网络硬盘存储系统设计与FPGA实现

摘要

随着信息技术的发展，数据存储技术变得越来越重要，而快速便捷的网络数据存储技术更是成为人们现在研究的热点问题。本文研究设计的正是基于FPGA的网络硬盘存储系统，实现了用户数据的网络存储。系统以ATA接口类型硬盘作为存储介质，用FPGA及其内部的。Microblaze软核处理器实现存储控制、网络传输、NFS服务及文件系统。
　　 对ATA协议进行深入研究，分析提取主机端工作原理与工作过程，用VHDL硬件描述语言实现可脱离CPU的ATA主机端控制器IP核。本控制器可以通过PIO模式、MDMA模式和UltraDMA模式分别对硬盘进行读/写访问，并实现硬盘软/硬复位及器件检测等功能。
　　 分析研究IEEE802.3规范和TCP/IP协议族，根据各自功能在FPGA上分别实现以太网控制器和精简TCP/IP协议。其中，以太网控制器模块能独立完成符合IEEE802.3规范的数据帧传输，为数据网络传输提供链路层支持。TCP/IP协议模块实现了经裁剪的TCP/IP协议族，包括的协议有链路层的ARP协议，网络层的IP协议，和传输层的UDP、TCP协议；能实现基于UDP和TCP协议的数据网络传输，并具有地址解析的功能。最终通过数据缓存模块将以太网控制器模块和TCP/IP协议模块合理结合，组成一个无主机控制的网络控制器IP核，该IP核可以直接完成应用层数据网络传输。
　　 在Microblaze上移植Petalinux操作系统和NFS服务器，组成系统的软件基础；再将ATA主机端控制器IP核和网络控制器IP核挂载到Mcroblaze的PLB总线上，构成系统的硬件平台；最终通过软硬件协调工作实现数据的网络存储。此网络硬盘存储系统基于FPGA完成，既具有SOC的特点又拥有现场可编程的优势，故其可移植性强，应用方便。