基于FMQL45T900芯片专用存储控制器设计

基于FMQL45T900芯片专用存储控制器设计

纪然

天津航海仪器研究所， 天津 300131

摘要：为了满足在特殊环境下存储设备的正常工作，本文设计出一款基于FMQL45T900芯片的专用存储控制器[1]，可以完全兼容商用存储器，通过网路接口与计算机或上位机连接，在多种操作系统下使用。

关键词：FMQL45T900，专用存储控制器， 特殊环境

引言:

美国计算机科学家约翰·冯·诺依曼在EDVAC方案中提出了冯·诺依曼机（von Neumann machine）模型，计算机系统由五大部件组成：运算器、控制器、存储器、输入和输出设备，自1946年第一台计算机诞生，该模型至今仍然被广泛使用。

存储器的分类多种多样，按使用类型可分为只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)，主要内存和辅助内存是按用途类型划分。主存储器也叫内部存储器，辅助性存储器也叫外部存储器。内存内部最显著的特点是存取速度快，但容量小，价格昂贵； 外置存储器以大容量、低价格为特点，但存取较慢。内存储器用于存放那些立即要用的程序和数据；内存与外存经常进行信息频繁交换[2]。需要特别指出的是其中内存是冯诺依曼机中的存储器。外存储器是模型中的输入和输出设备。本文中的专用存储设备专外存储器。

在外部存储器演变的历程中出现有软盘、磁带、磁带硬盘、光盘、U盘等，目前常见的外存储器有硬盘和U盘。但是在某些特殊环境下：如震动，颠簸，特殊场合等环境下，普通存储器无法工作，需对存储设备进行改造或者自行设计，为了便于设备使用，符合相关技术指标。本文设计一款基于FMQL45T900处理器专用存储控制器设计，对上位机发出的数据进行处理，从而存入特定外存储器中，从而确保数据安全可靠。

1 主要技术指标

专用存储控主要技术指标见表1。

表1　专用输入设备主要技术指标

2 关键技术设计

2.1 工作原理

本文介绍的专用存储设备由于将应用在如震动，颠簸等特殊环境下，因此选择在比较成熟的商用sata接口电子盘基础上进行再次开发，通过FMQL45T900设计的控制模组将网络数据存入sata接口电子盘内，既兼顾了其再开发应用场合特殊性，又选用了成熟的商用电子盘，满足使用者使用要求，大大节约了开发成本与人员费用，专用存储设备原理框图如图1所示。

处理器采用FMQL45T900设计开发,。FMQL系列可编程融合芯片是复旦微电子的全可编程PSOC 芯片，在单芯片集成了基于具有丰富特点的四核高性能处理器的处理系统（Processing System，PS）和可编程逻辑（ProgrammableLogic，PL），基于28nm HPC+工艺。配合自主开发的软件，实现一体化软硬件平台，方便用户开发，缩短开发周期，节约生产成本。四核高性能CPU 是处理器系统的核心，它与片上存储器、外部存储器接口DDR、各种系统功能组件、I/O 外设以及可编程逻辑部分等协同工作，共同组成功能丰富的片上可编程系统。该芯片集处理器系统PS 和可编程逻辑 PL 于一体，基于高性能处理器。PS 与 PL 可以通过多个数据接口，通过众多互联互通的控制信号紧密耦合在一起。DDR3芯片选用H4G160AF，网络PHY采用千兆以太网芯片8511，Watchdog选用706，SSD采用FS33ND。

针对专用设备，使用Linux操作系统，因此支持系统在特殊情况下直接断电后，以保证系统不会损坏。

图1　专用存储设备原理图

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2.2 存储控制器工作原理及硬件设计

本文基于FMQL45T900芯片开发一款存储控制器，作为专用存储器的一部分。

FMQL45T900 系列可编程融合芯片不仅提供了 FPGA 的灵活性和可扩展性、性能、功耗和易用性，与电路(ASIC)和专用标准产品(ASSP)有关。FMQL45T900 将以高性能处理器为基础的处理器系统 PS 与可编程逻辑的 PL 融合在一起。PS 与 PL 可以通过多个数据接口，通过众多互联互通的控制信号紧密耦合在一起。设计者可以将硬件加速器、自定义功能或用户在 PL 中创建的接口高效地整合在一起，处理器可以与 PL 相连，而 PL 也可以与 PS 中的内存资源相连。

