在之前的5篇文章中，我們簡(jiǎn)要的分析了SATA協(xié)議的內(nèi)容，可以看出來，對(duì)比并口硬盤所使用的PATA協(xié)議，SATA技術(shù)比較復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理的環(huán)節(jié)多，處理方式多樣。

　　以前，用8位的單片機(jī)，通過使用2個(gè)port口的方式，就可以用PIO的方式讀寫IDE硬盤了。但是對(duì)于SATA硬盤，就不能用這種方法了，高速串行信號(hào)呀，1.5Gbps、3.0Gbps、6.0Gbps，速度太快了，想想CPU才多快。那么對(duì)于這么高的速度，怎么樣實(shí)現(xiàn)對(duì)SATA硬盤的脫機(jī)讀寫呢?一種方法是設(shè)計(jì)ASIC，這個(gè)成本太高，性價(jià)比太差。一種方法是用SATA轉(zhuǎn)PATA的橋，比如Marvell的和JMicro的橋接芯片，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是速度不快，你想PATA最高才133MB/s，而SATA最低也能150MB/s呢。那么性價(jià)比最好的方法來了，就是用FPGA來實(shí)現(xiàn)SATA接口，F(xiàn)PGA作為Host端，SATA硬盤作為Device端，脫機(jī)讀寫SATA硬盤。

　　FPGA作為一種通用的芯片，處理這種高速接口還是得心應(yīng)手的，千兆以太網(wǎng)、FC、PCIE都不在話下。目前高端的FPGA，都集成了高速收發(fā)器GTP、GTX等，利用這些高速收發(fā)器，可以實(shí)現(xiàn)SATA的物理層前端。下面，我們就SATA接口的物理層的實(shí)現(xiàn)做詳細(xì)的分析和介紹。

　　SATA協(xié)議物理層使用高速差分信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，支持OOB信號(hào)，物理層速率為1.5-6.0Gbps，在FPGA上使用普通I/O無法實(shí)現(xiàn)，需要針對(duì)設(shè)計(jì)需求使用特殊的器件?，F(xiàn)階段許多FPGA公司設(shè)計(jì)的FPGA中帶有硬核，用于支持高速串行傳輸，Xilinx公司的Virtex5系列即是其中的一種，Rocket IO是集成在Virtex5 系列中靈活的、功能可配置的千兆位級(jí)串行收/發(fā)器，其中LXT系列集成的GTP收發(fā)器支持600Mbps～3.125Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，F(xiàn)XT系列集成的GTX收/發(fā)器支持 500Mbps～6.5Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，并且Rocket IO支持SATA協(xié)議物理層的OOB信號(hào)，因此，Rocket IO可以理想的應(yīng)用于SATA協(xié)議物理層的實(shí)現(xiàn)。

　　物理層整體結(jié)構(gòu)框圖如下圖1 所示。主要包括高速串行鏈路的實(shí)現(xiàn)、OOB控制模塊兩個(gè)方面 ?？刹捎肵ilinx公司的Virtex-5 FX芯片內(nèi)部集成的千兆級(jí)收發(fā) 器Rocked IO MGT 實(shí)現(xiàn) 1.5Gbps和3.0Gbps的物理層高速串行通信，提供20bit 寬的并行數(shù)據(jù)接口。OOB 控制模塊通過邏輯狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)OOB 信號(hào)的檢測(cè)與發(fā)送，實(shí)現(xiàn)通信連接的建立。物理層接口模塊向鏈接層提供標(biāo)準(zhǔn)的訪問接口。

　　圖1 物理層結(jié)構(gòu)圖

　　物理層中用到的RocketIO，由物理介質(zhì)附屬子層(PMA)和物理編碼子層(PCS)組成。內(nèi)部主要功能框圖見圖2、圖3，PMA包含串行器/解串器(SERDES)、TX與RX輸入/輸出緩沖器、時(shí)鐘發(fā)生器和時(shí)鐘恢復(fù)電路。PCS包含8B/10B編碼器 /解碼器、擾碼器/解擾器以及支持通道綁定和時(shí)鐘校正的彈性緩沖器。

