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基于磁盘阵列的全数字遥测记录系统的设计

来源:现代电子报?? 2007年07月18日 ?? 收藏0

  引 言

  我国遥测记录设备经历了倍密度磁带机和旋转头磁带机两代产品,目前仍在使用。从记录原理上说他们皆属于模拟记录设备,在长期使用当中,已暴露出诸多缺陷:

  (1)磁带耗材依赖进口,价格昂贵且记录容量小、重复使用率低、数据保存时间短。

  (2)磁头和机械运带机构属精密加工器件,调校过程相当复杂,长期使用磨损严重,记录性能显著恶化,给设备维护带来极大不便。

  随着计算机硬盘制造技术的飞速发展和数字存储技术的问世及不断应用,采用大容量高速硬盘记录模拟遥测信号的数字化记录设备DRS(Digital Record System)[1]已经出现,并成为遥测记录设备的换代产品,但设计上存在不足:

  (1)数字化程度低:记录信号中心频率只有2.1 MHz,不能对左右旋圆极化70 MHz检前信号直接记录,要依赖额外的模拟下变频器作转换处理,不适应对全新的数字综合基带遥外测设备的记录要求。

  (2)扩展性差:由于采用专用的数据传输通道,带宽有限(16 b)且固定,故一旦要增加记录信号的路数,只能靠增加硬件通道数来增加带宽,相应地要增加控制驱动记录的板卡数量,并导致输入输出

接口关系发生变化。

 (3)单硬盘工作模式可靠性难以保证,一旦硬盘损坏,整个系统瘫痪,已记录数据无法恢复。 (4)未能利用国际通行的技术规范和标准,不利于产品升级换代,从长远看难以形成新的业内标准。

  以上不足说明DRS在最初的体系结构设计上存在根本性的缺陷,若想彻底克服,必须重新改进体系结构设计,尽量采用当前国内外在数字存储方面先进、通行的技术,因此RAID(廉价冗余磁盘阵列)技术为我们提供了新的设计思路和理念。作者经过深入研究论证和大量的前期试验,终于设计并实现了以RAID阵列为核心的全数字遥测记录系统RDRS。

  2 系统设计

  2.1整机体系结构设计

  RAID标准提供了数字存储方面全方位的解决方案,其中RAID5采用具有分布式奇偶校验的磁盘物理条带(stripings)来跨越单个磁盘平均分配数据和冗余校验信息[2],在保证数据安全的前提下,可获得极高的数据吞吐率和磁盘利用率,尤其适合高速连续大块数据的传输。综合考虑遥测记录的极高安全性、实时性、超大存储空间和更多的记录通道,阵列模组选用以5块容量各为100 GB的SA TA硬盘组成RAlD5标准,用高性能的ARECA-1120 SA-TA RAID控制卡作驱动,RAID卡采用OEM产品,可减少硬件开发工作量。之所以未选用更高性能的SCSI硬盘作模组是由于SCSI硬盘数据接口过于宽大(50芯),而SATA硬盘是目前市场上渐趋流行的串行ATA接口的新一代高性能硬盘,其外部数据传输率已达300 MB/s,接近SCSI硬盘(320 MB/s),但其接口电缆只有8芯,布线十分方便灵活,非常适合组成阵列模组,可节省机箱空间,便于快速更换。整机体系结构如图1所示。

整机体系结构设计

  他以64位扩展的PCI总线作为硬件开发平台,可提供528 Mb/s的高数据传输带宽,而CPU仍采用高性能的32位P4(2.4 GHz)处理器,通过主桥实现总线缓冲来直接映射到64位总线地址空间。硬件部分独立开发了通用性和扩展性非常强的基于PCI总线的中频和视频采集卡。软件环境采用基于RT-Linux 3.1实时操作系统内核,在RedHat 8.0(内核版本 Linux 2.4.18)系统平台下开发,采用标准C语言编制底层驱动及用户应用程序。在 Kylix开发环境下,用C++编写X-Windows下的用户界面程序。由于系统规定的录放速度高达500 Mb/s,PCI视频采集卡对系统中断响应时间的要求就非常高,为此专门选用了基于Linux的实时操作系统RT-Linux平台,RT-Linux可在Linux内核源代码的基础上通过修改部分系统程序代码来改善Linux的实时性,修改后的Linux(即RT-Linux)能快速响应硬件中断(中断响应时间小于15 μs)[3],满足了系统的实时性要求,为高速采集而不丢数据提供保证。同时提供了一套标准接口函数,以实现RT-Linux进程与普通Linux进程间的数据传输及共享。由于系统记录的数据文件有时高达几十GB甚至上百GB的容量,用普通的文件系统在RT-Linux下已不能满足容量要求,为此移植了XFS文件系统来管理采集的文件。XFS是Silicon Graphics公司开发的一种全新的高性能64位文件系统,该文件系统既扩展了分区及文件容量的限制(最大为9 000 TB),又提高了文件存储处理速度。


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磁盘阵列? 遥测? 记录? 数字?

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