上一篇文章中，分析了SATA協(xié)議的主體部分，由4個(gè)層構(gòu)成，物理層、鏈路層、傳輸層和應(yīng)用層，數(shù)據(jù)在傳輸過程中依次經(jīng)過這4個(gè)層，完成由電信號(hào)到邏輯數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。那么具體到每一個(gè)層，數(shù)據(jù)是怎樣處理的呢?下面就各層實(shí)現(xiàn)的技術(shù)細(xì)節(jié)做詳細(xì)的介紹。
首先來看物理層，SATA 協(xié)議規(guī)定物理層能夠向上層鏈路層傳輸并行數(shù)據(jù)流，以及接收高速(1.5Gb/s、3Gb/s、6Gb/s)的串行數(shù)據(jù)流，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換，通過帶外信號(hào)的收發(fā)檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)接口的熱插拔功能。SATA 物理層的主要任務(wù)是完成串并數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，并將數(shù)字邏輯信號(hào)驅(qū)動(dòng)為差分物理信號(hào)，對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣得到相應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)，通過帶外信號(hào)完成設(shè)備的上電初始化進(jìn)程，物理層接口邏輯圖如圖1所示：
圖1 SATA物理層接口邏輯
控制模塊通過邏輯電路控制整個(gè)物理層的功能實(shí)現(xiàn)，它負(fù)責(zé)處理接收來自鏈路層的控制信號(hào)，并向鏈路層反饋本層的工作信息。模擬前端提供數(shù)據(jù)連接線的基本接口，它包含高速串行差分驅(qū)動(dòng)器和接收器，以及 OOB 信號(hào)處理電路。數(shù)據(jù)提取模塊負(fù)責(zé)從輸入的數(shù)據(jù)流中提取時(shí)鐘信息和數(shù)據(jù)。同步字符檢測(cè)和同步字符源兩個(gè)模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)串行/并行的同步轉(zhuǎn)換。并串轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)將從鏈路層接收到的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，以適應(yīng)物理接口的串行數(shù)據(jù)傳輸。串并轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)將接收的物理接口轉(zhuǎn)發(fā)的主機(jī)串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，以適應(yīng)鏈路層的并行數(shù)據(jù)傳輸。邏輯功能描述見下表
表1 SATA物理層接口邏輯功能描述：
當(dāng)SATA物理層接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，串行數(shù)據(jù)傳輸鏈路中沒有提供必要的時(shí)鐘信號(hào)，物理層數(shù)據(jù)接收模塊在進(jìn)行接收數(shù)據(jù)高低電平的檢測(cè)時(shí)沒有可參考的時(shí)鐘信號(hào)。為解決此問題，SATA 協(xié)議規(guī)定數(shù)據(jù)傳輸使用 8b/10b編碼機(jī)制，利用數(shù)據(jù)冗余信息向物理層接收器提供數(shù)據(jù)檢測(cè)時(shí)鐘信號(hào)。另外，為了增強(qiáng) SATA 接口設(shè)備的擴(kuò)展能力以及響應(yīng)能力，協(xié)議還定義了特殊信號(hào)：帶外信號(hào)(Out Of Band)以協(xié)助物理層進(jìn)行上電初始化和復(fù)位操作。
