网络硬盘存储系统设计与FPGA实现

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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。
摘要第3-5页
ABSTRACT第5-6页
第一章 绪论第9-15页
    1.1 存储技术简介第9页
    1.2 FPGA介绍第9-12页
        1.2.1 MicroBlaze第9-10页
        1.2.2 EDK开发套件第10-12页
    1.3 IP核简介第12-13页
    1.4 论文内容安排第13-15页
第二章 系统方案第15-19页
    2.1 系统设计目标第15页
    2.2 系统硬件平台第15-16页
    2.3 文件系统与底层接口函数第16-17页
    2.4 系统工作描述第17-19页
第三章 ATA主机控制器设计与实现第19-45页
    3.1 整体架构第19页
    3.2 寄存器组及接口设计第19-21页
        3.2.1 寄存器组介绍第19-21页
        3.2.2 接口连接设计第21页
    3.3 PIO控制模块实现第21-24页
        3.3.1 PIO传输过程描述第21-23页
        3.3.2 PIO模式状态机实现第23-24页
    3.4 MDMA控制模块实现第24-28页
        3.4.1 MDMA传输过程描述第24-27页
        3.4.2 MDMA状态机实现第27-28页
    3.5 UltraDMA控制模块实现第28-37页
        3.5.1 UltraDMA传输过程描述第28-34页
        3.5.2 UltraDMA状态机实现第34-36页
        3.5.3 CRC校验实现第36-37页
    3.6 复位模块实现第37-39页
        3.6.1 上电或硬复位第37-38页
        3.6.2 软复位第38-39页
    3.7 缓存模块实现第39-40页
    3.8 逻辑设计的仿真验证第40-45页
第四章 网络控制器设计与实现第45-79页
    4.1 网络控制器整体架构第45页
    4.2 以太网控制器设计与实现第45-63页
        4.2.1 以太网帧结构介绍第45-46页
        4.2.2 功能与架构第46-47页
        4.2.3 接收模块第47-52页
        4.2.4 发送模块第52-55页
        4.2.5 流量控制模块第55-57页
        4.2.6 寄存器模块第57页
        4.2.7 物理层芯片模块第57-59页
        4.2.8 数据缓冲模块第59页
        4.2.9 仿真验证第59-63页
    4.3 TCP/IP协议模块设计与实现第63-79页
        4.3.1 功能与架构第63-64页
        4.3.2 IP协议模块第64-68页
        4.3.3 TCP协议模块第68-71页
        4.3.4 UDP协议模块第71-73页
        4.3.5 ARP协议模块第73-74页
        4.3.6 仿真验证第74-79页
第五章 系统硬件平台搭建第79-83页
第六章 总结与展望第83-85页
参考文献第85-87页
致谢第87-89页
攻读研究生期间发表的论文第89页
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