒng)結構

用戶通過連接網(wǎng)絡的客戶端PC機采用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)文件的上傳和下載，上傳文件時，用戶通過客戶端PC機向網(wǎng)絡硬盤控制器發(fā)送上傳文件指令，并發(fā)送文件數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA內(nèi)以太網(wǎng)控制器模塊接收數(shù)據(jù)并由DDR2控制器模塊寫入到DDR2中緩存，然后根據(jù)NFS協(xié)議將數(shù)據(jù)從DDR2中讀出經(jīng)硬盤控制器模塊寫入到硬盤中保存；客戶端下載文件時，用戶通過客戶端PC機向硬盤控制器發(fā)送下載文件指令，F(xiàn)PGA內(nèi)以太網(wǎng)控制器模塊接收指令后，根據(jù)NFS協(xié)議將文件數(shù)據(jù)通過硬盤控制器模塊讀出并寫入到DDR2緩存中，然后將數(shù)據(jù)由DDR2中讀出并由以太網(wǎng)控制器模塊，加載網(wǎng)絡協(xié)議棧，將數(shù)據(jù)由網(wǎng)絡發(fā)送到客戶端PC。

FPGA內(nèi)部調(diào)用MicroBlaze處理器，移植PetaLinux操作系統(tǒng)，配置TCP/IP協(xié)議棧，加載NFS網(wǎng)絡文件系統(tǒng)，利用VHDL語言設計Int13H規(guī)范中定義的對硬盤操作的原子構件，并設計對原子構件調(diào)用的引擎管理模塊，將原子構件與引擎管理模塊以用戶IP核形式添加到與MicroBlaze處理器互聯(lián)的PLB片內(nèi)總線，F(xiàn)PGA內(nèi)部系統(tǒng)模塊框圖如圖2-2所示。

圖2-2 FPGA內(nèi)功能模塊

3 硬盤引擎管理模塊設計

借鑒互聯(lián)網(wǎng)分布式計算領域中網(wǎng)格計算、云計算技術廣泛采用的SOA架構為核心設計思想，首先進行業(yè)務需求分析、根據(jù)業(yè)務用例、用例場景、業(yè)務步驟的分析過程找出對應的原子業(yè)務。根據(jù)業(yè)務原子業(yè)務映射到相應的系統(tǒng)需求進行系統(tǒng)建模，通過形式語義將場景步驟序列描述為由一系列原子構件的組合。完成“流程+引擎+構件”的三層SOA結構的文件系統(tǒng)設計。

3.1 文件系統(tǒng)業(yè)務單元

文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中負責管理和存儲文件信息的軟件系統(tǒng)。主要負責對文件存儲器空間進行組織和分配，文件的存儲以及對存入的文件進行保護和檢索。文件系統(tǒng)主要包括存儲空間管理、文件存儲操作、用戶管理這三個業(yè)務單元。

存儲實間管理主要包括對存儲空間的組織、分配和回收。文件存儲操作主要包括用戶對存儲空間文件的基本操作，包含文件的生成、刪除、打開、關閉、文件讀、文件寫等。用戶管理主要包括用戶的注冊、登錄以及用戶權限管理等。

3.2 提取業(yè)務用例

在提取文件系統(tǒng)的業(yè)務用例時，主要是從業(yè)務主角——用戶的角度出發(fā)，對文件系統(tǒng)的每一個業(yè)務單元進行分析提取業(yè)務用例。

3.2.1 存儲空間管理

存儲空間管理業(yè)務單元的用例視圖如圖3-1所示。

圖3-1 存儲空間管理用例視圖

存儲空間管理該業(yè)務單元主要包括如下業(yè)務用例：初始化存儲空間、分配存儲空間、追加存儲空間、回收存儲空間、查詢剩余存儲空間。

3.2.2 文件存取操作

文件存取操作業(yè)務單元的業(yè)務用例視圖如圖3-2所示。

圖3-2 文件存取操作用例視圖

文件存取操作業(yè)務單元包括如下業(yè)務用例：建立文件、打開文件、讀文件、寫文件、關閉文件、保存文件、刪除文件、保存文件、列舉文件、檢索文件、復制文件等。

