（电子科学与技术专业论文）sata协议分析及其fpga实现.pdf

硕十学位论文 a b s t r a c t t h ep a r a l l e la 1 、ap r o t o c o lh a sa l r e a d yb e e nu s e do nd i s ki n t e r f a c ef o rt h ep a s tt w e n t ) r y e a r s n o w a d a y st h ep r o t o c o l sd m w b a c kl i m i t st h es y s t e m sp e 面肿a 1 1 c e ，a n dw i l lb e r e p l a c e db yt h es e r i a la r a ( s a t a ) a sah i g hs p e e d ys e r i a lb u s ，s a t ai n c l u d e st h ep o i n tt 0 p o i n tn 狮s f - e rm o d e ，e m b e d d e dd a t aa n dc o n a n d sc h e c k i n gu n i t ，s u p p o nh o tp l u g t h eb a n d 嘶d t hi s15 0 m bp e rs e c o n d ( s a t av e r s i o n1 0 a ) o r3 0 0 m bp e rs e c o n d ( s a i av e r s i o n2 o ) t h ep r o d u c t sb a s e do ns a t aa r eu s e d 掣e a t l yn o w ，m o s to fw h i c ha r ep r o v i d e db yt h eo t h e r c o u n t r i e s a n dn os a 队i pc o r ef o rf p g ai sd e v e l o p e di n d e p e n d e n t l yi nc h i n a s oi t s s i g n i f i c a n tt od e s i g nas a l ai pc o r e t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y z e st h es a l r ap r o t o c o l ，锄dd e v e l o p st h el a y e rm o d e lo fs a l a a d a p t e r 1 1 1 e1 a y e rm o d e lc o n t a j n sa p p l i c a t i o n1 a y e r ，t i 彻s p o nl a y e r ，l i n kl a y e ra i l dp h y s i c a l l a y e r t oa c c o m p l i s ht l l epc o r e ，“i n t r o d u c e st h ed e s i g l ll a n g u a g e ，d e s i g i lt o o l sa i l d s e l e c t e dc h i p a 耐i te x p l a i n e dm ew h o l ei pc o r ei nd e t a i l ，w 1 1 i c hi n c l u d e sa l lt h em o d u l e s s e p a r a t e l y a t l a s t ，i tf i n i s h e d 出lm es t e p si n c l u d i i 培c o d e c ，s y n t h e s i sa i l dt e s t 1 1 1 em e s i sd e s i g 璐t h e1 5 g b p sd i 脏r e n t i a ls e r i a ls i g i l a ic o 皿n u n i c a t i o nc h 籼e lb a s e do n r o c k e t i om g t a n di ta c c o m p l i s h e sm u l t i p l es t a t em a c h i n ec o o p e r a t i o nd e s i g nu s i n gp a r a l l e l s t m c t u r e t oi m p r 0 v et l l e s p e e d ，i tu t i l i z e sm ep i p e l i n e 锄dd e s i 驴p a r a l l e l i nl