SATA协议学习教案

1、会计学1SATA协议协议(xiy)第一页，共41页。第一(dy)部分 物理层qSATA PSATA Protocolrotocol第1页/共41页第二页，共41页。qSATA PSATA Protocolrotocol第2页/共41页第三页，共41页。物理层的功能物理层的功能(gngnng) 以以1.5Gbps、3.0Gbps或者或者6Gbps的速率传输的速率传输DNRZ串行数据流；串行数据流；发送端和接收发送端和接收(jishu)端提供端提供100欧姆的终端匹配电阻；欧姆的终端匹配电阻；将链路层接收将链路层接收(jishu)的并行数据进行串行化之后发送；的并行数据进行串行化之后发送；接收接收

2、(jishu)高速串行数据转换成并行数据，包括从串行数据流中进行数高速串行数据转换成并行数据，包括从串行数据流中进行数据提取和时钟恢复；据提取和时钟恢复；检测检测ALIGN原语，进行数据对齐；原语，进行数据对齐；带外信号的接收带外信号的接收(jishu)和发送；和发送；使用带外信号进行使用带外信号进行SATA接口初始化和主从之间速率协商；接口初始化和主从之间速率协商；向链路层发连接状态（已连接、未连接、已连接但是速率协商失败）；向链路层发连接状态（已连接、未连接、已连接但是速率协商失败）；qSATA PSATA Protocolrotocol第3页/共41页第四页，共41页。物理层的主要物理层

3、的主要(zhyo)状态状态l Resetl COMINITl AwaitCOMWAKEl AwaitNoCOMWAKEl Calibratel COMWAKEl SendAlignl Readyl Parity、Slubmberl Reduce SpeedqSATA PSATA Protocolrotocol第4页/共41页第五页，共41页。物理层上电初始化物理层上电初始化qSATA PSATA Protocolrotocol第5页/共41页第六页，共41页。电源电源(dinyun)管理管理Partial模式模式(msh)： 物理层部分电路进入休眠模式，能够物理层部分电路进入休眠模式，能够(n

4、nggu)在在10us之内被之内被唤醒。唤醒。qSATA PSATA ProtocolrotocolSlumber模式：模式： 与与Partial模式相比可以关闭更多的电路，能够在模式相比可以关闭更多的电路，能够在10ms之内被唤醒。之内被唤醒。第6页/共41页第七页，共41页。第二(d r)部分 链路层qSATA PSATA Protocolrotocol第7页/共41页第八页，共41页。链路层的功能链路层的功能(gngnng)与对方的链路层相互协商传送与对方的链路层相互协商传送(chun sn)帧和原语；帧和原语；接收传输层传送接收传输层传送(chun sn)的数据（的数据（Dword），

5、计算数据的），计算数据的CRC校验值，给数据加上帧头、帧尾和校验值，给数据加上帧头、帧尾和CRC校验信息；校验信息；接收对方链路层的数据信息，进行接收对方链路层的数据信息，进行CRC校验，移除数据中的帧头、校验，移除数据中的帧头、帧尾和帧尾和CRC校验信息；校验信息；帧流量控制；帧流量控制；向传输层报告传输状态；向传输层报告传输状态；8b/10b编解码；编解码；对数据加扰、解扰；对数据加扰、解扰；qSATA PSATA Protocolrotocol第8页/共41页第九页，共41页。链路层数据结构链路层数据结构(sh j ji u)qSATA PSATA Protocolrotocol第9页/

6、共41页第十页，共41页。链路层原语链路层原语 ALIGNp物理层依靠物理层依靠ALIGN原语进行数据对齐，成对发送原语进行数据对齐，成对发送CONTp避免连续发送长串重复原语DMATp用于通知发送方提前终止DMA数据发送EOFp表示数据帧的结束HOLDp发送方发送HOLD表示数据未准备好，接收方发送HOLD表示接受FIFO将满HOLDAp用于响应HOLD原语PMACKp用于响应PMREQ_Pp和PMREQ_Sp，接收方收到这个原语之后进入电源管理状态PMNAKp拒绝电源管理模式原语PMREQ_Pp请求进入Parity模式PMREQ_Sp请求进入Slumber模式R_ERRp接收错误R_IPp

