存儲(chǔ)方案論證報(bào)告1

1、第一章需求分析1.1項(xiàng)目背景傳統(tǒng)意義上的機(jī)械硬盤在惡劣環(huán)境（強(qiáng)顛簸，強(qiáng)沖擊，高速移動(dòng)，傾斜等） 下很顯然是不能正常工作的。隨著固態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，基于FLASH單元的固態(tài) 存儲(chǔ)技術(shù)可以有效彌補(bǔ)機(jī)械硬盤的劣勢(shì)。在本項(xiàng)目中，存儲(chǔ)設(shè)備工作在復(fù)雜的工 作環(huán)境下，因此我們有必要采用固態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的存儲(chǔ)。1.2需求分析根據(jù)CameraLink圖像記錄器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案報(bào)告要求，項(xiàng)目需要自行設(shè)計(jì) 一套存儲(chǔ)設(shè)備。該記錄器完成以下功能：存儲(chǔ)容量2TB；板卡類型：VPX6U板卡子卡形式；接口協(xié)議：SATA2.0；接口數(shù)量：4路；存儲(chǔ)容量：512GB；VPX6U板卡的幾何尺寸為233.4mm*220mm，對(duì)于

2、本記錄器而言，印制板尺 寸為232mm*160mm，板卡提供四個(gè)接口 P0,P1,P2,P3，記錄器通過P0 口輸入5V 電源，通過P2 口與主機(jī)建立數(shù)據(jù)傳輸連接。該套存儲(chǔ)設(shè)備的研發(fā)所要解決的問題具體可以分為以下幾個(gè)方面：1，存儲(chǔ)速度的要求對(duì)硬盤的讀寫操作速度要求達(dá)到200MB/S （約1.6Gbps），目前市場(chǎng) 上的固態(tài)硬盤多為SATA接口，SATA2.0的傳輸速度為3Gbps，因此，常規(guī) 的支持SATA2.0協(xié)議的固態(tài)硬盤都可以達(dá)到此要求。2，存儲(chǔ)容量的要求存儲(chǔ)設(shè)備需要存儲(chǔ)2T的數(shù)據(jù)，目前市場(chǎng)上的固態(tài)硬盤多為256GB， 128G，然而512GB的固態(tài)硬盤并不多見。根據(jù)CameraLink

3、圖像記錄器 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案報(bào)告所提供的方案，采用4塊512GB的固態(tài)硬盤構(gòu)建RAID 系統(tǒng)可以滿足此要求。3，硬盤控制器的要求硬盤的核心元件就是硬盤控制器，本項(xiàng)目中選用的硬盤控制器需支 持對(duì)512G硬盤的讀寫操作，并且對(duì)硬盤的讀寫速度至少達(dá)到200MB/S。 因此，硬盤控制器的讀寫速度能否達(dá)到該速度是本項(xiàng)目的最關(guān)鍵的因素。4，工作環(huán)境的要求固態(tài)硬盤采用FLASH芯片作為存儲(chǔ)介質(zhì)，抗沖擊，振動(dòng)，碰撞，即使 在高速移動(dòng)甚至傾斜的情況下也不會(huì)影響其工作，并且其讀寫速度也很快。 采用基于FLASH的固態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)可以滿足這個(gè)要求。對(duì)于本項(xiàng)目而言，能 否買到合適的FLASH也非常關(guān)鍵綜上所述，本項(xiàng)目的最終目

4、標(biāo)是設(shè)計(jì)一塊存儲(chǔ)容量達(dá)到 512GB的，支持 SATA2.0傳輸協(xié)議，并且硬盤主控芯片對(duì)硬盤的讀寫速度至少達(dá)到200MB/S的固 態(tài)硬盤。第二章研究目標(biāo)，內(nèi)容及技術(shù)指標(biāo)2.1研究目標(biāo)本記錄器一共集成了四塊硬盤，四塊硬盤的結(jié)構(gòu)完全相同，記錄器整體結(jié)構(gòu) 圖如圖1.1所示，記錄器的技術(shù)指標(biāo)如下：存儲(chǔ)容量：2TB；存儲(chǔ)速度：800MB/S；接口： SATA II；圖中的每一塊硬盤各自分別對(duì)應(yīng)一個(gè)SATA接口，四塊硬盤并行工作，從而 達(dá)到高達(dá)800MB/S以及2TB的存儲(chǔ)容量。這就要求每一塊硬盤的存儲(chǔ)速度均為 200MB/S，并且每一塊硬盤的存儲(chǔ)容量為512GB。因此，本項(xiàng)目的總體目標(biāo)就是 設(shè)計(jì)一塊存儲(chǔ)

