一种arm平台下高速读写与大容量存储系统及其工作方法
【专利摘要】本发明公开了一种ARM平台下高速读写与大容量存储系统及其工作方法，包括多路分发主电路、串口服务电路和多个SATA硬盘，串口服务电路连接多路分发主电路；所述分发主电路有一个基于ARM架构的中央处理器；所述中央处理器包括有PCIE、SATA、RGM接口电路；所述PCIE接口电路通过一个PCIE转SATA桥接电路连接两个SATA硬盘，所述SATA接口电路通过一个SATA扩展电路连接两个SATA硬盘。本发明解决了ARM架构下不能接入多块硬盘实现大容量存储的问题；系统完全适用于CDN网络的“边缘”服务，它的性能与X86服务器完全一样，在同等容量下，成本比X86服务器低70%、功耗低80%、体积小50%。
【专利说明】一种ARM平台下高速读写与大容量存储系统及其工作方法【技术领域】
[0001]本发明涉及数据网络传输，特别涉及一种ARM平台下高速读写与大容量存储系统及其工作方法，是一种利用低功耗的ARM架构中央处理器完成X86架构功能实现的内容分发网络系统及其工作方法，是一种低功耗高性能的内容分发网络系统及其工作方法。
【背景技术】
[0002]CDN的全称是Content Delivery Network,即内容分发网络。其目的是通过在现有的Internet中增加一层新的网络架构，将网站的内容发布到最接近用户的网络“边缘”，使用户可以就近取得所需的内容，解决Internet网络拥塞状况，提高用户访问网站内容的响应速度。CDN分发服务器，是电脑终端通过增加的一层新的网络架构中用来加速用户访问内容的设备，即“边缘”服务器设备，这种“边缘”设备在CDN网络中使用的数量是巨大的，一般情况下I台CDN服务器，可支持流媒体、动静态网页、文件下载等多种文件格式，在拥有足够带宽保证时，最多可供1000-3000个用户同时访问。
[0003]传统的⑶N服务器硬件组成一般是由X86架构的2-4颗INTEL的CPU、32G内存、通过阵列联接的多块硬盘、多路千兆网卡或一块万兆网卡组成，这种配制的服务器可以用于多种类的软件服务，但是做为CDN服务，就只能作为CDN分发功能使用，不能再应用于其它软件服务，这样在一个CDN网络中，拥有大量的高配置的服务器极大的浪费了服务器的硬件资源，使用如此CDN网络的建设成本也非常之高、而且这种服务器的能耗也非常高、体积较大；不适合当今社会提倡的节能减排的要求，也不适合企业经营的低成本要求，由于X86服务器的散热量和软件的复杂，对服务器的维护最也是非常频繁，给CDN网络的运营也带来了巨大的压力。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提出一种ARM平台下高速读写与大容量存储系统及其工作方法，是由4组分发主电路和I组串口服务电路组成，每组分发主电路连接4块大容量硬盘；1组串口服务板连接4组分发主电路，整机具有48T的存储能力，4G的网络接入能力，在IMB流媒体的请求下，能达到2000人并发访问的能力。
[0005]为了实现上述目的，本发明的技术方案是:
一种ARM平台下高速读写与大容量存储系统，包括电源模块和与电源模块连接的多组分发主电路、串口服务电路和多个SATA硬盘，串口服务电路连接多组分发主电路；其中，所述分发主电路包括一个基于ARM架构的中央处理器；所述中央处理器包括有PCIE系列接口电路和SATA系列接口电路以及RGM系列接口电路；所述PCIE系列接口电路通过一个PCIE转SATA桥接电路连接至少两个SATA硬盘，所述SATA系列接口电路通过一个SATA扩展电路连接至少两个SATA硬盘，所述RGM系列接口电路经网络PHY与互联网连接。
[0006]进一步是:所述RGM系列接口通过一个千兆网口经网络PHY与互联网连接。
[0007]进一步是:所述内容分发网络系统包括4组分发主电路和I组串口服务电路，I组串口服务电路通过四路接口分别连接4组分发主电路。
