高速数据同步存储系统设计
高效数据存储和访问的方案设计
高效数据存储和访问的方案设计随着互联网的高速发展，数据量飞速增长。
在这个信息化的时代，数据已经成为了企业最重要的资产之一。
然而，为了更好地管理和利用这些海量数据，高效数据存储和访问的方案不可或缺。
一、数据存储的基本要求首先，从数据存储的角度出发，高效数据存储和访问的方案需要满足以下的基本要求：1、空间高效。
数据存储空间应能得到更好的利用。
这可以通过压缩算法来达到。
2、时间高效。
数据读取速度尽可能的快，在不影响精度的前提下进行算法简化来提高读写速度。
3、可靠性高。
数据存储时候需要灾备设计，再次论及故障恢复问题必须考虑多个备份设备采取多重保障措施，保证数据的可靠存储。
4、易于扩展。
随着市场的变化和企业的需求，数据量也会不断增长。
方案设计应当水平扩展，能够顺利的满足数据增长的需求。
5、数据可读性强。
存储数据时必须清晰的定义数据的格式，以方便访问。
数据读写界面友好与否直接影响着用户体验感。
二、数据访问的基本要求从数据访问的角度出发，高效数据存储和访问的方案需要满足以下的基本要求：1、读写性能高。
需要支持高并发并且保证系统的高可用性。
2、查询性能高。
支持更丰富、更复杂的查询功能，提供更准确的搜索结果。
3、高可扩展性。
数据存储方案在面对数据量增长时需能够满足系统的快速扩展性需求。
4、方便API接口。
提供简洁的API方便外部接口调用。
5、数据权限控制。
设计时涉及到数据存储的权限控制，要避免数据泄露，保障数据的机密性和安全性。
三、方案设计在以上的基本要求的基础上，一个高效的数据存储和访问的方案设计还需要考虑以下三个方面：1、高效数据存储的算法设计为了使空间利用率更高，可以在存储的时候进行数据的压缩。
利用数据的特性如稀疏性、周期性等，进行采样和数据去重。
为提高存储效率，可以采用分布式解决方案，将不同的数据进行分片存储。
利用负载均衡集群快速读写。
在数据量增长时，还可以采用自我平衡分配方案，解决数据的分布不均匀。
2、高效数据访问的算法设计在多个模块协作的系统中，设计合适的调度算法是必须的。
基于SOPC的大容量高速数据存储系统设计
２２存储 速度提高 ．
对单 片 Ｆａ 进行 写操 作时 ，编程时 间将 消耗大部分 ｌｓ ｈ 存储过程的时间 ，而且不能进行 连续 存储 。因此必须采取
图１系统框 图
２口１ ． １７
Ｔ ｓ ｅ ｔＴＯｏｌ Ｓ＆ Ｓｏ ｕｔｏ ｌ ｉｎ
一
定的技术措施 。
的同一块 会被 系统视 为坏块 处理 。系统 初始 化时会 完成
１ １ 存储模块 ２．
存储 模块分为 ４ 存储 组 ，每组 由 ４ Ｆ ｓ 存储芯 个 片ｌ ｈ ａ
片组成。Ｆ ｓ选用 ８ ｌ ｈ ａ 位数据总线， 片 Ｆ ｈ ４ ｌ 并行接在存储 ｓ ａ
模块 ３ 位总线上 ， ２ 共用相同的地址和控制信号 ，从而实现
—
重复编程和擦除、具有抗震动和冲击、温度适应范围宽等
ｈｏ Ｏ ａ ｈ ｅ ｅ —ｔｍ ｅｄａａｏｎ ａｌｒ ｅｎｕ ｂｅ ｆｈｉｈ—ｓ ｅ ｄ ｓｏ ａ ｅｔ ｃ ｗ ｔ ｃ ｉｖｅｒ ａ ｉ ｔ ａ ｇ ｍ ｌ ｒｏ ｇ ｐ ｅ ｔ ｒ ｇ Ｏ ｂｅ ｏｍ ｅｈｏｔ Ｔｈｉ ｐａ ｒｐｒｓ ｎｔ ｅ ｌｚ ｔｏ ． ｓ ｐｅ ｅｅ ｓａｒ ａｉａｉ ｎ ｏｆｌｒ ａ ｃｔ ｇ ｓ ｅ ｔ ａ ｙｓｅ ．Ｓｔ ａ ｒ ａ ｉ ａ ４ ４ ｓｏｒ ｇ ｒａ ｏ ｐｏｓｄ ＡＮ Ｄ ｌｓ ｅ ｏｒ ａｇｅ ｃ ｐａ ｉｙ ｈｉｈ ｐｅ ｄ ｓｏｒｇｅ ｓ ｔｍ ｏｒｇｅ ａ ｅ ｓ Ｘ ｔ ａ ｅ ａ ｒｙｓｃ ｍ ｅ ｏｆＮ Ｆ ａｈ ｍ ｍ ｙ ｃ ｐ ，ａ ｈ ａ ｒｅ ｈｅＳＯ ＰＣ，ＦＰＧ Ａ ｅ ｏｒ ｏ ｒ ｌｓ ｔ ｍ ｓｔ ｏ ｅ． ｃ ｏｒ ｉ ｇ ｔ ｔ ｃｕｒｌｃ ｒｃ ｅｉｔｃ ｈｉｓ ｓｔ ｅ ｃ ｒｉｒｏｆｔ ｍ ｍ ｙ ｃ ｎｔｏ ｙｓｅ ａ ｈｅ ｃ ｒ Ａ ｃ ｄ ｎ ｏ ｓｒ ｔ ａ ｈａ ａ ｔ ｒｓｉｓｏｆ ｕ Ｎ Ａ Ｎ Ｄ ａｈ ｈｉ ，ｔ ｅ ｏ ｔｅ ｅ ｉ ｓ ｎｄ ｍ ｕｌｉ ｈａ Ｆｌｓ ｃ ｐｓ ｈｅ ｕｓ ｆｂｉ ｘｔｎｓｏｎ ，ａ ｔ—ｃ ｎｎｅ ｉ ｒｌｅ ｕｓｔ ｃ ｌｌ ｎｅ ｐａａｌｌｂ ｅ ｈｎｏｌ ｙ ｏｇ ，ｗ ｉｈ ｅａｉ ｌ ｍ ａｌ ｔ ａ ｒ ｌｔ ｙ ｓ ｌ ｖｅ ｃ ｐ ｃｔ ｏｗ —ｓ ｅ ｌｓ ｅ ｏｒ Ｏ ａ ｈｉｖ ａｇｅ ｃ ｐａ ｉｙ ｈｉｈ ｐｅ ｄ ｓｏｒｇｅ ｓ ｔ ｍ ．Ｉ ｈ ｔ ａ ｒ ｃ ｓ，ｔ ａａｉ ｙ，ｌ ｐｅ ｄ Ｆ ａｈ ｍ ｍ ｙ ｔ ｃ ｅ ｅ ａ ｌｒ ａ ｃｔ ｇ ｓ ｅ ｔ ａ ｙｓｅ ｎ ｔ ｅ ｓｏｒｇｅ ｐ ｏ ｅ ｓ ｈｅ
基于FPGA的高速数据采集系统设计