由于在 SATA 標(biāo)準(zhǔn)接口建立通信鏈路之前，鏈路兩端不知道對(duì)方的通信模式和速率，因此無法正確獲取信號(hào)線路上的傳輸信息，導(dǎo)致無法正常通信。所以需要一種特殊機(jī)制來保證通信雙方建立可靠的連接。SATA 2.0 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議采用的是OOB 信號(hào)機(jī)制。OOB 信號(hào)只用于物理層初始化時(shí)建立通信鏈路、系統(tǒng)重啟和電源管理，在正常通信期間不起任何作用，所以相對(duì)于正常的數(shù)據(jù)流，它只是一種帶外信號(hào)，即為 OOB(Out of Band)信號(hào)。差分信號(hào)傳輸是利用相互耦合的一對(duì)信號(hào)線的信號(hào)強(qiáng)度差來代表邏輯“0”或“1”。以 SATA 標(biāo)準(zhǔn)接口為例，發(fā)送端 TX(+)為250m V、TX(-)為 0m V 時(shí)，TX代表邏輯“1”;反之則代表邏輯“0”。當(dāng)TX(+)、TX(-)維持不變，都為250m V 時(shí)，代表總線空閑狀態(tài)。而OOB 信號(hào)正好就是在總線空閑時(shí)發(fā)起的一種數(shù)據(jù)短脈沖序列傳輸方式，該數(shù)據(jù)短脈沖序列的峰峰值一般在50m V 以內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的幅值。SATA 2.0 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議總共定義了三種 OOB 信號(hào)：COMRESET、COMINIT和COMWAKE。它們均由有固定時(shí)間要求的一組數(shù)據(jù)短脈沖序列和一段空閑時(shí)間組成，并通過空閑時(shí)間長(zhǎng)度的不同加以區(qū)分。
(1)COMRESET
COMRESET僅由SATA主機(jī)端發(fā)送，用于上電復(fù)位和錯(cuò)誤狀態(tài)下的強(qiáng)制重啟。COMRESET由160個(gè)UIOOB的短脈沖(106.7ns)和480 個(gè) UIOOB的空閑狀態(tài)(320ns)組成，如圖 2所示。UIOOB是 OOB 信號(hào)的時(shí)間單位，160個(gè) UIOOB相當(dāng)于傳輸 4個(gè) DWs所占用的時(shí)間。短脈沖可以是 4個(gè)GEN1 ALIGNP原語或者是4個(gè)GEN1的DWs(每個(gè)DW由 4個(gè)D24.3 字符組成)。
(2)COMINIT
COMINIT 僅由SATA設(shè)備端發(fā)送，用于響應(yīng)主機(jī)端的COMRESET 信號(hào)，表示設(shè)備已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。COMINIT的信號(hào)格式與COMRESET完全相同，如圖 2 所示。
圖2 COMRESET和COMINIT信號(hào)格式
(3)COMWAKE
COMWAKE可由SATA主機(jī)端發(fā)送，也可由SATA設(shè)備端發(fā)送，用于喚醒對(duì)方。COMWAKE由160個(gè)UIOOB的短脈沖(106.7ns)和 160 個(gè) UIOOB的空閑狀態(tài)(106.7ns)組成，如圖3所示。
圖3 COMWAKE信號(hào)格式
SATA接口物理層在接通電源并硬件復(fù)位成功后，主機(jī)端通過使用OOB信號(hào)來啟動(dòng)上電后的復(fù)位序列。接口通信雙方在經(jīng)過阻抗校準(zhǔn)，自我診斷等一系列自我狀態(tài)的調(diào)整后，主機(jī)端通知SATA接口設(shè)備端準(zhǔn)備就緒，并在進(jìn)行速度協(xié)商及時(shí)鐘恢復(fù)后在兩端建立起可靠的高效通信鏈路，初始化時(shí)序如下：
圖4 物理層初始化時(shí)序
物理層初始化過程可以分為兩個(gè)步驟：1、檢測(cè)連接設(shè)備是否存在;2、協(xié)商雙方端口支持的最高傳輸速率。第一個(gè)步驟通過OOB 信號(hào)交互完成。雙方端口發(fā)送固定格式的信號(hào)，然后等待對(duì)方響應(yīng)。如果檢測(cè)到響應(yīng)，說明設(shè)備已存在，可以進(jìn)行第二個(gè)步驟。雙方端口發(fā)送固定格式的穩(wěn)定數(shù)據(jù)流，SATA 設(shè)備端通過不斷降速協(xié)商雙方支持的最高傳輸速率，并從數(shù)據(jù)流中提取出時(shí)鐘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。此時(shí)，雙方端口就可以進(jìn)行正常通信了。具體流程為：
圖5 初始化流程
硬件上電后，Host端開始復(fù)位，并在復(fù)位期間不斷向Device端發(fā)送COMRESET信號(hào)。Host端復(fù)位完成后，停止向Device端發(fā)送COMRESET信號(hào)，并等待Device端的響應(yīng)。