[0008]进一步是:所述PCIE系列接口电路是PCIE-1I接口电路，所述SATA系列接口电路是SATA-1I接口电路，所述RGM系列接口是RGM-1I接口电路，所述PCIE-1I接口电路和SATA-1I接口电路各自分别连接两个SATA硬盘，所述SATA硬盘的容量为4T容量硬盘。
[0009]进一步是:所述多路分发主电路和电源模块之间设置有电源控制模块，电源模块通过电源控制模块分别向多路分发主电路中的各个分发主电路分配电源连接，串口服务电路设置有一个控制接口，所述控制接口连接电源控制模块的控制输入口，所述串口服务电路经互联网与一个远程控制终端连接。
[0010]进一步是:所述串口服务电路是基于ARM926EJ-S核的ARM9处理器，ARM9处理器CPU的频率为400MHz，采用的是128MB DDR2 SDRAM内存。
[0011]一种ARM平台下高速读写与大容量存储工作方法，是基于上述ARM架构下的内容分发网络系统的工作方法，首先ARM平台CPU的DMA通道通过千兆网卡连接数据传输网络，(PU将数据经所述DMA通道通过千兆网卡与网络用户进行交换，所述方法包括大容量硬盘文件管理和高速数据读写，其特征在于，所述大容量硬盘文件管理的步骤是:
第一步:利用LINUX系统下的卷管理把多块硬盘识别成一个卷，并生成文件列表模块，文件列表模块中的文件列表包含卷中的存储硬盘分配信息；
第二步:当用户通过文件地址连接到互联网上的内容分发网络系统，并向内容分发网络系统发出文件内容请求时，系统的网口将请求送入系统CPU，系统CPU将文件通过内存中的文件列表模块找到相应的存储硬盘，然后通过系统CPU的指令将硬盘里的内容读到内存中，再由内存通过网口提供给用户；
所述高速数据读写步骤包括ARM平台CPU的PCIE-1I接口数据读写步骤和ARM平台CPU的SATA-1I接口数据读写步骤:
所述ARM平台CPU的PC1-E2.0接口数据读写步骤是:系统CPU接收到用户的数据交换请求，CPU判断数据是否与PCIE-1I接口连接的硬盘有关联，如果有关联，则PCIE-1I接口将数据通过一个桥接芯片通道分别以每秒6GB传输速度与每一块与PCIE-1I接口连接的硬盘进行数据交换，如果没有关联则转入对SATA-1I接口连接硬盘的判断；
所述ARM平台CPU的SATA-1I接口数据读写步骤是:系统CPU接收到用户的数据交换请求，CPU判断数据是否与SATA-1I接口连接的硬盘有关联，如果有关联，则SATA-1I接口直接以每秒6GB传输速度与每一块与SATA-1I接口连接的硬盘进行数据交换，如果没有关联则转入对PCIE-1I接口连接硬盘的判断。
[0012]进一步是:所述方法进一步包括分发主电路安全管理，所述分发主电路安全管理的步骤是:
第一步:实时的监测分发主电路工作是否正常，即:在CPU中设置工作正常识别标志，一个远程控制终端通过互联网实时的访问分发主电路CPU的识别标志；
第二步:当出现分发主电路工作不正常时，切断出现故障分发主电路的电源，并发出报
警信号。
[0013]进一步是:所述识别标志包括硬盘出错信息。
[0014]本发明解决了 ARM架构下不能接入多块硬盘实现大容量存储的问题；解决了利用不同数据通道高速读写硬盘数据的问题；充分利用了 CPU、内存、硬盘、网络接口的资源，使它们达到了统一快速的调用能力，发挥了最大效能；把多块CDN主板集合应用，通过串口服务电路管理多块主板，具有远程管理能力和远程断上电功能，节约维护成本；其体积只有标准机架的宽度、2U的高度、50CM长度；这发明服务器完全适用于CDN网络的“边缘”服务，它的性能与X86完全一样，在同等容量下，成本比X86服务器低70%、功耗低80%、体积小50%。
[0015]下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明系统结构框图；
图2为本发明分发主电路围绕中央处理器的硬盘连接示意图；
