基于FPGA和RAID技术的大容量存储刀片及存取方法与流程

本发明涉及存储设备技术领域，尤其涉及一种基于fpga和raid技术的大容量存储刀片及存取方法。

背景技术：

随着高分辨雷达带宽的增加和超高速采集技术的发展，数字雷达系统在数据实时存储过程中，要求存储设备具有长时间提供连续高速的存储性能。

为满足大容量的需求，独立冗余磁盘阵列(redundantarrayofindependentdisk，raid)技术可以充分发挥出多块硬盘的优势，提升硬盘速度，增大容量，提供容错功能以确保数据安全性，且易于管理，在任何一块硬盘出现问题的情况下都可以继续工作，不会受到损坏硬盘的影响。

目前比较常见的是2u存储服务器，通常采用x86处理器外挂raid阵列卡配以相应数量硬盘的方式实现，而将x86处理器作为管理器无法实现性能与功耗的高收益比。

技术实现要素：

针对现有采用x86处理器作为管理器的存储服务器所存在的性能与功耗的收益较差问题，本发明提供一种基于fpga和raid技术的大容量存储刀片，功耗低且具有高速大容量的存储性能。

本发明提供的一种基于fpga和raid技术的大容量存储刀片，包括：fpga模块、raid模块以及均与所述fpga模块连接的板载spiflash、ddr3存储器、rj45连接器和vpx连接器；

所述fpga模块包括pl端和ps端，所述raid模块包括多个msata固态硬盘；所述pl端和所述ps端通过axi总线通讯；所述pl端通过sataip核与多个所述msata固态硬盘互联；所述板载spiflash用于存储所述pl端的逻辑和所述ps端的linux。

进一步地，所述ps端通过sdio接口外接有板载emmc颗粒。

进一步地，所述pl端通过两路sriox4接口连接所述vpx连接器，经由所述vpx连接器与第三方设备互联。

进一步地，所述fpga模块还通过第一路rgmii接口与第一88e1512芯片互联，所述第一88e1512芯片连接所述vpx连接器，经由所述vpx连接器对外提供serdes网络；以及通过第二路rgmii接口与第二88e1512芯片互联，所述第二88e1512芯片连接rj45连接器，经由所述rj45连接器对外提供mdi网络。

进一步地，所述存储刀片还包括：

板级健康管理控制器，用于实时获取所述存储刀片的功耗和温度。

进一步地，所述板级健康管理控制器采用gd32单片机。

进一步地，所述fpga模块采用xc7z045芯片。

进一步地，所述存储刀片还包括供电模块，所述供电模块连接所述vpx连接器，通过所述vpx连接器接入直流12v电压；所述供电模块包括直流降压电源和ldo模块，用于输出各模块所需电压。

本发明还提供一种基于上述的大容量存储刀片的数据存储方法，包括：

步骤1：将用户数据通过vpx连接器经由srio接口进入fpga模块的pl端；

步骤2：采用dma方式将所述用户数据暂存至ddr3存储器中；

步骤3：从所述ddr3存储器中取出所述用户数据，并采用raid0方式将所述用户数据写入raid模块的msata固态硬盘中。

本发明还提供一种基于上述的大容量存储刀片的数据读取方法，包括：

步骤1：采用raid0方式从raid模块的msata固态硬盘中取出用户数据；

步骤2：将所述用户数据采用dma方式暂存至ddr3存储器中；

步骤3：将所述用户数据从ddr3存储器中取出进入fpga模块的pl端，再通过srio接口经由vpx连接器读取所述用户数据。

本发明的有益效果：

本发明实施例提供的基于fpga和raid技术的大容量存储刀片及存取方法，采用fpga作为raid控制器及应用管理处理器替代了传统的x86处理器外挂raid阵列卡+srio控制器的方式，raid模块采用msata固态盘方式，较通常的2.5英寸ssd可节省大量空间，使得单板集成更多存储盘成为可能，有效节约了pcb布局空间并减少了pcb设计难度。并且，单fpga解决方案拥有更低的功耗(低于10瓦，功耗不包含存储盘)，相较于传统方式产生几十瓦的功耗(一般功耗高于25瓦，功耗不包含存储盘)，可以使得该大容量存储刀片在无风扇的环境下运行。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于fpga与raid技术的大容量存储刀片的逻辑结构框图；

图2为本发明实施例提供的一种基于fpga与raid技术的大容量存储刀片的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于fpga与raid技术的大容量存储刀片中供电模块的电源分布及时序示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于fpga与raid技术的大容量存储刀片的数据存取方法的数据流向示意。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于fpga与raid技术的大容量存储刀片，该存储刀片包括：fpga模块、raid模块以及均与所述fpga模块连接的板载spiflash、ddr3存储器、rj45连接器和vpx连接器；

所述fpga模块包括pl端和ps端，所述raid模块包括多个msata固态硬盘；所述pl端和所述ps端通过axi总线通讯；所述pl端通过sataip核与多个所述msata固态硬盘互联；所述板载spiflash用于存储所述pl端的逻辑和所述ps端的linux。

