CN207731258U - 一种vpx高速存储模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种VPX高速存储模块，在一块6U VPX标准卡板上，设置FPGA和PowerPC，PowerPC通过FPGA外挂SSD存储组，所述SSD存储组包括16个通过SATA3.0数据线与FPGA连接的SSD固态硬盘，每片SSD固态硬盘的容量为1T；所述FPGA通过PCIe3.0数据线连接PowerPC。本实用新型具有单模块16TB的存储容量和6Gb/s以上的连续读写带宽的特性。
Description
技术领域
本实用新型属于VPX板卡设备领域，具体的说，是一种VPX高速存储模块。
背景技术
现目前市面上6U VPX存储模块性能较低，普遍读写带宽为2～3GB/s。
例如：申请号为：201420836000.0；发明名称为：一种大容量固态存储板的中国实用新型专利文件中公开了一种大容量固态存储板，其特征是：在1块6UVPX标准板卡上，采用FPGA和NAND FLASH阵列，实现1TB存储容量和1GBPs读写速率，存储板上有4个NAND FLASH阵列，用FPGA代码实现NAND FLASH阵列控制器，NAND FLASH存储阵列采用滚筒存储方式，以保证各个NAND FLASH芯片的编程次数尽量均等，板卡数据接口为GTH高速口，实现数据的存入和读出，通信接口为千兆以太网口，实现板卡控制和管理。
但其板卡存储容量为1TB，读写速率为1Gbps，无法满足读写速率高、存储容量大的需求。
又例如：申请号为：201710368307.0；发明名称为：一种基于PowerPC的SRIO接口固态硬盘设计方法的中国发明专利公开文件中公开了一种基于PowerPC的SRIO接口固态硬盘设计方法，将多个PowerPC的PCIe通过FPGA进行同步后挂载多个PCIe SSD，其中固态硬盘通过SRIO接口与外界进行交互，将SRIO接口接收到的数据暂存到DDR内存中，将数据从DDR内存发送到PowerPC的PCIe接口，进而发送到FPGAPCIe接口，在FPGA中将多个PowerPC传输过来的数据进行同步处理后，写入SSD。
此结构虽然一定程度上提高了读写速率和存储容量，但任然无法做到单模块存储容量达16TB且连续读写带宽6Gb/s(6Gbp/s)以上的性能要求。
实用新型内容
针对现有技术中存在的问题和不足，本实用新型的目的在于提供一种VPX高速存储模块，能够满足单模块存储容量达16TB且连续读写带宽6Gb/s以上的性能要求。在高速数据采集回放系统中，存储模块具有极高的数据读写带宽，能满足数据存储速率及容量要求。
本发明通过下述技术方案实现：一种VPX高速存储模块，在一块6U VPX标准卡板上，设置FPGA和PowerPC，PowerPC通过FPGA外挂SSD存储组，所述SSD存储组包括16个通过SATA3.0数据线与FPGA连接的SSD固态硬盘，每片SSD固态硬盘的容量为1T；所述FPGA通过PCIe3.0数据线连接PowerPC。
本实用新型中FPGA、SSD固态硬盘均支持SATA3.0标准。
为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述FPGA的型号为XC7VX690T-2FFG1927I。
为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述PowerPC的型号为T2080NXN8TTB。
为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述SSD固态硬盘的型号为三星850Pro。
为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述VPX的标准连接器上设置P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6共七个接口；所述FPGA通过4路RapidIO×4与P1接口连接，所述FPGA通过2路PCIe 2.0×8与P2接口连接，所述FPGA通过2路千兆网线、1路万兆网线与P3接口连接，所述FPGA通过2路SGMII与P4接口连接，所述FPGA通过14路GTH与P6接口连接。