基于FPGA的高速数据采集系统设计随着科学技术的不断进步，数据采集系统在许多领域都发挥着重要作用。
为了满足高速数据采集的需求，基于现场可编程门阵列（FPGA）的高速数据采集系统设计应运而生。
本文将介绍这一系统的设计原理和关键技术。
首先，我们需要了解FPGA的基本原理。
FPGA是一种可编程的硬件设备，可以根据需要重新配置其内部逻辑电路。
这使得FPGA在数据采集系统中具有极大的灵活性和可扩展性。
与传统的数据采集系统相比，基于FPGA的系统可以实现更高的采样率和更低的延迟。
基于FPGA的高速数据采集系统设计主要包括以下几个关键技术。
首先是模数转换（ADC）技术。
ADC是将连续的模拟信号转换为数字信号的关键环节。
在高速数据采集系统中，需要使用高速、高精度的ADC来保证数据的准确性和完整性。
其次是FPGA内部逻辑电路的设计。
为了实现高速数据采集，需要设计高效的数据处理逻辑电路。
这些电路可以实现数据的实时处理、存储和传输等功能。
同时，还需要考虑电路的时序约束和资源分配等问题，以确保系统的稳定性和可靠性。
另外，时钟同步技术也是高速数据采集系统设计的重要内容。
在高速数据采集过程中，各个模块需要保持同步，以确保数据的准确性。
因此，需要设计合理的时钟同步方案，保证各个模块在同一个时钟周期内完成数据的采样和处理。
最后，还需要考虑系统的接口和通信问题。
基于FPGA的高速数据采集系统通常需要与其他设备进行数据交互，如计算机、存储设备等。
因此，需要设计合适的接口和通信协议，实现数据的传输和存储。
综上所述，基于FPGA的高速数据采集系统设计涉及多个关键技术，包括ADC技术、FPGA内部逻辑电路设计、时钟同步技术以及接口和通信问题。
通过合理的设计和优化，可以实现高速、高精度的数据采集，满足现代科学研究和工程应用的需求。
这将为各个领域的数据采集工作带来巨大的便利和发展空间。
基于FPGA的高速数据存储系统中FIFO控制的设计
Ｉ Ｔ 公 司 生 产 的 Ｉ Ｔ７ Ｖ２ ５ 系 列 的 【 ） Ｄ ２ ９
信 息 中获 取 有 用 的数 据 进 行 相 关 的分 析 和处 理 ， 需对数 据 进 行存 储 。 随着 信 息 获 取 技 术 就 水平 的提高 和 对 获 得 的数 据 质 量 要 求 的提 高 ， 高速数 据 的存 储 也 因 其 数据 量 巨 大 ， 据输 出 数 速率快 等因素 ， 为 一个 不 易解 决 的 问题 。 成 针对 某机 载 Ｃ Ｄ相 机 输 出 高 速 图像 数 据 Ｃ
１ 功 能 描 述
ＦＦ 是 一 种 先 进 先 出 的 数 据 缓 存 器 ， ＩＯ 一
用 Ｆ ＧＡ控 制 数 据 记 录 系统 。其 原 理 框 图如 Ｐ
图 ２ 。
其工 作原 理是 ： 统上 电 ， 系 控制 器对 硬 盘进
行 复 位 ， 始 化 。在 数 据 源 同 步 信 号 有 效 且 初
图 １ 功能框 图 习
ＦＦ ＩＯ读时钟的第一个上升沿和下降沿的产生 控制非常重要 ， 它们决定着 ＦＦ ＩＯ读 时钟 的周 期， 随后 就是 此 过 程 的 重 复 。但 是 ， 果 读 如
盘之间的存 储速率得 到匹配 ， 据实 时存储 到硬盘 中， 数 为后期 的数 据处理 提供 了原 始数据 ， 同时也为存
储系统 的设 计提供 了参 考 。
关键词 ： Ｉ Ｏ； Ｐ Ａ； Ｆ Ｆ Ｆ Ｇ ｖＨＤＬ； 数据存储
中图分类号 ： Ｔ １ Ｎ９ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ０ ５ －９ ４ ２ １ ） １０ ５ －４ ２ ８０ ３ （ ０ ０ ０—０ ９０
配 的 目的 ， Ｃ Ｄ 相 机 与 Ｉ Ｅ 硬 盘 之 间 加 入 在 Ｃ Ｄ
高速CCD图像采集存储系统的硬件设计
第30卷 第6期2007年12月电子器件Ch inese Jou r nal Of Elect ro n DevicesVol.30 No.6D ec.2007Design of High 2Speed CCD Ima ge D a ta A cquisition H ar d w ar e SystemL I A i 2li n g1,2,Z H A N G Bo 2heng 1,B IA N Ch ua n 2p in g11.Xi ’an Ins ti t ute of Opt ics an d P recisi on Mechanics ,S haanx i Xi ’an 710068,Chi na;2.Gra duate School of Chi nese Academy of Science ,B ei J i n g 100039,Chi naAbstract :A hi gh 2speed ima ge dat a acquisit ion system