CN102360342A - 海量影像数据快速存储显示固态硬盘 - Google Patents

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徐晖
孙兆林
聂洪山
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Abstract

本发明涉及一种海量影像数据快速存储显示固态硬盘，包括海量影像数据的快速存储和快速显示硬件架构和软件算法。硬件架构上主要是通过综合使用通道内总线扩展技术、通道内流水线技术以及多通道并行技术来合理高效组织固态存储介质，以提高存储介质的存取速度，通过利用PCIE接口传输数据来提高***传输数据的能力；软件架构上主要是通过影像数据的分块存储和地址映射技术来实现影像数据的快速存储和显示。针对海量影像数据的特点，通过通道内的总线扩展技术、通道内流水线技术以及多通道并行技术的综合使用，使得FLASH的组织更加合理、高效。

Description

海量影像数据快速存储显示固态硬盘
技术领域
本发明涉及固态硬盘及海量影像数据存储领域，是一种针对海量影像数据的快速存储和快速显示硬件架构和软件算法。具体地说，就是通过合理高效组织固态存储介质(Flash)，综合使用通道内总线扩展技术、通道内流水线技术以及多通道并行技术构成适用于海量影像数据快速存储和显示硬件架构；通过影像数据的剖分存储和地址映射技术构成了本发明的软件算法。
背景技术
随着遥感和航测等影像获取技术的发展，各种新型的传感器不断涌现，影像数据的类型、级别不断丰富，呈现出多格式、多类型、多尺度、海量以及分布式存储的特征。近年来，作为数字地球基础的航测图像，在国土资源调查、森林防火、减灾、城市规划、特大工程设计(如三峡工程、南水北调、西气东送)等方面的应用越来越广泛。就目前的硬件水平，已经能够获得上GB的特大彩色图像。用遥感或者航测构成的海量图像数据库达TB级。对如此高分辨率的彩色图像，为了看到细节，一般是不用有损压缩的。对单幅大小就达GB以上的图像，用户一般不会一次性地将所有数据装载到内存中进行显示或处理，即便是加大了内存，一次性地将所有数据装载到内存中去，计算机也会反应迟钝、画面闪烁。面对TB级的海量图像，如果不通过快速浏览剔除一些不合要求的，将导致巨大的数据冗余。
目前，对海量影像数据进行快速存储，主要是利用磁盘构建独立磁盘冗余阵列，即RAID(Redundant Array of Independent Disks)技术，其基本思想是通过将容量较小的多个硬盘并行合并成一个大容量的磁盘阵列，实现提高硬盘容量和性能的功能。但由于磁盘本身固有的缺点(如速度慢、随机访问性能差等)，虽然存储容量可以满足***的存储需求，但是速度远不能满足要求。海量影像数据快速显示的方法，目前主要是利用内存管理技术，主要包括海量遥感图像数据的分块技术、影像金字塔生成技术、图像高速缓存生成技术等，由于***内存容量的有限，此方法不能从根本上解决海量数据的快速访问难题。
发明内容
本发明涉及固态硬盘及海量影像数据存储领域，是一种针对海量影像数据的快速存储和快速显示硬件架构和软件算法。硬件架构上主要是通过综合使用通道内总线扩展技术、通道内流水线技术以及多通道并行技术来合理高效组织固态存储介质(Flash)，以提高存储介质的存取速度，通过利用PCIE接口传输数据来提高***传输数据的能力；软件架构上主要是通过影像数据的分块存储和地址映射技术来实现影像数据的快速存储和显示。
***主要由硬件架构和软件架构两部分组成。硬件架构主要包括PCIE接口、基于FPGA的硬盘控制器以及FLASH存储模块，其中基于FPGA的硬盘控制器是整个***的控制核心，通过PCIE接口与硬盘Host相连接；基于FPGA的硬盘控制器通过FLASH接口逻辑与FLASH存储模块相连接。软件架构主要包括影像数据的分块存储策略以及分块数据的地址映射策略等。
PCIE接口是本***的主要数据通路，完成主机Host与硬盘之间数据传递任务。本***采用8个Lane的PCIE接口，每个Lane由两对差分线组成，8个Lane共16对差分线，分别接入FPGA的16对RocketIO管脚。保证PCIE的差分管脚接入FPGA的差分管脚对，并且至少保证同一个Lane的两对差分线同时接入FPGA的同一个Bank中。PCIE采用PCI Express 1.0规范。
