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上一篇文章中，對SATA協(xié)議的物理層做了簡要的分析，物理層是SATA的基礎(chǔ)，是處理串行傳輸信號的最前端，物理層之后就是鏈路層，下面對鏈路層做簡要的分析和描述。

數(shù)據(jù)鏈路層位于物理層和傳輸層之間，其根本任務(wù)是信道編碼，維持鏈路的通暢。與物理層類似，數(shù)據(jù)鏈路層也分為發(fā)送和接收兩部分，由數(shù)據(jù)鏈路層控制狀態(tài)機模塊進行協(xié)調(diào)與控制。數(shù)據(jù)鏈路層只負(fù)責(zé)按協(xié)議規(guī)定的格式接收和發(fā)送幀信息，不需要關(guān)注幀信息的具體內(nèi)容。數(shù)據(jù)鏈路層根據(jù)傳輸層的控制信號發(fā)送原語和接收物理層的原語并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制信號報告給傳輸層以完成握手、流量控制等信息交互，通過采用CRC校驗、數(shù)據(jù)加/解擾、8B/10B 編碼等機制提供數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

SATA協(xié)議規(guī)定鏈路層的主要功能是負(fù)責(zé)把傳輸層傳遞的信息幀進行編碼，校驗，擾碼，封裝幀邊界，對物理層傳遞的信息幀進行解碼，校驗，擾碼，解析出幀的有效數(shù)據(jù)。鏈路層主要通過控制原語的傳遞來控制信息幀的整個傳輸過程，保證該傳輸過程的有效性并進行相應(yīng)的流量控制。

數(shù)據(jù)鏈路層結(jié)構(gòu)框圖如圖1：

圖1 數(shù)據(jù)鏈路層結(jié)構(gòu)圖

鏈路層的CRC生成和校驗?zāi)K、加擾和解擾模塊、8b/10b編碼和解碼模塊用于對傳輸數(shù)據(jù)的處理，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?；原語生成和探測模塊用于產(chǎn)生發(fā)送原語和檢測接收原語；FIFO模塊用于緩存輸入輸出的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)的收發(fā)過程為：

當(dāng)收到傳輸層發(fā)來的幀傳輸請求后，數(shù)據(jù)鏈路層完成的操作如下：

1、與對方數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)商，避免發(fā)生幀傳輸沖突；若出現(xiàn)沖突，設(shè)備端優(yōu)先傳輸；

