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基于FPGA的SATA控制器的實(shí)現(xiàn)分析根據(jù)SATAⅡ協(xié)議與SATAⅢ協(xié)議的不同,分別從物理層、鏈路層和傳輸層詳細(xì)討論了基于FPGA的SATAⅢ協(xié)議的實(shí)現(xiàn),成功實(shí)現(xiàn)了控制器與支持SATAⅢ協(xié)議的SSD硬盤之間的通信。隨著硬盤技術(shù)的發(fā)展,硬盤容量變得越來(lái)越大,接口傳輸速率越來(lái)越快。但是,隨著傳輸速率的提升,并行傳輸技術(shù)使得總線間的相互干擾越來(lái)越難以抑制,大幅上升的傳輸誤碼率導(dǎo)致經(jīng)傳輸后的數(shù)據(jù)無(wú)法使用。當(dāng)PATA總線的速率達(dá)到133MHz的時(shí)候,并行傳輸技術(shù)已無(wú)法抑制串?dāng)_帶來(lái)的誤碼,基于串行傳輸技術(shù)的SATA孕育而生,其所采用的高速差分傳輸技術(shù)從根本上解決了因串?dāng)_導(dǎo)致的傳輸誤碼問(wèn)題。與PATA接口相比,SATA接口優(yōu)勢(shì)明顯,其使用的接口針腳少,體積小,傳輸速率快,穩(wěn)定性好,可靠性高,抗干擾能力強(qiáng)。2001年,Intel、DELL、Seagate等幾大廠商組成了SerialATA委員會(huì),提出了第一代SATA標(biāo)準(zhǔn),以取代PATA。SATAⅠ的傳輸速率可達(dá)150MBps,直接超越了當(dāng)時(shí)傳輸速率最快的PATA。2005年,SerialATA委員會(huì)對(duì)SATAⅠ進(jìn)行了改進(jìn),形成了第二代SATA標(biāo)準(zhǔn),SATAⅡ的傳輸速率為SATAⅠ的兩倍,達(dá)到了300MBps。隨后SSD技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)了串行傳輸技術(shù)的繼續(xù)前行,第三代SATA標(biāo)準(zhǔn)于2009年誕生,其傳輸速率為SATAⅠ的四倍,達(dá)到了600MBps,但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到串行傳輸技術(shù)的極限。隨著硬盤及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,SATA標(biāo)準(zhǔn)還將得以延續(xù)[1]。1SATAⅢ協(xié)議的結(jié)構(gòu)SATAⅢ協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)繼承了以前的SATA標(biāo)準(zhǔn),分為物理層、鏈路層、傳輸層和應(yīng)用層,其結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。物理層實(shí)現(xiàn)高速串行信號(hào)的發(fā)送和接收,完成數(shù)據(jù)串并、并串轉(zhuǎn)換以及編解碼處理。鏈路層負(fù)責(zé)編碼幀數(shù)據(jù),校驗(yàn)數(shù)據(jù),添加幀的邊界和流量控制。鏈路層只發(fā)送和接收幀,并不需要知道幀的內(nèi)容。傳輸層是整個(gè)SATA協(xié)議的核心,負(fù)責(zé)把發(fā)送數(shù)據(jù)封裝成FIS(FrameInformationStructure)幀格式,把接收到的FIS幀去除封裝。應(yīng)用層相當(dāng)于人機(jī)交互界面,完成對(duì)SATA控制器的各種操作。2SATAⅢ控制器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)2.1物理層設(shè)計(jì)根據(jù)SATAⅢ協(xié)議規(guī)范,物理層主要實(shí)現(xiàn)主機(jī)與設(shè)備的初始化和串行數(shù)據(jù)流的傳輸。本設(shè)計(jì)采用了Xilinx公司Virtex5系列的XC5VFX70T。該FPGA具有16個(gè)GTX,每個(gè)GTX的傳輸速率可達(dá)6.5Gbps。Virtex5系列下的所有具有RocketIO的FPGA均已完全支持SATAⅡ協(xié)議,但雖然FX系列FPGA的RocketIO傳輸速率能達(dá)到6Gbps,可仍不支持SATAⅢ協(xié)議規(guī)范[2]。本設(shè)計(jì)中物理層的重點(diǎn)是:設(shè)計(jì)SATAⅢ協(xié)議的OOB(OutOfBand)信號(hào)傳輸時(shí)序,以滿足協(xié)議規(guī)范中的要求,從而實(shí)現(xiàn)鏈路雙方的握手。3個(gè)OOB信號(hào)的時(shí)序圖如圖2所示。Gbps的傳輸速率,可根據(jù)協(xié)議描述設(shè)計(jì)初始化狀態(tài)機(jī),控制GTXCore中與OOB相關(guān)的信號(hào),即可完成主機(jī)與設(shè)備的初始化。但是,當(dāng)RocketIO的傳輸時(shí)鐘達(dá)到3GHz時(shí)(即雙沿6Gbps傳輸速率),圖2中T1和T3將由106.7ns縮短為53.3ns,而T2也將由為320ns縮短為160ns。這樣導(dǎo)致初始化數(shù)據(jù)段周期錯(cuò)誤,無(wú)法完成主機(jī)與設(shè)備之間的初始化。為了滿足規(guī)范中OOB信號(hào)的時(shí)序要求,本文中重新設(shè)計(jì)OOB產(chǎn)生信號(hào),通過(guò)手動(dòng)控制OOB信號(hào)的產(chǎn)生,按周期連續(xù)產(chǎn)生不少于6個(gè)周期的OOB信號(hào)。這樣,雖然T1仍保持為53.3ns,但T2和T3的時(shí)間間隔可以手動(dòng)調(diào)節(jié),本設(shè)計(jì)中將其分別擴(kuò)展為373.3ns和160ns,以保證空閑段周期的正確性,從而完成主機(jī)與設(shè)備的正常初始化。圖3為chipscope抓取的物理層初始化信號(hào)圖。以上方法通過(guò)增加T2和T3的時(shí)長(zhǎng)來(lái)保持OOB信號(hào)的周期恒定不變,以滿足SATAⅢ協(xié)議規(guī)范中的定義。考慮到OOB信號(hào)的數(shù)據(jù)容差較大,本文也實(shí)驗(yàn)了保持T3為106.7ns、T
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