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)議的實現(xiàn)，成功實現(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，硬盤容量變得越來越大，接口傳輸速率越來越快。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)無法使用。當(dāng)PATA 總線的速率達到133 MHz 的時候，并行傳輸技術(shù)已無法抑制串?dāng)_帶來的誤碼，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)致的傳輸誤碼問題。與PATA 接口相比，SATA 接口優(yōu)勢明顯，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。

　　2001 年， Intel、DELL、Seagate 等幾大廠商組成了SerialATA 委員會，提出了第一代SATA 標(biāo)準(zhǔn)，以取代PATA。SATAⅠ的傳輸速率可達150 MBps，直接超越了當(dāng)時傳輸速率最快的PATA。2005 年，SerialATA 委員會對SATAⅠ進行了改進，形成了第二代SATA 標(biāo)準(zhǔn)，SATAⅡ的傳輸速率為SATAⅠ的兩倍，達到了300MBps。隨后SSD 技術(shù)的飛速發(fā)展推動了串行傳輸技術(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，達到了600 MBps，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達到串行傳輸技術(shù)的極限。隨著硬盤及計算機技術(shù)的發(fā)展，SATA 標(biāo)準(zhǔn)還將得以延續(xù)［1］。

　　1 SATAⅢ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。

　　物理層實現(xiàn)高速串行信號的發(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SATA 協(xié)議的核心，負(fù)責(zé)把發(fā)送數(shù)據(jù)封裝成FIS（ Frame Information Structure） 幀格式，把接收到的FIS幀去除封裝。應(yīng)用層相當(dāng)于人機交互界面，完成對SATA 控制器的各種操作。

　　2 SATAⅢ控制器的設(shè)計實現(xiàn)

　　2． 1 物理層設(shè)計

　　根據(jù)SATAⅢ協(xié)議規(guī)范，物理層主要實現(xiàn)主機與設(shè)備的初始化和串行數(shù)據(jù)流的傳輸。本設(shè)計采用了Xilinx 公司Virtex5 系列的XC5VFX70T。該FPGA 具有16 個GTX，每個GTX 的傳輸速率可達6． 5 Gbps。Virtex5 系列下的所有具有RocketIO 的FPGA 均已完全支持SATA Ⅱ 協(xié)議，但雖然FX 系列FPGA 的RocketIO 傳輸速率能達到6 Gbps，可仍不支持SATAⅢ協(xié)議規(guī)范［2］。本設(shè)計中物理層的重點是： 設(shè)計SATAⅢ協(xié)議的OOB（ Out Of Band） 信號傳輸時序，以滿足協(xié)議規(guī)范中的要求，從而實現(xiàn)鏈路雙方的握手。3 個OOB 信號的時序圖如圖2 所示。

　　Gbps 的傳輸速率，可根據(jù)協(xié)議描述設(shè)計初始化狀態(tài)機，控制GTX Core 中與OOB 相關(guān)的信號，即可完成主機與設(shè)備的初始化。但是，當(dāng)RocketIO 的傳輸時鐘達到3 GHz 時（ 即雙沿6 Gbps 傳輸速率） ，圖2 中T1和T3將由106． 7 ns 縮短為53.3 ns，而T2

　　也將由為320ns 縮短為160 ns。這樣導(dǎo)致初始化數(shù)據(jù)段周期錯誤，無法完成主機與設(shè)備之間的初始化。

　　為了滿足規(guī)范中OOB 信號的時序要求，本文中重新設(shè)計OOB 產(chǎn)生信號，通過手動控制OOB 信號的產(chǎn)生，按周期連續(xù)產(chǎn)生不少于6 個周期的OOB 信號。這樣，雖然T1仍保持為53.3 ns，但T2和T3的時間間隔可以手動調(diào)節(jié)，本設(shè)計中將其分別擴展為373.3 ns 和160 ns，以保證空閑段周期的正確性，從而完成主機與設(shè)備的正常初始化。圖3 為chipscope 抓取的物理層初始化信號圖。

　　以上方法通過增加T2和T3的時長來保持OOB信號的周期恒定不變，以滿足SATAⅢ協(xié)議規(guī)范中的定義。考慮到OOB 信號的數(shù)據(jù)容差較大，本文也實驗了保持T3為106.7 ns、T2為320 ns、T1為53.3 ns 的情況，即縮短數(shù)據(jù)段周期、保持空閑時間的情況。在這種情況下，F(xiàn)PGA 無法完成SATA 協(xié)議的初始化，不能與硬盤建立通信連接。