wa s propo sed .Because of t he large amount of CCD i mage dat a ,t he syst em adopt ed fi bre channel hard di sk to store t he data and fi nally achieve a hi gh speed of850MB/s.Now It ha s been well applied i n t he course of CCD image dat a acquisition.K ey w or ds :CCD Ca mera ;LVDS ;Camlink ;CL FC ;Fi bre Channel EEACC :7220高速CCD 图像采集存储系统的硬件设计李爱玲1,2,张伯珩1,边川平11.中国科学院西安光学精密机械研究所,西安710068;2.中国科学院研究生院,北京100039收稿日期22作者简介李爱玲(832),女,博士研究生,主要研究方向为遥感D 相机图像数据的采集与处理,@;张伯珩(2),博士生导师,主要研究方向为遥感D 相机电路设计摘 要:针对某高速CCD 相机图像数据量大的特点,设计采用L VDS 格式信号输出,转换成Camlink 格式后实现海量数据的高速、稳定传输,提出了一种新型的高速数据采集存储系统的设计方案,该方案采用Fibre Cha nnel 接口硬盘实现对图像数据的高速存储,最高存储速度可达850Mbyte/s ,现已在CCD 相机系统图像采集实验中得到应用.关键词:CCD 相机;LVDS ;Camlink ;CL FC ;Fibr e Channel 中图分类号:TN 911.73 文献标识码:A 文章编号:100529490(2007)0622145203 CC D 相机被广泛应用于光电扫描、空间遥感、非接触工业控制、天文星体跟踪、光学图象处理等领域,CC D 相机所获取的目标信息,是我们所需要的宝贵信息,对其所获取的图像数据进行实时采集、存储和处理,高速、高精度的大量获取目标数据并进行实时信号处理,对目标的检测和识别非常重要.目前国内已有很多科研机构具备自行开发基于PCI 总线采集卡的实力,但在海量数据采集卡的开发方面还有待发展.当前有一种发展趋势是利用成熟的F P G A 技术和大规模集成芯片技术组合,通过高速大容量的FIFO 或者双端口RAM 作为数据缓存器,从而实现数据的高速采集.这种采集卡一般都通过PCI 接口与计算机系统连接,卡上带有PCI 桥控制器,使得使用者能够通过计算机对采集卡方便的进行控制.还有一些采集卡甚至将DMA 控制器和SCS I 控制器等设备都集成在其中,可以将采集到的数据不经过计算机总线而直接存储到SCSI 接口或其他接口的高速硬盘中,真正实现了采集与存储的结合,并且不受计算机系统的限制[1].1 采集系统的设计实现CCD 图像数据的采集与普通视频信号的采集相比,其最大的特点是数据传输速率高,传输通道多.通用的CCD 图像数据采集方法是在计算机中插入高速数据采集卡,采集卡与CCD 相机之间通过点对点物理层接口(如RS 2422、RS 2485)以及其他的数据传输标准进行数据传输,高速数据采集卡接收到数据通过PCI 总线将数据写入计算机内存,然后利用采集卡的存储功能将数据通过IDE (电子集成驱动器)接口写入计算机硬盘.首先,物理层接口无法满足数据的传输速度;其次,传输通道的增多,引起传输导线数量增加,系统功耗、噪声也随之增大;再次,采用通过IDE:20070422:19CC lal op 1942CC .接口来存储数据的方式无法满足数据高速存储的要求,容易引起数据帧的丢失.因此采用新的技术解决多通道、高速CCD图像数据采集成为必然趋势[2].C amlink接口技术为解决这一瓶颈问题提供了可能.本文通过应用Camlink接口技术,提出了一种适用于高速、海量CCD图像数据的采集系统.通过调试,该系统运行正常,完全能满足图像数据稳定、高速传输的要求,并实现图像数据的高速存储.在本系统中,CCD相机输出的数字信号为4通道8bi t并行同步L VDS格式数据,数据时钟为25 MHz,每通道的数据量58.01～87.46Mbyt e/s,如此高的数据吞吐量要求系统设计具有高速传输的特性.根据以上分析要求,设计了采集系统的硬件结构框图如图1所示.图1 采集系统结构框图如图2所示,CCD视频处理电路差分输出采集系统所需的像元时钟DCL K、行同步LVAL等2路信号和4路8bit图像数据,经由MLC(LVDS2Cam2 Li nk信号转换器)转换成符合采集卡接口标准的CamLink Medi um信号格式.然后在CL FC采集卡接口处,该CamLi nk格式的输入数据经过CL FC接收后可以不经过PCI总线,而是直接在磁盘控制器的控制下,存储到Fi ber Cha nnel接口硬盘,使得存储和实时显示同时进行成为可能.