（电子科学与技术专业论文）基于fpga的固态硬盘控制器设计.pdf

a b s t r a c t t h em e c h a n i c a lh a r dd i s k ，t h em a j o rl a r g e - c a p a c i t yd a t as t o r a g ed e v i c e n o w a d a y s ，s h o w sd i s a d v a n t a g e so fl o wa n t i s e i s mc a p a b i l i t y ，h i g hp o w e r c o n s u m p t i o na n dh a r dl i f t i n gs p e e dw i t hm o t o ra n dm a g n e t i cs h e e t s o l i d s t a t ed r i v e ，t h es o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo f d a t as t o r a g ea n d an e w g e n e r a t i o no fh a r dd is k w i t ht h es e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y ，h a sa1 0 to f f e a t u r e ss u c ha s h i g he a r t h q u a k er e s i s t a n c e ，w i d e t e m p e r a t u r er a n g e , r e l i a b l ea n dt h ee n e r g yc o n s e r v a t i o n i nr e s p o n s et ot h i sp r o b l e m ，t h i sp a p e r i sd i s c u s s i n ga b o u tt h ed e s i g no ns o l i ds t a t ed r i v ec o n t r o l l e rb a s e do n f p g a ，t h u st or e a l i z et h ed a t as t o r a g e t h i sp a p e ri l l u m i n a t e st h ed e v e l o p m e n to fh a r dd i s kt e c h n o l o g yf i r s t l y ， a n a l y z e st h ep r e s e n tt e c h n i q u es t a t u so fs o l i ds t a t ed r i v ea s w e l la si t s d e v e l o p i n gt r e n dw h i c hi n d i c a t et h em e a n i n go f t h es t u d y t h e ni ts e tab r i e f i n t r o d u c t i o nt om a i nc o n t e n tf o rt h i sp a p e r a f t e rt h a ti ta n a l y z e st h ek e y p o i n to fs o l i ds t a t ed r i v ec o n t r o l l e r 。s t u d i e st h es 觚入a g r e e m e n ta n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fn a n df l a s hc h i p p r e s e n tag e n e r a lb l u e p r i n tf o rt h e s y s t e md e s i g nb a s e do ns o p c a i if u n c t i o n sa r ec o m p l e t e db y as i n g l e f p g a t h ed e s i g ns e tm i c r o b l a z ee m b e d d e dp r o c e s s o rs o f t - c o r ea st h em a i n c o n t r o l l e r n e x t ，d e s i g n so fs a t ac o n t r o l l e ri pc o r ea n dn a n df l a s h c o n t r o l l e ri pc o r ew i t hv e r i l o gh d ll a n g u a g e s a t ac o n t r o l l e r a sa h i g h s p e e ds e r i a lt r a n s f e ri n t e r f a