SATA Technology详细说明ppt课件

.,1,SerialATATechnology,2012.06.11AusterLai,.,2,SATABasics,SATA1.0傳輸速度為1.5Gbit/s。支援進階主機控制器介面(AHCI)功能，可讓SATA儲存裝置啟用進階SATA功能，例如NCQ及熱插拔。SATA2.0傳輸速度可達3.0Gbit/s在2004年正式推出，符合ATA-7規範。,.,3,SATABasics,SATA2.0進步的地方在於：1.3.0Gb/s的高傳輸速度2.支援真正的SATA指令排序(NCQ)3.PortSelector:可使Host埠的兩個獨立SATAPort連接至同一設備,.,4,SATABasics,4.PortMultiplier:是一種可以在一個控制器上擴展多個SATA設備的技術5.介面和連線的強化:SATA3Gb/s資料線長度最多2m。SATA1.5Gb/s只是1m，PATA更短到50cm,.,5,SATABasics,SATA3.01.傳輸速度可達6Gbit/s2.新增NCQ的指令數目、優先權及演算法，包括為即時性的資源提供優先處理，主要用於影像及音像傳輸。3.採用全新INCITSATA8-ACS標準，改良傳輸訊號技術亦大幅減低了傳輸時所需功耗。,.,6,SATABasics,SATA資料線由兩條傳送方向相反的差分信號對(LVDS，共4根)組成，發送(Tx)和接收(Rx)各走一路。不過，SATA在一對信號線上傳送資料的同時需要用另一對信號線返回流控(flowcontrol)資訊，所以仍然是半雙工(halfduplex)。,.,7,SATAIO還是SATAII?,SATAII並是規格的名稱，而是制定SATA1.0延伸架構的組織名稱，該組織已經正式改名為SATAIO。SATAII是SATA1.0a的延伸，延伸的新技術完全相容於SATA1.0，但代表廠商就一定要加入這些新功能。從SATAIO聲明解，新技術可以選擇性加入而非必要，如果硬碟廠出一台標有SATAII(SATAIO)的產品，但既沒3GB/S也沒NCQ，事實上也能它錯。,.,8,NativeCommandQueuing(NCQ),硬碟有支援NCQ，指會先保在硬碟控制晶片內，最多可以保到32組指，硬碟會根據指所需要的資位置重新排，以最佳的順序送出，而低指的存取時間。NCQ示意圖，沒有NCQ時寫順序為1234，碟片要轉圈。有NCQ後指會重排成1324，碟片只需要轉一圈。,.,9,SATAArchitectureModel,.,10,SATAArchitectureModel,PhysicalLayer:1.OOBhandshake,2.Serial換速等待時間為54.6us(2048個ALIGNDWORD傳輸時間)；,.,20,.,21,PhysicalLayerDetailedBlockDiagram,.,22,LinkLayer,1.Providesframeflowcontrol2.CRCgeneration/checking3.Scrambles/descramblesdataandcontrolwords4.8b/10bencodingConduct5.Convertsdatafromtransportlayerintoframes,.,23,LinkLayer,傳輸層有FIS要傳送，鏈結層計算CRC值、加擾和8B/10B編碼後，加上SOF和EOF封裝成frame，傳遞給物理層。通過插入各種primitive進行流量控制，在成功傳遞完有效資料後，連接層等待對方的應答，並把結果傳給上層；從物理層接收到有效資料時，進行8B/10B解碼、解擾以及CRC效驗，然後將資料提交到傳輸層。,.,24,LinkLayer-8B/10B,8B/10B編解碼:資料值可以統一的表示為Dxy或Kxy，其中D表示為資料字元，K表示為特殊的控制字元，x表示輸入的原始資料的低5位元，y表示輸入的原始資料的高3位元。輸出位元數目總共是10個位元，但只有+2+0-2三種組合。+2是指4個位元0，與6個位元1；+0是指5個位元0，與5個位元1；-2是指6個位元0，與4個位元1，利用這種不均等性-Disparity的特性而具有強大的直流平衡（DCBalance）功能，可使得發送的0、1數量保持一致，連續的1或0基本上不超過5位。,.,25,LinkLayer-8B/10B,編碼分為兩個階段：階段一，把低5位元資料結合D/K#與CRD的當前狀態(正或負)查5B/6B資料編碼表，產生高6位元資料。階段二，把高3位元資料結合D/K#與CRD當前狀態查3B/4B編碼資料表，產生低4位元資料。