摘? 要: 介紹了ZFX86的性能特征以及以ZFX86微處理器為核心,設計NAS系統的硬件原理,詳細闡述了NAS的操作系統平臺以及管理系統的架構。
關鍵詞: ZFX86? NAS? 共享
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1? ZFX86簡介
ZFX86是ZF Micro Devices公司設計的35mm×35mm的超低功耗(100MHz的工作頻率下小于0.5W)片上PC;帶有奔騰級North/South Bridge的Cyrix FP DX的32位核,CPU內核可工作在133MHz;采用BGA封裝的CPU芯片,在-10℃～60℃工作無需風扇,在設計專用系統時,ZFX86解決了由于風扇可靠性低引起的系統故障。ZFX86支持Windows 9X、Windows CE、Windows NT、Linux等多種操作環境。由于它帶有專有的自動防故障裝置系統(FailSafe TM)和強大的內部資源,因而可以作為網絡數據共享設備的處理核心,使得系統在性能和安全方面都具有獨特的優勢。
ZFX86主要由以下部分組成:工業標準的32位處理器內核、北橋(North Bridge)、南橋(South Bridge)、帶有ZF專有代碼的12KB的ROM(BIOS Update ROM)、ZF專有數字邏輯等。ZFX86的內部結構原理圖如圖1所示。
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????ZFX86處理器內核是工業標準的32位處理內核。這種內核帶有集成的浮點協處理器和8KB的L1(Level 1)Cache。處理器支持8位、16位和32位的數據類型,可以工作在實時、虛擬的8086和保護模式。通過32位的脈沖模式總線,CPU可以訪問到256MB的物理存儲空間。通過利用一個數學協處理器,CPU并行處理浮點指令。由于處理器采用靜態設計及其特有的電源管理模式(SMM),使得處理器成為一款理想的低功耗內核。
北橋模塊是高性能的32位控制器,是基于為奔騰級處理器設計的PC87550 PCI系統控制器。北橋控制器的存儲控制器用于支持SDRAM;存儲器可以設置為16位或32位,支持256MB的存儲空間。SDRAM的寫緩沖器為32B,CPU到PCI的寫緩沖器為32B,PCI的寫緩沖器為16B。
南橋模塊是一個增強的PCI-to-ISA橋模塊,該模塊提供AT/ISA功能。南橋的內部功能模塊包括Front-PCI interface/Back-side PCI總線、PCI配置寄存器、IDE控制器(UDMA-33)、USB控制器、集成高級I/O口、ISA總線接口、AT兼容邏輯、電源管理模塊、8個通用I/O口和ZF Logic。
ZF FailSafe Boot ROM帶有12KB的BIOS Update ROM(BUR)。BUR是 ZFX86的內置軟件,該軟件用作原型調試工具和Flash的更新單元。啟動時,BUR執行基本的單元初始化功能和測試ZF的內部靜態RAM。BUR的代碼功能可分為4種屬性:基本部件初始化及基本調試程序診斷功能、通過Z-tag實現取數和執行及為用戶代碼提供的基本操作系統功能。
ZF專有數字邏輯包含:特殊和通用的片選、看門狗定時器、脈寬調制(PWM)產生器、Z-tag接口和flash控制器等部分。
2?基于NAS的網絡數據共享設備的設計思想
2.1 NAS簡介
網絡附加存儲(Network Attached Storage,NAS)是一種專業的網絡文件存儲及文件備份設備。它通過自帶的網絡接口把存儲設備直接連入到網絡中,實現數據的網絡共享。按照TCP/IP協議進行通信,面向消息傳遞,以文件的I/O方式進行數據傳輸。一個NAS包括核心處理器、文件服務管理工具、1個或者多個用于數據存儲(例如磁盤陣列、CD/DVD驅動器或可移動的存儲介質)的硬盤驅動器。NAS系統建立在現有的LAN和文件系統協議之上。NAS以標準化訪問協議(如NFS和SMB)為客戶提供服務,能夠提供異構平臺間的文件和數據的共享。
2.2 NAS的體系結構
