关于基于FPGA和ARM的虚拟软盘实现

0 引言

随着硬件技术的进步，软盘逐渐被新的存储介质代替。但部分旧设备（比如织布机等）并不支持这些更快、容量更大的存储设备，也不支持网络访问。因此，设法将存储设备虚拟成软盘，通过网络对其进行数据访问具有一定的实用价值。在台式机读写软盘过程中，数据流遵循MFM编码格式，使用CRC校验检测数据误差。

本文提出一种基于FPGA和ARM的虚拟软盘方案。在DE2-115开发平台下，将2 MB的SRAM存储器虚拟成1.44 MB软盘，通过台式机对虚拟软盘的数据进行读写，并使用树莓派实现UDP服务器，通过网络对虚拟软盘的状态和数据进行读写访问。

同时，对设计方案进行实现与验证，成功实现对虚拟软盘的镜像制作、文件读写、格式化、制作启动盘等操作，并实现局域网内设备对虚拟软盘的监控。

1 虚拟软盘核心模块的设计与实现

1.1 虚拟软盘数据分布结构

一张软盘包含80个磁道，每个磁道有2个柱面，每个柱面包含18个扇区，每个扇区包含有512 B数据。整个软盘包含有2×80×18×512 B=1.44 MB的数据量。在实际应用中，软盘通过软驱线发送到台式机的1个磁道的数据，包含数据头部、数据中部和数据尾部3个部分。

在本虚拟软盘设计中，虚拟软盘的数据分布结构示意如图1所示。

头部的长度为200 B，其中GAP数据为0x4E，用于填充磁道，共有184 B；SYNC为同步信号0x00，共有12 B；IAM表示索引信号地址标记，内容为0xC2C2C2FC，用来指示磁道开始。而数据中部则包含有18个扇区的数据，每个扇区包含地址段和数据段两部分。其中，地址段长度为72 B，数据段长度为608 B。地址段中：GAP段用于填充空间；SYNC表示同步；IDAM为地址标记；CHNR包含有磁道、磁面、扇区号、扇区内数据字节数等信息；CRC为2 B校验信息，校验起始于IDAM段，终止于CRC段。数据段中：GAP段用于填充空间；SYNC表示同步；DATAAM为地址标记；DATA包含512 B数据信息；CRC为2 B的校验信息，校验起始于DATAAM段，终止于CRC段。磁道尾部包含的数据是用于填充用的GAP段，其内容为0x4E，长度为60 B。

1.2 并行CRC运算模块的原理和实现

循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check，CRC）算法在检测数据传输的误差上发挥着重要的作用[1]。CRC校验被用在PCI-Express总线、以太网（IEEE 802.3）以及WiFi（IEEE 802.11）等通信标准中[2]。通常使用的CRC校验生成算法有串行的线性反馈移位运算LFSR[3-4]，但随着数据传输速率的提高，使用串行运算不能满足系统的要求[5]，有必要实现并行CRC计算模块。

对于数据字节流{Cn(x)，…，C1(x)，C0(x)}，Ck(x)都是关于x的7次多项式，表征一个字节的数据；生成多项式记作G(x)，为关于x的N次多项式。CRC校验结果为：

考虑到有限域GF(2)上的加法等效于XOR异或运算，而乘法等效于AND与运算，在FPGA上可以实现一种基于矩阵式数据选通的并行CRC运算模块。其结构框图如图2所示。该并行CRC运算模块包含有逻辑运算阵列和输出寄存器两个部分。其中逻辑运算阵列由组合逻辑构成，其功能包括：将收到的数据DataIn左移(N-8)位，得到N位数据利用与上次CRC运算结果Rk(x)进行XOR运算，得运算结果进入数据选通运算阵列，阵列由(N×N)个1-bit选择器和N个N-bit XOR运算单元构成，选通使能信号是通过计算Φ=(A+KB)8结果得到的；阵列出来的运算结果进入输出寄存器，由时序逻辑构成，在模块接收到ENA使能信号时，寄存逻辑运算阵列的结果输出到Q；当输出寄存器接收到RST复位信号时，CRC模块的输出Q相当于CRC校验初始值R-1(x)。