Device端接收到COMRESET信號(hào)后進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位完成后通過發(fā)送COMINIT信號(hào)響應(yīng)Host端，表明Device端已就緒，可以進(jìn)入下一階段。
如果Device端在 Host端停止發(fā)送COMRESET信號(hào)之前沒有成功接收到該信號(hào)，則無法發(fā)送COMINIT 響應(yīng)信號(hào)，Host等待10ms 后作超時(shí)處理，需要重新復(fù)位;如果在Device就緒之后，發(fā)送 COMINIT 響應(yīng)信號(hào)之前，Host仍處于復(fù)位狀態(tài)，那么Device將再次進(jìn)入復(fù)位并發(fā)送COMINIT響應(yīng)信號(hào)，直到Host復(fù)位完成。
當(dāng)Host端檢測(cè)到Device端的COMINIT響應(yīng)信號(hào)后，進(jìn)入阻抗校準(zhǔn)狀態(tài)。Host端針對(duì)當(dāng)前信號(hào)傳輸環(huán)境，以傳輸電纜作為參考，采用 TDR 測(cè)試方案進(jìn)行自我診斷并對(duì)高速差分信號(hào)收發(fā)器做一些適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，從而達(dá)到最好的信號(hào)質(zhì)量。高速差分信號(hào)收發(fā)器的調(diào)整主要是對(duì)其內(nèi)部的阻抗進(jìn)行匹配，減少信號(hào)損耗，保證信號(hào)的完整性。需要注意的是，阻抗校準(zhǔn)不是物理層初始化過程所必需的，視情況而選擇。
阻抗校準(zhǔn)完成后，Host端發(fā)送 COMWAKE信號(hào)給Device端并等待響應(yīng)。此時(shí)Device端接收到 COMWAKE信號(hào)后，進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)，并同樣可以進(jìn)行阻抗校準(zhǔn)并以COMWAKE信號(hào)通知Host端可以進(jìn)入速率協(xié)商階段。
在速率協(xié)商階段Device端主導(dǎo)該流程，Host端只是作為響應(yīng)。當(dāng)Device端向Host端發(fā)送COMWAKE信號(hào)后，緊接著以它所能支持的最大速率連續(xù)向Host端發(fā)送ALIGNP序列。如果Device端在54.6us之后仍未檢測(cè)到Host端回復(fù)的ALIGNP序列，那么Device端判定Host端不支持該傳輸速率，Device端自動(dòng)將速率降至下一級(jí)并重復(fù)以上過程，如果Device端速率已降至最低而Host端仍然沒有響應(yīng)，則進(jìn)入錯(cuò)誤狀態(tài)。
Host端在接收到Device端發(fā)來的COMWAKE信號(hào)后，以最低的速率發(fā)送 D10.2字符。同時(shí)，Host端要在54.6us內(nèi)鎖定ALIGNP序列，一旦鎖定ALIGNP序列，它將以相同的速率回復(fù)ALIGNP序列表示支持該傳輸速率。如果Host端在880us內(nèi)沒有接收到 ALIGNP信號(hào)，則會(huì)重新啟動(dòng)上電初始化操作，并一直重復(fù)下去，直到應(yīng)用層將其強(qiáng)行終止。
Device端鎖定ALIGNP序列并在準(zhǔn)備就緒后發(fā)送SYNCP序列表示可以開始正常通信了。當(dāng)主機(jī)端接收到 3個(gè)非ALIGNP序列后，通信鏈路建立成功，物理層初始化過程結(jié)束，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。
總的來看，物理層的初始化，包括復(fù)位階段、可選的阻抗匹配階段和速率校準(zhǔn)階段等，這三個(gè)階段都需要執(zhí)行OOB信號(hào)的指令，由Host主機(jī)端和Device設(shè)備端交互完成。
SATA協(xié)議的物理層，基本上分析完了，看上去要比PATA協(xié)議復(fù)雜不少，由于要實(shí)現(xiàn)高速串行傳輸，這些功能都是必不可少的。下一篇文章中，將繼續(xù)介紹SATA協(xié)議的其他層的技術(shù)原理和細(xì)節(jié)，敬請(qǐng)關(guān)注。
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