为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述FPGA通过GTH与光模块连接。
为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述FPGA通过12路GTH RX与光模块中的MPO光收模块连接，同时通过12路GTH TX与光模块中的MPO光发模块连接。
为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述FPGA通过1路GTH与光模块中的1个LC光模块连接。
为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述FPGA、PowerPC均连接有DDR3缓存模块。
所述SATA3.0标准速率为6Gb/s，其性能要高于SATA2.0数据线。
SATA2.0数据线和SATA3.0数据线的线缆，从外观上面看不出什么太大的差别，不同厂家生产的线缆可能在颜色和线缆上面的标识上面明确了线缆的规格支持的是SATA2.0或SATA3.0，不过无论是SATA2.0的线缆用在SATA3.0硬盘和主板之间，还是SATA3.0的线缆用在SATA2.0的硬盘和主板之间都是可以通用的，不会有任何规格上的兼容问题。只不过，如果硬盘和主板都是支持SATA3.0的设备标准，用的却是SATA2.0的线缆，则实际的效果也就是SATA2.0的标准了，只有用SATA3.0数据线连接支持SATA3.0的硬盘和主板时，才能达到SATA3.0的标准。
本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本实用新型提供了结构简单的一种VPX高速存储模块，在一个标准6U 5HP槽位内实现16TB存储容量和6Gb/s数据读写带宽。
(2)本实用新型设置均支持SATA3.0标准的FPGA、SSD固态硬盘，FPGA通过SATA3.0接口与SSD进行数据交换，SATA3.0标准速率为6Gb/s；FPGA与PowerPC间为PCIe3.0接口，提供高速文件管理信息交换通道；同时，FPGA利用其并发及高数据位宽特性，实现高速数据采集、存储和回放，采用RAID0模式操作16块SSD，实现理论读写速度叠加和大容量存储。
(3)本实用新型，存储带宽高：连续数据记录和回放带宽可达6Gb/s，在同类产品中处于领先水平。
(4)本实用新型，支持模块级联：通过背板实现模块间级联，实现容量扩展；级联总线为PCI Express 2.0×8。
(5)本实用新型，支持模块并联：通过MPO光口实现模块间并联，实现容量和带宽扩展。模块间通过专用的光纤实现同步，同步精度在100ns以内。
(6)本实用新型，接口丰富：支持多种标准高速接口协议，部分接口速率可调，系统友好，便于用户使用等特点。
附图说明
图1为本实用新型中FPGA、PowerPC、SSD连接关系的结构框图。
图2为本实用新型中整个存储模块的结构框图。
图3为SSD存储速率测试的测试框图。
图4为开始记录前的磁盘容量。
图5为记录1分钟后磁盘的剩余容量。
图6为统计满盘写的存储性能时的测试结果。
具体实施方式
实施例1：
如图1、图2所示，一种VPX高速存储模块，在一块6U VPX标准卡板上，设置FPGA和PowerPC，PowerPC通过FPGA外挂SSD存储组，所述SSD存储组包括16个通过SATA3.0数据线与FPGA连接的SSD固态硬盘，每片SSD固态硬盘的容量为1T；所述FPGA通过PCIe3.0数据线连接PowerPC。
所述FPGA的型号为XC7VX690T-2FFG1927I。此型号的FPGA具有80个GTH，单个GTH速率可到28.05Gb/s，同时集成3个PCIe3.0控制器。
所述PowerPC的型号为T2080NXN8TTB。此型号的PowerPC具有4核8线程，单核1.8GHz，提供16个Serdes高速接口，支持PCIe、XFI、SRIO等接口。
所述SSD固态硬盘的型号为三星850Pro。此型号的SSD固态硬盘，单盘1TB，写速率可到520MB/s，读速率可到540MB/s。