3.2.3 用戶管理

用戶管理用例視圖如圖3-3所示。

圖3-3 用戶管理用例視圖

用戶管理該業(yè)務單元包括的業(yè)務用例主要有填加用戶、刪除用戶、用戶登錄、用戶退出、設置用戶權限、修改用戶權限等。

3.3業(yè)務用例場景

3.3.1 劃分業(yè)務用例場景

業(yè)務用例在實際執(zhí)行的進程中可能會有多種不同的情況發(fā)生，每一種情況都稱為該業(yè)務用例的一個業(yè)務用例場景，也可以說業(yè)務用例場景是指實例化的用例。通過對文件系統(tǒng)的業(yè)務用例進行分析，劃分出文件系統(tǒng)的業(yè)務用例場景如表1所示。

表3-1 文件系統(tǒng)業(yè)務用例場景

3.3.2 描述業(yè)務用例

本文對文件系統(tǒng)業(yè)務用例描述采用的是用例文檔和UML的活動圖，通過畫出文件系統(tǒng)業(yè)務用例場景的活動圖，按照所用例文檔模板的格式對活動圖進行描述，建立文件系統(tǒng)的業(yè)務用例模型，得到文件系統(tǒng)的業(yè)務需求文檔。

3.4 提取原子業(yè)務

前面對文件系統(tǒng)進行了業(yè)務建模，分析了文件系統(tǒng)的業(yè)務參與者、業(yè)務用例和業(yè)務場景，在此小結中將分析提取文件系統(tǒng)的原子業(yè)務。主要通過分析業(yè)務場景的主干流程來進行原子業(yè)務的提取。

3.4.1 存儲空間管理原子業(yè)務分析

以追加存儲空間為例分析業(yè)務流程。

前置條件：文件當前存儲空間不足，文件剩余存儲空間中有足夠的空閑空間。

后置條件：成功為文件追加空閑存儲空間。

該業(yè)務流程由如下業(yè)務步驟組成：

1>.文件存儲空間不足，申請新的存儲空間；

2>.文件定位；

3>.追加新的存儲空間。

分析上述業(yè)務步驟，畫出追加存儲空間業(yè)務用例場景的業(yè)務流程圖如圖3-4所示。

圖3-4 追加存儲空間活動圖

經(jīng)分析追加存儲空間該業(yè)務用例中可提取出兩個原子業(yè)務：文件定位、追加存儲空間。分析存儲空間管理業(yè)務單元其它業(yè)務用例場景的業(yè)務流程后，得出該業(yè)務單元原子業(yè)務樹狀結構圖如圖3-5所示。

圖3-5 存儲空間管理原子業(yè)務模型結構圖

3.4.2 文件存取操作原子業(yè)務分析

以順序讀文件為例分析業(yè)務流程。

前置條件：文件存在并且可讀。

后置條件：從文件指定位置處順序讀取指定長度內(nèi)容。

該業(yè)務流程由如下業(yè)務步驟組成：

1>.確定文件所在存儲空間；

2>.打開目標文件；

3>.讀取指定長度的文件內(nèi)容；

4>.關閉文件。

分析上述業(yè)務步驟，畫出順序讀文件業(yè)務用例場景的業(yè)務流程圖如圖3-6所示。

經(jīng)分析順序讀取文件該業(yè)務用例中可提取出四個原子業(yè)務：文件定位、打開文件、順序讀文件、關閉文件。

分析文件存取操作業(yè)務單元其它業(yè)務用例場景的業(yè)務流程后，提取出該業(yè)務單元原子業(yè)務樹狀結構圖如圖3-7所示。

圖3-6 順序讀取文件業(yè)務活動圖

3.4.3 用戶管理原子業(yè)務分析

以注冊用戶為例分析業(yè)務流程。

前置條件：有權限成為文件系統(tǒng)用戶。

后置條件：注冊成功，分配用戶名。

該業(yè)務流程由如下業(yè)務步驟組成：

1>.管理員進入存儲空間；

2>.登記用戶信息。

分析上述業(yè)務步驟，畫出注冊用戶業(yè)務用例場景的業(yè)務流程圖如圖3-8所示。經(jīng)分析注冊用戶該業(yè)務用例中可提取出兩個原子業(yè)務：用戶登錄、登記用戶信息。