通过应用程序可以实现实时显示图像功能,也可以将已存到F C硬盘中图像数据导出到计算机硬盘进行处理和应用.图2 输出信号时序图1.1 数据传输设计Camlink接口采用美国Nat io nal Semiconduc2 tor公司的Cha nnel li nk技术作为基础,Channel 技术是低电压差分信号LVDS技术在数字领域的最新成果,它使用并行2串行的发送和串行2并行的接收,数据传输率可以达到38G如图3所示,发送端将28bit的CMO S/TTL数据转换成4路L VDS数据流,第五路LVDS数据流传送稳定的锁相时钟信号.每一个时钟周期,完成一次28bi t数据的采样和传输.在接收端,数据流被还原为28bi t 的CMO S/TTL数据,接收和发送完全同步.图3 Channel link标准接口模块电路图Camli nk采用数据线复用的方法,实实在在地减少了传输电缆的导线数目.这样可以使电缆加工容易,屏蔽要求降低,电缆接插件体积减小、强度增加,电缆价格也随之降低.单个的Ca mli nk芯片组可以传送高达2.38Gbit/s数据带宽,Camli nk标准允许采用两个这样的芯片组,如此高的数据传输能力不仅能满足目前应用,而且在将来相当长时间内不会落后.在本系统中,为了实现图像数据的高速稳定传输,我们充分利用了Camli nk的以上优点,设计了L VDS2Camlink信号转换器.在本系统中,转换器MLC的结构图如图4所示,ML C首先接收来自信号模拟源的LVDS输出图4 转换器硬件结构图信号,经过LVDS接收器件DS90C032,还原为TTL 信号.Camli nk驱动芯片选用National Semic onductor 公司的DS90CR287,它的输入信号和电源的电压要求均为3.3V,为了做到两种信号的电平匹配,在中间增加了多片IDT74LVCC4245A总线驱动器.I DT74LVCC4245A有两个电源输入端,一端只能加5 V电源,另一端可以加5V或33V,因此当它一端的输入电平是5V信号时,另一端可以是5V或33V 信号I D T LV5是双向器件,在接收端也可6412电 子 器 件第30卷link2.bit/s... .74CC424A以再转换成5V 电平的信号.经过DS 90CR287后,输出的Channel link 信号,最终通过符合Camlink 标准的MDR26接口连接到采集卡.1.2 数据的采集与存储为了保证CCD 图像数据在不出现丢帧现象的同时以更高速度被存储到硬盘,我们采用了I O Indus 2t ries 公司最新的采集卡DVR Express CLFC ,它的突出特点是采用FC 接口硬盘对图像进行存储,最高可以达到850Mbyte/s.其硬件结构如图5所示.图5 CL FC 采集卡结构框图通过符合Camli nk 标准的MDR26接口,Cam 2link 格式的图像数据在接口处被还原为T TL 信号,F PGA 集成了缓存、电平转换、DMA 控制器等功能,完成和PCI 总线之间的数据和控制命令传递.图像数据直接在磁盘控制器的控制下,存储到Fi ber Channel 接口硬盘,这样可以大大的节省图像数据对PCI 总线的占有率,从而提高整个采集系统的速度.FC 技术的应用,使得本系统的采集速度与以往的采集系统相比较得到很大提高.Fiber Channel 光纤通信(FC )是一种通过光纤实现的基于块的数据流传输方式,传输率可达1G bit/s ,多模光纤传输距离为500m ,单模光纤距离为1km.Fiber Channel 技术的最大特点是将网络和设备或服务器和设备的通信协议与物理传输介质隔离开,这样多种协议可以在同一个物理连接上同时传送.FC 传输速度快,它可以提供接近于设备处理速度的吞吐量,提供从266Mbit/s 到4G bit/s 的传输带宽,支持超过10km 的传输距离;它是一种通用传输机制,支持HIPPI\IPI\SCSI \IP\ATM 等多种高级协议.FC 技术对于视频图像和海量数据的存储及传输极为理想,现已成为视频传输与存储领域具有强大生命力的新技术.与SCSI 硬盘接口相比较,FC 接口硬盘有以下优点:Fiber Channel 通道比SCSI 总线有更巨大的存储容量;与SCSI 接口相比,Fiber Channel 接口允许使用更长的电缆,而接口体积更小[6] 根据以上分析,我们对存储部分的设计最终采用了FC 接口技术和RAID3磁盘阵列技术.根据数据量需要,采用了4块日立公司最新推出的FC 接口硬盘组成磁盘阵列,实验证明,存储部分设计很好地满足了整个系统的需要.图6 辨别率靶的采集图像2 结论本系统通过调试,已成功地应用于某高速CCD 相机系统的图像数据采集,如图6所示为该系统采集到的CC D 相机室内拍摄辨别率靶的图像.