所述SATA3.0标准速率为6Gb/s，其性能要高于SATA2.0数据线。
SATA2.0数据线和SATA3.0数据线的线缆，从外观上面看不出什么太大的差别，不同厂家生产的线缆可能在颜色和线缆上面的标识上面明确了线缆的规格支持的是SATA2.0或SATA3.0，不过无论是SATA2.0的线缆用在SATA3.0硬盘和主板之间，还是SATA3.0的线缆用在SATA2.0的硬盘和主板之间都是可以通用的，不会有任何规格上的兼容问题。只不过，如果硬盘和主板都是支持SATA3.0的设备标准，用的却是SATA2.0的线缆，则实际的效果也就是SATA2.0的标准了，只有用SATA3.0数据线连接支持SATA3.0的硬盘和主板时，才能达到SATA3.0的标准。
本实施例中，FPGA利用其并发及高数据位宽特性，实现高速数据采集、存储和回放，采用RAID0模式操作16片SSD，实现理论读写速度叠加；再者，FPGA通过SATA3.0接口与SSD进行数据交换。FPGA与PowerPC间为PCI33.0接口，提供高速文件管理信息交换通道。所述SATA3.0标准速率为6Gb/s，1片SSD固态硬盘的容量为1T，16片SSD固态硬盘的容量为16T。本实施例中存储模块能达到16TB存储容量和6Gb/s数据读写带宽的性能。
所述VPX上的接口和光接口都可实现数据采集和回放。
数据记录(叫存储带宽，也叫记录带宽)：数据从板卡对外接口输入(如GTH、MPO)，到达FPGA，再由FPGA写入SSD中。
数据回放(叫回放带宽)：FPGA从SSD中读出数据，通过对外接口输出。
在数据记录和回放路径上的每个环节都会对数据带宽产生影响，数据带宽主要受限于三个环节：对外接口的性能(接口带宽性能)，处理器性能(处理器硬件性能和软件性能)，SSD性能。要实现6Gb/s的连续数据记录和回放带宽，需要每个环节都要工作到接近理论速度，设计难度很大。
本实施例中，基于VPX单槽结构的6Gb/s存储模块，采用FPGA+PowerPC，FPGA外挂SSD存储组结构，实现数据存储功能。FPGA实现高速数据采集回放接口及SSD读写，PowerPC实现文件系统管理及万兆网数据导入导出接口，FPGA和PowerPC间通过PCIe3.0总线进行数据交换。所述存储模块主要功能列表：
①支持光纤数据的记录、回放；
②支持磁盘的循环覆盖写；
③支持16片固态硬盘，每片的容量为1T；
④支持6Gb/s数据读写带宽；
⑤支持采集数据的导出、删除；
⑥支持掉电异常恢复。
为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述FPGA、PowerPC均连接有DDR3缓存模块。
实施例2：
本实施例在实施例1或实施例2的基础上进行优化，所述存储模块还包括MCU，MCU通过CPLD模块分别与FPGA、PowerPC连接。
所述MCU的型号为STM32F405RCT6，典型功耗0.5W。利用STM32F405处理器多IIC接口、低功耗等特点，组建基于IIC总线的板卡内状态监测及管理信号通道。此总线主要监测板内FPGA、PowerPC、接口芯片、光模块等主要功能芯片的工作状态，组成通用数据帧，并通过VPX P0上的IIC接口向外播报。
实施例3：
本实施例在实施例1或实施例2的基础上进行优化，所述VPX的标准连接器上设置P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6共七个接口；所述FPGA通过4路RapidIO×4与P1接口连接，所述FPGA通过2路PCIe 2.0×8与P2接口连接，所述FPGA通过2路千兆网线、1路万兆网线与P3接口连接，所述FPGA通过2路SGMII与P4接口连接，所述FPGA通过14路GTH与P6接口连接。
如表1所示，VPX接口：P1、P2、P3、P4、P6，定义如下：
| VPX连接器 | 信号定义 |
| P1 | 2路4×RapidIO |
| P2 | 2路8×PCI Express |
| P3 | 2路千兆网，1路万兆网 |
| P4 | 2路SGMII |