7、表示正常接收数据R_OKp接收数据正确R_RDYp用于回应X_RDY原语，表示接收端准备就绪SOFp表示数据帧的开始SYNCp同步原语WTRMp数据帧发送完成之后，发送方发送这个原语，等待接收方回应接收状态X_RDYp发送数据就绪qSATA PSATA Protocolrotocol第10页/共41页第十一页，共41页。DMAT原语原语功能：通知发送方停止数据传送。功能：通知发送方停止数据传送。主机主机(zhj)到设备的数据传输，主机到设备的数据传输，主机(zhj)收到收到DMAT原语之原语之后，会停止数据发送，开始发送后，会停止数据发送，开始发送CRC和和EOF原语，关闭原语，关闭DMA，保

8、存当前，保存当前DMA的状态。设备之后可以发送的状态。设备之后可以发送DMA Active FIS重新激活主机重新激活主机(zhj)DMA，继续数据传送。，继续数据传送。设备到主机设备到主机(zhj)的数据传输，设备收到的数据传输，设备收到DMAT原语之后，设原语之后，设备会永久终止本次数据传输。备会永久终止本次数据传输。qSATA PSATA Protocolrotocol第11页/共41页第十二页，共41页。CONT原语原语 功能：避免发送长串重复原语，减少电磁干扰。功能：避免发送长串重复原语，减少电磁干扰。接收方收到接收方收到CONT原语之后会认为当前发送方一直发送原语之后会认为当前发送

9、方一直发送CONT之前的最后一之前的最后一个原语，直到收到另外个原语，直到收到另外(ln wi)一个原语。一个原语。设备和主机必须支持接收和处理设备和主机必须支持接收和处理CONT原语的功能，可以选择是否支持发送原语的功能，可以选择是否支持发送CONT原语的功能。原语的功能。CONT原语之后的数据要加扰。原语之后的数据要加扰。qSATA PSATA Protocolrotocol第12页/共41页第十三页，共41页。流量流量(liling)控制控制接收方为了避免接收数据缓冲区溢出，使用接收方为了避免接收数据缓冲区溢出，使用HOLD原语进行流原语进行流量控制。量控制。在接收数据缓冲区将要满的时候

10、，接收方会发送在接收数据缓冲区将要满的时候，接收方会发送(f sn)HOLD原语通知发送原语通知发送(f sn)方暂停数据发送方暂停数据发送(f sn)，由于，由于HOLD原语传到发送原语传到发送(f sn)方会有一定的延时，在延时期间发送方会有一定的延时，在延时期间发送(f sn)方会继续发送方会继续发送(f sn)数据，因此接收缓冲区必须有一定的容量数据，因此接收缓冲区必须有一定的容量来继续接收接下来来继续接收接下来HOLDA之前的数据。之前的数据。qSATA PSATA Protocolrotocol第13页/共41页第十四页，共41页。链路层状态链路层状态(zhungti)链路层状态机

11、是链路层的控制模块，是链路层的核心，主要包括以链路层状态机是链路层的控制模块，是链路层的核心，主要包括以下四个部分：下四个部分：空闲状态机空闲状态机发送发送(f sn)状态机状态机接收状态机接收状态机电源管理状态机电源管理状态机qSATA PSATA Protocolrotocol第14页/共41页第十五页，共41页。空闲状态机主要完成复位操作和建立空闲状态机主要完成复位操作和建立(jinl)连接，主要包括连接，主要包括以下以下6个状态：个状态：L_IDLEL_SyncEscapeL_NoCommErrL_NoCommL_SendAlignL_RESET空闲空闲(kngxin)状态机状态机qS

12、ATA PSATA Protocolrotocol第15页/共41页第十六页，共41页。L_IDLE符合以下条件保持空闲符合以下条件保持空闲(kngxin)状态：状态： 物理层连接正常；物理层连接正常； 传输层没有传送数据请求；传输层没有传送数据请求； 没有接收到没有接收到X_RDY、PMREQ_P和和PMREQ_S原语；原语；当收到传输层的数据传输请求，链路层进入数据传输状态当收到传输层的数据传输请求，链路层进入数据传输状态(zhungti)。当接收到当接收到X_RDY原语，链路层进入数据接收状态原语，链路层进入数据接收状态(zhungti)。当收到传输层进入电源管理模式的请求或者收到当收到

