關(guān)于基于FPGA和ARM的虛擬軟盤實現(xiàn)

0 引言

隨著硬件技術(shù)的進步，軟盤逐漸被新的存儲介質(zhì)代替。但部分舊設(shè)備（比如織布機等）并不支持這些更快、容量更大的存儲設(shè)備，也不支持網(wǎng)絡(luò)訪問。因此，設(shè)法將存儲設(shè)備虛擬成軟盤，通過網(wǎng)絡(luò)對其進行數(shù)據(jù)訪問具有一定的實用價值。在臺式機讀寫軟盤過程中，數(shù)據(jù)流遵循MFM編碼格式，使用CRC校驗檢測數(shù)據(jù)誤差。

本文提出一種基于FPGA和ARM的虛擬軟盤方案。在DE2-115開發(fā)平臺下，將2 MB的SRAM存儲器虛擬成1.44 MB軟盤，通過臺式機對虛擬軟盤的數(shù)據(jù)進行讀寫，并使用樹莓派實現(xiàn)UDP服務(wù)器，通過網(wǎng)絡(luò)對虛擬軟盤的狀態(tài)和數(shù)據(jù)進行讀寫訪問。

同時，對設(shè)計方案進行實現(xiàn)與驗證，成功實現(xiàn)對虛擬軟盤的鏡像制作、文件讀寫、格式化、制作啟動盤等操作，并實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)設(shè)備對虛擬軟盤的監(jiān)控。

1 虛擬軟盤核心模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 虛擬軟盤數(shù)據(jù)分布結(jié)構(gòu)

一張軟盤包含80個磁道，每個磁道有2個柱面，每個柱面包含18個扇區(qū)，每個扇區(qū)包含有512 B數(shù)據(jù)。整個軟盤包含有2×80×18×512 B=1.44 MB的數(shù)據(jù)量。在實際應(yīng)用中，軟盤通過軟驅(qū)線發(fā)送到臺式機的1個磁道的數(shù)據(jù)，包含數(shù)據(jù)頭部、數(shù)據(jù)中部和數(shù)據(jù)尾部3個部分。

在本虛擬軟盤設(shè)計中，虛擬軟盤的數(shù)據(jù)分布結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

頭部的長度為200 B，其中GAP數(shù)據(jù)為0x4E，用于填充磁道，共有184 B；SYNC為同步信號0x00，共有12 B；IAM表示索引信號地址標記，內(nèi)容為0xC2C2C2FC，用來指示磁道開始。而數(shù)據(jù)中部則包含有18個扇區(qū)的數(shù)據(jù)，每個扇區(qū)包含地址段和數(shù)據(jù)段兩部分。其中，地址段長度為72 B，數(shù)據(jù)段長度為608 B。地址段中：GAP段用于填充空間；SYNC表示同步；IDAM為地址標記；CHNR包含有磁道、磁面、扇區(qū)號、扇區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)等信息；CRC為2 B校驗信息，校驗起始于IDAM段，終止于CRC段。數(shù)據(jù)段中：GAP段用于填充空間；SYNC表示同步；DATAAM為地址標記；DATA包含512 B數(shù)據(jù)信息；CRC為2 B的校驗信息，校驗起始于DATAAM段，終止于CRC段。磁道尾部包含的數(shù)據(jù)是用于填充用的GAP段，其內(nèi)容為0x4E，長度為60 B。

1.2并行CRC運算模塊的原理和實現(xiàn)

循環(huán)冗余校驗（Cyclic Redundancy Check，CRC）算法在檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`差上發(fā)揮著重要的作用[1]。CRC校驗被用在PCI-Express總線、以太網(wǎng)（IEEE 802.3）以及WiFi（IEEE 802.11）等通信標準中[2]。通常使用的CRC校驗生成算法有串行的線性反饋移位運算LFSR[3-4]，但隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，使用串行運算不能滿足系統(tǒng)的要求[5]，有必要實現(xiàn)并行CRC計算模塊。