對K控制字元的編碼方式和D資料字元編碼方式一樣。協定中只使用了兩個控制字元K28.3和K28.5,.,26,LinkLayer-8B/10B,.,27,LinkLayer-8B/10B,例如一組8位元的資料是10110101(B5h)：首先，分成兩組101與10101a=10101（21）b=101（5），符號為D21.5，在下表中的位序為HGFEDCBA，a（EDCBA）經過5B/6B編碼為abcdei，b（HGF）經過3B/4B編碼為fghj。,.,28,LinkLayer-8B/10B,.,29,LinkLayer-8B/10B,Example:HEXnumber45HEXnumberBC,.,30,LinkLayerCRD,CurrentRunningDisparity(CRD)，反映所發送的1和0的總數，用一位二進位數字來表示正和負(-1and1)。當傳輸完一次資料後，SATA必須根據當前的傳輸資料計算下一個CRD值。交替使用RD+和RD-欄的值，使差分信號的直流分量盡量小。計算規則如下：(1)資料l的個數大於0的個數，那麼CRD為正。(2)資料0的個數大於1的個數，那麼CRD為負。(3)資料中l的個數等於0的個數，則CRD的值不變。,.,31,LinkLayerCRD,00111111,1010111001,0101001001,8bCharacter0 x3F,This10bCharactertransmittedwhenCRDnegative,This10bCharactertransmittedwhenCRDpositive,Thischaracter6ones4zerosDisparity+2-nextCRDpositive,Thischaracter4ones6zerosDisparity-2-nextCRDnegative,.,32,LinkLayerScrambling,資料在進行8b/10b編碼之前，必須先行資料打散(Scramble)的處理，目的是為了降低EMI。實現方式是由LFSR(LinearFeedbackShiftRegister)的方式來實踐；基本原理是將資料的8位元與LFSR暫存器的16位元輸出做XOR的處理。多項式G(x):,.,33,LinkLayerScrambling,規定LFSR的初始值為0 xFFFF，LFSR必須在SOF標誌前就要被初始化，在SOF與EOF之間的資料，包括CRC值都需要加擾。對於操作基元Primitive是不需要加擾的資料處理流程:對於一個資料包，在SOF後的資料就必須計算其CRC值，同時這個資料必須和擾碼器的輸出進行XOR操作，操作結果送往8B10B編碼器編碼；反之，在接收方，資料先通過10B8B解碼，再與擾碼器的輸出結果進行XOR操作，最後計算資料的CRC值。,.,34,LinkLayerCRC,CRC的計算是以SOF和EOF之間的所有資料(即不包括操作基元)為物件，以Dword(32-bit)為單位，如果資料的內容不是Dword的整數倍，需要在資料包的後面用0來補充。協議規定CRC的初始值為0X52325032，SOF和EOF之間的所有資料不能超過2064個Dwords。,.,35,SATAFrameStructure,AllSATAframesconsistof:1.Astartofframe(SOF)delimiter2.Apayloadtransportlayerinformation3.ACyclicRedundancyCheck(CRC)4.Anendofframe(EOF)delimiter,.,36,LinkLayerPrimitive,Primitive基元是用來控制和提供串列線路的狀態的，由4個Byte構成的DWORD，第一個byte是控制信號(K開頭)後面三個byte是資料信號(D開頭),.,37,LinkLayerPrimitive,.,38,.,39,FISTransferProtocalSequence,現以設備接收一個資料包的傳輸過程來說明基元的作用，總共分為9個狀念。首先主機、設備都處於空閒狀態。