分析用戶管理業(yè)務單元其它業(yè)務用例場景的業(yè)務流程后，得出該業(yè)務單元原子業(yè)務部分樹狀結構圖如圖3-9所示。

圖3-9 用戶管理原子業(yè)務模型結構圖

通過以上對文件系統(tǒng)各業(yè)務單元的分析，提取文件系統(tǒng)完整的原子業(yè)務及其描述如表3-2所示。

表3-2 文件系統(tǒng)原子業(yè)務及其描述

4 Petalinux及NFS網(wǎng)絡文件系統(tǒng)的移植

Petalinux的移植主要工作為硬件平臺搭建，以及內(nèi)核的裁剪與移植，其中硬件平臺的搭建在windows操作系統(tǒng)上安裝的Xilinx EDK環(huán)境中完成，選擇Virtex5-lx110t開發(fā)板，由于網(wǎng)絡文件服務器的需要選擇以太網(wǎng)的IP核，DDR，串口，定時器等并添加相應的中斷，成功建立工程的block diagram 如圖4-1所示。

圖4-1 搭建工程框圖

然后進行基于Petalinux軟件平臺的配置，操作系統(tǒng)和庫選項選擇Petalinux，修改主要存儲空間和輸入輸出的當前值，軟件平臺搭建完畢，最后生成庫和板級支持包，然后生成比特流文件下載至目標板測試工程的正確性。

Petalinux是一套開發(fā)環(huán)境，linux內(nèi)核的裁剪以及移植在安裝centos 5.6 操作系統(tǒng)的主機完成首先利用Petalinux自帶的工具創(chuàng)建嵌入式平臺，將在windows下完成的工程拷貝到Linux系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換到Linux系統(tǒng)格式，根據(jù)開發(fā)板選擇新的平臺，然后用make menuconfig 命令進入內(nèi)核裁剪的圖形化界面，合理的裁剪之后進行編譯將生成的image.bin文件通過下載線下載至開發(fā)板的DDR SDRAM中，在串口終端可以看到系統(tǒng)啟動信息，如圖4-2所示。

圖4-2 系統(tǒng)啟動信息

網(wǎng)絡文件系統(tǒng)支持以應用程序在客戶端通過網(wǎng)絡存取位于服務器磁盤中數(shù)據(jù)的一種文件系統(tǒng)協(xié)議，大多數(shù)網(wǎng)絡文件系統(tǒng)都分成客戶端和文件服務器兩部分。客戶端以邏輯文件塊的方式存取數(shù)據(jù)，文件服務器使用塊映射存取真正的磁盤塊，并完成磁盤格式和元數(shù)據(jù)（如目錄）的管理，對客戶端完全屏蔽，一般客戶端和文件服務器以TCP/IP方式通信。NFS是網(wǎng)絡文件系統(tǒng)（Network File System）的簡稱，是分布式計算機系統(tǒng)的一個組成部分，可實現(xiàn)在異種網(wǎng)絡上共享和裝配遠程文件系統(tǒng)，可讓不同操作系統(tǒng)的計算機共享數(shù)據(jù)。

NFS服務器的移植：nfs服務器的實現(xiàn)需要內(nèi)核nfsd的支持外加兩個應用程序套件 portmap 和nfs-utils ，Petalinux中移植此應用程序，下載此應用程序的源碼，添加到petalinux的usr目錄下，修改makefile 和config.in 文件，重新配置內(nèi)核加入nfs服務器端的支持，同時交叉編譯此應用程序，將生成的可執(zhí)行文件復制到 romfs 的bin 目錄下，再在etc 目錄下添加exports 文件用來設置可掛載目錄，使得Petalinux 系統(tǒng)具有nfs服務器端的功能。

5 IDE硬盤控制器的設計

IDE（Integrated Drive Electronics，集成驅(qū)動電子設備）是由Compaq開發(fā)并由Western Digital公司生產(chǎn)的硬盤驅(qū)動器。IDE是在早期的ST506硬盤基礎上改進而成的，采用40線的單組電纜進行連接，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘玫搅嗽鰪姡脖P制造起來變得容易，因為廠商不需要再擔心自己的硬盤是否與其他廠商生產(chǎn)的控制器兼容，對用戶而言，硬盤安裝起來也更為方便。因此IDE接口實際上是系統(tǒng)級接口，故也稱為ATA（Advanced Technology Attachment）接口，（ATA更接近于接口的協(xié)議層標準，而IDE多用于描述接口的物理結構）。其傳輸方式主要有PIO和DMA兩種。ATA接口規(guī)范從最初的ATA-1版本已發(fā)展到ATA-7版本。