2、從傳輸層接收有效數(shù)據(jù)并進行封裝（添加SOFP、CRC、EOFP等）；

3、計算有效數(shù)據(jù)的CRC校驗值；

4、發(fā)送幀信息給物理層，根據(jù)己方FIFO和對方數(shù)據(jù)鏈路層狀態(tài)進行流量控制；

5、接收對方數(shù)據(jù)鏈路層的反饋信息，向傳輸層報告當(dāng)前傳輸狀態(tài)；

6、對數(shù)據(jù)進行加擾、8B/10B 編碼操作。

當(dāng)接收物理層傳回數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)鏈路層完成的操作如下：

1、通知對方數(shù)據(jù)鏈路層已經(jīng)準(zhǔn)備好接收幀信息；

2、從物理層接收已經(jīng)過編碼處理的數(shù)據(jù)；

3、10B/8B 解碼并去除封裝（SOFP、CRC、EOFP等）；

4、對接收到的數(shù)據(jù)進行CRC 校驗；

5、根據(jù)己方FIFO和對方數(shù)據(jù)鏈路層狀態(tài)進行流量控制；

6、對比接收到的和計算所得的CRC校驗值；

7、向?qū)Ψ降臄?shù)據(jù)鏈路層和己方傳輸層報告當(dāng)前傳輸狀態(tài)；

8、對數(shù)據(jù)進行解擾。

鏈路層在傳輸層指令控制下選擇要發(fā)送的原語或數(shù)據(jù)幀，每次處理一個DWORD 數(shù)據(jù)，如果所處理的DWORD 數(shù)據(jù)是幀封裝頭SOF（Start Of Frame）和幀封裝尾EOF（End Of Frame）中間的數(shù)據(jù)，對于從傳輸層接收到的數(shù)據(jù)幀，鏈路層首先進行CRC 計算，得到CRC生成碼，CRC生成碼作為幀內(nèi)容的最后一個DWORD，將數(shù)據(jù)幀送入擾碼模塊對數(shù)據(jù)加擾，發(fā)送EOF原語作為數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束標(biāo)志，最后經(jīng)過8b/10b 編碼，將數(shù)據(jù)變成適合物理層傳輸?shù)拇a型并傳送至物理層。在傳輸?shù)倪^程中，鏈路層通過在數(shù)據(jù)包上插入原語來進行流量控制，完成數(shù)據(jù)傳輸后，鏈路層等待物理層的應(yīng)答，并把流量控制信息傳遞至傳輸層。

對于從物理層接收的數(shù)據(jù)，鏈路層首先進行8b/10b解碼，然后將數(shù)據(jù)送入解擾器，同時探測原語，判斷原語信息，將解擾后的數(shù)據(jù)進行CRC校驗，檢測當(dāng)前接收到的數(shù)據(jù)CRC與計算CRC 是否一致，若正確，則將數(shù)據(jù)發(fā)送到傳輸層，若不正確，則通過錯誤機制上報傳輸層和數(shù)據(jù)發(fā)送方。

8B/10B編碼：為了增強數(shù)據(jù)傳輸過程中差分信號的抗干擾能力，SATA規(guī)范采用了 8b/10b編碼機制。采用8b/10b 編碼機制主要是保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院涂垢蓴_性。采用8b/10b 編碼機制，能使發(fā)送的“0”、“1”頻率保持基本一致，并且連續(xù)的“1”或“0”不超過 5 位，即每 5 個連續(xù)的“1”或“0”后必須插入一位“0”或“1”，從而保證信號 DC 平衡。因為在高速的串行數(shù)據(jù)傳輸中，如果比特流中邏輯0或邏輯1

有連續(xù)多個數(shù)據(jù)信息位沒有發(fā)生狀態(tài)跳變時，數(shù)據(jù)信息之間的跳變信號將會受到影響減弱而出錯，而直流平衡技術(shù)則解決了這個問題。

8B/10B 編碼的基本思想是將一個8 位數(shù)據(jù)劃分為低5 位和高3 位兩部分，對低5位部分進行 5B/6B編碼，對高3位兩部分進行3B/4B 編碼，如此分為兩部分進行編碼使得硬件上能更有效地對更小的子塊進行編解碼。通過兩部分分別編碼，最終8位數(shù)據(jù)被編碼為 10 位數(shù)據(jù)，其原理如圖2所示。編碼后的10 位中所有“1”或“0”的個數(shù)不會超過 6個，并且連續(xù)的“1”或“0”的個數(shù)不會超過4個。解碼原理與編碼類似，只不過是逆過程而已。

圖2、8B/10B編碼原理圖

8b/10b的編碼過程是將一組需要連續(xù)發(fā)送的8位數(shù)據(jù)信息分解成兩組數(shù)據(jù)，一組3位，一組5位，然后經(jīng)過編碼后分別成為一組4 位的代碼和一組6位的代碼，最后組成一組10位的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。而

8b/10b解碼電路的基本原理就是將接收到的10位數(shù)據(jù)分為4 位和 6 位兩個部分，分別解碼而將其變成3位和5位，然后將新數(shù)據(jù)用于高速串行傳輸。其具體編碼過程如圖3所示，編碼數(shù)據(jù)一般都表示為 DX.Y 或 KX.Y，其中D表示為數(shù)據(jù)代碼，K表示為包含特殊信息的命令代碼，X 表示輸入的原始數(shù)據(jù)的低5位EDCBA，Y 表示輸入的原始數(shù)據(jù)的高3位HGF。SATA協(xié)議通過8b/10b編碼機制，能夠增加協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸中的控制手段來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_有效性，并且通過利用這些特殊信息的命令代碼，還可以幫助數(shù)據(jù)接收端進行還原的工作，并可以在早期發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)位的傳輸錯誤，抑制傳輸錯誤的繼續(xù)產(chǎn)生。