對于數(shù)據(jù)字節(jié)流{Cn(x)，…，C1(x)，C0(x)}，Ck(x)都是關(guān)于x的7次多項式，表征一個字節(jié)的數(shù)據(jù)；生成多項式記作G(x)，為關(guān)于x的N次多項式。CRC校驗結(jié)果為：

考慮到有限域GF(2)上的加法等效于XOR異或運算，而乘法等效于AND與運算，在FPGA上可以實現(xiàn)一種基于矩陣式數(shù)據(jù)選通的并行CRC運算模塊。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。該并行CRC運算模塊包含有邏輯運算陣列和輸出寄存器兩個部分。其中邏輯運算陣列由組合邏輯構(gòu)成，其功能包括：將收到的數(shù)據(jù)DataIn左移(N-8)位，得到N位數(shù)據(jù)利用與上次CRC運算結(jié)果Rk(x)進行XOR運算，得運算結(jié)果進入數(shù)據(jù)選通運算陣列，陣列由(N×N)個1-bit選擇器和N個N-bit XOR運算單元構(gòu)成，選通使能信號是通過計算Φ=(A+KB)8結(jié)果得到的；陣列出來的運算結(jié)果進入輸出寄存器，由時序邏輯構(gòu)成，在模塊接收到ENA使能信號時，寄存邏輯運算陣列的結(jié)果輸出到Q；當輸出寄存器接收到RST復(fù)位信號時，CRC模塊的輸出Q相當于CRC校驗初始值R-1(x)。

在本虛擬軟盤設(shè)計中，取N=16，即進行CRC-16校驗，生成多項式為G(x)=x16+x12+x5+1，根據(jù)定義得到K=[0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1]T，計算狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Φ，得到選通使能陣列如表1所示。其中橫向表示輸入位，用十六進制表示相應(yīng)的位下標；縱向的表示輸出位對應(yīng)的下標；表中陰影部分對應(yīng)的輸入位被選通，空白部分對應(yīng)的輸入位不被選通。

1.3 MFM編解碼

1.3.1 MFM編碼原理與實現(xiàn)

在軟盤應(yīng)用中，讀寫的數(shù)據(jù)都是以串行方式傳輸?shù)?。通常在各個數(shù)據(jù)位之間插入時鐘位，保證數(shù)據(jù)能被正確傳輸和識別[6]。在軟盤的數(shù)據(jù)傳輸中，采用MFM編碼。其表達式如下：(x，y，z)→(x，x NOR y，y，y NOR z，z)，其中NOR為非或運算，即p NOR q=p∨q。在RData和WData信號線上，一個電平翻轉(zhuǎn)表示在MFM編碼碼流的時鐘位或者數(shù)據(jù)位中出現(xiàn)了“1”；而沒有翻轉(zhuǎn)，則表示在碼流的時鐘位或數(shù)據(jù)位中出現(xiàn)了“0”。采用500 kb/s的傳輸速率，一個數(shù)據(jù)位的傳輸需要消耗2 μs時間。圖3為4-bit數(shù)據(jù)流“1010”MFM編碼示意。

MFM編碼沒有起始標志，所以在每個扇區(qū)地址段和數(shù)據(jù)段之前都有AM域，其中的數(shù)據(jù)字節(jié)“0xA1”的編碼采用了MMFM編碼，用于標記碼流起始：在數(shù)據(jù)位中，若出現(xiàn)連續(xù)的0-0，則時鐘位變1；若出現(xiàn)0-0-0，則時鐘位是1-0；若出現(xiàn)0-0-0-0，則時鐘位是1-0-1；以此類推。

圖4是MFM編碼模塊的結(jié)構(gòu)框圖。整個MFM編碼過程由移位寄存模塊、核心編碼模塊、計數(shù)模塊和并行轉(zhuǎn)串行模塊組成。其中，移位寄存模塊保留上一字節(jié)數(shù)據(jù)的最低位和當前字節(jié)數(shù)據(jù)，生成數(shù)據(jù)mfmData用來傳遞給核心編碼模塊進行MFM編碼。核心編碼模塊根據(jù)MFM編碼規(guī)則，對mfmData進行編碼運算，并通過Violate信號判斷當前是否處于AM域，若是，則要使用MMFM編碼規(guī)則。計數(shù)器模塊用來生成BitCnt計數(shù)信號，傳遞給并轉(zhuǎn)串模塊，生成最后的數(shù)據(jù)比特流mfmBit信號。