PS（Processor System 处理器系统特性）高性能四核处理器集群是片上系统的核心，拥有 32K 字节指令缓存（I-Cache）和32K 字节数据缓存（D-Cache），256KB L2 Cache；片上系统包括片上存储器，高速外部存储器接口 DDR3，高速通信接口 USB 和千兆以太网，通用存储器接口和丰富的标准外设接口。DDR3 存储器能满足大量的高速数据存储需要。几个普通 32 位计时器可以作为计时基础。多通道 DMA 控制器可以用来分担处理器的工作，加速数据在片上存储器，DDR 存储器，众多外设以及 FPGA 内部存储器和FPGA 扩展的外设之间的传输。Quad SPI Flash 接口可以提高 CPU 访问的速度，使得处理器可以直接在Flash 上运行程序。FPGA 可编程逻辑提供高达350K 逻辑资源（型号不同则FPGA 资源不同），多种片上存储器模块和数字信号处理单元，能满足用户自定义的接口和系统设计。芯片内部使用高性能 AMBA 总线连接处理器，存储器，众多外设和可编程逻辑部分。

除处理器采用FMQL45T900设计开发，还包含：

1)DDR3芯片：计算机内存规格。SDRAM家族的内存产品，暂时存放处理器运算数据，与硬盘等外部存储器交换的数据。

2)网络PHY芯片：用于以太网的数据发送、接收，属于操作OSI模型物理层的设备[3]。

3)Watchdog：看门狗的作用是在芯片出现错误的情况下，定时查看芯片内部的情况，将信号重新发射到芯片上。它是监视主要程序运行的定时器电路，在定时时间到来之前，我们都要对定时器进行复位。 若是出现死循环，或是 PC 指针无法回转，到了计时时间就会让 Millboard重新定位。

4)SSD：（Solid State Disk或Solid State Drive，简称SSD）固态硬盘，将数据最终存放在此处。

2.3 软件设计

应用软件由主控模块、数据处理模块、配置管理模块、网络管理模块和看门狗模块组成。设备上电后，应用软件内部程序的主控模块对数据处理模块、配置管理模块、网络管理模块和看门狗模块进行初始化。

应用软件的网络管理模块通过以太网从主机处获取“读”、“写”指令和“配置命令”,将上位机的数据信息按照一定的顺序存入预先配置好的存储介质对应的分区中。如存入信息有问题，将发出报警。流程框图如下图（图2）所示：

图2　软件功能流程图

软件是运行在嵌入式linux系统上面的，编译器的gcc版本为“arm linaro-7.3”，用Ubuntu20虚拟机进行交叉编译开发

3 性能测试

本控制器模块外观如图4所示。该设备经测试可以与不同计算机在不同操作系统正常工作，并通过了相应的环境测试。

4 结论

专用存储设备的应用广泛，同时可对其进行升级改造，兼容性强且运行稳定，提高了使用者针对不同场合的使用效率，避免了现有商用存储设备无法实现复杂环境与相对定制其他设备软硬件成本高的情况，因此该设备已经成为某些系统的必备外存储器设备之一，经过实际应用，该设计已经成功运用于多款专用存储设备中。

参考文献：

[1]甄国涌， 张昊宇， 陈建军. 基于FMQL 的国产化控制平台的设计与实现[J]. 单片机与嵌人式系统应用, 2022，5：62-66.

[2]方红， 徐嘉莉， 杨柱中等. 微机原理及接口技术[M]. 电子工业出版社, 2022.

Motorcomm，YT8521SC_YT8521SH Datasheet [EB/OL]. [2020-4].

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