具体地，本实施例中，对外数据存储采用srio接口，fpgapl端采用srioip核，固化2路x4srio接口经由vpx连接器与外部互通，总线速度可达50gbps(2*4*6.25gbps＝50gbps)。

作为一种可实施方式，fpga选用xilinx公司的xc7z045芯片，pl和ps均含有ddr控制器，为了获得最大限度的缓存空间，pl端ddr采用2颗板贴ddr3，总容量1gb；ps端ddr采用4颗板贴ddr3，总容量2g。板载spiflash的容量及规格选用32mbqspiflash。ratd模块由8块msata盘组成，每块msata容量为1tb。fpgapl端采用sataip核以sata3.0协议与msata互联，使用raid0模式时可提供8tb(1tbx8＝8tb)的存储空间。实际应用中，如图2所示，该大容量存储刀片基于vpx架构，采用标准6u尺寸规格，233.35mmx160mm。

本发明实施例提供的基于fpga和raid技术的大容量存储刀片，采用fpga作为raid控制器及应用管理处理器替代了传统的x86处理器外挂raid阵列卡+srio控制器的方式，raid模块采用msata固态盘方式，较通常的2.5英寸ssd可节省大量空间，使得单板集成更多存储盘成为可能，有效节约了pcb布局空间并减少了pcb设计难度。并且，单fpga解决方案拥有更低的功耗(低于10瓦)，相较于传统方式产生几十瓦的功耗(一般功耗高于25瓦)，可以使得该大容量存储刀片在无风扇的环境下运行。

在上述实施例的基础上，为了方便存储日志文件及其他用户文件，所述ps端通过sdio接口外接有板载emmc颗粒。所述pl端通过两路sriox4接口连接所述vpx连接器，经由所述vpx连接器与第三方设备互联。所述fpga模块还通过第一路rgmii接口与第一88e1512芯片互联，所述第一88e1512芯片连接所述vpx连接器，经由所述vpx连接器对外提供serdes网络；以及通过第二路rgmii接口与第二88e1512芯片互联，所述第二88e1512芯片连接rj45连接器，经由所述rj45连接器对外提供mdi网络。

具体地，本实施例中的大容量存储刀片可对外提供远程千兆配置管理网络，一路由fgpa通过rgmii与88e1522互联经由vpx连接器对外提供1路千兆serdes网络；一路由fpga通过rgmii与88e1522互联经由前面板rj4连机器对外提供一路千兆mdi网络(1000base-t)。板载emmc颗粒的容量大小64g。

在上述各实施例的基础上，该大容量存储刀片还包括：板级健康管理控制器，用于实时获取所述存储刀片的功耗和温度。

具体地，所述板级健康管理控制器采用gd32单片机，功耗和温度等健康信息可通过前面板的rj45连接器提供的百兆以太网获取。

在上述各实施例的基础上，该大容量存储刀片还包括：供电模块，所述供电模块连接所述vpx连接器，通过所述vpx连接器接入直流12v电压；所述供电模块包括直流降压电源和ldo模块，用于输出各模块所需电压。

具体地，如图3所示，vpx连接器接入直流12v电压后，分别通过直流降压电源和ldo模块依次生成+3.3v_sb、+1.0v、+1.8v、+1.2v、+3.3v、+2.0v、+1.5v、+0.75v。直流降压电源和ldo模块包括：tlv62130芯片、lmz31520电源模块、tps53319芯片和isl80103稳压器芯片。

如图4所示，基于上述各实施例提供的大容量存储刀片，本发明实施例还提供一种数据存储方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：将用户数据通过vpx连接器经由srio接口进入fpga模块的pl端；

步骤2：采用dma方式将所述用户数据暂存至ddr3存储器中；

步骤3：从所述ddr3存储器中取出所述用户数据，并采用raid0方式将所述用户数据写入raid模块的msata固态硬盘中。

具体地，存储数据流向为vpx连接器-fpga(pl)-ddr3-fpga(pl)-msata。用户数据通过vpx连接器经由srio总线进入fpga的pl部分，通过dma的方式直接将数据暂存在ddr3存储器上，然后raid控制从ddr3中取出数据以raid0的方式将数据写入8片msata中。通过fpga的ps端对数据存储中的各步骤进行控制，文件系统部署在fpga的ps端，用户可以直接通过千兆以太网(前面板的1000base-t或者后出vpx的serdes)对存储的数据进行管理及索引。

对应上述实施例的数据存储方法，本发明实施例还提供一种数据读取方法，该方法以下步骤：

步骤1：采用raid0方式从raid模块的msata固态硬盘中取出用户数据；

步骤2：将所述用户数据采用dma方式暂存至ddr3存储器中；

步骤3：将所述用户数据从ddr3存储器中取出进入fpga模块的pl端，再通过srio接口经由vpx连接器读取所述用户数据。

具体地，本发明实施例提供的数据读取方法实质上即为上述存储方法的逆过程。通过fpga的ps端对数据读取中的各步骤进行控制，文件系统部署在fpga的ps端，用户可以直接通过千兆以太网(前面板的1000base-t或者后出vpx的serdes)对存储的数据进行管理及索引。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。