圖3 8b/10b 編碼過程

為了使編解碼過程利于描述和理解，8B/10B 編碼規(guī)范對所有二進制數(shù)進行了約定：用a~j表示編碼后10位數(shù)據(jù)的bit0~bit9；用A~H表示編碼前8 位數(shù)據(jù)的bit0~bit7并以Zxx.y 的形式命名。Z 作為控制位，當(dāng)傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)字符時，Z 為 D；當(dāng)傳輸?shù)氖强刂谱址麜r，Z為 K；xx 代表低 5位EDCBA 的十進制值，y 代表高3 位HGF 的十進制值。表1的示例有助于理解數(shù)字和字符之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。如表 1 中所示，當(dāng)需要對BCh控制字符進行轉(zhuǎn)換時，首先可以確定Z 為 K，然后用HGFEDCBA 表示“1011 1100”，那么HGF 為“101”，EDCBA 為“11100”，BCh控制字符就可以用“K28.5”來表示了；同理，4Ah 數(shù)據(jù)字符可以用“D10.2”表示。

表1 字符轉(zhuǎn)換關(guān)系表

8B/10B編碼過程可以分為兩個階段：

第一階段利用5B/6B編碼表，參考當(dāng)前“運行不均等性”值將低5 位編碼成 6 位。

第二階段利用3B/4B編碼表，參考經(jīng)過第一階段更新的“運行不均等性”值將剩下的高3位編碼成4位。

“運行不均等性”（Running Disparity）是一個用正值“+”或負(fù)值“-”表示的二進制參數(shù)，它會對下一次編碼結(jié)果產(chǎn)生影響。每完成一次編碼，編碼器都會根據(jù)之前編碼的值計算出一個新的“運行不均等性”值，然后參與下一次編碼的運算。編碼運算規(guī)則如下：

1、當(dāng)?shù)玫降?/span>6位/4位數(shù)據(jù)中，“1”的個數(shù)大于“0”或者“000111”、“0011”，那么“運行不均等性”值為“+”；

2、當(dāng)?shù)玫降?/span>6位/4位數(shù)據(jù)中，“1”的個數(shù)小于“0”或者“111000”、“1100”，那么“運行不均等性”值為“-”；

3、當(dāng)?shù)玫降?/span>6位/4位數(shù)據(jù)中，“1”的個數(shù)等于“0”（除了以上4種情況），那么“運行不均等性”值保持不變。

數(shù)據(jù)字符的5B/6B、3B/4B編碼表分別如表2、3 所示，控制字符的編碼表如表4所示。表中“rd+”、“rd-”代表上一次編碼完成后的“運行不均等性”值；“rd’”代表本次編碼完成后“運行不均等性”值，在“rd’”列中“-rd”代表“運行不均等性”值正負(fù)變化，而“rd”代表“運行不均等性”值不變化。

表2 數(shù)據(jù)字符5B/6B編碼表

表3 數(shù)據(jù)字符3B/4B編碼表

表4控制字符編碼表

CRC 校驗：添加 CRC校驗的主要目的是降低數(shù)據(jù)傳輸時通信線路受到外界電磁干擾而產(chǎn)生誤碼的概率，它是通信系統(tǒng)中常用的一種差錯校驗方式，在SATA協(xié)議中采用的是CRC32校驗方式。鏈路層計算的CRC值與從物理層發(fā)送的CRC值相比較，如果比較結(jié)果一致，則說明發(fā)送數(shù)據(jù)沒有出現(xiàn)錯誤；若比較結(jié)果不一致，則需要將錯誤信息反饋至應(yīng)用層，應(yīng)用層根據(jù)錯誤信息進行相應(yīng)處理。CRC校驗計算SOF和EOF之間的所有數(shù)據(jù)（不包括數(shù)據(jù)間插入的原語），以 DWORD（32位）為一個計算單位長度，如果校驗數(shù)據(jù)的長度不是32 位的整數(shù)倍，則在校驗數(shù)據(jù)后面補充相應(yīng)位數(shù)的“0”。SATA協(xié)議規(guī)定的CRC初始值為0x52325032，SOF和EOF之間的校驗數(shù)據(jù)長度最大為 2064個DWORDs。