13、传输层进入电源管理模式的请求或者收到PMREQ_P或或PMREQ_S原语，链路层进入电源管理状态原语，链路层进入电源管理状态(zhungti)。当物理层失去连接，进入当物理层失去连接，进入L_NoCommErr状态状态(zhungti)。qSATA PSATA Protocolrotocol第16页/共41页第十七页，共41页。L_NoCommErr、L_NoComm和和L_SendAlign状态状态(zhungti)当检测到物理层失去连接当检测到物理层失去连接(linji)进入进入L_NoCommErr状态，然后状态，然后进入进入L_NoComm状态，需要向传输层报告物理层失去连接状态，需要

14、向传输层报告物理层失去连接(linji)的状态。的状态。直到检测到物理层连接直到检测到物理层连接(linji)正常之后，链路层进入正常之后，链路层进入L_SendAlign状态，否则保持状态，否则保持L_NoComm状态。状态。在在SendAlign状态，链路层发送状态，链路层发送ALIGN原语，之后如果物理层报告原语，之后如果物理层报告连接连接(linji)正常，进入正常，进入L_IDLE状态，否则进入状态，否则进入L_NoComm状态。状态。qSATA PSATA Protocolrotocol第17页/共41页第十八页，共41页。发送发送(f sn)状态机状态机主要响应主要响应 传输层发

15、送请求传输层发送请求(qngqi)，启动数据发送，通过各类原语的发送和，启动数据发送，通过各类原语的发送和接收实现与主机之间的传输通道的建立和流量控制。接收实现与主机之间的传输通道的建立和流量控制。qSATA PSATA Protocolrotocol第18页/共41页第十九页，共41页。L_SendData状态状态(zhungti)传输数据状态表示正在发送数据。传输数据状态表示正在发送数据。如果更多的数据需要继续发送但是传输层还未准备好，链路层进入如果更多的数据需要继续发送但是传输层还未准备好，链路层进入SendHold状态。状态。如果更多的数据需要发送但是接收端收到了如果更多的数据需要发送

16、但是接收端收到了HOLD原语，发送方链路层进入原语，发送方链路层进入RecvHOLD状态（状态（SendHOLDA）。）。如果数据发送完毕如果数据发送完毕(wnb)或者接收到或者接收到DMAT原语，链路层进入原语，链路层进入SendCRC状态发送状态发送CRC。如果收到如果收到SYNC原语，表示接收方传输层想要取消这次数据传输，发送方链路层进入原语，表示接收方传输层想要取消这次数据传输，发送方链路层进入IDLE状态。状态。如果发送方传输层想要取消本次数据传输，链路层进入如果发送方传输层想要取消本次数据传输，链路层进入SyncEscape状态。状态。如果检测到物理层失去连接，链路层进入如果检测到

17、物理层失去连接，链路层进入NoCommErr状态。状态。qSATA PSATA Protocolrotocol第19页/共41页第二十页，共41页。接收接收(jishu)状态机状态机接收数据的时候，接收状态机控制原语的接收和响应，建立数据传输接收数据的时候，接收状态机控制原语的接收和响应，建立数据传输通道，接收数据并校验其正确性，向发送方返回通道，接收数据并校验其正确性，向发送方返回(fnhu)接收状态。接收状态。qSATA PSATA Protocolrotocol第20页/共41页第二十一页，共41页。L_SyncEscape当链路层在数据发送当链路层在数据发送(f sn)或者数据接收状态

18、的时候，如果传或者数据接收状态的时候，如果传输层需要取消当前数据接收或发送输层需要取消当前数据接收或发送(f sn)，链路层会进入，链路层会进入L_SyncEscape状态。状态。当前状态链路层发送当前状态链路层发送(f sn)SYNC原语。原语。当前状态接收到当前状态接收到SYNC原语或者原语或者X_RDY原语之后跳到原语之后跳到L_IDLE。当前状态如果物理层失去连接，进入当前状态如果物理层失去连接，进入L_NoCommErr状态。状态。qSATA PSATA Protocolrotocol第21页/共41页第二十二页，共41页。L_RcvData状态状态(zhungti)接收数据状态，正

19、常回应接收数据状态，正常回应R_IP。如果如果FIFO空间不足，进入空间不足，进入Hold状态，发送状态，发送HOLD原语告知发送方暂停发送数据。原语告知发送方暂停发送数据。如果收到如果收到HOLD原语，表示发送方暂停发送数据，链路层接收状态机进入原语，表示发送方暂停发送数据，链路层接收状态机进入RecvHold状态。状态。如果收到如果收到EOP原语，表示数据传输完毕，进入原语，表示数据传输完毕，进入RecvEOF状态。状态。如果收到如果收到WTRM原语（未收到帧结束原语），表示数据传输错误，进入原语（未收到帧结束原语），表示数据传输错误，进入BadEnd状态。状态。如果收到如果收到SYNC原