通过软件对存储数据的恢复分析,数据正确,无丢帧现象,无数据错误.系统通用灵活,稳定可靠,能满足多种CCD 图像数据的实时采集,为多通道高速CC D 图像数据的实时采集提供了解决方案,因而有着广泛的应用前景.参考文献:[1] 李爱玲.数字图像信号的模拟与采集技术研究.中国科学院西安光学精密机械研究所,硕士毕业学位论文,2006.[2] 王琳琅,张伯珩,边川平.多通道、高速CCD 图像数据的实时采集,中国有线电视.2004.12.22224.[3] 达选福,张伯珩,边川平.高速CCD 图像数据存储技术.光子学报,2003.32.139321395.[4] 王冰,靳学明.LVDS 技术及其在多信道高速数据传输中的应用.电子技术应用,2003.3.55256.[5] 林强,熊华刚,张其善.光纤通道综述,计算机应用技术.2006.2.9213.[6] 杨进,魏轶伟,何宁,熊剑平,贾惠波.基于光纤通道的高速数据传输系统主机接口设计,计算机工程与应用.2002.22.1372138,176.[7] 李春兰,陈宇,丁铁夫.探地雷达中PC I 总线高速数据采集卡的设计.电子工程师.2004.7.4223.[8] Camera Li nk Technolo gy B ri ef.Docu m ent ID Number :DD000601,Revi s io n Date :March 28,2001.Subj ect t o Change Wit hout No tice ,Bas l er Vi s io n Technologies.7412第6期李爱玲,张伯珩等:高速CCD 图像采集存储系统的硬件设计.。
基于FPGA的高速串行数据收发接口设计
基于FPGA的高速串行数据收发接口设计随着信息技术的不断发展，高速串行数据收发接口已经成为许多应用领域中的关键技术。
而基于FPGA的高速串行数据收发接口设计，可以充分发挥FPGA的并行计算和可编程性优势，实现高速数据传输和处理。
本文将介绍基于FPGA的高速串行数据收发接口的设计原理、关键技术和应用。
一、设计原理在高速串行数据收发接口中，主要涉及到以下几个方面的技术：物理接口、时钟同步、帧同步、数据编码和解码、差分信号传输等。
1.物理接口物理接口是指FPGA与外部设备之间进行数据传输的接口。
常见的物理接口包括LVDS、USB、PCIe等。
在设计中，需要选择合适的物理接口，并实现与FPGA之间的连接。
2.时钟同步时钟同步是指接收端与发送端的时钟信号保持同步，以确保数据的准确传输。
常见的时钟同步技术包括PLL锁相环、FIFO缓存等。
在设计中，需要使用适当的时钟同步技术，保证数据的稳定传输。
3.帧同步帧同步是指接收端能够正确识别数据帧的起始和结束标志，以及数据帧中的各个字段。
在设计中，通过使用标志位或者特定的编码格式，可以实现帧同步，保证数据的正确接收和解析。
4.数据编码和解码数据编码和解码是指将要传输的数据进行编码，以提高传输速率和抗干扰能力。
常见的数据编码和解码算法包括差分编码、曼彻斯特编码、8b/10b编码等。
在设计中，需要根据具体的应用需求，选择合适的数据编码和解码算法。
5.差分信号传输差分信号传输是指将发送端的信号分为正负两路进行传输，以提高传输速率和抗干扰能力。
差分信号传输可以有效抑制共模干扰和噪声，提高信号的可靠传输。
二、关键技术在基于FPGA的高速串行数据收发接口设计中，需要关注以下几个关键技术。
1.时钟和数据恢复由于传输中的时钟和数据可能存在相位偏移和抖动等问题，因此需要使用时钟和数据恢复技术来保持时钟的稳定，并将数据恢复到正确的状态。
2.信号完整性由于传输线上会存在反射、串扰等问题，需要采取合适的电路设计和布线策略，以提高信号的抗干扰能力和抗噪声能力，保证数据的可靠传输。
存储系统高可扩展性设计
存储系统高可扩展性设计存储系统的高可扩展性设计，是指系统在面对不断增长的数据量和不断变化的业务需求时，能够保持高效的性能和可靠性。
在当今数据爆炸式增长的时代，高可扩展性设计成为存储系统不可或缺的要素。
本文将从多方面探讨存储系统高可扩展性设计的关键要点。
一、架构设计1. 分布式架构高可扩展性的存储系统应采用分布式架构，通过将数据和计算任务分布到多个节点，实现对数据的并行处理和存储。
分布式架构能够提高系统的吞吐量和处理能力，并且具备良好的横向扩展性，能够根据需求灵活添加新的节点。
2. 数据分片和负载均衡将数据按照某种规则进行分片，将每个片段分布到不同的节点上，实现数据的分布式存储。
同时，通过负载均衡算法，合理地将读写请求分发到各个节点上，避免单个节点负载过高，保证系统整体的性能稳定。
3. 异步处理和消息队列在存储系统中，可以将一些耗时和资源消耗较大的操作进行异步处理，通过消息队列的方式实现任务的解耦和异步执行。