| P6 | 13路Serdes Tx/Rx，1路同步Serdes Tx/Rx |
表1
P0～P6为VPX结构板卡标准连接器，用于VPX板卡与机箱背板连接。在这些连接器上定义了各种高速信号接口，如SRIO、PCIE、万兆网、Aurora等。P0为标准供电连接器，P5不使用。
P3上的10G接口、1000Base-T接口都是为了向外提供丰富的控制管理接口。另一方面，数据量大的情况下，向外导出数据时，使用万兆网线可提供比千兆网线快10倍的导出速度。
进一步，光纤接口：1个MPO 12芯发送端口，1个MPO12芯接收端口，2路10GEthernet，1路Gigabit Ethernet；以太网：RJ45接口Gigabit Ehernet。
本实施例的其他部分与实施例1或2相同，故不再赘述。
实施例4：
本实施例在实施例1-实施例3任一项的基础上进行优化，所述FPGA通过GTH与光模块连接。其中，所述FPGA通过12路GTH RX与光模块中的MPO光收模块连接，同时通过12路GTHTX与光模块中的MPO光发模块连接。所述FPGA通过1路GTH与光模块中的1个LC光模块连接。
所述MPO、LC是不同类型的光模块，提供板卡与其他设备间的高速信号光纤通道，实现长距离传输(如相距几米的机柜间)。
本实施例的其他部分与实施例1-3任一项相同，故不再赘述。
实施例5：
一种VPX高速存储模块，在一块6U VPX标准卡板上，设置FPGA和PowerPC，PowerPC通过FPGA外挂SSD存储组，所述SSD存储组包括16个通过SATA3.0数据线与FPGA连接的SSD固态硬盘，每片SSD固态硬盘的容量为1T；所述FPGA通过PCIe3.0数据线连接PowerPC。
为了更好的实现本实用新型，进一步地，存储模块还包括MCU，MCU通过CPLD模块分别与FPGA、PowerPC连接。所述CPLD模块与FPGA、PowerPC之间通过GPIO连接。
General Purpose Input Output(通用输入/输出)简称为GPIO，或总线扩展器，人们利用工业标准I2C、SMBus或SPI接口简化了I/O口的扩展。当微控制器或芯片组没有足够的I/O端口，或当系统需要采用远端串行通信或控制时，GPIO产品能够提供额外的控制和监视功能。
所述FPGA的型号为XC7VX690T-2FFG1927I。
所述PowerPC的型号为T2080NXN8TTB。
所述SSD固态硬盘的型号为三星850Pro。
所述MCU的型号为STM32F405。
所述VPX的标准连接器上设置P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6共七个接口；所述FPGA通过4路RapidIO×4与P1接口连接，所述FPGA通过2路PCIe 2.0×8与P2接口连接，所述FPGA通过2路千兆网线、1路万兆网线与P3接口连接，所述FPGA通过2路SGMII与P4接口连接，所述FPGA通过14路GTH与P6接口连接。
所述FPGA通过GTH与光模块连接。所述FPGA通过12路GTH RX与光模块中的MPO光收模块连接，同时通过12路GTH TX与光模块中的MPO光发模块连接。所述FPGA通过1路GTH与光模块中的1个LC光模块连接。
所述FPGA、PowerPC均连接有DDR3缓存模块。
SSD存储速率测试采用板内FPGA模拟数据源方式进行，上位机软件控制采集板初始化完成后，触发FPGA内部数据源开始输出数据，数据自动写入到SSD。数据写入过程中通过以太网监控SSD存储状态，SSD可用存储空间低于设定值后停止数据记录。记录完成后，由上位机软件启动数据回放功能，将SSD数据快速导出，并在FPGA内部实现数据正确性检查。在此过程中，FPGA内部校验统计模块完成存取参数统计；上位机软件同时根据检测结果统计各项指标。测试框图如图3所示：
通过查看磁盘剩余容量的方法计算数据的存储带宽，具体测试方法：开始新的任务前查看磁盘的剩余容量，然后开始任务和记录，使用秒表计时，记录100s后查看停止记录和任务，并查看此时的磁盘剩余容量，通过计算磁盘剩余容量的差值计算存储数据的带宽。