c er e a l i z e s s a t a1 0a g r e e m e n tw h i c hi s d i v i d e di n t of o u rm o d e l sb yt h es t a t em a c h i n ea n dl o g i cc i r c u i t n a n d f l a s hc o n t r o l l e rm a n a g e sn a n df l a s hc h i pa r r a y s n a n df l a s h i n t e r f a c ei sc o n v e r t e di n t oc o m m o ns r a mi n t e r f a c e ，s o a st oi m p r o v e a c c e s se f f i c i e n c y n a n df l a s hc o n t r o l l e rc o m p l e t e ss t o r a g em a n a g e m e n t a n de r r o rc o r r e c t i o na l g o r i t h m s ，a c h i e v e st h ed a t as t o r a g ea n dd a t ar e a d i n g a tt h ee n do ft h i sp a p e r ，t h em o d u l ea n ds y s t e ma r et e s t e da n dv a l i d a t e d ， t h e np r e s e n t sat e s ti n s t r u m e n ta n dt e s tm e t h o d ，e x p l a i n s t h es y s t e m a d j u s t i n gp r o c e s s f i n a l l yg e t st h ee x p e r i m e n t a la c h i e v e m e n t sa n dr e a c h e s t h ec o n c l u s i o nt h r o u g ha n a l y z i n g t h ed e s i g no fs o l i ds t a t ed r i v ec o n t r o l l e ri n t h i sp a p e r ，w i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l ea r c h i t e c t u r e ，g o o dr e l i a b i l i t y ，e a s yt ou p g r a d ea n d i i i 基于f p g a 的同态硬盘控制器设计 t h er e d e v e l o p m e n t ，i st h ek e yt e c h n o l o g yt or e a l i z es o l i ds t a t ed r i v ea n d s o l i ds t a t es t o r a g es y s t e m k e yw o r d s ：f p g a ；s o p c ；s o l i ds t a t ed r i v ec o n t r o l l e r ；s a t ap r o t o c o l ； n a n df l a s hm a n a g e m e n t i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：酞们i 斗l作者签名：欧们司，卞k 日期。1 年岁月髟日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密酿 ( 请在以上相应方框内打“巾) 作者签 导师签 d q ， 月月 r 一、 f 年年 廿f膏，f 1 1 期期日日 l 唠 硕士学位论文 第1 章绪论 近年来，c p u 发展速度日新月异，计算机应用不断拓宽，但硬盘发展速度 却甚是缓慢。硬盘的机械体质和物理特性，导致它在转速和容量方面突破举步为 艰，硬盘的发展逐渐成为制约计算机发展的最大瓶颈【l 】。除目前少数向r a m 方 面发展的存储产品，机械硬盘转速极限定位在1 5 0 0 0 转、单碟容量2 5 0 g b 的规 格，机械硬盘内部数据传输性能低，一般不高于l0 0 m b s 2 1 ，不能满足对性能有 较高要求的应用。而且机械硬盘采用机械马达和磁片作为存储体，不适于对抗震 性、温度和湿度有高要求的应用环境。在以移动、便携、节电为基本要求的消费 领域以及更高要求的工业、军事和航天等领域，存储成为一个亟待解决的问题。 固态硬盘s s d ( s o l i ds t a t ed r i v e ) 就是在这种形势下应运而生的一种新型存 储产品。固态硬盘是将先进的半导体技术融入大容量移动存储而产生的新一代硬 盘，是解决目前存储领域所存在问题的解决方案之一。