这样可以提高系统的响应速度和吞吐量，降低对实时性要求较高的业务操作的延迟。
二、存储设计1. 分布式文件系统采用分布式文件系统可以将大规模数据分布式存储在多个节点上，并通过元数据管理实现数据的一致性和高可靠性。
常见的分布式文件系统有Hadoop HDFS和GlusterFS等，它们能够提供高可扩展性和高容错性。
2. 数据冗余和备份为了保证数据的安全性和可靠性，存储系统应该进行数据冗余和备份。
通过将数据多次复制到不同的节点或数据中心，即使某个节点或数据中心发生故障，系统仍能继续提供服务，并能够快速恢复数据。
3. 数据压缩和归档随着数据规模的不断增长，存储系统需要考虑对数据进行压缩和归档，以节省存储空间和降低存储成本。
采用有效的压缩算法和归档策略，可以在不降低查询性能的前提下，大幅度减少存储空间的占用。
三、性能优化1. 缓存设计通过合理的缓存设计，可以降低对后端存储的访问压力，提高系统的读写性能。
常见的缓存技术包括内存缓存和分布式缓存，如Redis、Memcached等。
基于高速eMMC阵列的视频存储系统设计
基于高速eMMC阵列的视频存储系统设计DING Hong-hui;MA You-chun;ZHANG Heng;GU Ze-ling;YANG Ming-yuan;WU Zheng-yang【摘要】针对视频采集存储技术大容量、高性能的需求,文章提出了一种基于高速eMMC阵列的视频存储系统设计,介绍了系统的总体硬件架构和程序工作流程,重点研究了相机传输模块和eMMC阵列存储模块的逻辑设计,FPGA与eMMC阵列之间的数据传递采用了并行方式进行传输,写入速度为200 MB/s,读出速度440 MB/s,存储容量为160 GB,实现了一种大容量、高速传输、集成度高的视频存储系统.实验证明,这个设计可成功读取到完整的图像数据.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2019(000)001【总页数】4页(P72-75)【关键词】视频存储系统;FPGA;eMMC阵列;高速存储【作者】DING Hong-hui;MA You-chun;ZHANG Heng;GU Ze-ling;YANG Ming-yuan;WU Zheng-yang【作者单位】;;;;;【正文语种】中文【中图分类】TN7020 引言随着视频采集技术的快速发展，视频存储设备已经越来越广泛地应用在各个行业中，它的出现为人们生活提供了许多便利，成为社会发展中必不可缺的一部分。
根据人们对大容量存储、高带宽传输的需求，文章提出了一种基于高速eMMC(embedded multi media card，嵌入式多媒体卡)阵列的视频存储系统设计，由于eMMC存储芯片具有高集成度、高速读写传输、低功耗、高性能等特点，使得视频数据读写速度翻倍递增，存储容量扩大[1]。
同时由于内部集成控制芯片可以自我管理坏块及错误检测与纠正，使得通过FPGA操作起来更加简单方便，仅需控制数据的读写操作过程即可，很好地节约了系统的资源[2]。
1 视频存储系统的硬件设计视频存储系统主要由FPGA(field programmable gate array，现场可编程门阵列)主控模块、eMMC阵列存储模块、DDR3(double date rate 3，双倍数据速率的同步动态随机存储器)缓存模块、网口读数模块、电源模块及相机接口电路组成。
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高速数据同步存储系统设计姜德;马游春;王悦凯;刘海霞;吴正洋;王晓娟【摘要】A high-speed synchronous storage system design is progresed. The system uses NAND Flash chip to build storage arrays,synchronization management technology and design of the pipe line to improve its speed. Based on read and write technology at Flash synchronous mode,a method of the Flash array management is intro?duced,so that the entire Flash memory speed has been greatly improved. While for the Flash bad block detection problem,the introduction of off-chip memory bad block address methods to improve the efficiency of the system to detect badblock ,ensures the stability of the system while improving the performance of the system to maximum extent. The test results show that the system exhibits its memory speed,large storage capacity and high reliability.