本文所設計的NAS系統主要用來實現數據共享和資源的管理。該系統硬件結構是以ZFX86作為核心處理器,以外存儲器SDRAM作為系統的數據記憶緩處理單元,外圍RAID接口用來連接磁盤陣列。磁盤陣列連接一系列硬盤,用來存儲大容量的數據,為客戶端提供數據共享服務。同時大容量的空間為客戶端提供一定的磁盤共享服務。對于一個共享設備來說,實現與網絡的數據交換,操作系統和文件管理軟件直接關系到整個系統的性能。在本系統中,采用經最大量裁減的嵌入式Linux作為NAS的操作系統,以嵌入式數據庫加上PHP和Apache作為Web管理系統的平臺。在設計中,可以把這些系統作為一個整體放在DOC盤,嵌入在硬件平臺中。這樣使整個硬件系統結構簡潔,增加了可靠性和安全性,也節約了資源。NAS的體系結構如圖2所示。
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2.3 基于ZFX86的NAS的硬件結構
采用ZFX86為核心處理器的NAS硬件結構如圖3所示。采用RAID接口掛接4個硬盤實現大數據的存儲,采用DOC盤(DiskOnChip 2000)作為嵌入式Linux的系統啟動盤,硬件平臺具有10M/100M Base-T高速以太網功能。DOC是M-Systems提供的一種基于NAND技術的高效能單芯片快閃存儲器。這一獨特的信息保存解決方案,是成本低、效益高及性價比好的信息保存方式,遠勝于常規硬盤,特別適合于有空間限制和容量變化的應用。相對于通用硬盤來說,使用壽命更長久。
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2.4 NAS系統軟件設計
基于嵌入式Linux的NAS系統軟件設計如圖4所示。
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嵌入式Linux對網絡的支持具有先天的優勢,使用者可以根據具體的硬件對Linux進行定制,這樣將會大大減少內核的規模,提高執行速度。在本系統中,引入了DOC盤,整個操作系統和所有應用軟件的容量不超過16MB,但需要對Linux做裁減。在硬件的要求上,只需要使Linux支持ZFX86。
2.5 NAS管理系統的設計
NAS系統是一個沒有鍵盤、鼠標和顯示器的黑匣子。所有的工作,包括網絡配置都是通過Web頁面服務來實現的。Web頁面主要用于管理員與管理系統的交互對話,實現對Windows用戶、UNIX用戶的管理以及用戶磁盤配額等操作。Web管理系統的整體結構如圖5所示。
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在本管理系統中,使用Web頁面管理系統的最大好處就是所有與嵌入式Linux和應用模塊之間的信息交流都是通過網頁交互操作的方式來實現。管理員只需要按照頁面上的信息進行操作,就可以完成系統的設置,而不需要去理會操作系統和應用系統模塊內部是怎樣去處理這些事情。這樣在管理上更方便、更簡潔,性能上也更可靠、更優越。
管理員在第一次使用該系統時,系統要求使用者更改預設的系統超級密碼,以便日后管理此NAS服務器。管理員可以通過任意一臺客戶端計算機為服務器配置IP地址、DNS和子網掩碼等連接網絡所需要的設定。管理員可以通過Web管理頁面設定Windows操作平臺的用戶和密碼,對該用戶進行管理。對于UNIX用戶來說,管理員也可以通過Web頁面進行管理。由于NAS的資源是有限的,因此每個用戶在系統上所占有的資源和空間受到限制,但管理員能夠通過NAS管理系統的Web頁面對用戶進行磁盤配額。
3? 結束語
ZFX86 CPU是一款高度集成的芯片,其規格、尺寸以及性能上的優勢使得它成為設計嵌入式NAS系統的理想微處理器。本文所闡述的基于ZFX86的NAS系統非常適合中小型企業、大中院校、學校實驗室的網絡存儲和共享數據的需要。采用裁減的嵌入式操作系統Linux作為NAS系統的操作平臺,使整個系統在穩定性和可靠性上具有優勢;基于Web頁面的系統管理方式,為使用者提供了一個簡易、快捷、安全的管理應用系統;所有的操作系統及應用程序都放在DOC中,且只占不到10MB的空間,使安全性和可靠性得到了保證,且節約了成本。
參考文獻
1?? ZFX86TM System-on-a-Chip Training Book Version 1.0 Rev C.2001
2?? ZFX86TM BIOS User′s Manual Supplement Version 1.06 Rev A.2001
3?? ZFX86TM Z-tag Manager User′s Manual Software V1.9.2001