l i g hs p e e d y d e s i g n c o n s i d e r i n gt i l ef a c tt h a td i f i e r e n tp a r t sh a v ed i f r e r e n tc o m p l e x i t y ，t l l ed e s i g nu s e s d i 虢r e n tp i p e l i n e s b yc m p s c o p ep r 0 龇l ds a t ab u s 锄a l y z e r s ，t h ed e b u g g i n gp r o c e s s b e c o m ef 弧t e ra n dm o r ea c c u r a t e i ta c h i e v e st h es a t ai pc o r eb a s e do nt h es a l a1 0 a p r o t o c 0 1 f i m l l yt l l et e s td a t ai n d i c a t e sm a tm ed e s 咖m l 舢st h ep r o t o c o l sr e q u i r e m e n t s t h e s a t ai pc o i 也i sl l i 曲l yi n t e g r a t e d 锄dl o wc o s t i te n a b l e st h ed e v e l o p m e n to fs o l i d - s 龇 d i s km o r ec o n v e n i e n t k e yw o r d s ：s e r i a la 队；f i e l dp r o g r u m n a b l eg a t ea j t a y ；r o c l 0 且e = i = 0 或者r d o d m w a k e a h b ! e m 吖 h g r a n l ma 均i n 仃 he口ciy托旷蕾翻b pb停hxb陀qm p b _ j 坩eh o c i j n p 1 1 y r c l yh r s l - n r s ln h 棚t em r x c i o c k p a r t i 铷 s 乱l q kp b 巾y s p d 柙l o d ep i 哪刊删n s y sc欺sm由ler t e s n o d e s p d s e i 图4 1s a t al p 侈0 化接口 根据综合报告，设计s a t ai p 最小周期为1 1 8 5 6 n s ，最大频率为8 4 3 4 5 m h z ， 关键路径为s a t ac l k ，关键路径的各门单元逻辑名与延时见下表4 1 ，门延时总共 为5 9 0 l n s ，占总延时的4 9 8 ，线路延时总共为5 9 5 5 n s ，占总延时的5 0 2 。 表4 1 关键路径延时 综合报告给出了本s a t ai p 的资源占用情况，见表4 2 。 硕十学何论文 4 2 测试 表4 2f g p a 资源占用情况 本设计是基于s a t a 接口的固态硬盘开发，整个系统在x i l i n xv i n e x 一4 x c 4 v f x 6 0 芯片上实现。测试采用m i c r o b l a z e 嵌入式处理器软核对a t a 命令进 行简单处理，以s d r a m 与n a n df l a s h 作为数据存储，与主机进行数据传输， 验证设计i pc o r e 的正确性，同时实现了一个简单的s a t a 硬盘。测试计划主要 包括模块测试和整体测试，模块测试主要针对s a t a 物理层高速串行链路，整体 测试主要测试设计i pc o r e 的数据传输是否正确，命令是否正确执行。 4 1 1 测试平台 本论文的测试在固态硬盘硬件平台上，测试平台结构框图见图4 2 ，x i l i n x 公司的c h i p s c o p e 嵌入式调试软件通过在f p g a 工程文件中移植一段代码，可以捕 捉f p g a 内部信号，利用j a t g 传输到p c 主机端口显示，测试者能清楚的跟踪分 析f p g a 内部信号变化。s a t a 总线分析仪一端连接待测试的固态硬盘，另一端 连接p c 主机，通过捕捉s a t a 传输线上的信号，根据s a t a 协议将数据解码显 示，使得整个传输过程透明化，极大的提高了调试效率【3 8 】。 m 戮蛐 固态硬盘 控制器 s a t a p c 总线 主机 分析仪 c h i p s c o p e n a n df l a s h 芯片 f p g a 图4 2 测试平台结构框图 4 2 2s a t a 物理层高速串行传输测试 测试s a t a 物理层通信过程，r o c k e t l 0m g t l 模拟s a t a 从设备，r o c k e t i o m g t 0 模拟s a t a 主设备。