基于FPGA的硬盘控制器是本***的控制核心，其完成的任务主要包括三个方面：8个Lane的PCIE协议的实现、FLASH的接口逻辑的实现以及文件***的转换等。基于FPGA的硬盘控制器实现的PCIE协议包括数据报文发送和接受过程中的事物层、数据链路层和物理层，其中物理层由FPGA自带的RocketIO实现，事物层、数据链路层由硬件描述语言VHDL编程实现；FLASH的接口逻辑主要完成FLASH的读、写以及擦除等操作；文件转换***完成主机Host的文件***到FLASH的转换，主要包括地址映射、坏块管理以及均衡损耗等。
FLASH存储模块是本***的存储介质部分，通过合理高效组织多片FLASH协同工作，完成的主要任务是在基于FPGA的硬盘控制器的控制下实现数据的存入、读出以及保存等。本***使用的FLASH组织方式包括道内总线扩展方法、通道内流水线方法以及多通道并行方法。通道内流水线方法主要是用来减少FLASH自动编程时间对***速度的影响，流水线中的各片FLASH之间共享数据总线而控制总线相互独立，这是传统流水线方法在固态存储中的应用；而通道内总线扩展和多通道并行方法则是针对固态存储的特殊应用，对传统总线扩展方法的延伸，其中通道内总线扩展方法是对数据线进行扩展，扩展的各个芯片之间共享控制信号而数据位宽为各片FLASH的总和；多通道并行方法是基于多路并行的思想，各个通道之间是并行进行的，每个通道都包含流水线和通道内的总线扩展，扩展各片FLASH的数据总线和地址总线都相互独立。
影像数据的分块存储策略主要是针对大容量的影像数据在传统模式下存储和访问都很慢的不足，将大容量的影像数据分为很多块，将由相互联系的分块存入同一通道内不同的FLASH或者不同的FLASH通道内，通过通道内的总线扩展方法和流水线方法或者多通道并行方法加快影像尤其是相关影像数据的存储和读出及显示速度。解决了影像数据快速显示的难题。
地址映射方法是文件***转换的主要部分，其完成的主要任务是完成主机Host的文件***(如Windows下的FAT32和NTFS)到FLASH文件***的转换。在传统的地址映射的基础上，本设计充分利用多片FLASH的组织架构，提出了将已分块的且相关的影像数据存入不同的物理芯片，实现FLASH中影像数据的存储、读取加速，同时提高海量影像数据的显示速度。
具体过程是：数据写入时，PCIE接口接收来自主机Host的数据报文，经PCIE的物理层、链路层和事物层之后得到数据报文中的地址、指令以及数据信号，FPGA根据影像数的大小并结合FLASH的特点将影像数据进行分块，由分块影像数据地址映射策略将不同的影像数据分块映射到不同物理FLASH单元，由FLASH接口逻辑完成数据的写入操作；数据读出时，同样由PCIE接口接收来自主机Host的数据报文，经PCIE的物理层、链路层和事物层之后得到数据报文中的地址、指令以及读取数据的大小，由FLASH接口逻辑完成数据的读取操作，由不同FLASH读入的数据经之前影像数据分块策略的逆策略得到需要读取的完整的影像数据，并由PCIE接口发送至主机。
本发明的主要优点在于：
1、使用8个Lane的PCIE接口消除了硬盘数据传输方式上的瓶颈，8个Lane的速度总和达到2000MB/S；
2、FPGA完成了包括PCIE协议、FLASH接口协议、文件***转换以及***控制等多重功能，极大地提高了***的集成度；
3、针对海量影像数据的特点，通过通道内的总线扩展技术、通道内流水线技术以及多通道并行技术的综合使用，使得FLASH的组织更加合理、高效。
4、提出了针对海量影像数据的分块存储技术及不同分块影像数据的地址映射策略，结合FLASH的通道内总线扩展技术、通道内流水线技术以及多通道并行技术，使得对于海量数据的存储和访问以及显示速度得到极大提高。
附图说明为