　　2． 2 鏈路層設(shè)計

　　物理層在初始化完成后就準(zhǔn)備為主機發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。由于FPGA 的RocketIO 集成了8b/10b 編解碼器，所以鏈路層只需要根據(jù)傳輸層的控制信號完成數(shù)據(jù)的CRC 校驗和加/解擾碼，以及流量控制。流量控制由狀態(tài)機發(fā)送相關(guān)原語完成。鏈路層的狀態(tài)機比較復(fù)雜，難以用一個完整的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖來描述。根據(jù)鏈路層傳輸狀態(tài)，劃分為空閑狀態(tài)、發(fā)送狀態(tài)和接收狀態(tài)。詳細(xì)狀態(tài)轉(zhuǎn)換可參閱SATAⅢ協(xié)議規(guī)范。圖4 為鏈路層設(shè)計原理框圖。

　　鏈路層的CRC 校驗和擾碼器基于組合邏輯，可以保證從FIFO 中輸出的數(shù)據(jù)在一個時鐘周期內(nèi)運算完成，輸出到鏈路層狀態(tài)機。其仿真圖如圖5 和圖6 所示，圖中的時鐘僅僅是為了便于觀察數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換狀態(tài)，并無實際意義。

　　鏈路層將剔除除SOF 與EOF 外的任何其他原語，降低鏈路層的開銷，因為傳輸層還需要SOF 與EOF 來判斷FIS 的類型，而其他控制流量的原語至此已經(jīng)失去作用，不需要繼續(xù)保留。鏈路層仿真波形如圖7所示。

　　2． 3 傳輸層設(shè)計

　　傳輸層是整個SATA 傳輸協(xié)議的核心，其主要功能是為數(shù)據(jù)的接收解FIS 封裝和為數(shù)據(jù)的發(fā)送加FIS封裝。根據(jù)SATAⅢ規(guī)范，F(xiàn)IS 可分為寄存器類型、設(shè)置類型和數(shù)據(jù)類型。傳輸層根據(jù)應(yīng)用層命令，組成相應(yīng)類型的FIS，發(fā)送給鏈路層，或者根據(jù)從鏈路層接收到的FIS 解封裝，進行寄存器設(shè)置或是數(shù)據(jù)讀寫。傳輸層的狀態(tài)繁多，主要狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖8 所示。

　　圖8 是根據(jù)FIS 分類構(gòu)建的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。根據(jù)FIS 的定義，標(biāo)志FIS 類型的編碼存放于第0 個DWORD 的第0 個Byte。所以，傳輸層要根據(jù)SOF 原語來找到FIS 的第0 個DWORD，由此來判斷FIS 的類型，從而進行相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。傳輸層FIS 的解除封裝的仿真圖如圖9 所示。

　　傳輸層解除FIS 的封裝后，將SOF 與EOF 原語剔除，確保送到應(yīng)用層的數(shù)據(jù)為從硬盤讀出的數(shù)據(jù)，沒有額外的開銷。傳輸層發(fā)送時根據(jù)FIS 的定義，將數(shù)據(jù)組成FIS 格式，發(fā)送至鏈路層，再由鏈路層添加SOF、EOF、ALIGN 等幀邊界原語和流量控制原語等。

　　2． 4 關(guān)于應(yīng)用層

　　相當(dāng)于人機操作接口的應(yīng)用層并不適合在FPGA中完成，因為那樣會使FPGA 的邏輯設(shè)計變得相當(dāng)復(fù)雜。本設(shè)計中留出了應(yīng)用層接口，交由計算機來實現(xiàn)各種操作，通過應(yīng)用層接口實現(xiàn)對SATAⅢ控制器的操作。

　　3 結(jié)束語

　　串行傳輸技術(shù)的飛速發(fā)展使傳輸速率越來越快，SATAⅢ的出現(xiàn)使硬盤與計算機之間的通信速率不再是數(shù)據(jù)存儲與讀取的瓶頸。本文中所設(shè)計的SATAⅢ控制器已運用于多型工程化高速采集器中。采用目前速度最快的固態(tài)硬盤，單塊盤流盤速率能超越300MBps，為后續(xù)構(gòu)建基于RAID 陣列的超高速采集系統(tǒng)提供了必要的保障。