20、语，表示发送方传输层要取消本次原语，表示发送方传输层要取消本次(bn c)数据传输，进入数据传输，进入IDLE状状态。态。如果物理层失去连接，进入如果物理层失去连接，进入NoCommErr状态。状态。如果接收方传输层想要取消本次如果接收方传输层想要取消本次(bn c)数据传输，进入数据传输，进入SyncEscape状态，之后会状态，之后会向发送方发送向发送方发送SYNC原语。原语。qSATA PSATA Protocolrotocol第22页/共41页第二十三页，共41页。第三(d sn)部分 传输层qSATA PSATA Protocolrotocol第23页/共41页第二十四页，共41页。

21、传输层传输层传输层在链路层和应用层之间，负责传输层在链路层和应用层之间，负责(fz)组帧和解帧，主机和设备通过传输层帧的组帧和解帧，主机和设备通过传输层帧的交互来完成命令交互和数据传递。交互来完成命令交互和数据传递。发送发送FIS时，传输层完成以下功能：时，传输层完成以下功能：根据应用层的请求组建帧；根据应用层的请求组建帧；通知链路层需要发送数据帧，并把数据帧内容传给链路层；通知链路层需要发送数据帧，并把数据帧内容传给链路层；管理数据缓存区，给链路层发送流量控制信息；管理数据缓存区，给链路层发送流量控制信息；向应用层报告传输状态；向应用层报告传输状态；接收接收FIS时，传输层完成以下功能：时，

22、传输层完成以下功能：从链路层接收从链路层接收FIS内容内容(nirng)；根据根据FIS类型，把类型，把FIS内容内容(nirng)放到合适的位置；放到合适的位置；向应用层报告接收状态；向应用层报告接收状态；qSATA PSATA Protocolrotocol第24页/共41页第二十五页，共41页。传输层传输层FIS是以是以Dword为基本单元，用来在主机和设备之间传递信息的一种帧结为基本单元，用来在主机和设备之间传递信息的一种帧结构，构，SOF和和EOF原语分别作为原语分别作为FIS的开头的开头(ki tu)和结尾，传输过程中可能在和结尾，传输过程中可能在FIS中间中间插入插入HOLD原语

23、来进行流量控制。原语来进行流量控制。第第0个个Dword的第的第0字节字节(z ji)决定了决定了FIS类型。类型。qSATA PSATA Protocolrotocol第25页/共41页第二十六页，共41页。Set Device Bit FIS用于更新主机映射寄存器中错误寄存器和状态寄存器的内容用于更新主机映射寄存器中错误寄存器和状态寄存器的内容(nirng)。由设备应用层发起传输该由设备应用层发起传输该FIS的请求。的请求。DMA Activate FIS用于同意主机向设备以用于同意主机向设备以DMA方式发送数据方式发送数据(shj)。当设备向主机发送该数据当设备向主机发送该数据(shj)

24、帧的时候，设备应该准备好接收后续的帧的时候，设备应该准备好接收后续的Data FIS。当主机收到该帧，如果主机当主机收到该帧，如果主机DMA控制器已经配置好，主机应该开始发送控制器已经配置好，主机应该开始发送Data FIS。如果主机。如果主机DMA控制器未配置好，主机应该配置控制器未配置好，主机应该配置DMA控制器，配置好之后激活控制器，配置好之后激活DMA控控制器开始数据制器开始数据(shj)帧的发送。帧的发送。qSATA PSATA Protocolrotocol第26页/共41页第二十七页，共41页。Register FISHost to Device：用来传输主机映射寄存器的内容到设

25、备，用来传输主机映射寄存器的内容到设备，ATA命令集就是命令集就是(jish)用这个用这个FIS发往设备的。当设备收到一个有效的发往设备的。当设备收到一个有效的Register FIS之后，设备更新它的命令寄存器和控制寄存器中的内容，然后检查之后，设备更新它的命令寄存器和控制寄存器中的内容，然后检查FIS中的中的C位，如果是位，如果是1，则执行命令寄存器中的命令，如果是，则执行命令寄存器中的命令，如果是0，则执行控制寄存器中的控制请求。，则执行控制寄存器中的控制请求。Device to Host：用来更新主机映射寄存器的内容。当设备执行完一个命令，应该发送该帧向主机报告完成状态。用来更新主机映