%介绍了一种高速同步存储系统的设计方案.系统使用NAND Flash构建片内存储阵列、同步管理技术和流水线的设计方案提高其存储速度.在Flash的同步模式下的读、写技术基础上,引入了片内Flash阵列管理方法,使整个Flash的存储速度有了大幅度的提高.同时针对Flash的坏块检测问题,引入了片外存储坏块地址的方法,提高了系统的坏快检测效率,保证系统的稳定性的同时,最大程度上提升了系统的性能.测试结果表明,该系统存储速度快、存储容量大、可靠性高.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2016(039)006【总页数】4页(P1421-1424)【关键词】高速存储器;片内FLASH阵列;坏块管理;同步技术【作者】姜德;马游春;王悦凯;刘海霞;吴正洋;王晓娟【作者单位】中北大学电子测试国家重点实验室仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试国家重点实验室仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试国家重点实验室仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试国家重点实验室仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试国家重点实验室仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试国家重点实验室仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051【正文语种】中文【中图分类】TP274高速视频存储技术凭借着其具有存储容量大、速度高等特点，已经被广泛地应用到空中监测、水下视频采集以及陆地上的安防、交通、工业、教学等各个领域。
而高速视频存储对存储系统的存储容量和存储带宽提出了较高的要求。
随着科技的进步，要求存储设备具备体积小、可靠性高、抗冲击性能高、对实验环境适应性强等优势［1］。
高速视频存储中，存储器是硬件系统中的不可或缺的记忆设备，被用来存放数据和程序，其按存储介质的不同进行分类，主要可以分为半导体和磁表面两种存储器。
目前常被用来进行数据存储的介质主要是半导体存储器，具体有RAM、SDRAM 等，RAM的容量小，难以满足海量视频数据的存储；SDRAM作为一种从RAM衍变出来的存储介质，虽然速度快，但是掉电易丢失，常被用来缓存大容量数据，而不适合进行高速视频数据的存储。
Flash则能弥补它们不足之处，选用高性能的Flash也能满足高速存储的要求。
现在市面上使用的大部分NAND Flash芯片存在存储容量小、写入速度低等缺点，而当前主流的存储模块多采用多片Flash并行的思想来提高存储速度［2-3］，这样不仅造成了布线困难，而且PCB空间拥挤。
本文采用的Flash具有容量大的优点，同时利用其同步设计技术，使其速度能满足视频数据信息存储的要求，实现高速存储。
同时其体积小、重量轻、可靠性高，使其能适应比较恶劣的实验环境，因此在航空航天等领域被广泛应用。
本系统构建的高速数据采集系统采用的Flash，充分利用了其单片存储容量大和存储速度快等特点，大幅度节省了系统PCB空间，降低了布线的难度。
系统中的NAND Flash的单片的存储容量为16 GB，采用同步控制和流水线控制的设计方法能实现高速数据存储，其单片Flash理论最高速度为166 MT/s的写入和读取速度，能满足本系统中视频存储的要求。
利用高性能的Xilinx Spartan6 FPGA作为系统核心控制单元，Camera Link接口技术实现对CMOS相机的高速视频数据传输，通过高速FIFO缓存技术将视频数据存储于Flash中［4］。
同时本系统构建了坏块信息实时存储的设计方法，在很大程度上节省了程序中坏块检测占用的时间，提高了Flash的写入速度，保证了存储的可靠性，提高了整个系统的灵活性。