图3为本发明电源控制结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]一种ARM平台下高速读写与大容量存储系统，参见图1，所述系统包括电源模块和与电源模块连接的多组分发主电路1、串口服务电路2和多个SATA硬盘3，串口服务电路连接多组分发主电路；其中，参见图2，所述分发主电路包括一个基于ARM架构的中央处理器1-1 ;围绕ARM架构的中央处理器有主振芯片、晶振以及相配套电阻电容电路，所述中央处理器包括有PCIE系列接口电路和SATA系列接口电路以及RGM系列接口电路；所述PCIE系列接口电路通过一个PCIE转SATA桥接电路1-2连接至少两个SATA硬盘，所述SATA系列接口电路通过一个SATA扩展电路1-3连接至少两个SATA硬盘，所述RGM系列接口电路经网络PHY芯片1-4由RJ45接口与互联网连接。
[0018]实施例中:所述RGM系列接口通过一个千兆网口经网络PHY与互联网连接。
[0019]实施例中:如图2所示，所述内容分发网络系统包括4组分发主电路和I组串口服务电路，I组串口服务电路通过四路接口分别连接4组分发主电路。
[0020]实施例中:所述PCIE系列接口电路是PCIE-1I接口电路，所述SATA系列接口电路是SATA-1I接口电路，所述RGM系列接口是RGM-1I接口电路，所述4组分发主电路各自分别连接四个SATA硬盘，所述PCIE-1I接口电路和SATA-1I接口电路各自分别连接两个SATA硬盘，所述SATA硬盘的容量为4T容量硬盘。
[0021 ] 实施例中:如图3所示，所述多路分发主电路和电源模块4之间设置有电源控制模块5，电源通过电源控制模块分别向多路分发主电路中的各个分发主电路分配电源连接，串口服务电路设置有一个控制接口，所述控制接口连接电源控制模块的控制输入口，所述串口服务电路经互联网与一个远程控制终端6连接。
[0022]实施例中:所述串口服务电路是基于ARM926EJ-S核的ARM9处理器，ARM9处理器CPU的频率为400MHz，采用的是128MB DDR2 SDRAM内存。
[0023]实施例中的ARM架构的中央处理器可以使用型号为TMS320DM8168的芯片，该芯片带有PCIE-1I接口电路和SATA-1I接口电路。
[0024]做CDN设备时，需要大容量的存储空间，同时需要高速的数据读取速度来满足用户的数据请求。为了满足以上两点:空间大，数据读写速度快，通常ARM平台上实现多路SATA接口是通过USB 2.0信号来转接的，如果采用USB转SATA方案，因为USB2.0的最快速度只有480MB/S，并不能满足用户的快速数据传输要求。本实施例选用了带PCIE接口和SATA-1I接口的基于ARM的CPU，PCIE的速度最快可以达到6Gb/s，SATA II的速度可以达到6Gb/s，扩大容量可以用PCIE的桥接芯片来外扩SATA接口，同时把SATA-1I的接口通过SATA信号连接SATA接口扩展芯片扩展出2个SATA’这样一个ARM的CPU就可以外接4个硬盘。实现了大容量，同时高速传输数据的要求。同时也解决了硬盘传输速度的瓶颈。为了满足用户大数据量和快速的访问，网络部分采用的是标准千兆网口，网络PHY和MAC之间的接口采用的是RGMII接口。
[0025]本实施例的内存模块:
采用的内存总线是DDR3接口、64位带宽，速度可以达到1066MHz，内存容量是2GB，能很好的加快设备的吞吐速度。
[0026]本实施例的网络模块:
设备通过一个千兆网口连接到internet网络，千兆网口通过以太网PHY芯片和CPU对接，以太网PHY芯片定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码等，并向CPU提供了标准的RGMII接口，完成和CPU的电信号对接，这样就完成了 CPU和internet的连接。
[0027]本实施例的SATA接口:
系统CPU通过PCIE-1I信号连接桥接芯片外扩两个标准的SATA-1I接口，扩大了设备的存储空间，也能满足用户快速的读取相关数据。同时CPU通过SATA-1I信号连接扩展芯片外扩2个标准的SATA-1I接口。这样单个ARM平台的CPU设备就能同时连接4个SATA硬盘。增加了数据的存储空间。