26、射寄存器的内容。当设备执行完一个命令，应该发送该帧向主机报告完成状态。qSATA PSATA Protocolrotocol第27页/共41页第二十八页，共41页。DMA Setup FIS(Bidirectional)发送方发送该帧要求对方按照帧的内容配置好发送方发送该帧要求对方按照帧的内容配置好DMA控制器，发送此控制器，发送此帧是进行帧是进行DMA传输的第一步。该帧中包含了传输的第一步。该帧中包含了DMA操作地址、操作地址、DMA传输数量和传输数量和传输方向等信息。一般接收方收到该帧之后需要发送传输方向等信息。一般接收方收到该帧之后需要发送DMA Activate FIS来激活来激活DM

27、A传输（如果传输（如果DMA Setup FIS帧中的帧中的Auto-Activate位被置一，则接收方不位被置一，则接收方不需要回复需要回复DMA Activate FIS）。）。由应用层发出由应用层发出(fch)该帧的传输请求。该帧的传输请求。PIO Setup Device to Host该帧由设备发送给主机告诉主机相关该帧由设备发送给主机告诉主机相关PIO操作信息（比如接下来的数据传输方向、传操作信息（比如接下来的数据传输方向、传输数量），还包括输数量），还包括(boku)了在了在PIO传输前和传输后映射寄存器的状态信息。传输前和传输后映射寄存器的状态信息。qSATA PSATA Pr

28、otocolrotocol第28页/共41页第二十九页，共41页。Data FIS(Bidirectional)该帧用来该帧用来(yn li)传输数据，数据长度是不定的，数据净荷的长度最多传输数据，数据长度是不定的，数据净荷的长度最多2048个个Dwords。在发送数据帧之前都需要用在发送数据帧之前都需要用PIO Setup FIS或或DMA Setup FIS等帧建立操作参数。等帧建立操作参数。qSATA PSATA Protocolrotocol第29页/共41页第三十页，共41页。设备设备(shbi)传输层状态机传输层状态机qSATA PSATA Protocolrotocol第30页/

29、共41页第三十一页，共41页。设备设备(shbi)传输层状态机传输层状态机qSATA PSATA Protocolrotocol第31页/共41页第三十二页，共41页。第四部分(b fen) 命令层qSATA PSATA Protocolrotocol第32页/共41页第三十三页，共41页。设备设备(shbi)命令层命令层设备命令层主要完成对收到的设备命令层主要完成对收到的ATA/ATAPI命令的解析（命令的解析（Register FIS），），并做出相应的回应并做出相应的回应(hu yn)。主要以下几类命令：主要以下几类命令：NON_Data命令命令PIO命令命令DMA命令命令NCQ命令命令

30、这几类命令中，每一类命令都有多种命令构成。这几类命令中，每一类命令都有多种命令构成。qSATA PSATA Protocolrotocol第33页/共41页第三十四页，共41页。NON_Data命令命令(mng lng)主机主机(zhj)端通过端通过NON_Data命令命令来查询设备的状态，或者做功能的来查询设备的状态，或者做功能的设置。设备应用层软件会解析并执设置。设备应用层软件会解析并执行该命令，执行结果通过设备发往行该命令，执行结果通过设备发往主机主机(zhj)端的寄存器端的寄存器FIS发给主机发给主机(zhj)。qSATA PSATA Protocolrotocol第34页/共41页第

31、三十五页，共41页。PIO IN命令命令(mng lng)主机端通过主机端通过(tnggu)Register Host to Device FIS发送命令到设备端，设备发送命令到设备端，设备端应用层收到该命令之后，准备好数端应用层收到该命令之后，准备好数据，然后控制传输层发送据，然后控制传输层发送PIO SetupFIS来通知主机准备接收数据，之后发来通知主机准备接收数据，之后发送送Data FIS，Data FIS长度如果超过长度如果超过2048个个Dwords，需要分开发送，每个，需要分开发送，每个Data FIS之前都要发送一个之前都要发送一个PIO SetupFIS。如果传输过程中出现错误，设如果传输过程中出现错误，设备要向主机发送备要向主机发送Re