1.1 系统整体硬件架构该系统CMOS相机在开始进行正常的视频数据的采集之前需要进行一些相关的配置工作，在本次设计中事先将配置信息通过Verilog语言的编程写在FPGA内部，整个系统上电之后，首先FPGA通过Camera Link接口的串行信号线将配置信息发送给CMOS相机，然后高速视频采集卡开始进行视频数据的采集。
将采集完的视频数据经过FPGA的一系列相关视频数据处理之后存储到NAND Flash里面［5］，最终通过地面读数装置将Flash里面的视频数据通过千兆以太网接口传输到上位机上，在上位机上进行实时观测。
1.2 系统存储设备的设计本系统中的采用的视频存储单元为镁光Flash的MT29F128G08AUCBB芯片［6］，其内部结构如图2所示，该芯片能实现的同步存储技术特点如下：在同步模式下其驱动信号为CLK端口，W/R控制读、写方向，R/B输出为内部独立单元（Target）的busy/ready状态反馈，其中芯片内部的LUN为其最小的独立单元，每个单元LUN具有双plane，大小为2 Gbyte，因此设计中采用了Multi-LUN与Multi-Planed的控制方法来提高传输效率，实现片内阵列。
Target1（2）和Target3（4）共用数据传输端口，因此单独的Target可结合Flash传统的流水线技术来提高整体的速度。
如图3为Flash DDR写数据时序图，该型号Flash的同步存储技术具有DDR读取和写入数据的高速传输特性，其在DQS信号的每个上升沿和下降沿都能传输数据，因此设计中保持CLK信号和DQS信号同步就能实现其高速的数据传输模式，理论速度能达到166 Mbyte/s。
本系统利用其本身具有的高速传输特性、Multi-LUN、Multi-Plane、以及流水线的设计思路，可以构建两大Flash存储模式：单片的镁光Flash可以以内部LUN为单位构建如图4的存储系统类似于八片2 GB （LUN）Flash阵列，每次可写入一个字节长度的数据（模式1）和图5中2 Gbyte（LUN）4片Flash阵列，每次可写入两个字节长度的数据（模式2）；该镁光Flash芯片的写数据Multi-Plane的缓存时间为51μs，而Flash页编程时间为230μs，因此其最快速度为5个独立单元（LUN）的阵列，而此芯片中拥有8个独立单元（LUN），在设计上完全能实现单片的高速数据传输。
由于Flash芯片出厂时带有坏块，在使用过程中也会产生坏块［7］，因此为了保证数据存储的可靠性和存储的速度，本系统的坏块管理采用实时存储坏块地址的方法，将Flash坏块地址按顺序保存在Flash的最后一块。
上电后将坏块地址信息读取到FPGA构建的Flash控制模块的FIFO中，同时本设计考虑到其高速存储采用的为Multi-Plane和Multi-LUN的设计方法，因此坏块信息为4个目标相与，保证在一个写入数据或者读取数据循环中只进行一次坏块判断［8］，以此节省大量的坏块检测时间，每一次坏块判断成功后，其对应FIFO地址加一。
1.3 Flash的程序设计该系统的主控芯片为FPGA Spartan6，其内部RAM为3 096 Kb，CMOS相机输出的视频数据经过Camera link接口在FULL模式的传输下以每个像素时钟传输64 bit的数据的速度下，其中像素时钟为40 MHz，传输给FPGA进行数据处理，FPGA将处理之后的视频数据发送给Flash芯片存储，然后经过千兆以太网传输给上位机进行视频数据显示。
为满足系统存储的可靠性，Flash在写入数据和读取数据时内部的控制信号CLK采用80 M时钟驱动，控制程序使用4X80M的系统时钟作为Flash控制程序的激励源，保证在读、写数据时DQS和CLK同步，实现DDR模式数据的存取，控制方法采用模式2，图6为其控制Flash的写数据的程序框图，当Flash的图像写入量达到一定数据量时结束写操作，开始通过地面读数装置读取Flash内部数据，通过以太网接口和上位机通信，进行图像显示。
在实验室环境下，按照图7所示搭建测试平台对整个系统进行测试，对CMOS相机产生的信号进行采集和存储，高性能的FPGA对信号进行处理后存储到Flash内部，存储时间持续5 s。
采集结束后，从Flash内部阵列中读取数据，通过千兆以太网接口上传到PC机中，在PC机中对存储的数据进行解码、显示。
2.1 实时存储验证通过图像的显示和实际环境进行对比，分析整个系统的性能。
其图像显示如图8所示，由结果可得，整个系统图像采集稳定可靠。
本文采用的FPGA、NAND Flash内部阵列以及同步存储模式构建高速视频数据的存储系统，实现了微型化的Flash阵列，克服了以往多片Flash阵列体积大的缺点。
采用了坏块信息存储的检测方法，缩短了程序检测坏块的时间，优化了连续写入数据的速度。
实验表明，该高速存储系统具有体积小、可靠性高的特点，可以作为视频高速数据实时存储系统和数据回收系统，可满足高速视频的数据存储要求。