它以半导体作为存储介质 及控制载体，没有机械装置，完全的电子化，使固态硬盘形成了自己的特点：抗 震、宽温、无噪、可靠和节能。固态硬盘主要由控制单元和存储单元( f l a s h 闪存芯片) 组成，没有普通硬盘的旋转介质，因而抗震性能和低功耗性能极佳。 扩展温度范围的固态硬盘可工作在4 0 - - + 8 5 【引，同时可适应各种恶劣的环境 条件，因此广泛应用于军事、车载、工控、视频监控、网络监控、电力、医疗、 航空等各领域。 1 1 硬盘技术简介 硬盘作为计算机系统主要的存储介质之一，源于在1 9 6 8 年i b m 公司提出的 “温彻斯特 技术。该技术的精髓是：磁盘盘片被固定在一个密封的空间内，并 以主轴为中心高速旋转，磁头沿盘片径向移动，并悬浮在高速转动的盘片上方不 与盘片直接接触。实际上，“温彻斯特 硬盘是目前所有机电一体式硬盘的原形。 虽然温彻斯特硬盘的使用面相当广泛，但是其缺点也不容忽视，那就是速度以及 安全性。磁盘表面涂有磁性介质以供纪录使用的，其在显微镜下呈现出来的便是 一个个磁颗粒。微小的磁颗粒极性可以被磁头快速的改变，并且在改变之后可以 稳定的保持，系统通过磁通量以及磁阻的变化来分辨二进制中的o 或者1 。由于 所有的操作均是在微观情况下进行，硬盘在高速运行的同时受到外力的震荡，将 会有可能因为磁头拍击磁盘表面而造成不可挽回的数据损失。除此之外，磁颗粒 的单轴异向性和体积会明显影响磁颗粒的热稳定性，而热稳定性的高低则决定磁 颗粒状态的稳定性，也就决定所储存数据的正确性和稳定性【4 1 。 硬盘的数据传输率是指硬盘读写数据的速度，包括内部数据传输率和外部数 基于f p g a 的同态硬盘控制器设计 据传输率，内部数据传输率也被称作硬盘的持续传输率( s u s t a i n e dt r a n s f e rr a t e ) ， 指磁头至硬盘缓存间的数据传输率，一般取决于硬盘的盘片转速和盘片数据线密 度( 同一磁道上的数据间隔度) 。目前家用硬盘的转速为7 2 0 0 r p m ，工业领域硬 盘的转速可达1 5 0 0 0 r p m 。硬盘的内部传输速度依旧是7 0 9 0 m b s 左右，相对于 计算机总线传输速度而言其已经成为了一个最大的瓶颈【5 】。提高硬盘的转速，可 提高内部数据传输率，但转速越快的硬盘带来温度升高、电机主轴磨损加大和工 作噪音增大等负面影响。目前各硬盘生产厂家努力提高硬盘的内部传输率，除改 进信号处理技术、提高转速以外，最主要的就是不断的提高单碟容量以提高线性 密度。由于单碟容量越大的硬盘线性密度越高，磁头的寻道频率与移动距离相应 的减少，从而减少平均寻道时间，内部传输速率也就提高。 目前主流硬盘接口标准有以下四种：i d e 、s c s i 、s a t a 和s a s 。四种接口 各具特点，如i d e 的成熟廉价，s c s i 的稳定价高，s a t a 和s a s 的高速等等， 以下简要介绍各自特点： i d e ( i n t e g r a t e dd r i v ee l e c t r o n i c s ) ，是硬盘包括光储类的主要接口，也称 p a t a 并行接口。它具有成熟、廉价、稳定和兼容性强的特点。i d e 接口又分为 u d m a 3 3 ，u d m a 6 6 ，u d m a 1 0 0 ，u d m a 1 3 3 。其理论极限速率为1 3 3 m b s 6 1 ， 这也成为它的最大缺点。 s c s i ( s m a l lc o m p u t e rs y s t e mi n t e r f a c e ) 小型计算机系统接口，s c s i 为并 广泛应用于小型机上的并行高速数据传输技术，具有应用范围广、多任务、系统 占用率低、带宽大和支持热插拔等优点【7 】，但较高的价格使得其无法如同i d e 硬盘普及，因此s c s i 硬盘主要应用于中、高端服务器和高档工作站中。 s a t a ( s e r i a la d v a n c e dt e c h n o l o g ya t t a c h m e n t ) 串行a t a 是目前硬盘的主 流接口，s a t a 是2 0 0 1 年颁布的新标准，具有更快的外部接口传输速度，数据 校验措旌更为完善，传输速率已经达到1 5 0 m b s ，比i d e 最高的u d m a 1 3 3 还 高。由于改用线路相互之间干扰较小的串行线路进行信号传输，相比原来的并行 总线，s a t a 的工作频率得以提升。虽然总线位宽较小，但s a t a1 o 标准仍可 达到15 0 m b s 。2 0 0 2 年，s e r i a la t a 委员会确立了s e r i a la t a2 0 规范，s a t ai i 是在s a t a 的基础上发展起来的，其主要特征是外部传输率从1 5 0 m b s 进一步 提高到了3 0 0 m b s ，此外还包括n c q ( n a t i v ec o m m a n dq u e u i n g ，原生命令队列) 、 端口多路器( p o r tm u l t i p l i e r ) 、交错启动( s t a g g e r e ds p i n - u p ) 等一系列的技术特征。 