5、容量為512GB，讀寫速度達(dá)到200MB/S的固態(tài)硬盤。2. 2研究?jī)?nèi)容每一塊固態(tài)硬盤主要由硬盤控制器，flash陣列，SATA接口，電源模塊，溫度 傳感器模塊，時(shí)鐘模塊，調(diào)試接口組成。固態(tài)硬盤硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1.2所示：曰圖1.2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖硬盤控制器是整個(gè)記錄器的核心元件，數(shù)管板通過SATA接口與記錄器做數(shù) 據(jù)交換，而硬盤控制器的作用就是可以將數(shù)管板發(fā)出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到FLASH陣列， 也可以從FLASH陣列中讀取數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)管板。SATA接口，數(shù)管板與硬盤控制器連接的一種方式，通過兩對(duì)高速差分線連 接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。FLASH陣列，存儲(chǔ)介質(zhì)，通過16片16GB的flash組合。電源模塊

6、，為硬盤控制器，F(xiàn)LASH陣列，溫度傳感器，供電。溫度傳感器，硬盤控制器通過讀取溫度傳感器的值，來判斷板子是否過熱。調(diào)試接口，通過串口，JTAG調(diào)試。復(fù)位，硬件上電復(fù)位，為硬盤控制器提供可靠的硬件上電復(fù)位。2.3技術(shù)指標(biāo)根據(jù)2.1節(jié)的介紹，硬盤的核心元件為硬盤控制器。為了縮短研發(fā)時(shí)間，本 設(shè)計(jì)擬采用市場(chǎng)上成熟的硬盤控制器及配套的存儲(chǔ)方案。根據(jù)需求分析所描述， 硬盤控制器的要求如下：寬溫；存儲(chǔ)容量：512GB,讀寫速度：不低于200MB/S。存儲(chǔ)協(xié)議：SATA II除硬盤控制器外，硬盤的另一個(gè)重要組成部分就是FLASH陣列，目前市場(chǎng)上 LFASH種類繁多，性能差異很大，由于一般的固態(tài)硬盤都集成了

7、 16片F(xiàn)LASH，因 此，本項(xiàng)目所需要的單片F(xiàn)LASH的要求如下：寬溫；存儲(chǔ)容量為32GB；第三章總體方案論證31存儲(chǔ)條件論證硬盤存儲(chǔ)速度主要受傳輸協(xié)議，硬盤控制器讀寫速度，F(xiàn)LASH類型，讀寫方 式等因素影響。下面就這幾個(gè)因素逐一討論。3.1.1傳輸協(xié)議隨著存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，硬盤的讀寫速度逐步上升.硬盤接口已經(jīng)從傳統(tǒng)的 PATA發(fā)展到了，入丁入目前市場(chǎng)上已經(jīng)很難見到PATA硬盤了，相較于PATA幾十 MB/S的傳輸速度，SATA1.0的存儲(chǔ)速度可以達(dá)到接近1.5Gbps，SATA2.0的存儲(chǔ)速 度可以達(dá)到3Gbps，而SATA3.0的的存儲(chǔ)速度已經(jīng)可以達(dá)到6Gbps。根據(jù)項(xiàng)目要 求，SATA

8、2.0協(xié)議即可滿足需求，并且市場(chǎng)上主流的硬盤都采用此接口。3.1.2硬盤控制器讀寫速度目前市場(chǎng)上最常見的硬盤控制器生產(chǎn)廠家主要有 SANDFORCE,INDILINX,JMICRON三家，這三個(gè)品牌的硬盤控制器各有特點(diǎn)，SANDFORCE生產(chǎn)的硬盤控制器對(duì)于數(shù)據(jù)庫類型的數(shù)據(jù)的讀寫速度可以達(dá)到 200MB/S以上，但是對(duì)于本項(xiàng)目的數(shù)據(jù)源文件的存儲(chǔ)速度缺降低到80MB/S；而 indilinx公司生產(chǎn)的硬盤控制器對(duì)于各種不同類型的數(shù)據(jù)文件其讀寫速度都是比 較穩(wěn)定的，其讀寫速度一般穩(wěn)定在140MB/S;至于 JMICRON公司生產(chǎn)的硬盤控制 器，由于其在工業(yè)上的應(yīng)用很少，因此不予考慮。3.1.3 F

9、LASH 類型目前SSD硬盤使用兩種形式的NAND閃存:單級(jí)單元(SLC)和多級(jí)單元(MLC)。 兩者之間的差額是每單元存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量，SLC每單元存儲(chǔ)1比特而MLC每單元存 儲(chǔ)2比特。關(guān)鍵在于, SLC和MLC占據(jù)了相同大小的芯片面積。因此，在同樣的 價(jià)格下，MLC可以有兩倍容量的效果。SLC和MLC閃存實(shí)際上使用了相同的晶體管，不同之處在于怎樣讀/寫這兩個(gè) 閃存。SLC只有兩個(gè)電壓符，因?yàn)樗挥袃蓚€(gè)狀態(tài)(0或1)。MLC卻有四個(gè)狀態(tài) (00，01，10，11)，因此需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間來訪問。下表很好的總結(jié)了 SLC 與MLC各自的優(yōu)缺點(diǎn)SLCMLCFeaturesBits per cell1