SATA協(xié)議為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，采用了CRC數(shù)據(jù)校驗機制(Cyclic Redundancy Check)。循環(huán)冗余校驗CRC具有強大的檢錯能力，并在以太網(wǎng)鏈路層等多種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)校驗功能中得到應(yīng)用。它具有檢錯能力強，計算開銷小，易于編碼器實現(xiàn)等優(yōu)點。與奇偶校驗及算術(shù)和校驗等方式相比，雖然校驗算法較為復(fù)雜，但是其校驗性能和所需系統(tǒng)開銷都遠遠優(yōu)于兩者。SATA協(xié)議中的CRC主要對信息幀進行串行校驗計算，以信息幀起始原語（SOF）和結(jié)束原語（EOF）之間的所有有效數(shù)據(jù)位為計算對象。該校驗計算的一個基本校驗計算單位為32 位數(shù)據(jù)，當(dāng)一個信息幀的容量沒有達到DWORD的整數(shù)倍時，所缺數(shù)據(jù)位在信息幀后面補充0即可。循環(huán)冗余碼CRC機制在 SATA發(fā)送端進行編碼和SATA接收端接收進行校驗時，根據(jù)協(xié)議規(guī)定 CRC生成多項式G（X）來得到各個數(shù)據(jù)位的校驗公式，K位要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息位可對應(yīng)一個（K-1）次多項式K（X），R 位冗余位對應(yīng)于一個（R-1）次多項式 R（X），由K位數(shù)據(jù)信息位后面加上R位冗余位組成的校驗信息碼則對應(yīng)于一個(N-1)次多項式 T（X）X×K（X）+R（X）。發(fā)送端產(chǎn)生一個循環(huán)冗余校驗數(shù)據(jù)，跟隨在信息幀有效數(shù)據(jù)后發(fā)送，接收端在接收到信息幀中的校驗數(shù)據(jù)后將其除以CRC生成多項式G（X），如結(jié)果為零則表示數(shù)據(jù)傳輸正確。SATA協(xié)議采用的CRC生成多項式為：G(X)=X³²+X²⁶+X²³+X²²+X¹⁶+X¹²+X¹¹+X¹⁰+X⁸+X7+X5+X4+X2+X+1。

假設(shè)待發(fā)送數(shù)據(jù)有K位，校驗碼有R位，G(x)是產(chǎn)生校驗碼的生成多項式，校驗碼多項式和完整碼多項式分別由P(x)、C(x)表示，則待發(fā)送數(shù)據(jù)可表示為：M(x)=m_k-1x^k-1+m_k-2x^k-2+…+m_ixⁱ+…+m₁x+x₀

上式中，系數(shù)mi取值為0 或 1，由于是二進制表示，x 取值為2。那么，完整碼多項式為 C(2)= x^RM(2)+P(2)，校驗碼多項式P(2)為2^RM(2)除以 G(2)得到的余數(shù)。