在本虚拟软盘设计中，取N=16，即进行CRC-16校验，生成多项式为G(x)=x16+x12+x5+1，根据定义得到K=[0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1]T，计算状态转移矩阵Φ，得到选通使能阵列如表1所示。其中横向表示输入位，用十六进制表示相应的位下标；纵向的表示输出位对应的下标；表中阴影部分对应的输入位被选通，空白部分对应的输入位不被选通。

1.3 MFM编解码

1.3.1 MFM编码原理与实现

在软盘应用中，读写的数据都是以串行方式传输的。通常在各个数据位之间插入时钟位，保证数据能被正确传输和识别[6]。在软盘的数据传输中，采用MFM编码。其表达式如下：(x，y，z)→(x，x NOR y，y，y NOR z，z)，其中NOR为非或运算，即p NOR q=p∨q。在RData和WData信号线上，一个电平翻转表示在MFM编码码流的时钟位或者数据位中出现了“1”；而没有翻转，则表示在码流的时钟位或数据位中出现了“0”。采用500 kb/s的传输速率，一个数据位的传输需要消耗2 μs时间。图3为4-bit数据流“1010”MFM编码示意。

MFM编码没有起始标志，所以在每个扇区地址段和数据段之前都有AM域，其中的数据字节“0xA1”的编码采用了MMFM编码，用于标记码流起始：在数据位中，若出现连续的0-0，则时钟位变1；若出现0-0-0，则时钟位是1-0；若出现0-0-0-0，则时钟位是1-0-1；以此类推。

图4是MFM编码模块的结构框图。整个MFM编码过程由移位寄存模块、核心编码模块、计数模块和并行转串行模块组成。其中，移位寄存模块保留上一字节数据的最低位和当前字节数据，生成数据mfmData用来传递给核心编码模块进行MFM编码。核心编码模块根据MFM编码规则，对mfmData进行编码运算，并通过Violate信号判断当前是否处于AM域，若是，则要使用MMFM编码规则。计数器模块用来生成BitCnt计数信号，传递给并转串模块，生成最后的数据比特流mfmBit信号。

1.3.2 MFM解码原理与实现

数据在编码和传输过程中，经常出现相位超前、延迟的情况。在MFM解码之前，需要先同步WData码流和MFM解码时钟。此外，软盘数据在AM域的0xA1标志遵循MMFM编码，用于定位MFM码流的起始位置。图5是MFM解码模块的模块结构框图。采用32 MHz的采样时钟捕捉WData信号。因为一个数据位周期为2 μs，采样过程中计数器由0计到63，即T=0，1，2，…，62，63。据此设定数据比特的采样时间在T=10和T=42时刻采样结果保存在移位寄存器SHIFTER中，并分离数据位和时钟位。MFM码流中的下降沿出现通常在T=0或者T=31时刻。AM域的数据字节0xA1经 MMFM编码后CLOCK_BITS是0x0A，而MFM编码后CLOCK_BITS为0x0E。据此，仲裁单元的相位调整规则如下：

(1)检测到WData下降沿时：若16≤T≤47，选通T=31；若T≤15或者T≥48，选通T=0；

(2)若DATA_BITS==0xA1且CLOCK_BITS ==0x0A，即检测到0xA1编码违例，则选通T=44；

(3)否则选通T=T+1。

最后，数据比特计数模块用来判断是否接收到8 bit数据，若是，则输出数据有效脉冲信号MFM_DATA_EN。

2 虚拟软盘系统的设计与实现

2.1 虚拟软盘系统框架结构

虚拟软盘系统如图6所示。其中，控制电脑与虚拟软盘系统处于同一个局域网下，通过socket通信实现与虚拟软盘系统的交互，包括软盘状态获取、软盘状态修改、发送软盘镜像和选择软盘镜像等命令；虚拟软盘系统包括ARM、FPGA和SRAM存储器3个部分，其中ARM和FPGA的交互通过SPI接口实现；ARM负责网络交互，从网络获取软盘数据、状态的读写命令，同时开启SSH服务，方便远程登录，开启FTP服务用于控制中心发送、选择虚拟软盘系统中的软盘镜像；FPGA负责将2 MB容量的SRAM虚拟成1.44 MB软盘，并通过软驱线和外部的台式机/织布机进行交互。