使用s a t a 电缆( 长约5 0c m ) 连接起来形成环路，进 5 7 s a t a 协议分析及其f p g a 实现 行数据读回测试【3 9 1 。s a t a 物理层验证实验的硬件框图如图4 3 所示。 图4 3s a t a 物理层验证实验硬件框图 其中i n i t t x 模块产生t xp m a r e s e t 、t xp c s r e s e t 复位信号；f r a m eg e n 模块产生 带有k 2 8 5 字符的数据流，每次发送的数据位宽为2 0 位；i n i tr x 模块产生 r x p m a r e s e t 、r xp c s r e s e t 复位信号；f r a m ec h e c k 模块将发送的数据与实际接收到 的并行输出端口的数据进行比较，如果检测到不一致，则e r rc o u n t 计数器就自加 一次，通过读取该计数器的值和记录r o c k e t i om g t 工作的时间就可以计算出该 系统中m g t 的错误率。经多次实际测试，r o c k e t i om g t 的误码率在1 0 1 0 以2 以 下，满足s a t a 协议要求。 4 2 3 数据传输测试 s a t a 控制器核主要功能是完成s a t a 协议规定各项控制功能，实现p i o 模 式和d m a 模式读取和写入数据。 s a t a 控制器核测试采用f i n i s a r 公司的r x 1 0 8 ps a t a 总线分析仪，系统上 电复位建立物理链接o o b 通信序列见图4 4 ，测试图说明主机与设备上电复位后 由o o b 通信建立物理层通信链路的过程。其中s t o r e 拌表示s a t a 总线分析仪采样 数据点数，t i m e s t a p 表示采样数据的时间戳，i n i t t r g t 表示主机向设备发送数 据，t r g t i n i t 表示设备向主机发送数据。正如第二章第二节所述，主机和设备 上电复位，设备复位完成后，未收到主机的c o m r e s e t 信号，表明主机复位未完 成，设备不断发送c o m i n i t 信号，请求建立链接。当主机复位完成后，就发送 c o m r e s e r 信号，然后设备以c o m i n i t 信号响应，然后主机发送c o m w a k e 信号校工f ，设备也发送c o m w a k e 信号进行校正，完成物理层通信链路的建立。 图4 4 右半为上电复位序列传输波形。 毒【阿而刁墨 一；f 一 e 目h 端一 翌! ! 竺意! _ _ 一 “参麓霹娑三 二：z = = - i i = ；：= 五二五五i 釜一芝_ j 茹二。 图44 系统上电复位0 0 b 通信序列 寄存器帧的发送与接收测试图见图4 5 ，测试图说明一次完整的寄存器帧的传 输过程。其中，i n i t i a t o r 一 t a r g 娃d e s c t i p t i o n 为主机向设备发送数据说明，t i d m a 表示设备向主机发送数据，t a r g e t ) j n i t i a t o f d e s c r i p t i o n 为设各向主机发送数据说 明，i i l i t i n o r 一 t a r g e t d e s c “p i i o n 为主机向设备发送数据说明。s a t axr d y 表明 开始帧传输，s a t aro k 表明数据传输校验正确。 p i o 读取与写入测试图见图46 。由于s a t a 协议规定数据线上的传输速度为 15 g b p s ，故不能记录所有采样数据，测试p i o 读写操作目的是观察数据帧的传 输正确，所以选择记录帧的类型，而不再记录基元，所以s t o r e # 记录的采样点数 是不连续的。d 计为数据传输方向，r n i t 代表主机发往设备，t r g t 代表设备发往 主机。逻辑地址支持4 8 位l b a 地址，测试s a t a 命令为r e a ds e c t o r ( s ) ( 指 令代码o x 2 0 ) 和w r i t es b c t o r ( s ) ( 指令代码o x 3 0 ) ，每次传输数据为一个 扇区的数据，测试结果表明p 1 0 模式读写正确。 d m a 读取与写入测试图见图47 。以设计的固态电子硬盘作为从盘启动，然 后在主机w l n d o w s x p 操作系统下，在硬盘中拷各测试数据。测试表明d m a 模式 读写正确，s a t a i p c o r e 能完成d m a 传输。系统采用的d m a 指令为r e a d d m a ( 指令代码0 x c 8 ) 和w r i t ed m a ( 指令代码0 x c a ) 。 ! i 坠塑坚坌! ! 丝圣塑! ! 童堡 图45 基元发送与接收测试图 叶 f r 湘e t m e t r gtr s “sl 0 r w 船釜避删 焉1 盎粼孺糊 o a l m t d m _ s _ 一 l b a d o 0 0 0s c - 删 l 且a t d 枷s 哪- b 岫r r _ d * 【耐5 1 2 l 弘一0 0 珊s d t - 哪 l 1 s _ l 吐- o _ c n - 哪 b e 0tr 酬耐5 1 2 l m - m s _ - l b - m 峨0s c t0 1 l b - d 0 蚴日c h 6 啦 日咖lt l * d 埘5 1 2 图46p i o 模式读写测试圈 mmmwm誉塞脚m豁mmm 硕+ 学位论文 c d 州u s i g 岍吣7 o h 盹 0 -t 口 d e d ” r 一6 t 儡曩日雹雹田i 。肛- r 一枷 t r 5t 目s “s eq 曲洲l n - “7 1 口3 9s _ 伽 品圈圈圈_ 嚣罂基“ t r s s m # 口自d r m z m c t r 6t 删删l n zo m “耐s c m ；0 啪 囱47d m a 模式读写测试图 将采用本设计的固态电子硬盘在w l n d o w sx p 操作系统下以从盘的方式启动， 启动命令流如下图48 所示。物理链接建立完成后，设备向主机发送r e z i s t e rf i s ( 3 4 h ) ，向主机表明处于就绪状态。主机发送r e g i 或e rf i s ( 2 7 h ) 更新设各控制 寄存器，然后发送l d e n t i f y 命令，请求读取设备信息。设各先发送p i os e t u pf i s ( 5 f h ) 配置p i o 传输参数，然后开始发送i d e n t i f y 信息，主机接着对设备进行 参数配置，然后读取设备的主引导记录m b r ( m 啪b o o ir e c o r d ) 与操作系统引导 记录区d b r ( d o sb o o t r e c o r d ) 等信息，完成对硬盘的识别过程。 怒器ll戮勰淼蓊淼黜黧嬲l|l|瑞嚣llilll然 s a t a 褂议分析及其f p g a 实现 c o m m 刊u s t n gr 肿肺rf 哪c 目m t m md - f r t m 图48 设备作为从盘启动命令流 硕十学何论文 结论与展望 s a t a 是一种完全不同于并行a t a 的新型硬盘接口类型，采用了串行方式传 输数据。本文给出了一个完整的s a 队i pc o r e 的设计细节，实现了s a r a 总线的 通信，并应用于固态存储领域，实现数据的存储。 本论文的主要研究成果包括： ( 1 ) 详细的分析了s a t a1 0 a 协议体系结构，包括物理层的高速串行传输和 o o b 协议实现s a l r a 设备复位和上电管理、链路层的编解码和校验处理、传输层 的帧封装和解封、应用层的指令解析等各层功能要求。 ( 2 ) 设计了s a t ai p 核，划分成4 个层次。应用层负责a t a 命令的解析，向 设备处理器提供访问窗口，实现数据存储；传输层负责执行主机命令，将数据和 命令打包经链路层传送；链路层负责向传输层提供一个可靠的虚拟通讯链路；物 理层负责实施最底层的电信号传递。 ( 3 ) 实现了高速并行c r c 编解码器，并行8 b 10 b 编解码器，基于线性回馈 移位寄存器的扰码器。实现了流水线的设计，在组合逻辑比较复杂的传输层获得 了更好的运行速度。 ( 4 ) 采用r o c k e t l 0m g t 高速串行数年据传输的硬核资源，设计支持s a t a 物理层1 5 g b p s 高速串行数据传输电路，提供2 0 b i t 并行数据接口，并支持o o b 通信协议。 ( 5 ) 完成了s a t ai pc o r e 的模块测试和整体测试，给出模块和整体测试平 台、测试方法，并提供测试数据，对测试数据进行分析，达到设计要求。 s a t a 是新一代串行通讯的代表，协议复杂，速度高，数据流量大，牵涉到的 内容比较广泛，有很大的设计难度。本文对设计完成后的s a t a 芯片进行装机运 行测试，得到了良好的实验结果。但作为一个完整的i pc o r e ，要进行全功能测 试是不太可能的，本论文只对传输功能进行功能测试，很多少模块的测试都是用 软件进行时序仿真的，整个测试结果表明设计符合了协议要求。 由于s a t a 协议的复杂性，本设计i pc o r e 在功能完整性方面还比较欠缺， 可配置性还做得不够，只能实现基本的传输功能，还需要进一步完善。 i pc o r e 强调可移植性，本设计在这方面还做得不够。设计中还用到了片上 集成硬核，可移植比较弱，有待进一步提高。 