[0028]本实施例的电源模块:
设备采用的是直流5V电源供电，通过DC-DC转换器输出需要的电源信号。本设计可以通过拨动开关来切断设备的供电，还可以通过串口服务电路对设备执行远程断电和上电。当CDN设备发生短路时，设备可以自动地进入到短路保护状态，减少了因短路引起的一些列问题。
[0029]本实施例的设备外围接口:
设备包含=HDMI接口 I个，USB HOST接口 2个，设备运行指示灯等。HDMI接口能直观的显示设备的运行状态，也方便产品的配置和维护。USB接口可以外接鼠标、键盘、U盘等常用的USB设备。
[0030]本实施例的串口服务电路:
串口服务电路也是基于ARM926EJ-S核的ARM9处理器，CPU的最高频率达到400MHz，采用的是128MB DDR2 SDRAM内存。
[0031]串口服务电路是基于TCP/IP的串口数据流传输成为了可能，它能将多个串口设备连接并能将串口数据流进行选择和处理，把现有的RS232接口的数据转化成IP端口的数据，然后进行IP化的管理，IP化的数据存取，这样就能将传统的串行数据送上流行的IP通道，而无需过早淘汰原有的设备，从而提高了设备的利用率，节约了投资。利用串口服务电路实现了控制管理硬件设备，无需投资大量的人力、物力来进行管理、更换或者升级。
[0032]本实施例结合串口服务电路优点，并在这个基础上做了进一步的开发，更好的控制和管理⑶N设备，此串口服务电路不仅能收集和配置⑶N设备，还可以远程控制⑶N设备的电源供电，控制CDN设备的启动方式，这些在之前的CDN设备中都是没有的。[0033]为了让设备的性能更好，工作更稳定，本实施例在机电和结构方便都做了很大的改进。设备供电是标准服务器双电源供电，保证了设备电源的稳定。硬盘和CDN设备是独立供电，这样保证了 CDN设备和硬盘的更换时互不影响。同时采用4个风扇来给设备散热。硬盘板背板和主板背板之间采用的是标准MINI SAS连接线。保证了高速SATA II的传输速度。同时⑶N主板和背板的连接采用的也是标准的高速连接器(CPCI，传输吞吐量为10G)来保证设备的性能和设备传输数据的稳定性。同时为了缩短主板背板和硬盘背板之间连接线，我们特意在风扇之间做了改进，方便走线，缩短走线的长度。使得电源线远离SATA信号。减少了 SATA信号的外部干扰。
[0034]实施例2:
一种ARM平台下高速读写与大容量存储工作方法，是基于实施例1所述ARM平台下高速读写与大容量存储系统的工作方法，实施例1的内容应为本实施例的内容，所述方法包括利用PCIE-1I接口和SATA-1I接口进行数据传递的步骤和硬盘文件管理的步骤，其中，所述硬盘文件管理的步骤是:一种ARM平台下高速读写与大容量存储工作方法，是基于实施例I所述ARM平台下高速读写与大容量存储系统的工作方法，实施例1的内容应为本实施例的内容，所述方法利用PCIE-1I接口和SATA-1I接口实现高速数据传递，首先ARM平台CPU的DMA通道通过千兆网卡连接数据传输网络，CPU将数据经所述DMA通道通过千兆网卡与网络用户进行交换，所述方法包括大容量硬盘文件管理和高速数据读写，所述大容量硬盘文件管理的步骤是:
第一步:利用LINUX系统下的卷管理把多块硬盘识别成一个卷，并生成文件列表模块，文件列表模块中的文件列表包含卷中的存储硬盘分配信息；
第二步:当用户通过文件地址连接到互联网上的内容分发网络系统，并向内容分发网络系统发出文件内容请求时，系统的网口将请求送入系统CPU，系统CPU将文件通过内存中的文件列表模块找到相应的存储硬盘，然后通过系统CPU的指令将硬盘里的内容读到内存中，再由内存通过网口提供给用户；
所述高速数据读写步骤包括ARM平台CPU的PCIE-1I接口数据读写步骤和ARM平台CPU的SATA-1I接口数据读写步骤:
