张青凤
摘 要： 传统存储系统的读、写性能差，无法安全存储高密度信息。故设计基于大数据的高密度信息安全存储系统。系统硬件由FPAG接口模块和PCIE硬核模块组成，主要负责安全存储高密度信息。系统软件使用NAND FLASH作为控制程序，主要负责坏块管理。软、硬件结合，完成基于大数据的高密度信息安全存储系统的设计。最后通过仿真实验，测试两个系统的读、写功能是否符合设计需求。实验结果表明，所提系统可以完成高密度数据的读、写请求操作。
关键词： 高密度信息; 信息安全存储; 系统设计; 数据读写; 系统测试; 仿真验证
中图分类号： TN915.08?34; TP368.5 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2020）14?0083?03
Design of high?density information security storage system based on big data
ZHANG Qingfeng
（Yuncheng University， Yuncheng 044000， China）
Abstract： As the traditional storage system has poor reading and writing performance and cannot safely store high?density information， a high?density information security storage system based on big data is designed. The hardware of the system is composed of FPAG interface module and PCIE hard core module， and is mainly responsible for the safe storage of high?density information. In the software of the system， the NAND Flash is used as the control program， which is mainly charge of the bad block management. The design of high?density information security storage system based on large data is completed in combination of hardware and software. The simulation experiment was performed to test whether the reading and writing functions of the two systems meet the design requirements. The experimental results show that the proposed system can complete the reading and writing requirements for high?density data.
Keywords： high?density information; information security storage; system design; data reading and writing; system testing; simulation verification
0 引 言
传统的高密度信息安全存储系统存在读、写性能差的缺陷，为此提出基于大数据的高密度信息安全存储系统设计。利用大数据技术的高密度大容量存储特性，来改变系统读、写请求操作步骤。因为大型数据集要向成百上千的电脑分配工作，所以需要利用大数据技术处理大量的容忍经过时间内的数据，使这些含有意义的数据“增值” [1]。
系统硬件设计配合多种功能需求，利用大数据技术，将采样的高密度信息存储至系统内存。为解决传统硬件结构在对数据采样时存在带宽、数据存储质量上的缺陷这一问题，硬件采用Xilinx Virtex6 FPGA内嵌 PCIE核的方式，完成高密度信息安全传输。
1 硬件结构设计
硬件上搭建Virtex6 FPGA为控制中心，利用大数据技术作为高密度信息读写的基础[2]。以DDES为高密度大容量缓存，以6路高密度收发器TLK为标准接口，来实现DDR3存储接口和缓存模块的设计。基于大数据的高密度信息安全存储系统硬件总体设计如图1所示。
PICE接收控制板通过6路TLK2711实现与存储器的接口连接，将接收的数据送入FPGA[3]。再通过FPGA 将接收数据存入DDR3模块，再以DMA写的方式上传到系统内存，最后通过6路TLK2711将高密度信息安全存储到DRR3[4]
FPAG接口模块采用Xilinx Virtex6 FPGA，负责高密度DMA读写。以DDR3作为高密度信息安全存储空间[5]，传输带宽使用PCIE硬核，用Virtex6 FPGA简化DDR3接口[6?7]。PCIE硬核模块，采用Xilinx Virtex6 FPGA内嵌PCIE硬核模块。
2 软件功能设计
利用大数据可变性的特征，处理 NAND FLASH 软件控制程序中的坏块。NAND FLASH可与数据和地址共用一条总线[8]。软件控制结构框架如图2所示。
图2中ECC模块主要负责校验码的生产、存储和读取等[9]。首先，需将输入数据的位宽设置为64 bit，且每次读取写入的数据为64 KB;其次，将原本缓存的大小调整为原来写入数据量的2倍;最后，通过编程操作将已经存储的数据上传到系统，系统将数据存入NAND FLASH阵列，而外部数据会被自动写入输入缓存[10]。为解决ECC模块与两个缓存模块会打乱主控逻辑模块产生操作时序这一问题，需连接NAND FLASH芯片，采用简单的信号定义，调整模块在主控逻辑操作中的步骤。控制程序接口信号定义如表1所示。
根据表1确定命令转移顺序，从空闲状态转移到相应状态，完成后开始擦除工作。在执行擦除任务时，需根据擦除指令状态转移图擦除冗余数据，如图3所示。
在执行擦除指令后，使用chipscope 完成编程指令。编程结束需通过读状态寄存器查询编程是否创建成功。若不成功，记为坏块。若在坏块存取数据时发生错误，需使用NAND FLASH屏蔽坏块。在此过程中，为防止读取出现错误，利用矩阵的行信息检验ECC校验码检验错误。软硬件结合，完成基于大数据的高密度信息安全存储系统的设计。
3 实验分析
实验重点测试基于大数据的高密度信息安全存储系统的读、写请求操作是否符合设计需求，验证DDR3存储接口、PICE模块、FPAG接口模块和软件控制程序设计的正确性。最后，给出传统存储系统和所提系统的读、写性能测试结果，再通过仿真分析，验证所提系统设计的可行性。
3.1 系统写测试验证
上行FIFO与DDR3交互，会向DDR3写入命令和数据，完成DDR3写请求操作。传统系统与基于大数据的高密度信息安全存储系统写测试仿真验证结果见图4。
在完成整个初始化过程后，使用所提系统处理信号phy_init_done置为有效。当DDR3内存不满，且DDR3上行FIFO 不空，可对应图4中的ddr3_fifo_full信号。若命令与地址FIFO准备好接收命令，写数据FIFO准备好接收数据，对应图4中的app_rdy会向用户发起写命令操作，并降低app_rdy置为低。当使用传统系统处理信号时，phy_init_done置为失效。在app_wdf_data上提交数据时，wr_bst_cnt会停止写操作，导致FIFO不满，出现坏块，无法写入高密度信息。分析图4可知，使用基于大数据的高密度信息安全存储系统符合功能设计的要求。
3.2 系统读测试验证
DDR3读请求与下行FIFO交互，向DDR3写入命令，完成高密度数据的读请求操作。传统系统与本文系统读测试仿真验证结果见图5。
由图5可知，使用所提系统完成初始化过程后，信号phy_init_done置为有效。当DDR3内存不满时，DDR3上行FIFO不满，对应图5中ddr3_fifo_full和fifo_prog_empty_ddr3_us信号会向用户发起读请求命令操作。而使用传统系统在读完一行后，rd?bst?cnt等于32时，会停止操作，出现坏块，导致系统无法将写入地址的高密度数据读取出来验证。由图5可知，基于大数据的高密度信息安全存储系统的读功能符合设计需求。
4 结 语
针对传统系统存在的读、写性能差问题，提出基于大数据的高密度信息安全存储系统。在硬件的设计上，采用Xilinx Virtex6 FPGA，实现控制板之间的高密度数据传输。在软件功能的设计上，采用NAND FLASH作为控制程序，完成整个系统的部分测试。最后，通过仿真实验，测试两个系统的读功能和写功能是否符合设计需求。实验结果表明，所提系统方案设计的可行性更高。
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