现在s a t a 协议已经发展到第二代，传输速率达到了3 g b s ，第三代标准也即 将出台，但是由于它们之间差别并不是很大，所以在本设计的基础上设计第二代 标准i pc o r e 是切实可行的。 6 3 s a t a 协议分析及其f p g a 实现 参考文献 【l 】 r i c h ，d a u t h e n t i c a t i o ni nt r a n s i e n ts t o r a g ed e v i c ea t t a c h m e n t s c o m p u t e r ，2 0 0 7 ， 4 0 ( 4 ) ：1 0 2 1 0 4 【2 】 【3 】 【4 】 【5 】 【6 】 【7 】 【8 】 9 】 【10 】 【l2 】 1 3 】 【1 4 】 15 】 【16 】 罗彬硬盘的接口方式及技术指标解析计算机与网络，2 0 0 7 ，( 4 ) ：3 7 李冬，汪东升，薛一波串行a t a 总线应用技术电子技术应用，2 0 0 5 ，3 1 ( 9 ) ：1 3 m e n t or s e r i a la l t ai pd e v i c ec o n t r o l l e r ，、v w m e n t c o m p r o d u c t s i p a t a s e r i a l a t a 2 0 0 9 0 5 0 7 陈晓东，苏宛新，王化龙嵌入式s a t a 存储系统的研究电子技术应用，2 0 0 8 ， 3 4 ( 4 ) ：2 8 3 0 孙永明千兆高速串行接口集成电路系统设计及其关键技术的研究：【中国科 学院计算技术研究所博士学位论文】北京：中国科学院计算技术研究 所，2 0 0 2 ，7 17 叶朝锋，黄松岭，徐云基于s a r a 的嵌入式高速大容量数据存储系统设计电测 与仪表，2 0 0 8 ，4 5 ( 2 ) ：4 1 4 4 t o mb r o k a w a ni n t r o d u c t i o nt os e r i a l a r a s t o r a g em a n a g e m e n ts o l u t i o n s ， 2 0 0 0 ，5 ( 5 ) ：5 0 - 5 6 k n u tg r i ms r u d ，h u b b e ns m i t h s e r i a la 1 1 as t o r a g ea r c h i t e c t u r ea n da p p l i c a t i o n s ：d e s i g n i n gh i g h p e r f o r m a n c e ，c o s t - e f f e c t i v ei o s o l u t i o n s u s a ：i n t e lp r - e s s ，2 0 0 3 ，12 5 6 s e r i a la j aw o r k i n gg r o u p s e r i a l 肖l t ah i g hs p e e ds e r i a l i z e da ta t t a c h m e n t r e v 1 o a a p tt e c h n o l o g i e s ，i n c ，2 0 0 2 ，1 17 - 12 3 范俊基于f p g a 的s 觚a 控制器的研究与实现：【华中科技大学硕士学位论文】 武汉：华中科技大学，2 0 0 6 ，6 1 6 叶项胜，陈利学基于f p g a 的s a t ai pc o r e 设计及其协议分析电子测量与 仪器学报，2 0 0 5 增刊：2 0 1 2 0 4 s e r i a l 肖姒w o r k i n gg r o u p s a t ap h y s i c a li n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ( s a p i s ) r e v 1 0 a a p tt e c h n o l o g i e s ，i n c ，2 0 0 2 ，5 6 6 4 t 1 3 d 1 5 3 2 v 1 r 4 b a t a - a t a p i - 7 p d f a t a t t a c h m e n tw i t hp a c k e ti n t e r f a c e 2 0 0 4 0 7 01 x i l i n xi n c m i c r o b l a z ep r o c e s s o rr e f e r e n c eg u i d ee d k 9 1 u s a ：x i l i n xi n c 2 0 0 7 ，2 5 3 0 x i l i n xi n c e m b e d d e ds y s t e mt o o l sr e f