图1为***结构示意图。
图2为***硬件详细示意图。
图3为影像数据分块及地址映射详细示意图。
具体实施方法
海量影像数据存储硬盘的具体实施主要包括硬件架构的实施和软件架构的实施两部分。其中硬件架构的实施，主要包括PCIE接口设计、FPGA电路设计、存储介质FLASH的组织以及以上三部分之间的互联；软件架构的实施主要包括PCIE协议的实现、文件***的转换、图像分块以及地址映射和FLASH接口逻辑的设计等。
硬件架构的具体实施
硬件架构的具体实施是为***提供信号通路以及保证多片FLASH之间的高效互联。主要包括PCIE接口设计、FPGA电路设计、存储介质FLASH的组织以及以上三部分之间的互联。
PCIE接口完成主机Host与硬盘之间数据报文的传递任务。本***采用的PCIE接口由8个Lane组成，每个Lane均有两对差分线，一对用于将数据从主机发送至硬盘，另一对用于将数据从硬盘发送至主机，8个Lane共16对差分线，分别接入FPGA的16对RocketIO管脚，保证PCIE的差分管脚接入FPGA的差分管脚对，并且至少保证同一个Lane的两对差分线同时接入FPGA的同一个Bank中，本发明的PCIE采用PCI Express 1.0规范。
FPGA电路是本***的控制核心，其完成的任务主要包括PCIE协议的实现、FLASH的接口逻辑的实现以及文件***的转换。8个Lane的PCIE协议实现主要包括数据报文发送和接受过程中的事物层、数据链路层和物理层的实现，其中物理层由FPGA自带的RocketIO实现，本发明采用的PCIE 1.0规范，每个Lane的串行速率为2.5Gbps，XILINX公司具有RocketIO功能的FPGA均能满足此速率要求；事物层、数据链路层由硬件描述语言VHDL编程实现，包括8/10bit编码以及各个Lane数据的合并。FLASH的接口逻辑根据FLASH的读写要求完成所使用芯片的读写时序，并根据基于FPGA的硬盘控制器的指令完成相应的读写操作。文件转换***完成主机Host的文件***到FLASH的转换，主要包括主机地址到FLASH地址的映射、坏块管理以及均衡损耗等，其中坏块管理是完成防止因FLASH工作过程中出现的坏块造成读写数据的错误，均衡损耗是保证各个单元读写次数均衡，延长硬盘的使用寿命。
存储介质FLASH的组织是通过组织多片FLASH协同工作，其完成的主要任务是在基于FPGA的硬盘控制器的控制下实现数据的并行存入、读出以及保存。本***使用的FLASH组织方式包括道内总线扩展方法、通道内流水线方法以及多通道并行方法。其中通道内总线扩展方法是对数据总线进行扩展，扩展的各个芯片之间共享控制信号而数据位宽为各片FLASH数据位宽的总和；通道内流水线方法主要是用来减少FLASH自动编程时间对***速度的影响，扩展的各片FLASH之间共享数据总线而控制总线相互独立，保证一片FLASH在编程时另一片FLASH在加载数据，这样就增加了数据总线的利用率；多通道并行方法是基于并行加速的思想，各个通道之间是并行进行存储的，扩展各片FLASH的数据总线和地址总线都相互独立，当数据发送至各个通道的FIFO之后，各个通道的读写操作均是并行进行，相互没有任何影响。
软件架构的具体实施
软件架构主要包括影像数据的分块存储策略以及分块数据的地址映射策略，由数据分块策略和地址映射策略共同完成海量影像数据的快速存储和读取，以及实现海量数影像据的快速显示。
影像数据的分块存储策略主要是针对大容量的影像数据在传统模式下存储和访问都很慢的不足，将大容量的影像数据分为很多块，将相互联系的分块存入同一通道内不同的FLASH中(即流水线方法)，或者相互联系的分块存入不同的FLASH通道内(即多通道并行方法)，通过通道内的总线扩展方法和流水线方法和多通道并行方法，加快影像尤其是相关影像数据的存储和读出及显示速度。图像分块的大小通常取2的幂次方，具体的在选择时要考虑到FLASH数据存贮的特点以及***内存管理的最小单位。对于NANDFLASH来说，每页的字节数应是2KB、4KB或者8KB等，此外还要考虑数据压缩的需要和硬盘数据传输的速率，本发明采取固定大小分块方法，且保证分块大小为FLASH页大小的整数倍。按照这样大小分块.每次硬盘传送一页或者页容量的整数倍的数据耗时非常短，且因为每页都有完整的数据，这样数据的传输效率也是最高，不会因为为了得到一页中的某些数据而需要读取整页的数据(FLASH中读的最小单位为一页)。