(1)主機有資料需要發送，發送X_RDY，通知設備準備接收資料；,.,40,FISTransferProtocalSequence,(2)設備檢醒好自己的狀態，準備好後發送R_RDY告訴主機可以發送數據；(3)主機開始發送資料；,.,41,FISTransferProtocalSequence,(4)接收方在接收到資料時，以R_IP告訴主機正在接收資料；,.,42,FISTransferProtocalSequence,(5)主機的資料包沒有發送完，可是還有些資料沒有準備好，以HOLD告訴設備暫停資料發送；(6)設備接收到HOLD後，以HOLDA回應；(7)主機準備好了資料可以繼續發送，以HOLD結束等待狀態；(8)主機繼續傳輸資料；(9)設備接收資料，以R_IP告訴主機正在接收資料；,.,43,FISTransferProtocalSequence,(10)主機發送完了整個資料包，發送WTRM告訴設備：主機正在等待傳輸結果；(11)設備接收完整個資料包並效正確，以R_OK告訴主機接收正確；,.,44,FISTransferProtocalSequence,(12)主機進入空閒狀態，發送同步信號SYNC；(13)設備進入空閒狀態，發送同步信號SYNC；,.,45,.,46,TransportLayer,.,47,TransportLayer,1.發送時根據Command的種類及格式構造FIS，接受時檢測FIS種類並分解得到有用資訊2.通知LinkLayer傳送frame以及獲取LinkLayer傳來的framereceipt確認(host收到FIS後也會向device發送確認資訊的FIS)3.管理和流量控制4.向ApplicationLayer報告傳輸完成或者報錯傳輸層不必關心需要傳輸或接收資訊的多少，只需把要傳輸的資料封裝成FIS格式，發送到LinkLayer，或者把收到的FIS去除封裝，提交給ApplicationLayer。,.,48,SATACompatibilitywithParallelATA,Taskfilelocation:ThetaskfileisintheATAdeviceInparallelATA,accessestotheseregistersresultinparallelATAtrafficAllinformationexchangedbetweenSATAHostanddriveisdoneviaFISInSATA,aduplicatecopyoftheTaskFile,called“shadowregisters,”islocatedinthehostadapter.,.,49,ShadowRegister,同一個Register，不是2個Register，只不過分了2層，上層是下層的Shadow。第一層是供CPUaccess，第二層供HWaccess。CPU在寫Register的時候，會先寫在上層的ShadowRegister，硬體update後才會供下層HWaccess的Register開始執行。,.,50,ShadowRegistertoTaskFile,ApplicationlayersendsashadowregistercommandtoTransportlayer.TransportlayercreatestheFIS.將payloadcontent的資訊，先寫到shadowcommandblockregister和shadowcontrolblockregister裏，通過FIS傳到device的commandregisterblock和controlregisterblock；1.shadowcommandblock映射到commandregisterblock；2.shadowcontrolblock映射到controlregisterblock；,.,51,ShadowRegister:example,Applicationlayerinitiateacommand.TransportlayercreatestheFISiscalledaRegisterFIS-HosttoDevice.Table73maybereferencedtorefreshthereadersmemoryofasimplifiedversionoftheShadowRegisterBlockorganizationofanATAadapter.,.,52,TaskFileRegister,IDE介面硬碟的控制是通過硬碟控制器上的二組寄存器實現。TaskFileRegisters(命令寄存器)，I/O的埠位址為1F0H1F7H，其作用是傳送命令與命令參數。Control/DiagnosticRegisters(控制/診斷寄存器)，I/O的埠位址為3F6H3F7H，其作用是控制硬碟驅動器。,.,53,TaskFile:example,讀取1000號邏輯磁區開始的8個磁區為例：第0 x1f30 x1f64個位元組的埠位址用來寫入LBA位址，那麼1000號邏輯磁區的LBA位址為0 x000003E8，所以0 x1F3,0 x1F4寫0 x00，0 x1F5寫0 x03，0 x1F6寫0 xE8。