所述ARM平台CPU的PC1-E2.0接口数据读写步骤是:系统CPU接收到用户的数据交换请求，CPU判断数据是否与PCIE-1I接口连接的硬盘有关联，如果有关联，则PCIE-1I接口将数据通过一个桥接芯片通道分别以每秒6GB传输速度与每一块与PCIE-1I接口连接的硬盘进行数据交换，如果没有关联则转入对SATA-1I接口连接硬盘的判断；
所述ARM平台CPU的SATA-1I接口数据读写步骤是:系统CPU接收到用户的数据交换请求，CPU判断数据是否与SATA-1I接口连接的硬盘有关联，如果有关联，则SATA-1I接口直接以每秒6GB传输速度与每一块与SATA-1I接口连接的硬盘进行数据交换，如果没有关联则转入对PCIE-1I接口连接硬盘的判断。
[0035]实施例中:所述方法进一步包括分发主电路安全管理，所述分发主电路安全管理的步骤是:
第一步:实时的监测分发主电路工作是否正常，即:在分发主电路CPU中设置工作正常识别标志，一个远程控制终端通过互联网实时的访问分发主电路CPU的识别标志；
第二步:当出现分发主电路工作不正常时，切断出现故障分发主电路的电源，并发出报警信号。
[0036]实施例中:所述识别标志包括硬盘出错信息。
[0037]实施例中:所述的利用PCIE-1I接口和SATA-1I接口进行数据传递是一种成熟的技术，在PCIE-1I接口和SATA-1I接口的技术规范中。
[0038]对于所述方法的进一步的说明是:分发原理是由下列几个模块完成:
用户请求:用户通过文件地址连接到互联网上的⑶N服务器，⑶N服务器的网口将请求送入CPU，CPU将文件通过内存中的文件列表模块找到相应的存储硬盘，然后通过CPU的指令将硬盘里的内容读到内存中，在由内存通过网口提供给用户。
[0039]硬盘管理:ARM架构的服务系统不具备多硬盘处理能力，但是⑶N服务的主要功能是末端大容量存储和高速读写能力，其瓶颈是硬盘读取速度，单块硬盘每秒最大读取速度160MB，即IMB/秒码流的文件的读取处理能力最多可达到100-120并发数，再多就会出现丢包或读取速度缓慢等情况。本实施例的⑶N服务器的硬盘管理首先通过PC1-E(ARM架构下的可达到6G/秒的传输速度)的通道利用桥接芯片转出2个SATA II 2.0硬盘接口，2块硬盘，可以独立运行，通过PC1-E通道可以并发250-300MB流量，S卩200-250路IMB码流的并发能力，再通过SATA(SATA接口具有6G/秒的传输速度)接口利用桥接芯片转出2个SATA II
2.0硬盘接口，同上接口 一样2块硬盘，可以独立运行，通过SATA通道可以并发250-300MB流量，即200-250路IMB码流的并发能力，这样就可以完全发挥硬盘的效能。
[0040]系统软件:CDN服务器采用KERNEL为2.6.35版本的LINUX操作系统，利用LINUX系统下的卷管理功能把所有硬盘识别成一个卷，把每块硬盘中存储的目录读到内存中，这样可以快速的查找硬盘内容，由CPU控制每个请求到相应的硬盘上。
[0041]刀片管理:ARM架构的服务器由于功耗较低，所以性能较弱。这样要实现一个高性能的服务就需要多块主板共同发挥效能，完成一项任务。我们将4块ARM架构的CDN分发主板连接到一个主机背板上，可提供冗余电源保证和4路千兆网口输入输出数据，并对每块主板连接的硬盘资源统一调度，把每个主板内存中的硬盘目录文件复制到其他主板中，实现了大容量的存储和快速的调用硬盘内容。
【权利要求】
1.一种ARM平台下高速读写与大容量存储系统，包括电源模块和与电源模块连接的多组路分发主电路、串口服务电路和多个SATA硬盘，其特征在于，所述串口服务电路连接多组分发主电路；所述分发主电路包括一个基于ARM架构的中央处理器；所述中央处理器包括有PCIE系列接口电路和SATA系列接口电路以及RGM系列接口电路；所述PCIE系列接口电路通过一个PCIE转SATA桥接电路连接至少两个SATA硬盘，所述SATA系列接口电路通过一个SATA扩展电路连接至少两个SATA硬盘，所述RGM系列接口电路经网络PHY与互联网连接。
