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基于6U VPX XC7V690T的阵列M.2高速固态存储卡

 

 

 

一、板卡概述

    基于6U VPX的阵列M.2高速固态存储卡自主研发的完全满足NVME存储规范的高性能数据存储应用平台,平台基于FPGA核心处理器、具备丰富的高速接口、实现NVME高速存储协议、支持标准文件管理,采用模块化设计,灵活扩展重构,可应用于多种不同的硬件形态。

二、平台介绍

2.1 平台架构

FK-NVME存储平台架构如下所示:

 

2.2 组成描述

FPGA核心处理器

平台以Xilinx FPGA为核心处理器,用来完成平台的存储控制,接口协议转换、标准文件系统管理等功能,当前平台支持Xilinx V7 690T或Xilinx Ku060两款芯片可选择,后期可根据需求进行多种型号的拓展。

两款核心处理器在功能方面保持一致,主要区别在高速接口数量及对存储盘的控制数量上有不同的配置。并且V7 690T可支持国产化芯片。

NVME存储阵列

NVME存储阵列为平台提供所需要的大容量及高带宽存储空间,可支持1~n块存储盘的灵活配置,以此来满足客户对容量与带宽的需求。

每块存储盘与FPGA之间采用PCIE3.0 x4接口,可将单块存储盘的性能发挥到高。例如:单盘持续读写带宽≥2GB/s,则单盘的存储阵列持续读写带宽≥2GB/s;当多块盘并行工作时,存储阵列读写带宽成指数增长,2块盘则≥4GB/s,4块盘则≥8GB/s,以此类推。

存储阵列的存储容量由单盘配置决定,目前单块NVME存储盘存储容量可选择512GB、1TB、2TB、4TB、8TB、16TB。例如配置4块存储盘,则存储阵列容量最高可达64TB。

FPGA与存储盘的接口采用PCIE软核实现,可不局限于FPGA自带的PCIE硬核数量。平台下对存储盘的控制数量配置遵循规则,可配置1、2、4、8、12、16块盘。

高速数据接口

平台对外提供多路高速数据接口,用来完成多路高速数据的接收或发送。高速数据接口采用公司自封装的高速接口模块。

每路高速接口模块以固定的几路GTH接口为依托,内部传输采用可靠的AURORA协议,可将接口性能充分发挥出来。

每路高速接口模块支持功能性能如下:

  • 每路接口模块采用4路GTH接口为一组,不可分割;
  • 每路接口模块支持5GB/s的有效数据带宽;
  • 每路接口模块支持32路逻辑数据,支持32个文件的同时记录;
  • 一个平台下可有多个接口模块,所有接口模块共享存储阵列。

平台暂只支持使用该接口,公司提供接口模块的发送与接收对应的模块程序,客户可直接集成到自己工程中使用。该接口的详细介绍在使用说明章节中详细介绍。

控制及访问接口

存储平台可由FPGA对外扩展多路的千兆网口、万兆网口、串口、LVDS等接口。

  • 千兆网口/万兆网口:
    • 用来完成控制功能,可控制FPGA的启动、停止等操作。
    • 用来完成数据的下载、上传等文件操作。
  • 串口/LVDS等接口:
    • 定制接口;
    • 用来进行数据同步或其他功能;

内部支持模块

内部支持模块是FPGA核心处理器的外围支持模块,用以辅助实现平台的多种功能。

  • DDR:用来提供大容量、高带宽缓存;
  • FLASH:用来存储程序,支持远程更新;
  • RTC:为平台提供时间戳;
  • CLOCK:为核心处理器提供所需的时钟;
  • 温感:提供承载平台的硬件环境温度、电压信息获取;
  • JTAG:调试模块;
  • 指示灯:提供平台工作状态物理指示。

2.3 文件管理

文件系统

平台实现了EXFAT的标准文件系统,想比较传统的存储板卡的嵌入式文件管理方式,EXFAT文件系统实现了对存储文件的标准文件系统管理方式;在存储板卡文件管理的有效性及可靠性方面,发生了质的提升,并且外部访问端通过标准FTP的协议,可直接读取或上传数据,减少了传统嵌入式文件到标准文件的转换过程,为用户的使用,提供了极大便利性。

该文件系统具有如下几个特点:

  • 单文件大小最大可达16EB;
  • 同一目录下最大文件数可达2,796,202个;
  • 支持多级目录的管理;
  • 支持对存储空间的分区管理;
  • 支持文件名称的创建、重命名,文件名称可支持汉字;
  • 支持批量文件或文件夹的读、写、复制、粘贴、删除等操作;
  • 支持自动循环覆盖功能,存储空间写满后,自动删除时间早文件;
  • 支持磁盘的全盘格式化操作;
  • 支持RAID操作,提高存储数据的安全性,支持RAID0、RAID5等;

FTP访问

通过核心处理器,平台对外提供标准的FTP访问接口,用户可通过电脑自带的资源管理器或FTP访问工具,将存储板卡内的存储空间在本地电脑上直接查询、打开,删除、复制、粘贴等操作。

同时,使用FTP的访问协议,还具备以下优势:

  • 具备权限管理功能,可针对不同的用户,配置只读、只写或读写权限;
  • 支持多主机在线功能,一个客户端,可同时访问多个主机;
  • 支持域名访问功能;
  • 支持系统内主机查询功能;
  • 支持FTP协议的自定义控制指令;

2.4 功能说明

数据记录存储功能

接收数据接口进入的客户数据,并根据打包格式完成数据解析,并根据解析结果存储到NVME存储阵列中。

数据回放功能

将NVME存储阵列中存储数据,通过对外的数据接口,按照设定的频率发送出去。

下载、上传功能

通过千兆或万兆网络接口,采用FTP通信协议,将数据下载或上传到NVME存储阵列中。

数据透传功能

通过数据对外接口,接收外部数据并进行解析,可支持将解析的数据通过万兆网口转发透传出,到外部设备。

设备状态获取功能

通过网络可获取板卡状态,包括速率、容量等信息。