0 x1F2用來寫入命令所需要讀寫的磁區數，讀取8個磁區就寫0 x080 x1F7用來寫入要執行的操作的命令碼，讀操作為0 x20綜合起來，執行的命令序列為：out0 x1F3,0 x00out0 x1F4,0 x00out0 x1F5,0 x03out0 x1F6,0 xE8out0 x1F2,0 x08out0 x1F7,0 x20,.,54,FISTypesandFormats,AFISisamechanismtotransferinformationbetweenhostanddeviceapplicationlayers1.ShadowRegisterBlockcontents2.ATAcommands3.Datamovementsetupinformation4.Readandwritedata5.Selftestactivation6.UniqueFISTypeCode,.,55,RegisterFIS-HosttoDevice(27h),用來傳輸主機的ShadowRegister的資料到設備，與ATA/ATAPI指令字和寄存器相容。當Device接收到一個有效的RegisterFIS-HosttoDevice，檢查Cbit的內容，然後更新命令寄存器/控制寄存器中的內容中，Cbit為1，Device按照CommandRegister中的命令執行命令，Cbit為0，Device按照ControlRegister中的內容執行控制請求。,.,56,RegisterFIS-DevicetoHost(34h),從裝置送往主機端，傳送裝置的狀態變化。當Device完成一個命令，向主機報告指令完成的狀態。Device用於修改host中shadowblock裏的commandregister和controlregister,.,57,SetDeviceBits-DevicetoHost(A1h),Device用來改寫host的shadowregister中的error或status的某些bit；包括Error全部8bit和Status中的6bit，不改變狀態寄存器中的第7bitBSY、第3bitDRQ。I表示host在收到該FIS以後，如果shadowstatusregister中BSY和DRQ位都為0時，host進入中斷等待狀態(實際上表明device進入中斷等待狀態)將I位置1後可以設置host中statusregister的SERV=1，以要求匯流排使用權，此時BSY和DRQ位要都為0,.,58,DMAActivate-DevicetoHost(39h),Device發送該FIS同意主機以DMA方式向設備發送資料，是Device對主機DMA寫命令的一個回應。當發送完FIS後，Device必須進入接收DMA資料接收狀態。每發送一個DMADATAFIS後，要再次收到DMAActivateFIS才能發送下一個DMADATAFIS；,.,59,DMAsetupFISBidirectional(41h),Bidirectional進行DMA操作的第一步，目的是為了建立DMA操作參數。發送方通過發送這個FIS，要求對方配置好DMA控制器，同時記憶體空間必須按要求處於準備狀態。Dbit為0，代表發送方傳送資料；Dbit為l，代表接收方傳送資料，傳輸時一方的D為1另一方的D為0DMATransferCount表示傳輸資料計數。,.,60,PIOSetup-DevicetoHost(5Fh),由設備發送給主機，告訴主機相關PIO操作參數，包括了在PIO傳輸前和傳輸後shadowregister的內容。在PIO傳輸資料的過程中，Device必須先發送這個FIS給主機，表示Device準備好發送或接受數據。與DMA傳輸一樣，每傳一個DATAFIS就要一個PIOSETUPFIS傳輸下一個DATAFIS；,.,61,DATAFISBidirectional(46h),Bidirectional用來傳輸資料，比如說對硬碟的讀寫操作，資料包的長度是不定的，除去SOF、EOF、CRC和FIS類型等標誌外，最多2048個Dwords。,.,62,BISTActivateBidirectional(58h),讓對方進入測試模式，是一個雙向可用的FIS，接收方以R_OK回應，完成測試工作之後就進入BIST交換狀態了。,.,63,Application/CommandLayer,HostsoftwareissuestheATAcommandApplic