2.根据权利要求1所述的一种ARM架构下的内容分发网络系统，其特征在 于，所述RGM系列接口通过一个千兆网口经网络PHY与互联网连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种ARM架构下的内容分发网络系统，其特征在于，所述内容分发网络系统包括4组分发主电路和I组串口服务电路，I组串口服务电路通过四路接口分别连接4组分发主电路。
4.根据权利要求3所述的一种ARM架构下的内容分发网络系统，其特征在 于，所述PCIE系列接口电路是PCIE-1I接口电路，所述SATA系列接口电路是SATA-1I接口电路，所述RGM系列接口是RGM-1I接口电路，所述PCIE-1I接口电路和SATA-1I接口电路各自分别连接两个SATA硬盘，所述SATA硬盘的容量为4T容量硬盘。
5.根据权利要求4所述的一种ARM架构下的内容分发网络系统，其特征在 于，所述多路分发主电路和电源模块之间设置有电源控制模块，电源模块通过电源控制模块分别向多路分 发主电路中的各个分发主电路分配电源连接，串口服务电路设置有一个控制接口，所述控制接口连接电源控制模块的控制输入口，所述串口服务电路经互联网与一个远程控制终端连接。
6.根据权利要求4或5所述的一种ARM架构下的内容分发网络系统，其特 征在于，所述串口服务电路是基于ARM926EJ-S核的ARM9处理器，ARM9处理器CPU的频率为400MHz，采用的是128MB DDR2 SDRAM内存。
7.—种ARM平台下高速读写与大容量存储工作方法，是基于权利要求1所述ARM平台下高速读写与大容量存储系统的工作方法，首先ARM平台CPU的DMA通道通过千兆网卡连接数据传输网络，(PU将数据经所述DMA通道通过千兆网卡与网络用户进行交换，所述方法包括大容量硬盘文件管理和高速数据读写，其特征在于，所述大容量硬盘文件管理的步骤是: 第一步:利用LINUX系统下的卷管理把多块硬盘识别成一个卷，并生成文件列表模块，文件列表模块中的文件列表包含卷中的存储硬盘分配信息； 第二步:当用户通过文件地址连接到互联网上的内容分发网络系统，并向内容分发网络系统发出文件内容请求时，系统的网口将请求送入系统CPU，系统CPU将文件通过内存中的文件列表模块找到相应的存储硬盘，然后通过系统CPU的指令将硬盘里的内容读到内存中，再由内存通过网口提供给用户； 所述高速数据读写步骤包括ARM平台CPU的PCIE-1I接口数据读写步骤和ARM平台CPU的SATA-1I接口数据读写步骤: 所述ARM平台CPU的PC1-E2.0接口数据读写步骤是:系统CPU接收到用户的数据交换请求，CPU判断数据是否与PCIE-1I接口连接的硬盘有关联，如果有关联，则PCIE-1I接口将数据通过一个桥接芯片通道分别以每秒6GB传输速度与每一块与PCIE-1I接口连接的硬盘进行数据交换，如果没有关联则转入对SATA-1I接口连接硬盘的判断； 所述ARM平台CPU的SATA-1I接口数据读写步骤是:系统CPU接收到用户的数据交换请求，CPU判断数据是否与SATA-1I接口连接的硬盘有关联，如果有关联，则SATA-1I接口直接以每秒6GB传输速度与每一块与SATA-1I接口连接的硬盘进行数据交换，如果没有关联则转入对PCIE-1I接口连接硬盘的判断。
8.根据权利要求7所述的一种ARM架构下的内容分发网络工作方法，其特征在于，所述方法进一步包括分发主电路安全管理，所述分发主电路安全管理的步骤是: 第一步:实时的监测分发主电路工作是否正常，即:在CPU中设置工作正常识别标志，一个远程控制终端通过互联网实时的访问分发主电路CPU的识别标志； 第二步:当出现分发主电路工作不正常时，切断出现故障分发主电路的电源，并发出报警信号。
9.根据权利要求8所述的一种ARM架构下的内容分发网络工作方法，其特征在于，所述识别标志包括硬盘出错信 息。
【文档编号】H04L29/08GK103942013SQ201410159596
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月21日 优先权日:2014年4月21日
【发明者】马骁 申请人:北京网视通联科技有限公司