s a s ( s e r i a la t t a c h e ds c s i ) 接口为串行s c s i 接口，主要优点是数据串行传输 率高，这种接口的硬盘大多用于服务器等高端应用场合。 固态硬盘s s d 是摒弃传统磁介质，采用f l a s h 闪存芯片进行数据存储和读 取的一种技术，由于采用f l a s h 闪存芯片，它内部没有机械结构，没有数据查 找时间、延迟时间和寻道时间，固态硬盘启动更快( 不需要旋转加速) ，存储和读 硕士学位论文 写速度优于机械硬盘。固态硬盘内部不存在任何机械部件，即使在高速移动甚至 伴随翻转倾斜的情况下也不会影响到正常读取和写入。由于突破了传统机械硬盘 的性能瓶颈，固态硬盘拥有极高的存储性能，在一些军用系统、高性能计算研究 领域已经有了突出的应用表现，并开始在高端的个人应用领域以及企业级应用中 普及。传统的磁盘存储技术短期内无法突破机械系统的性能瓶颈，因而固态存储 技术被认为是存储技术的未来发展趋势。 除了在性能上的突出表现，固态存储还因为其节能环保的绿色特性广受厂商 和企业用户的青睐。由于没有旋转磁头与盘体间的旋转摩擦，固态硬盘发热量小， 散热速度快，运行时无噪音。根据文献【8 】测试报告，通常情况下，固态硬盘的 能耗只有容量相当的传统硬盘的2 0 。而作为企业环境中的海量存储解决方案， 固态硬盘取代传统机械硬盘，预期节能效果会更显著。 和所有技术一样，固态硬盘也有自己的优势和劣势，阻碍其推广的最大的两 个原因则主要是居高不下的成本和容量的局限。在突发性电源中断的情况下可能 会非常脆弱，写入次数有限，存储密度低，但随着半导体技术和工艺水平不断提 高，各大厂商正在努力研究，进行弥补或者逐步解决这些问题。 1 2 国内外发展现状 目前，固态硬盘正逐渐进入高端企业用户和普通消费者。2 0 0 7 年7 月i b m 在其刀片式服务器上部署s a n d i s ks s d ，固态硬盘走进人们的视线【9 1 。2 0 0 8 年1 月e m c 在高端企业级存储产品s y m m e t r i xd m x 4 中添加容量分别为7 3 g b 和 1 4 6 g b 的固态硬盘o j ；2 0 0 8 年6 月，s u n 在服务器和存储产品中也开始支持固 态硬盘【1 1 1 。在消费领域，主要受价格和容量因素制约，固态硬盘集中于高端的 笔记本和超轻薄笔记本电脑中使用，2 0 0 7 年下半年，美国苹果公司在m a c b o o k a i r 超便携笔记本中就以s s d 固态硬盘取代传统机械硬盘【l2 1 ，2 0 0 8 年3 月我国 联想公司在t h i n k p a dx 3 0 0 中也首次选用s s d 固态硬盘作为标准配置【1 3 l 。 i b m 是第一个把企业级固态硬盘引入到刀片服务器系统中的厂商。在2 0 0 7 年7 月，i b m 推出了第一款对中小企业或大企业分支机构的b l a d e c e n t e r 刀片服 务器系统b l a d e c e n t e rs ，其中存储模块对固态存储的支持就是最闪亮的特色之 一l i 钔。同年9 月，i b m 发布了支持1 6 g b 及3 2 g b 固态硬盘的b l a d e c e n t e rh s2 1 x m 。 步入2 0 0 8 年，i b m 进一步展示其在固态存储方面的进展，宣布了一个代码 代号为“p r o j e c tq u i c k s i l v e r 的研究项目，这个项目的主要内容是测试一组容量 高达4 t b 的固态硬盘磁盘阵列性能。i b m 报告显示，q u i c k s i l v e r 不但性能良好， 响应时间只有此前记录的1 2 0 ，所需空间也只有1 5 ，功耗和降温需求则降至 5 5 1 1 5 1 。 基于f p g a 的同态硬盘控制器设计 2 0 0 8 年8 月1 9 日开幕的英特尔信息技术峰会现场，英特尔n a n d 产品事 业部正式宣布进军s s d 高效能固态硬盘规划与时间表，新产品将命名为“i n t e l h i g h p e r f o r m a n e es a t as o l i d s t a t ed r i v e ，将分为1 8 英寸和2 5 英寸两个版 本的固态硬盘英特尔 x 18 m 和x 2 5 m 主流固态硬盘将于未来一个月内上 市【1 6 】。 英特尔x 1 8 m 和x 2 5 m 主流s a t a 固态硬盘将包括8 0 g b 和1 6 0 g b 两种 选项。8 0 g b 产品正在进行抽样测试，并将在当年第三季度投入生产。1 6 0 g b 产 品将在第四季度开始抽样测试并于2 0 0 9 年第一季度投入生产。 而英特尔x 2 5 ee x t r e m es a t a 固态硬盘的3 2 g b 版本，已于2 0 0 8 年第三 季度抽样测试，读取写入速度分别达到了每秒2 5 0 1 7 0 m b ，在数据块为4 k b 的 随机读写状态下，拥有3 5 0 0 0 的读i o p s 和3 3 0 0 的写i o p s ，以及7 5 i t s 的读延 迟。