1.3.2 MFM解碼原理與實現(xiàn)

數(shù)據(jù)在編碼和傳輸過程中，經(jīng)常出現(xiàn)相位超前、延遲的情況。在MFM解碼之前，需要先同步WData碼流和MFM解碼時鐘。此外，軟盤數(shù)據(jù)在AM域的0xA1標志遵循MMFM編碼，用于定位MFM碼流的起始位置。圖5是MFM解碼模塊的模塊結(jié)構(gòu)框圖。采用32 MHz的采樣時鐘捕捉WData信號。因為一個數(shù)據(jù)位周期為2 μs，采樣過程中計數(shù)器由0計到63，即T=0，1，2，…，62，63。據(jù)此設(shè)定數(shù)據(jù)比特的采樣時間在T=10和T=42時刻采樣結(jié)果保存在移位寄存器SHIFTER中，并分離數(shù)據(jù)位和時鐘位。MFM碼流中的下降沿出現(xiàn)通常在T=0或者T=31時刻。AM域的數(shù)據(jù)字節(jié)0xA1經(jīng) MMFM編碼后CLOCK_BITS是0x0A，而MFM編碼后CLOCK_BITS為0x0E。據(jù)此，仲裁單元的相位調(diào)整規(guī)則如下：

(1)檢測到WData下降沿時：若16≤T≤47，選通T=31；若T≤15或者T≥48，選通T=0；

(2)若DATA_BITS==0xA1且CLOCK_BITS ==0x0A，即檢測到0xA1編碼違例，則選通T=44；

(3)否則選通T=T+1。

最后，數(shù)據(jù)比特計數(shù)模塊用來判斷是否接收到8 bit數(shù)據(jù)，若是，則輸出數(shù)據(jù)有效脈沖信號MFM_DATA_EN。

2 虛擬軟盤系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 虛擬軟盤系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

虛擬軟盤系統(tǒng)如圖6所示。其中，控制電腦與虛擬軟盤系統(tǒng)處于同一個局域網(wǎng)下，通過socket通信實現(xiàn)與虛擬軟盤系統(tǒng)的交互，包括軟盤狀態(tài)獲取、軟盤狀態(tài)修改、發(fā)送軟盤鏡像和選擇軟盤鏡像等命令；虛擬軟盤系統(tǒng)包括ARM、FPGA和SRAM存儲器3個部分，其中ARM和FPGA的交互通過SPI接口實現(xiàn)；ARM負責(zé)網(wǎng)絡(luò)交互，從網(wǎng)絡(luò)獲取軟盤數(shù)據(jù)、狀態(tài)的讀寫命令，同時開啟SSH服務(wù)，方便遠程登錄，開啟FTP服務(wù)用于控制中心發(fā)送、選擇虛擬軟盤系統(tǒng)中的軟盤鏡像；FPGA負責(zé)將2 MB容量的SRAM虛擬成1.44 MB軟盤，并通過軟驅(qū)線和外部的臺式機/織布機進行交互。

2.2 FPGA部分的結(jié)構(gòu)

FPGA部分的結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。該系統(tǒng)主要包括虛擬軟盤控制模塊、SPI收發(fā)模塊、SRAM控制模塊。

控制模塊實現(xiàn)軟盤磁針的位置控制和數(shù)據(jù)編解碼：步進模塊通過檢測iStep下降沿和iDir電平確定當前軟盤磁針所處的磁道號rCylNo；通過iHdSel電平確定磁針所處柱面號rHeadNo；旋轉(zhuǎn)模塊確定當前扇區(qū)號rSectNo以及在扇區(qū)內(nèi)偏移地址rAddrL。MFM解碼模塊根據(jù)WData得到回寫數(shù)據(jù)wData和磁道wCylNo、柱面wHeadNo、扇區(qū)號wSectNo及扇區(qū)內(nèi)偏移地址wAddrL等信息。