10、2 or morevoltage3.3v,1.Sv3.3vData bus width (bits)x8, x1 6x8ArchitectlirePlanes1 or 22Page size (bytes)21122112-4314Pages p已r block64128ReliabilityECC (per 512 bytes)1-bit4-bit or moreErasejPnjgrarri cyclesiLILIIjLILI1LI.ULILIPartial prugrarnminq times4PserfomianceRead25 us50 usProgram200-300 us600-

11、900 usErase1.5-2 ms3 ms從表格中可以看出，SLC的讀寫速度性能方面要優(yōu)于MLC，但是MLC在容量 方面要優(yōu)于SLC。3.1.4讀寫方式對(duì)硬盤的操作有順序讀寫以及隨機(jī)讀寫的區(qū)別，順序讀寫的速度要快于隨機(jī) 讀寫，對(duì)于本項(xiàng)目而言，主要還是以順序讀寫為主，因此我們所做的測(cè)試也是基 于順序讀寫的測(cè)試。3.1.5其他因素對(duì)于一塊硬盤而言，隨著使用時(shí)間的增加，其性能逐步下降，并且其格式化 之后的讀寫速度高于未格式化的讀寫速度。為了使本次測(cè)試能體現(xiàn)出硬盤的平均 讀寫速度水平，需要對(duì)硬盤執(zhí)行一次較長(zhǎng)時(shí)間的預(yù)處理操作，使硬盤寫滿數(shù)據(jù)， 這樣測(cè)試所得到的讀寫速度才能比較準(zhǔn)確的反應(yīng)硬盤的平均讀寫

12、速度。3.2存儲(chǔ)方案選擇依據(jù)及結(jié)果我們根據(jù)對(duì)IND山NX以及SANDFORCE兩家公司提供的主控芯片的性能的測(cè) 試結(jié)果來決定存儲(chǔ)方案。3.2.1 sandforce 主控方案SANDFORCE提供的存儲(chǔ)方案適合數(shù)據(jù)庫類型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，對(duì)于數(shù)據(jù)庫類型 的數(shù)據(jù)，其硬盤讀寫速度均可以達(dá)到200MB/S以上，但是SANDFORCE公司的主 控芯片的弊端在于，其為了提高硬盤的壽命而采用了數(shù)據(jù)壓縮的算法（通過將數(shù) 據(jù)量壓縮，從而減少對(duì)硬盤的讀寫次數(shù)，以此來提高硬盤的壽命），這樣面對(duì)不 容易壓縮的數(shù)據(jù)源，其讀寫速度驟降，通過使用IOMETER 2010對(duì)項(xiàng)目所需的數(shù)據(jù)源做測(cè)試，也驗(yàn)證了此缺陷，其讀寫速度遠(yuǎn)小于

13、200MB/S。而對(duì)于本項(xiàng)目而言，SSD存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)本身就是經(jīng)過壓縮后的圖像信息，因此， SANDFORCE的壓縮算法對(duì)于本項(xiàng)目的存儲(chǔ)速度的影響很大，通過使用IOMETER 2010軟件，當(dāng)使用本項(xiàng)目中所用到的圖片作為數(shù)據(jù)源時(shí)，所測(cè)得的讀寫速度不 足80MB/S.因此，SANDFORCE主控芯片方案是不滿足本項(xiàng)目需要的。3.2.2 INDILINX 主控+MLC FLASH 方案市面上的主流產(chǎn)品基本都是基于該方案的，對(duì)于不同的數(shù)據(jù)源，硬盤的讀寫 速度都可以達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的值（140MB/S左右）。但是，這個(gè)速度顯然是不能滿 足要求的。通過IOMETER 2010軟件對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)加載測(cè)試，INDILINX的主控芯片 的讀寫速度都維持在穩(wěn)定的速度，可見，INDILINX的穩(wěn)定性非常好。3.2.3 INDILINX 主控+SLC FLASH 方案實(shí)憶公司提供的存儲(chǔ)方案（采用特殊型號(hào)的SLC FLASH）可以解決此問題， 其存儲(chǔ)速度可以滿足本項(xiàng)目要求，通過使用IOMETER 2010對(duì)項(xiàng)目所需的數(shù)據(jù)源 做測(cè)試，其讀寫速