产品功耗在全速运行时为2 4 w ，待机时只需o 0 6 w ，其无故障运行时间也 达到了两百万个小时。6 4 g b 版本将在第四季度开始抽样测试并于2 0 0 9 年第一 季度投入生产。 1 3 研究背景及本文主要工作 1 3 1 研究背景 固态硬盘的国内市场相比于国际市场还十分不成熟，正处于初步发展时期， 但市场前景可观。主要是巨大的笔记本等消费类便携式设备市场，其次是军工领 域以及其它一些对环境特性要求苛刻的场所。固态硬盘由于成本的因素，取代机 械硬盘需要一个较长的时间。在产品的初期，还不能大规模进入消费类市场，但 凭借性能优势，可以在军工领域得到大量应用。随着成本的逐步降低，固态硬盘 将逐步占据机械硬盘的市场。根据i s u p p l i 的数据，固态硬盘市场在2 0 0 7 年只有 1 9 0 0 万美元，而2 0 0 8 年则有望猛增至3 3 亿美元，2 0 1 2 年可达8 7 亿美元。这 些数字展现了固态硬盘巨大的市场前景。 固态硬盘的关键技术在于标准接口( i d e 和s a t a 等) 的实现以及n a n d f l a s h 闪存阵列的管理( f l a s h 文件系统、e c c 纠错校验和坏块管理等) ，由于 技术含量较高，目前仅有少量国外厂商从事固态硬盘研发和生产，主要包括i n t e l s a m s u n g 、s a n d i s k 、p q i 、s s t 等几家公司。这些厂商通过融合接口技术和n a n d f l a s h 闪存控制技术，设计开发了固态硬盘控制器，作为固态硬盘的核心技术， 以上厂家的控制器件仅限于自身使用，而不面向市场，容易形成技术和市场垄断。 国内固态硬盘控制器设计厂家仅台湾j m i e r o n 拥有成熟产品。市场上虽然已 经推出几种控制芯片，用于实现固态硬盘的接口转换和n a n df l a s h 闪存阵列 的管理，但这类芯片的性能有限，所支持的接口也仅限于i d e 和c f 接口，适用 于低速、小容量固态硬盘的设计，对于高速、大容量的设计，则完全不满足要求。 硕士学位论文 其他国内固态硬盘生产产家均采用国外或台湾地区公司控制器设计开发应用，无 核心技术与知识产权，也无法进入航空航天、军事信息系统和作战武器等保密性 要求严格的领域，特别是军工领域对定制化的固态存储，比如一键销毁功能，牵 涉到控制器的二次开发，国内很多生产产家无法进入该领域。 因此，研究硬盘接口s a t a 协议，分析n a n df l a s h 控制管理算法，设计 s a t a 控制器和n a n df l a s h 控制器，实现固态硬盘控制器功能意义重大，有 利于推动工业领域的进步，有利于打破国外技术垄断，形成自主的核心知识产权。 1 3 2 本文主要工作 本文基于x i l i n x 公司v i r t e x - 4f x 系列f p g a 实现s a t a 接口的固态硬盘控制 器，固态硬盘传输接口选用s a t a l o 协议，数据传输速度达1 5 g b p s ，固态硬盘存 储介质选用通用n a n df l a s h 闪存芯片阵列。整个控制器采用s o p c 设计方式， 为固态硬盘控制器的单芯片解决方案。本文主要章节及其重点内容如下： 第1 章绪论部分，介绍了机械硬盘和固态硬盘的区别，现阶段国内外固态硬 盘控制器研究状况。 第2 章固态硬盘控制器技术分析，介绍固态硬盘的接口协议s a t a 协议和存 储介质n a n df l a s h ，分析s a t a 协议各层功能和行为模型，描述n a n df l a s h 的接口时序，分析n a n df l a s h 管理算法。 第3 章固态硬盘控制器整体设计，详细介绍固态硬盘控制器的s o p c 系统设 计，说明固态硬盘控制器的功能要求，介绍s o p c 系统结构和模块划分。 第4 章s a t a 控制器核设计，详细介绍s a t a 协议四层模型的行为模型和状态 机实现。 第5 章n a n df l a s h 控制器核设计，详细介绍n a n df l a s h 芯片控制时序 和管理算法实现。 第6 章测试方案，为固态硬盘控制器设计两级测试方案，包括模块测试和整 体测试方案，确保控制器的可靠性和功能完整性。 最后，本文还对工作做了总结，并提出进一步的改进方案。 基于f p g a 的固态硬盘控制器设计 第2 章固态硬盘控制器技术分析 固态硬盘控制器的关键技术是接口协议和存储介质闪存的管理算法实现，本 章就硬盘主流接口s a t a 协议特点进行分析，按照功能分层将s a t a 四层协议 的行为模型逐一分析，并给出其实现的关键技术点。存储介质为n a n df l a s h 闪存，介绍其主要分类、接口特点和指令系统，重点分析n a n df l a s h 的控制 管理和纠错算法。 