地址映射方法是文件***转换的主要部分，其完成的主要任务是完成主机Host的文件***(如Windows下的FAT32和NTFS)到FLASH文件***的转换，充分利用多片FLASH的组织架构，将已分块的影像数据存入不同的物理芯片，实现FLASH中影像数据的存储、读取加速，同时提高海量影像数据的显示速度。
附图2为***硬件详细数据流程图：
1.PCIE接口采用8个Lane的方式，符合PCI Express1.0规范，结合FPGA中利用硬件描述语言VHDL编写的PCIE协议完成本硬盘与主机Host之间数据报文的发送，协议解析，其中数据报文包括主机发送的地址、指令、数据以及本硬盘上传的状态、容量等信息。
2.FPGA电路包括FPGA以及FPGA是配置电路，选用的FPGA至少要包含16个RocketIO用来实现PCIE协议的物理层。
3.存储介质部分采用道内总线扩展方法、通道内流水线技术以及多通道并行方法对多片FLASH进行高效组织，通道内流水线的级数由所选芯片的页自动编程时间和页数据传输时间共同决定，并行通道数视***总容量和速度要求而定。
4.电源电路为***提供电源。
5.时钟电路为***提供所需时钟。
附图3为影像数据分块及地址映射详细示意图：
1、大容量影像数据经PCIE接口传入硬盘后，在***缓存中对其进行分块，采用固定大小，方形分块原则，保证分块大小为FLASH页大小的整数倍。每个分块的大小由影像数据的大小和FLASH页的大小共同决定，图像分块的大小通常取2的幂次方，具体的在选择时考虑到FLASH数据存贮的特点以及***内存管理的最小单位。
2、分块数据的地址映射策略将分块之后的影像数据分别映射的不同的物理通道上，并更改文件转换***中的地址映射表。

Claims (6)

1.海量影像数据快速存储显示固态硬盘，包括快速存储和快速显示硬件架构和软件算法，其特征在于，硬件架构主要包括PCIE接口、基于FPGA的硬盘控制器以及FLASH存储模块，其中基于FPGA的硬盘控制器是整个***的控制核心，通过PCIE接口与硬盘Host相连接；基于FPGA的硬盘控制器通过FLASH接口逻辑与FLASH存储模块相连；采用8个Lane的PCIE接口，每个Lane由两对差分线组成，8个Lane共16对差分线，分别接入FPGA的16对RocketIO管脚。
2.根据权利要求1所述的海量影像数据快速存储显示固态硬盘，其特征在于，保证PCIE的差分管脚接入FPGA的差分管脚对，并且至少保证同一个Lane的两对差分线同时接入FPGA的同一个Bank中，PCIE采用PCI Express 1.0规范。
3.根据权利要求1所述的海量影像数据快速存储显示固态硬盘，其特征在于，存储介质FLASH的组织是通过组织多片FLASH协同工作，其完成的主要任务是在基于FPGA的硬盘控制器的控制下实现数据的并行存入、读出以及保存。
4.根据权利要求1所述的海量影像数据快速存储显示固态硬盘，其特征在于，软件架构主要包括影像数据的分块存储策略和分块数据的地址映射策略，由影像数据的分块存储策略和分块数据的地址映射策略共同完成海量影像数据的快速存储和读取，以及实现海量数影像据的快速显示。
5.根据权利要求1所述的海量影像数据快速存储显示固态硬盘，其特征在于，大容量影像数据经PCIE接口传入硬盘后，在***缓存中对其进行分块，采用固定大小，方形分块原则，保证分块大小为FLASH页大小的整数倍。
6.根据权利要求1所述的海量影像数据快速存储显示固态硬盘，其特征在于，分块数据的地址映射策略将分块之后的影像数据分别映射的不同的物理通道上，并更改文件转换***中的地址映射表。
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