基于FPGA的RAID控制卡实现及仿真研究摘要：首先介绍了基于FPGA的一种RAID控制卡的原理及系统设计、印刷电路板(PCB)的具体实现。由于板卡运行在66MHz总线时钟之上，必须考虑高频下电路的性能及电路的信号完整性等,因而在PCB设计阶段对电路的仿真显得尤为重要。还将介绍基于IBIS模型的信号完整性仿真分析，并利用信号噪声分析软件(Hyperlynx)对高速电路设计中的PCB布局布线、匹配电阻设计和并行线串扰分析进行深入研究。根据仿真分析结果调整原设计，从而提高了信号质量，减少开发成本。关键词：现场可编程逻辑阵列；磁盘阵列；仿真；输入/输出缓冲器信息标准；信号完整性中图法分类号：TP302．2文献标识码：A：1001－3695(2007)01－0261－03本项目是针对RAID5系列的高性能光纤磁盘阵列系统[1]，采用FPGA技术设计一款RAID系统控制卡，实现磁盘阵列启动、数据缓存（Cache）以及数据XOR校验等功能。??廉价冗余磁盘阵列(RedundantArrayofInexpensiveDisks，RAID)通过将数据分布在多个通道的多个磁盘上，利用并行处理机制使多个独立磁盘协调工作,达到提高存取速度和增大存储容量的目的。此外，磁盘阵列通过增加数据的冗余度提高数据的安全性。但计算出冗余信息却需要消耗系统大量的处理资源。以RAID5为例，在数据的写操作和数据的恢复过程中需要执行大量异或运算，过多的校验计算任务占用了大量的CPU资源，这将导致磁盘阵列服务器对用户请求的响应时间增加，系统的整体性能被削弱。因而采用扩展的硬件电路实现XOR运算，能够将CPU从繁重的校验任务中解脱出来，从而提高阵列服务器整体性能。传统的软件实现RAID系统需要操作系统的支持，RAID的配置信息存在系统信息中，而不是存在硬盘上。当系统崩溃需重新安装时，RAID的信息也会丢失。因此目前广泛采用专用的硬件控制卡方式实现RAID系统。RAID控制卡实现系统的启动及自身初始化及配置等工作。RAID控制卡是一个PCI从设备，接收并执行来自系统的命令，主要实现磁盘阵列系统的初始化、配置及系统的启动、阵列管理等工作。另外，在磁盘阵列中采用Cache，其作用主要是加速读操作和缓存小写，解决RAID5中小写效率低下的问题。因此，RAID控制卡使用NVRAM（NonVolatileRAM）即非易失性随机存储器来增强阵列Cache的性能。??在板卡设计过程中，由于PCB板上电子元器件密度较大，走线较密，信号频率最高达到66MHz，因此不可避免地要出现EMC(电磁兼容)和EMI(电磁干扰)问题。另外，RAID控制卡在进行PCB设计时由于要满足PCI协议、集成电路芯片及其他元件的布线要求，其PCB设计要注意的问题更多。本文从项目系统设计、印刷电路板（PCB）设计等方面对整个电路作详细介绍，并对基于高速数字电路仿真的信号完整性、并行线串扰以及EMC等问题进行深入研究分析，提出基于PCI总线的FPGA的PCB设计中需注意的问题及解决方法，相信对高速电子电路设计有很好的参考作用。??1系统原理及硬件电路设计??本设计中采用PCI总线来作为控制卡与RAID之间数据传输的桥梁[2]。控制卡PCI接口工作在32位数据宽度、33MHz~66MHz的总线时钟之上，数据最大传输率高达266Mbps。系统原理如图1所示。??系统工作原理：系统上电后，FPGA由其专用的配置芯片进行主动配置，10秒钟内控制卡完成自身初始化工作。在磁盘阵列BIOS的Init功能执行过程中，控制卡截获中断Int19H，并将Flash中的阵列控制代码作为新的中断服务程序执行。至此，控制卡即实现对磁盘阵列的主动控制,从而接管数据校验、数据缓存等操作。控制卡启动后控制和协调整个系统，管理数据的流动。当数据用户请求写入数据时，控制卡缓存数据、计算数据的校验和，并命令阵列存储数据及校验和。读出数据时，控制卡命令阵列提取数据和相应的校验信息，并缓存数据、校验数据有效性。最近写入或读出的信息由控制卡缓存在本地的非易失的Cache中，以便进行数据保护和快速提取。??1．1数据缓存的控制功能模块设计??本设计采用NVRAM实现磁盘阵列Cache。NVRAM由小型锂电池和低功耗的SRAM（StaticRAM，静态随机存储器）组成。当系统断电后，由此锂电池对SRAM供电，所以NVRAM既继承ROM（ReadOnlyMemory，只读存储器）的优点――具有非易失性，又摒...