2 1 固态硬盘接口s a t a 协议简介 s a t a 的全称是s e r i a la d v a n c e dt e c h n o l o g ya t t a c h m e n t ，是由i n t e l 、i b m 、 d e l l 、a p t 、m a x t o r 和s e a g a t e 公司共同提出的硬盘接口规范。2 0 0 0 年2 月i n t e l 在i d f ( i n t e ld e v e l o p e rf o r u m ) 上，首次提出s a t a 的技术构想，并专门成立了 s e r i a la t a 标准的官方工作组( s e r i a la t aw o r k i n gg r o u p ) ，2 0 0 1 年8 月，s e a g a t e 在i d ff a l l2 0 0 1 大会上宣布了s e r i a la t a i 0 标准，s e r i a la t a 规范正式确立f 1 7 】。 s a t a 与传统的p a t a 相比，其性能主要有以下几个方面的优点： ( 1 ) 解决串绕问题 s e r i a la t a 数据线仅由7 根导线组成，其中一对差分信号线用于发送数据， 另一对差分信号线用于接收数据，解决并行数据之间的串绕问题。在发送和接收 线之间及两端各有一根地线，其长度在s e r i a la t a l 0 标准中即可达到l m ，相对 于a t a a t a p i 4 标准的8 0 根导线连接线缆，消除邻近信号线之间的交叉干扰， 降低数据误码率。 ( 2 ) 带宽的增加 第一代s a t a 即可提供1 5 g b s 的带宽，相当于15 0m b s 的数据传输速率， 其后的s a t a 2 0 标准中带宽增加到3 0 0 m b s 1 8 】。预计第三代s a t a 的数据传输 速率将达到6 0 0m b s 。而传统的p a t a ，速度最快的a t a a t a p i 8 协议中支持 的u l t r ad m a 传输方式的最大速率也只能达到1 3 3 m b s 。 ( 3 ) 增强的接入可靠性 p a t a 标准不提供命令和状态包的出错检测，尽管命令和状态出错的概率 比较小，但出错的可能性也不能忽略。s a t a 提高c r c 对数据、命令和状态包 的错误检查能力，因此提高接入的可靠性【1 9 j 。 ( 4 ) 工作电压降低 目前微处理器电压逐渐向低电压过渡，这对提高速度、降低热耗至关重要。 大部分目前的a t a a t a p i 6 标准为p a t a 设备指定的直流电压供应为3 3 v ， 而对特定模式的接收器则要求大于4 v 。s a t a 指定的峰峰工作电压为5 0 0 m v 。 硕士学位论文 s a t a 为现在和未来的处理器和大容量数据存储器实现互操作提供可能。 s a t a 协议的整体结构图见图2 1 ，采用四层体系结构：应用层( a p p l i c a t i o n l a y e r ) 、传输层( t r a n s p o r tl a y e r ) 、链路层( l i n kl a y e r ) 和物理层( p h y s i c a l l a y e r ) 。其中，应用层面向顶层，负责所有a t a 命令的执行，生成读写请求， 并可读取和设置设备的工作性能模式，包括对控制命令模块寄存器的访问：传输 层根据应用层的读写请求和来自数据链路层的应答启动数据包的传送，传输层在 主机和硬盘设备之间以帧信息结构( f i s ) 的形式传输控制命令和数据：数据链路 层通过维持数据的完整性来保证数据包通过链路可靠地传输。它包括8 b 1 0 b 编 解码，数据包的循环冗余校验( c r c ) ，并可在信号失败时自动重新尝试数据包传 送。链路层发送和接收数据包，并发送来自于传输层的控制信号的原始字符，接 收来自于物理层的原始字符并将其转化为控制信号给传输层；物理层包含两条高 速单工通道的低压差分信号收发器，分别负责接收和发送数据。物理层还包含串 行器解串行器，提供段) f ( o o b ) 讯号并处理加电顺序和速度协商。 2 i 1 物理层 应用层 h 一一- 卜 应用层 ： 传输层 - 传输层 ： 链路层 链路层 ： 物理层物理层 主机 设备 图2 is a t a 四层体系结构 物理层提供如下功能【2 0 】： 传输1 5 g b p sl v d sn r z 串行数据流； 提供1 0 0 欧姆匹配电阻； 接收链路层1 0 b i t 、2 0 b i t 、4 0 b i t 或自定义宽度的数据，串行化后发送； 接收1 5 g b p sl v d sn r z 串行数据流； 从串行数据流中提取数据和时钟； 串并转换接收到的数据； 检测k 2 8 5 数据，并使接收数据以1 0 b i t 、2 0b i t 、4 0b i t 或其它宽度对齐； 提供对o o b ( o u to f b a n d ) 信号的检测和发送； 基于f p g a 的同态硬盘控制器设计 进行合理的上电复位状态和速度调节； 要向上层提供设备状态：设备正常、设备不正常和设备正常但速度调节不 对； 可选支持电源管理； 可选支持传输和接收阻抗匹配调节； 解决由于时钟抖动造成的数据不稳定； 响应对方发出的远端测试请求操作。 