　　圖2 RocketIO內(nèi)部結(jié)構(gòu)1

　　圖3圖2 RocketIO內(nèi)部結(jié)構(gòu)2

　　完整的GTP_DUAL由GTP0和GTP1組成，以上僅為GTP0的結(jié)構(gòu)。GTP1與其相同，中間共享時(shí)鐘復(fù)位等模塊以節(jié)省面積和功耗。上為發(fā)送端下為接收端，未與硬盤連接時(shí)可進(jìn)行內(nèi)部測(cè)試，如虛線所示。把發(fā)送差分端口連至接收端，可檢驗(yàn)接收端的并行數(shù)據(jù)與發(fā)送端是否一致。

　　PMA為Physical Media Attachment,指物理介質(zhì)附屬子層，是收發(fā)器高速運(yùn)行的關(guān)鍵器件。內(nèi)置串并轉(zhuǎn)換模塊，串行時(shí)鐘高達(dá)并行時(shí)鐘的20倍，用鎖相環(huán)(PLL)實(shí)現(xiàn)。由于頻率越高，信號(hào)衰減越嚴(yán)重，發(fā)送預(yù)加重和接受均衡用于補(bǔ)償信號(hào)的高頻分量來保持信號(hào)的完整性。CDR為Clock Data Recovery表示時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路，采用鎖相環(huán)技術(shù)從串行碼流中提取時(shí)鐘信息。另一部分PCS為Physical Coding Sublayer指物理編碼子層，對(duì)并行碼流進(jìn)行編碼處理。COMMA字符即ALIGN的首字節(jié)它包含COMMA序列，即該字符的前七位0011111或1100000，檢測(cè)該字符有助于識(shí)別正確的字節(jié)邊界。PRBS是偽隨機(jī)二進(jìn)制序列，測(cè)試數(shù)據(jù)的誤碼率。8B/10B編碼和CRC校驗(yàn)不在此贅述。全部的功能選項(xiàng)己在圖3中標(biāo)出，可根據(jù)系統(tǒng)需求自由配置。

　　SATA物理鏈路建立連接過程:

　　(1)主機(jī)上電，由主機(jī)發(fā)送 COMRESET 信號(hào)，用于硬件復(fù)位，之后物理鏈路進(jìn)入空閑狀態(tài);

　　(2)設(shè)備上電，設(shè)備接收到COMRESET信號(hào)，且檢測(cè)到物理鏈路被釋放之后發(fā)送 COMINIT 信號(hào);

　　(3)主機(jī)接收到COMINIT信號(hào)之后首先對(duì)接收到的信號(hào)去抖，當(dāng)確認(rèn)檢測(cè)到的是 COMINIT信號(hào)后，主機(jī)發(fā)送COMWAKE信號(hào)，之后釋放鏈路;

　　(4)設(shè)備在接收到主機(jī)發(fā)送的COMWAKE信號(hào)后，并且在鏈路空閑情況下，發(fā)送 COMWAKE信號(hào);

　　(5)設(shè)備在發(fā)送COMWAKE信號(hào)之后，以支持的最高速度發(fā)送ALIGNp原語，之后設(shè)備開始等待主機(jī)發(fā)送的ALIGNp原語;

　　(6)主機(jī)檢測(cè)到設(shè)備發(fā)送的COMWAKE信號(hào)，且等待總線空閑后，主機(jī)開始發(fā)送 D10.2字符，等待873.8μs來自設(shè)備的ALIGNp原語，在接收到ALIGNp原語后，根據(jù)接收到的ALIGNp原語來確定鏈路速度，之后以確定的速度發(fā)送ALIGNp 原語，之后如果接收到來自設(shè)備端的3個(gè)連續(xù)的非ALIGNp原語(以K28.3開頭)，則鏈路建立連接，主機(jī)開始發(fā)送來自鏈路層的數(shù)據(jù)，并保持此狀態(tài)，若主機(jī)等待 873.8μs 仍然沒有接收到3個(gè)非ALIGNp原語，則主機(jī)認(rèn)為當(dāng)前鏈路初始化失敗，主機(jī)重新開始進(jìn)行鏈路層初始化;