通過SPI收發(fā)模塊，F(xiàn)PGA可獲取到ARM給出的讀寫命令，數(shù)據(jù)交換模塊會根據(jù)命令判斷執(zhí)行以下某個行動：讀取軟盤的扇區(qū)數(shù)據(jù)、修改軟盤的扇區(qū)數(shù)據(jù)、獲取軟盤狀態(tài)（寫保護，軟盤就緒，寫入使能，磁道、磁面和扇區(qū)等）、修改軟盤狀態(tài)（寫保護和軟盤就緒等）。

地址、數(shù)據(jù)等信息通過地址轉(zhuǎn)移模塊，映射成對SRAM的讀地址rAddr和寫地址wAddr。通過SRAM讀寫控制模塊，可以對虛擬成軟盤的SRAM進行數(shù)據(jù)訪問。CRC編碼模塊用于計算地址段和數(shù)據(jù)段的校驗和，可以用來檢測數(shù)據(jù)傳輸上可能出現(xiàn)的錯誤。軟盤數(shù)據(jù)或者校驗和經(jīng)過MFM編碼模塊生成MFM碼流傳送給臺式機。

2.3 ARM程序結(jié)構(gòu)

ARM部分的程序設(shè)計框圖如圖8所示。其中，主線程負責(zé)socket和SPI接口的初始化，并創(chuàng)建線程1和線程2；線程1負責(zé)通過網(wǎng)絡(luò)獲取控制中心的命令（包括軟盤狀態(tài)讀取命令即#R，軟盤狀態(tài)修改命令即#W、WP、READY、FLAG，以及鏡像文件讀取/寫入命令即&R/W、xxx.ima），對互斥量filelock進行上鎖后，修改data_sent為1，再把filelock解鎖；線程2負責(zé)判斷data_sent是否為1，即網(wǎng)絡(luò)命令是否有效。若是，則對filelock進行上鎖后，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)命令執(zhí)行相應(yīng)的操作，并返回相應(yīng)數(shù)據(jù)給控制中心，再將data_sent清零后，把filelock解鎖；若data_sent為0，即沒有收到網(wǎng)絡(luò)命令，那么讀取當前軟盤狀態(tài)，空閑1 s后，重新進行循環(huán)。

此外，ARM端還負責(zé)作為FTP服務(wù)器，用于接收控制中心發(fā)送的各個ima軟盤鏡像文件。

3 虛擬軟盤運行測試情況

針對提出的虛擬軟盤設(shè)計方案進行測試與驗證。在Altera的DE2-115開發(fā)板上燒寫FPGA工程文件，并在樹莓派上運行ARM部分的程序。對虛擬軟盤的測試包括虛擬軟盤格式化、文件讀寫、鏡像制作、啟動盤測試等。首先對虛擬軟盤徹底格式化，將虛擬軟盤所有扇區(qū)數(shù)據(jù)清零；然后進行多文件隨機寫入，并讀取虛擬軟盤文件，進行文件比較，比對結(jié)果說明虛擬軟盤讀寫正常；最后，制作啟動盤并利用UltraISO制作軟盤鏡像，通過啟動測試程序加載鏡像，能順利進入系統(tǒng)，說明啟動盤制作和讀取正常。

4 結(jié)論

本文提出并實現(xiàn)了一種基于FPGA和ARM的虛擬軟盤方案，并成功將2 MB的SRAM虛擬成1.44 MB軟盤，可通過網(wǎng)絡(luò)對虛擬軟盤的狀態(tài)和數(shù)據(jù)進行遠程訪問，也可通過臺式機對虛擬軟盤進行讀寫操作。利用實際開發(fā)板進行實驗，驗證了本設(shè)計方案的可行性。