僻 1 x 1 u ( + 砣。 图2 2 物理层功能框图 物理层的功能框图如图2 2 ，控制模块通过逻辑电路负责协调控制整个物理 层功能实现，接收链路层的控制信号，并向链路层反馈物理层的工作状态信息。 模拟前端是传输连接线的基本接口，包含高速差分驱动器和接收器，以及o o b 信号处理电路。同步字符源和同步字符检测两个模块负责串并转换过程的同步实 现。数据提取模块是从高速输入数据流中提取时钟和数据。其主要输入输出接口 见表2 1 。 表2 1 物理层输入输出接口 o o b 信号负责主机与设备之间连接初始化顺序，包括两类信号：c o m w a k e 和c o m r e s e t c o m i n i t 。c o m r e s e t 是突发长度为16 0 u i ( u n i ti n t e r v a l ) ( 1 0 6 7 n s ) 的a l i g n 原语，和长度为4 8 0 u i ( 3 2 0 n s ) 的空闲周期分隔，并且始 终由主机发送。c o m i n i t 本质上和c o m r e s e t 相同，唯一区别是它由设备发 送，见图2 3 。c o m w a k e 是突发长度为1 6 0 u i ( 1 0 6 7 n s ) 的a l i g n 原语，在共 模电平上由长度为1 6 0 u i ( 1 0 6 7 n s ) 的空闲周期分隔，由主机和设备二者发送。 图2 3c o m r e s e t c o m i n l t 信号 ，i l j 给 岗。 一 图2 4c o m w a k e 信号 在上电和硬件复位期间，主机通过使用o o b 信号启动复位序列，硬盘准备 基于f p g a 的固态硬盘控制器设计 就绪并建立通讯链接， 1 4 0 1 p 口一o n 图2 5 为o o b 信号启动复位序列【2 1 】： h 0 8 t f 一髓9 h o s t ( x 猢r e s l e tc o i d w a k e o 或戳 嘲r x d e v i c e t x 删r ) o h a 酿 a l i d 啦d o i c ed i n i c od 囊舶曩 p 翻_ 吖o n鼬b a 喀o o m w a k eo a t m c o ( d l n i t 图2 5o o b 启动复位序列 1 设备断电一一主机和设备断电。 2 供电一一主机端信号调节将t x 和r x 对拉到共模电压。 3 主机发出c o m r e s e t 。 4 主机释放c o m r e s e t 一一上电复位释放之后，主机立即释放c o m r e s e t 信号并置总线于休眠状态。 5 设备发出c o m i n i t 一一当设备( 硬盘) 检测到c o m r e s e t 释放时，使用 c o m i n i t 作为响应。设备可随时发出一个c o m i n i t 来开始通信。 6 主机校准并发出c o m w a k e 。 7 设备响应一一设备在其r x 对上检测到c o m w a k e 信号并校准发送器( 可 选) 。校准之后，设备发出6 个突发c o m w a k e 信号，然后发出a l i g n 原语 的连续流。发出a l i g n 原语后5 4 6 1 x s ，如果还没有收到来自主机的有效响应 ( 通过检测接收到的a l i g n 原语而定) ，设备便进入错误状态。 8 主机锁定一一检测到c o m w a k e 之后，主机以所支持的最低速率开始发 送d 1 0 2 字符。同时，主机接收器锁定a l i g n 原语，并在准备就绪之后， 按照与接收相同的速度把a l i g n 原语返回给设备。主机必须如此设计，才 能在5 4 6 1 x s 内获得锁定。如果在8 8 0 5 4 6 1 x s 内没有接收至i j a l i g n 原语，主机 会重启上电序列，这一操作会无限重复下去，直到应用层将其终止。 9 设备锁定一一设备锁定至j j a l i g n 原语，并在准备就绪之后，发出s y n c 原 语表明可以开始正常运行了。 1 0 接收到连续三个t 乍a l i g n 原语后，即建立通信链接，开始正常运行。 硕士学位论文 2 1 2 链路层 链路层的主要功能是信道编解码。当传输层有数据传送要求时，链路层计算 c r c ( c y c l i c a lr e d u n d a n c yc h e c k ) 值，为其封装包头s o f ( s t a r to ff r a m e ) 和包尾 e o f ( e n do ff r a m e ) 。经过封装的数据通过加扰和8 b 1 0 b 编码后，传递给物理层， 并在包的传输过程中通过插入各种原语进行流量控制，在成功传输完有效数据 后，链路层等待对方的应答，并把结果传给传输层；当链路层从物理层接收到有 效数据时就对其进行8 b 10 b 解码、解扰以及c r c 校验，然后将去除封装信息后 的数据提交到传输层。 1 ) 8 b 1 0 b 编解码 8 b 1 0 b 编码机制是由i b m 公司开发，已在串行传输中广泛采用。