e r e n c em a n u a le d k 9 1 u s a ：x i l i n xi n c ， 硕十学位论文 【17 】 【18 】 【19 】 【2 0 】 【2 1 】 【2 2 】 【2 3 】 【2 4 】 【2 5 】 2 6 】 【2 7 】 【2 8 】 【2 9 】 【3 0 】 【3 1 】 【3 2 】 【3 3 】 3 4 】 【3 5 】 【3 6 】 2 0 0 7 1 5 2 一1 5 6 【 徐欣，于红旗基于f p g a 的嵌入式系统设计北京：机械工业出版社，2 0 0 5 ， 3 5 6 3 6 0 d o u g l a sj s m i t h ap r a c t i c a lg u i d ef o rd e s i g n i n g ，s y n t h e s i z i n g ，a n ds i m u l a t i n g a s i c sa n df p g a su s i n gv h d lo rv e r i l o g n e wy b r k ：a c mp r e s s ，l9 9 9 ，19 116 j a m e sr a r a n s t r o n g ，f g a i lg r a y v h d l 设计表示和综合北京：机械工业出版 社，2 0 0 3 ，( 1 ) ，4 0 l 一4 4 0 戚新宇基于f p g a 设计的功能仿真和时序仿真航空电子技术，2 0 0 5 ，( 3 ) ：5 1 5 4 林瑞清，孙佳佳，辛晓宁时序模型建立的静态时序分析技术微电子学与计算 机，2 0 0 5 ，( 1 0 ) ：1 7 1 1 7 4 唐振宇a s i c 设计中的静态时序分析技术电子与封装，2 0 0 5 ，( 1 0 ) ：3 2 3 4 程耀林f p g a 的系统设计方法解析现代电子技术，2 0 0 5 ，2 6 ( 1 9 ) ：9 0 9 3 x i l i n xi n c v i n e x 一4 系歹u 概述u s a ：x i l i n xl n c ，2 0 0 7 ，1 2 x i l i n xi n c v i r t e x 4r o c k e t i om u l t i g i g a b i tt r a n s c e i v e ru s e rg u i d e u s a ：x i l i n xi n c ，2 0 0 7 ，3 4 - 38 欧阳干p c ie x p r e s s 物理层的设计与实现：【国防科学技术大学硕士学位论文】 长沙：国防科学技术大学，2 0 0 6 ，2 7 3 5 李江涛r o c k e t i o 高速串行传输原理与实现雷达与对抗，2 0 0 4 ，( 4 ) ：4 8 5 0 吴志勇，高世杰基于r o c k e t i o 的光纤旋连接系统的实现计算机测量与控 制，2 0 0 8 ，1 6 ( 3 ) ：3 8 7 - 3 8 8 赵峥嵘，兰巨龙r o c k e t i o 几个关键问题的解决方案电子技术应用，2 0 0 5 ，3l ( 1 2 ) ：5l 一5 3 田耕，胡彬，徐文波x i l i n xi s ed e s i g ns u i t e1 0 xf p g a 开发指南d s p 、嵌入式 与高速传输篇北京：人民邮电出版社，2 0 0 8 ，3 7 3 4 1 8 胡锦基于r o c k e t i o 的高速串行协议设计与实现微计算机信息，2 0 0 8 ， ( 2 4 ) ：1 9 6 一1 9 7 x i l i n xi n c 嵌入式串行a t a 存储系统u s a ：x i l i n xi n c ，2 0 0 6 1 3 1 8 a x w i d m e r ，p a f r a n a s z e k ad c b a l a n c e dp a i r t i t i o n e d b l o c k ，8 b l0 bt r a n s m i s s i o nc o d e 19 8 3 0 8 - 01 r a v ib u d r u k ，d o na n d e r s o n ，t o m s h a n l e y p c ie x p r e s ss y s t e ma r c h i t e c t u r e a d d i s o n 、e s l e yi n c 2 0 0 5 ，2 5 卜2 7 2 戴居丰，贺传峰，毛陆虹一种新的光纤通信8 b 1 0 b 编解码实现方法研究电路 与系统学报，2 0 0 5 ，10 ( 2 ) ：3 0 3 4 田耕，胡彬，徐文波x i l i n xi s ed e s i g ns u i t e1 0 xf p g a 开发指南逻辑设计篇 北京：人民邮电出