开始记录前的磁盘容量如图4所示；记录1分钟(60s)，停止记录，查看磁盘的剩余容量，如图5所示；由图5中剩余容量计算平均存储带宽，计算方法如下：
(814–787)×16/60＝7.2(GB/s)
也就是说，计算出记录的平均存储带宽为7.2GBps左右。通过写满磁盘的方法的验证模块的存储速度。本次测试不断循环写满磁盘3次，记下记录的开始时间和结束时间。每块1T的磁盘的初始容量为953G因此16块的总容量为15248G，因此可根据写满磁盘的总时间计算存储速率。
进行10轮带宽测试，测试结果如表2所示：
| 实验序号 | 存储开始时间 | 写满磁盘的时间 | 写满磁盘总用时 | 存储带宽 |
| 1 | 11:13:50 | 11:49:29 | 2129s | 7.16GB/s |
| 2 | 13:35:59 | 14:11:29 | 2128s | 7.16GB/s |
| 3 | 14:11:30 | 14:47:01 | 2131s | 7.15GB/s |
| 4 | 14:50:20 | 15:25:50 | 2130s | 7.15GB/s |
| 5 | 15:22:30 | 15:57:59 | 2129s | 7.16GB/s |
| 6 | 16:01:00 | 16:36:28 | 2128s | 7.16GB/s |
| 7 | 16:39:00 | 17:14:30 | 2130s | 7.15GB/s |
| 8 | 17:15:00 | 17:50:29 | 2129s | 7.16GB/s |
| 9 | 17:59:30 | 18:35:01 | 2131s | 7.15GB/s |
| 10 | 18:36:00 | 19:11:28 | 2128s | 7.15GB/s |
表2
统计满盘写的存储性能，测试结果如图6所示，从上述的测试结果来看，模块的存储性能可达7.2GBps，持续循环写盘性能比较稳定，维持在7.16GBps。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种VPX高速存储模块，在一块6U VPX标准卡板上，设置FPGA和PowerPC，PowerPC通过FPGA外挂SSD存储组，其特征在于：所述SSD存储组包括16个通过SATA3.0数据线与FPGA连接的SSD固态硬盘，每片SSD固态硬盘的容量为1T；所述FPGA通过PCIe3.0数据线连接PowerPC。
2.根据权利要求1所述的一种VPX高速存储模块，其特征在于：所述FPGA的型号为XC7VX690T-2FFG1927I。
3.根据权利要求1所述的一种VPX高速存储模块，其特征在于：所述PowerPC的型号为T2080NXN8TTB。
4.根据权利要求1所述的一种VPX高速存储模块，其特征在于：所述SSD固态硬盘的型号为三星850Pro。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种VPX高速存储模块，其特征在于：所述VPX的标准连接器上设置P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6共七个接口；所述FPGA通过4路RapidIO×4与P1接口连接，所述FPGA通过2路PCIe 2.0×8与P2接口连接，所述FPGA通过2路千兆网线、1路万兆网线与P3接口连接，所述FPGA通过2路SGMII与P4接口连接，所述FPGA通过14路GTH与P6接口连接。
6.根据权利要求5所述的一种VPX高速存储模块，其特征在于：所述FPGA通过GTH与光模块连接。
7.根据权利要求6所述的一种VPX高速存储模块，其特征在于：所述FPGA通过12路GTHRX与光模块中的MPO光收模块连接，同时通过12路GTH TX与光模块中的MPO光发模块连接。
8.根据权利要求6所述的一种VPX高速存储模块，其特征在于：所述FPGA通过1路GTH与光模块中的1个LC光模块连接。
9.根据权利要求1所述的一种VPX高速存储模块，其特征在于：所述FPGA、PowerPC均连接有DDR3缓存模块。
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