它属于一种 数值查找类型的编码机制，可将8 位字符装换成不连续5 个以上的“1 或“o 的 1 0 位字符，这些字符保证有足够的跳变用于时钟恢复。8 b 1 0 b 编码具有良好的 直流平衡特性，通过“运行不一致性 的方法来实现，即只使用有相同个数0 和1 的符号，也会限制符号的数量。同时8 b 10 b 中的c o m m a 字符( 用于表示对齐序 列的一个或两个符号) 可辅助数据对齐。8 b 1 0 b 机制能带来字对齐、时钟修正 机制、通道绑定机制和子通道生成等功能，其唯一缺点是数据的传输效率只有 8 0 。 2 ) 扰码器 扰码器( s c r a m b l e ) 是建立在线性反馈移位寄存器上的，扰码是在发送端将 传送的数字码变换成“0 “1 近似等概率，前后独立的伪随机码流，便于提取 位定时信息和使信号频谱扩散并保持相对稳定，避免或减轻周期性基带信号由于 具有较强的离散线谱而造成的对其他系统的干扰。整个需要传输的数据包都要经 过扰码器伪随机化后才传送到物理层。 扰码器是以线形反馈移位寄存器和异或逻辑门组成，协议采用的线形反馈移 位寄存器的特征方程为： g ( x ) = x 1 6 + x 1 5 + x 1 3 + x 4 + 1 ( 2 1 ) 设扰码器的输入序列是驯，输出为删，则 一 r ( o = x ( r ) o y ( ，一螺b ( 2 2 ) k - i 在接收端采用前馈移位寄存器结构进行解扰 一 x ( ，) = l ，( ，) o 】，o 一彤己) ( 1 ( 2 3 ) k = l r ( d 为解扰器的输出序列，当无误码情况发生时，它与加扰器的输入序列 坝r ) 相同。 s a t a 协议规定线性反馈移位寄存器的初始值为o x f f f f ，线性反馈移位寄存 基于f p g a 的碉态硬盘控制器设计 器必须在s o f 标志前被初始化，在e o f 之间的数据，包括c r c 值都需要加扰。对 于操作原语则不需要加扰，传输数据包中可能会出现操作原语( 比如h o l d 、 h o l d a 、c o n t 等) ，在设计扰码器的时候需要对操作原语和数据区分开来，不 能影响数据的加扰。 表2 2 原语传输示意 3 ) 原语 原语( p r i m i t i v e ) 用来控制和提供串行线路的状态，在传输过程中也可以迸 硕士学位论文 行流量控制，是由四个字符组成。s a t a 协议总共规定l8 个原语，现以主机发起 传送一个数据包传输过程来说明原语的作用，如表2 2 中所示。 4 ) c r c 校验 通信信道不可避免地受到各种干扰的影响，接收端收到的信息与发送端发出 的信息若不一致，即接收端收到的信息产生了误码。为降低数据通信线路传输的 误码率，通常有改善数据通信线路传输质量和差错检测控制两种方法。差错检测 控制的方法很多，s a t a 协议中采用c r c 3 2 校验，保障传输的有效性。c r c 的计 算是以s o f 和e o f 之间的所有数据( a p 不包括操作原语) 为对象，以d w o r d ( 3 2 位) 为单位，如果数据包的内容不是d w o r d 的整数倍，需要在数据包的后面用0 来补充。协议采用的特征方程为公式2 4 。 g ( x ) = x 3 2 + x 拍+ x 2 2 + x 1 6 + x 1 2 + x 1 1 + x l o + x 8 + x 7 + x 5 + x 4 + x 2 + x + 1( 2 4 ) 协议规定c r c 的初始值为0 x 5 2 3 2 5 0 3 2 ，s o f 和e o f 之间的所有数据不能超 过2 0 4 8 个d w o r d s 。 2 1 3 传输层 传输层的工作是将要传输的数据封装成f i s ( f r a m ei n f o r m a t i o ns t r u c t u r e s ) ， 或者把接收到f i s 去除封装还原数据。f i s 是以d w o r d 为基本单元，用来在主机 和设备之间传递信息的一种帧结构，原语作为帧开始和结束标志。主要f i s 类型 见表2 3 。 表2 3f i s 类型 帧代码帧名 r e g i s t e rf i s - h o s tt od e v i c e r e g i s t e rf i s d e v i c et oh o s t d m aa c t i v ef i s d e v i c et oh o s t d m a s e t u pf i s b i - d i r e c t i o n a l d a t af i s bi - d i r e c t i o n a l b i s ta c t i v ef i s b i d i r e c t i o n a l p i os e t u pf i s d e v i c et oh o s t s e td e v i c eb i t sf i s d e v i c et oh o s t r e s e r v e df o rf u t u r es e r i a