5.1 硬盤接口信號

ATA/ATAPI-6標準中定義的主機和設備端之間的通信連接信號如表5-1所示。其中，左邊是對信號的描述，中間表示信號的傳輸方向（由主機到設備還是由設備到主機），右邊表示信號的名稱。

1. CS(1:0)-：主機發(fā)送給硬盤的片選信號，實現(xiàn)對寄存器的選擇；
2. DA(2:0)：主機發(fā)送給硬盤的地址信號，用來實現(xiàn)對硬盤寄存器的尋址；
3. DD(15:0)：主機與硬盤之間的數(shù)據(jù)連接線，當主機對硬盤寄存器進行讀寫時，使用該數(shù)據(jù)總線的低八位進行數(shù)據(jù)傳輸，當對數(shù)據(jù)寄存器進行讀寫時，用該總線的16位進行數(shù)據(jù)傳輸；
4. DIOR-:HDMARDY-:HSTROBE：復用信號，表示對寄存器讀信號/Ultra DMA就緒/Ultra DMA數(shù)據(jù)輸出同步信號，DIOR-表示主機對硬盤寄存器的讀信號，HDMARDY-表示Ultra DMA數(shù)據(jù)輸入時，主機發(fā)出的就緒信號，HSTROBE表示Ultra DMA數(shù)據(jù)輸出時主機發(fā)出的時鐘同步信號，雙沿有效，即在該信號的上升沿和下降沿，主機將數(shù)據(jù)輸出；
5. DIOW-:STOP：復用信號，表示主機寫寄存器命令/主機終止Ultra DMA突發(fā)傳輸信號，DIOW-表示主機發(fā)出的對硬盤寄存器的寫命令信號。在Ultra DMA突發(fā)傳輸時，主機可通過使能STOP信號來終止Ultra DMA突發(fā)傳輸。
6. DMACK-：在DMA開始傳輸時，主機對硬盤發(fā)出的DMA傳輸請求的應答信號；
7. DMARQ：當硬盤準備好數(shù)據(jù)收發(fā)時，給主機發(fā)出的DMA傳輸請求信號；
8. INTRQ：硬盤發(fā)出的中斷請求信號；
9. IORDY:DDMARDY-:DSTROBE：硬盤發(fā)出的I/O通道就緒/Ultra DMA硬盤就緒/Ultra DMA數(shù)據(jù)輸入同步信號。IORDY表示在PIO數(shù)據(jù)傳輸中，當硬盤沒有準備好數(shù)據(jù)傳輸時，使能該信號無效以延長主機對硬盤的訪問時間。DDMARDY-表示在Ultra DMA數(shù)據(jù)傳輸中硬盤發(fā)出的流量控制信號，該數(shù)據(jù)有效時，表示硬盤已準備好接收Ultra DMA傳輸數(shù)據(jù)，硬盤使能該信號無效可暫停Ultra DMA數(shù)據(jù)傳輸。DSTROBE表示在Ultra DMA數(shù)據(jù)傳輸時，硬盤發(fā)出的數(shù)據(jù)鎖存信號，主機可在該信號的上升沿和下降沿接收數(shù)據(jù)；
10. RESET-：主機發(fā)出的硬盤復位信號，低電平有效。

表5-1 硬盤接口信號

5.2 硬盤接口寄存器

主機對硬盤的訪問是通過對接口寄存器的訪問來實現(xiàn)的。ATA-6標準規(guī)定的硬盤接口寄存器如表5-2所示。這些寄存器按照功能劃分為命令寄存器（Command block registers）和控制寄存器（Control block registers）。命令寄存器用來接收主機發(fā)出的各種命令和傳送數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)寄存器、扇區(qū)計數(shù)寄存器等。控制寄存器用作控制硬盤操作，如使能硬盤中斷、選擇硬盤等。

表5-2 硬盤端接口寄存器

5.3 硬盤控制器模塊設計

硬盤控制器模塊內(nèi)部結構如圖5-1所示。

圖5-1 硬盤控制器模塊內(nèi)部結構

5.3.1 總線接口模塊

總線接口模塊是硬盤控制器與PLB總線的連接模塊，接收處理器通過PLB總線發(fā)來的操作命令及讀寫數(shù)據(jù)。

5.3.2 硬盤復位模塊

硬盤上電后需要完成一個復位過程，即ATA/ATAPI-6標準中描述的上電及硬件復位協(xié)議。復位過程既可以通過軟件編程實現(xiàn)也可以通過在硬盤控制器內(nèi)部設計專用的邏輯來實現(xiàn)。系統(tǒng)上電后，硬盤控制器通過硬盤復位模塊生成一個寬帶大于25us的低電平復位信號，復位信號回到高電平2ms后，即復位操作完成。復位信號波形如圖5-2所示。