2.2 FPGA部分的结构

FPGA部分的结构框图如图7所示。该系统主要包括虚拟软盘控制模块、SPI收发模块、SRAM控制模块。

控制模块实现软盘磁针的位置控制和数据编解码：步进模块通过检测iStep下降沿和iDir电平确定当前软盘磁针所处的磁道号rCylNo；通过iHdSel电平确定磁针所处柱面号rHeadNo；旋转模块确定当前扇区号rSectNo以及在扇区内偏移地址rAddrL。MFM解码模块根据WData得到回写数据wData和磁道wCylNo、柱面wHeadNo、扇区号wSectNo及扇区内偏移地址wAddrL等信息。

通过SPI收发模块，FPGA可获取到ARM给出的读写命令，数据交换模块会根据命令判断执行以下某个行动：读取软盘的扇区数据、修改软盘的扇区数据、获取软盘状态（写保护，软盘就绪，写入使能，磁道、磁面和扇区等）、修改软盘状态（写保护和软盘就绪等）。

地址、数据等信息通过地址转移模块，映射成对SRAM的读地址rAddr和写地址wAddr。通过SRAM读写控制模块，可以对虚拟成软盘的SRAM进行数据访问。CRC编码模块用于计算地址段和数据段的校验和，可以用来检测数据传输上可能出现的错误。软盘数据或者校验和经过MFM编码模块生成MFM码流传送给台式机。

2.3 ARM程序结构

ARM部分的程序设计框图如图8所示。其中，主线程负责socket和SPI接口的初始化，并创建线程1和线程2；线程1负责通过网络获取控制中心的命令（包括软盘状态读取命令即#R，软盘状态修改命令即#W、WP、READY、FLAG，以及镜像文件读取/写入命令即&R/W、xxx.ima），对互斥量filelock进行上锁后，修改data_sent为1，再把filelock解锁；线程2负责判断data_sent是否为1，即网络命令是否有效。若是，则对filelock进行上锁后，根据网络命令执行相应的操作，并返回相应数据给控制中心，再将data_sent清零后，把filelock解锁；若data_sent为0，即没有收到网络命令，那么读取当前软盘状态，空闲1 s后，重新进行循环。

此外，ARM端还负责作为FTP服务器，用于接收控制中心发送的各个ima软盘镜像文件。

3 虚拟软盘运行测试情况

针对提出的虚拟软盘设计方案进行测试与验证。在Altera的DE2-115开发板上烧写FPGA工程文件，并在树莓派上运行ARM部分的程序。对虚拟软盘的测试包括虚拟软盘格式化、文件读写、镜像制作、启动盘测试等。首先对虚拟软盘彻底格式化，将虚拟软盘所有扇区数据清零；然后进行多文件随机写入，并读取虚拟软盘文件，进行文件比较，比对结果说明虚拟软盘读写正常；最后，制作启动盘并利用UltraISO制作软盘镜像，通过启动测试程序加载镜像，能顺利进入系统，说明启动盘制作和读取正常。

4 结论

本文提出并实现了一种基于FPGA和ARM的虚拟软盘方案，并成功将2 MB的SRAM虚拟成1.44 MB软盘，可通过网络对虚拟软盘的状态和数据进行远程访问，也可通过台式机对虚拟软盘进行读写操作。利用实际开发板进行实验，验证了本设计方案的可行性。