目前CRC校驗方法根據(jù)生成多項式分為多種，如 CRC-4、CRC-8、CRC-16、CRC-ITU和CRC-32等。由于數(shù)據(jù)鏈路層以DW為最小傳輸單位，所以采用的生成多項式為G(X)=X³²+X²⁶+X²³+X²²+X¹⁶+X¹²+X¹¹+X¹⁰+X⁸+X7+X5+X4+X2+X+1。校驗時計算對象包括SOFP和EOFP之間所有的FIS 數(shù)據(jù)內(nèi)容，以DW為最小單位，不足整數(shù)的需要在數(shù)據(jù)末尾補“0”，計算所得的校驗碼放在最后一位FIS和EOFP之間，隨幀信息一起發(fā)送出去；接收端接收時，同樣需要對SOFP和EOFP之間所有的FIS數(shù)據(jù)內(nèi)容進行CRC運算，所得到的CRC值與原來的值比較，若相等則說明傳輸正確沒有錯誤。SATA標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)定CRC校驗的初始值為52325032h，SOFP和 EOFP之間最大的DW數(shù)量不能超過2064個。

擾碼器：添加擾碼器的作用是為提取數(shù)據(jù)幀中的位定時信息、擴散信號頻譜并保持穩(wěn)定，避免電路的周期性基帶信號對數(shù)據(jù)傳輸帶來的干擾，它在發(fā)送端將發(fā)送的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換成“0”“1”發(fā)生概率近似相等、前后相互獨立的偽隨機碼流。擾碼器是由線性反饋移位寄存器和“異或門”組成，以輸入的數(shù)據(jù)和線性反饋寄存器輸出值的模2加為輸出。SATA協(xié)議規(guī)定，線性反饋移位寄存器的初始值為0xFFFF，在 SOF和EOF之間的數(shù)據(jù)，包括CRC值都需要加擾。對于原語信息則不需要加擾，在設(shè)計擾碼器時要首先將操作原語和數(shù)據(jù)分開，不能影響對數(shù)據(jù)的加擾，也不能對原語進行加擾。

SATA協(xié)議為了保證時鐘數(shù)據(jù)采樣信號的質(zhì)量，需要保持信號的穩(wěn)定性和足夠的比特定時信息含量，因而采用擾碼機制來進一步調(diào)整連續(xù)1或連續(xù)0等信號，將傳輸數(shù)據(jù)擾亂形成“0”，“1”近似等概率的有效跳變信號，可以最大程度地避免連續(xù)信號在傳輸過程中所收的干擾。擾碼的主要工作原理實際是一個偽隨機數(shù)據(jù)序列的生成模塊，主要利用異或門和線性反饋移位寄存器實現(xiàn)，SATA 協(xié)議采用擾碼生成多項式方程為：G(X) = X¹⁶ + X¹⁵+X¹³+ X⁴+1。當(dāng)鏈路層對數(shù)據(jù)進行擾碼時，SATA接口會先將線性反饋移位寄存器中生成的隨機數(shù)據(jù)碼與有效數(shù)據(jù)進行異或操作，得到擾碼數(shù)據(jù)后再將其進行8b/10b編碼，編碼完畢后送入物理層發(fā)送出去；當(dāng)鏈路層對數(shù)據(jù)進行解擾碼操作時，SATA 接口現(xiàn)將數(shù)據(jù)進行8b/10b解碼，然后將解碼后的數(shù)據(jù)與線性反饋移位寄存器中相對應(yīng)的隨機碼進行異或操作，最后得到幀有效數(shù)據(jù)信息。

除了 SOFP和 EOFP之間所有的 FIS數(shù)據(jù)內(nèi)容（包括 CRC 校驗值）需要加擾之外，介于CONTP和新的原語之間重復(fù)的原語也需要進行加擾。SATA 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)定線性反饋移位寄存器的初始值為FFFFh。

鏈路層控制原語：鏈路層總共有18個原語，用來控制和表示串行線路的工作狀態(tài)，在傳輸過程中也用來調(diào)整流量控制，每個控制原語長度均為 4 個字符，原語之間采用握手機制來完成狀態(tài)的控制。