圖5-2 復位信號波形

5.3.3 PIO模塊

該模塊的功能是產(chǎn)生讀寫硬盤內(nèi)部寄存器的時序，該模塊產(chǎn)生待訪問的硬盤寄存器的地址線，并輸出讀寫信號，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方向，發(fā)送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線或從數(shù)據(jù)線上讀取數(shù)據(jù)，操作完成后，釋放地址、數(shù)據(jù)線。

根據(jù)PIO讀寫時序，該模塊應實現(xiàn)以下功能：

1. 產(chǎn)生訪問硬盤寄存器的地址信號，并具有一定有效寬帶。
2. 產(chǎn)生相應的讀寫信號DIOR-/DIOW-，當為寫操作時，使數(shù)據(jù)具有規(guī)定的建立和保持時間；當為讀操作時，給出讀數(shù)據(jù)的時機。
3. 處理硬盤輸入的IORDY信號，當IORDY無效時，應延長對硬盤的讀寫周期。

5.3.4 Ultra DMA模塊

Ultra DMA模塊是硬盤控制器的關鍵模塊，其主要功能是實現(xiàn)Ultra DMA突發(fā)數(shù)據(jù)輸出時序的控制。Ultra DMA操作可分為三個階段，分別是初始階段、數(shù)據(jù)傳輸階段、傳輸中止階段。

初始階段的時序描述為：當硬盤發(fā)出DMA請求信號DMARQ，控制器通過DMACK-進行應答，等到硬盤發(fā)出的DDMARDY-信號有效后，控制器開始輸出HSTROBE信號。

數(shù)據(jù)傳輸階段的時序描述為：HSTROBE時鐘的上升沿和下降沿都觸發(fā)數(shù)據(jù)輸出，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，控制器可通過停止產(chǎn)生HSTROBE信號來暫停數(shù)據(jù)的輸出，硬盤可以通過使DDMARDY-信號無效來暫停數(shù)據(jù)的接收。

傳輸終止階段，控制器和硬盤都可終止數(shù)據(jù)傳輸，終止數(shù)據(jù)傳輸可分為四個過程：停止請求、停止檢查、HSTROBE返回高電平、發(fā)送CRC校驗值。對于控制器停止數(shù)據(jù)傳輸，首先停止產(chǎn)生HSTROBE時鐘信號，發(fā)出STOP命令信號，控制器檢查硬盤的DDMARDY和DMARQ均無效后，使HSTROBE返回高電平，使DMACK-無效，并在DMACK-信號跳變沿處輸出CRC校驗值到數(shù)據(jù)線DD（15：0），如圖5-3所示。對于硬盤停止數(shù)據(jù)傳輸，通過使DDMARDY和DMARQ均無效來停止數(shù)據(jù)傳輸，控制器需要在t_L1時間內(nèi)發(fā)出STOP信號，使HSTROBE返回高電平，使DMACK-無效，并輸出CRC校驗值至DD（15：0），如圖5-4所示。

圖5-3 控制器終止Ultra DMA數(shù)據(jù)傳輸時序

圖5-4 硬盤終止Ultra DMA數(shù)據(jù)傳輸時序

5.3.5 控制器模塊

控制模塊是硬盤控制器的核心，該模塊的主要功能是實現(xiàn)CPU對硬盤控制器中寄存器的配置，并根據(jù)相關寄存器的寫入信息實現(xiàn)對應的控制操作。

6 總結

項目設計一種基于“流程+引擎+構件”SOA三層架構的網(wǎng)絡硬盤控制器。采用FPGA作為系統(tǒng)控制器，在MicroBlaze軟核處理器上移植PetaLinux操作系統(tǒng)，加載NFS網(wǎng)絡文件系統(tǒng)，將擴展Int 13H規(guī)范中定義的基本硬盤操作指令封裝成原子構件，采用VHDL硬件描述語言實現(xiàn)各原子構件操作。設計引擎管理模塊，根據(jù)NFS文件系統(tǒng)操作指令，調(diào)用相關原子操作，實現(xiàn)硬盤存儲空間管理、文件存儲操作、用戶管理等功能。