　　(7)設(shè)備等待來自主機(jī)端的ALIGNp原語，當(dāng)?shù)却?4.6μs仍然沒有接收到ALIGNp 原語時(shí)，設(shè)備降低速度模式，重新發(fā)送ALIGNp原語，重復(fù)執(zhí)行此操作，直到接收到主機(jī)端發(fā)送的 ALIGNp原語為止，之后設(shè)備開始發(fā)送來自鏈路層的數(shù)據(jù)，若在最低速度模式下等待54.6μs仍然沒有接收到ALIGNp原語，則設(shè)備認(rèn)為當(dāng)前鏈路初始化出錯(cuò)，設(shè)備端進(jìn)行錯(cuò)誤處理，之后進(jìn)入空閑態(tài)。

　　圖4 物理層初始化過程

　　SATA物理鏈路初始化過程實(shí)現(xiàn)：

　　Xilinx 的FPGA開發(fā)工具ISE提供GTP生成向?qū)?，可以?shí)現(xiàn)SATA協(xié)議物理層定義的功能，由于FPGA上有豐富的存儲(chǔ)資源，對(duì)OOB信號(hào)的發(fā)送采用預(yù)先把ALIGN 固化在存儲(chǔ)器中，然后控制存儲(chǔ)器的讀時(shí)間和間隔時(shí)間來完成。因此，使用 FPGA 實(shí)現(xiàn) SATA協(xié)議物理層最主要的工作在于設(shè)計(jì)聯(lián)合邏輯，控制GTP完成 SATA協(xié)議初始化功能，設(shè)計(jì)SATA協(xié)議初始化流程圖如圖5所示。

　　初始化過程需要嚴(yán)格按照協(xié)議規(guī)定，與主機(jī)端協(xié)同完成。設(shè)備端在上電之后首先檢測(cè) COMRESET 信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到 COMRESET 信號(hào)后，并且鏈路空閑時(shí)，發(fā)送 COMINIT 信號(hào)，并等待主機(jī)端應(yīng)答，當(dāng)超過10ms 仍然未接收到主機(jī)端應(yīng)答時(shí)，設(shè)備重新回到上電復(fù)位狀態(tài)，若在10ms內(nèi)檢測(cè)到主機(jī)發(fā)送的COMWAKE信號(hào)，且等待主機(jī)釋放發(fā)送信號(hào)線后，設(shè)備對(duì)主機(jī)發(fā)起COMWAKE信號(hào)，之后設(shè)備以支持的最高速率發(fā)送同步原語ALIGNp，之后等待主機(jī)返回ALIGNp原語，若在54.6μs 內(nèi)都沒有檢測(cè)到主機(jī)發(fā)送的ALIGNp原語，則設(shè)備進(jìn)入降低模式狀態(tài)，降低傳輸速率，若當(dāng)前傳輸模式即為最低傳輸模式，則設(shè)備初始化失敗，處理錯(cuò)誤并返回上電復(fù)位狀態(tài)，若當(dāng)前設(shè)備不是最低傳輸模式，則設(shè)備降低速率，重新開始發(fā)送 ALIGNp 原語，當(dāng)檢測(cè)到主機(jī)發(fā)送的ALIGNp原語時(shí)，設(shè)備與主機(jī)間的鏈路建立連接，SATA物理鏈路初始化成功，然后可以開始進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的交互。

　　圖5 SATA物理層初始化流程圖

　　選用 Rocket IO GTP作為SATA協(xié)議物理層高速串行數(shù)據(jù)收/發(fā)器，可以簡(jiǎn)化SATA物理層的設(shè)計(jì)過程。通過分析SATA協(xié)議物理層鏈路建立連接過程，可以設(shè)計(jì)OOB信號(hào)控制狀態(tài)機(jī)，采用FPGA控制Rocket IO GTP完成SATA協(xié)議初始化功能，實(shí)現(xiàn)SATA物理層的功能。

　　總之，SATA物理層的實(shí)現(xiàn)，就是配置好GTP和設(shè)計(jì)OOB信號(hào)處理狀態(tài)機(jī)這兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，處理好這兩點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)SATA接口的物理層。后續(xù)文章中將陸續(xù)介紹SATA的鏈路層、傳輸層、命令層和應(yīng)用層的實(shí)現(xiàn)方法和技巧。

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