SATA協(xié)議鏈路層的控制原語主要是用來控制和維持串行鏈路數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)的一系列信息原語。鏈路層數(shù)據(jù)傳輸過程的控制主要由 SATA主機和設(shè)備相互之間發(fā)送、接收控制原語實現(xiàn)的。SATA 協(xié)議通信的雙方都可以向?qū)Ψ桨l(fā)送數(shù)據(jù)傳輸請求，并在接收到對方準(zhǔn)備好信號后開始數(shù)據(jù)傳輸，主機端和設(shè)備端在鏈路層完全是對等關(guān)系。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖不足時，發(fā)送HOLD 原語進行流量控制，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好進入發(fā)送緩沖區(qū)則繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)；而接收方在接收數(shù)據(jù)緩沖已滿時，也同樣會發(fā)送HOLD 原語進行流量控制。我們利用一個完整信息幀的詳細傳輸過程來說明控制原語是如何對其控制的：

1. 發(fā)送方發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)需要傳輸時，則對接收方發(fā)送X_RDY 原語，來表示發(fā)送數(shù)據(jù)的請求并告知接收方準(zhǔn)備接收。

2. 接收方接收到X_RDY原語時，開始檢查自身狀態(tài)，確認(rèn)無誤可以接收數(shù)據(jù)后，向發(fā)送方發(fā)送R_RDY，表示接收方已準(zhǔn)備接收。

3.發(fā)送方得到接收方已準(zhǔn)備接收信號好，開始發(fā)送數(shù)據(jù)，首先發(fā)送SOF原語，然后是若干有效數(shù)據(jù)。

4.接收方在收到SOF原語及信息幀中的有效數(shù)據(jù)時，向發(fā)送發(fā)返回 R_IP原語表示接收方正在接收。

5.發(fā)送方在該信息幀的發(fā)送過程中，發(fā)現(xiàn)發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)某些數(shù)據(jù)沒有準(zhǔn)備好導(dǎo)致無法發(fā)送時，則向接收方傳遞HOLD原語讓其等待進行流量控制。

6.接收方收到HOLD原語后，進入等待狀態(tài)并以HOLDA原語回復(fù)。

7.發(fā)送方的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，則發(fā)送HOLD原語和有效數(shù)據(jù)，告之接收發(fā)繼續(xù)數(shù)據(jù)傳輸過程。

8.接收方收到HOLD 原語和有效數(shù)據(jù)后，結(jié)束等待狀態(tài)，接收數(shù)據(jù)并以R_IP表示接收狀態(tài)正常。

9.發(fā)送方數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，進行CRC校驗并將校驗和加入信息幀尾部發(fā)送出去，最后發(fā)送EOF原語表示信息幀發(fā)送完畢，最后發(fā)送 WTRM原語表示等待接收方的最終驗證結(jié)果。

10.接收方接收整個信息幀后進行CRC校驗，校驗正確后，發(fā)送 R_OK 原語表示數(shù)據(jù)發(fā)送過程無誤。

11. 發(fā)送方，接收方相繼進入空閑狀態(tài)，發(fā)送SYNC原語，等待下一次數(shù)據(jù)傳輸請求。

數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)送和接收幀信息以 DW 為最小傳輸單位，包括兩種類型：原語（Primitives）和幀（Frame）。原語由 1個 DW 組成，用于主機和設(shè)備之間實時狀態(tài)信息、傳輸控制信息的交互，協(xié)調(diào)主機和設(shè)備的通信，保證數(shù)據(jù)正常傳輸。原語內(nèi)部 4個字節(jié)都是固定不變的，包括1個控制字符和3個數(shù)據(jù)字符，除了ALIGN_P的控制字符是 28.5 之外，其余的原語都采用K28.3 作為控制字符。所以說 ALIGN_P是唯一擁有 comma 特征的原語。各個原語的符號功能和字符編碼分別如表5所示。

表5 原語功能定義

表6 原語字符編碼

幀：幀由多個DWs組成，通常以SOFP作為開始，以EOFP作為結(jié)束，中間包括FIS、CRC校驗值。CRC校驗值是EOFP之前最后一個非原語DW。有時為了速率匹配的目的，幀中間也會插入一些原語（CONTP、HOLDP、HOLDAP）用于流量控制。一幀數(shù)據(jù)的典型結(jié)構(gòu)如圖 4所示。