SATA主機(jī)協(xié)議的物理層的實現(xiàn)過程

這里講解SATA主機(jī)協(xié)議的物理層的實現(xiàn)過程。

下圖是標(biāo)準(zhǔn)SATA協(xié)議文檔中給出的物理層結(jié)構(gòu)?？梢钥吹剿刂颇K、時鐘數(shù)據(jù)提取單元、同步字符源和同步字符檢測模塊以及模擬前端幾個部分。其中，控制模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制整個物理層的邏輯功能，并向上層協(xié)議提供控制信號、狀態(tài)信息接口。時鐘數(shù)據(jù)提取模塊從串行數(shù)據(jù)流中提取時鐘數(shù)據(jù)信息。同步字符源和同步字符檢測兩個模塊負(fù)責(zé)串并/并串轉(zhuǎn)換過程中的字節(jié)對齊。模擬前端包含高速差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送接收器和OOB信號檢測與生成電路。

上面這個圖看上去比較復(fù)雜，但是如果仔細(xì)理解物理層協(xié)議，并對前一篇博客中提到的ALTGX收發(fā)器有一定認(rèn)識之后，我們會發(fā)現(xiàn)其實這個收發(fā)器已經(jīng)幫我們實現(xiàn)了時鐘數(shù)據(jù)提取單元、同步字符源和同步字符檢測模塊以及模擬前端這幾個部分，我們要做的就是如何配置這個收發(fā)器。另外，物理層還有一個重要的工作就是利用OOB（OUT OF BAND）信號實現(xiàn)設(shè)備的識別和上電初始化。因此，這里進(jìn)一步劃分物理層模塊，得到下面這個物理層框圖。整個物理層被劃分為4個模塊，OOB生成和檢測、ALTGX收發(fā)器和物理層狀態(tài)機(jī)。

首先說一下這個ALTGX收發(fā)器。關(guān)于這個收發(fā)器具體結(jié)構(gòu)這些東西這里限于篇幅就不一一介紹，詳細(xì)的介紹參考StatixIV器件手冊，這里只是說明一下為什么會用上它。我們知道現(xiàn)在常見的FPGA的處理速度最高也只是在幾百兆的水平，但是SATA1.0的串行數(shù)據(jù)流的傳輸速度已經(jīng)達(dá)到了1.5Gbps，這樣的速度不可能直接在FPGA里實現(xiàn)，而且SATA最終在傳輸線上傳輸?shù)氖遣罘中盘枺@里會有一個數(shù)字到模擬的過程，這也不是一般的FPGA能干的事。上面這兩個問題其實并不只是實現(xiàn)SATA協(xié)議時會碰到，很多高速串行傳輸協(xié)議在使用FPGA實現(xiàn)時都會遇到，比如PCIe等。FPGA廠商為了滿足對這種高速串行傳輸協(xié)議的支持，通常的做法都是在FPGA芯片中集成專用的硬件，這種專用硬件通常是一組滿足高速數(shù)據(jù)傳輸速率要求的串行器/解串器（SERDES）以及模擬前端。這些集成的專用硬件通常是可以進(jìn)行比較靈活的配置的，以使它們能滿足對不同通信協(xié)議的支持。ALTERA公司的ALTGX收發(fā)器就屬于這種，另外還有XILINX公司的RocketIO MGT等。ALTGX收發(fā)器可以通過QuartusII軟件中的IP配置向?qū)渲蒙?，這個配置過程參考“實現(xiàn)Altera器件中的SATA與SAS協(xié)議”一文。這篇文檔中有詳細(xì)的配置講解，這里不再贅述。

接著說說這個OOB信號。帶外信號，即OOB信號是物理層特有的一組信號，它通過在數(shù)據(jù)線上傳輸一組特定格式的信號實現(xiàn)。OOB信號有3個，分別是COMRESET、COMINIT和COMWAKE，其中COMRESET與COMINIT信號組成形式一樣，只不過CONRESET由主機(jī)發(fā)出，而COMINIT由設(shè)備發(fā)出，它們的作用是在正常的通信鏈路沒有建立之前主機(jī)進(jìn)行SATA設(shè)備識別。關(guān)于這三種信號的組成形式請查閱SATA協(xié)議文檔，這里主要說一下怎么實現(xiàn)這幾個信號。上面關(guān)于ALTGX配置過程中我們應(yīng)該注意到兩個比較特殊的信號端口，一個是rx_signaldetect,一個是tx_forceelecidle，我們主要是通過控制這兩個端口產(chǎn)生和讀取OOB信號。查閱SATA文檔之后我們知道OOB信號實際是由數(shù)據(jù)線上的突發(fā)信號和空閑周期組成的，突發(fā)信號周期比較好理解，在差分?jǐn)?shù)據(jù)線上傳輸特定的原語（ALIGNp）即可，那空閑周期是什么意思呢？簡單的理解就是不發(fā)送數(shù)據(jù)，那怎么就代表不發(fā)送數(shù)據(jù)呢？分析tx_forceelecidle這個端口的作用我們大概可以得到一些啟示。這個端口的作用是將ALTGX中的發(fā)送器強(qiáng)制置為高阻，原來“高阻”才意味著沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，千萬不要以為發(fā)送器發(fā)送“0”就是空閑周期了，“0”也代表一個數(shù)據(jù)！相反地，在接受端就比較好理解了，對于差分信號來說，在接受器端設(shè)置閾值電平檢測電路就能區(qū)別差分?jǐn)?shù)據(jù)線上“有或沒有”信號，也就是區(qū)分突發(fā)周期和空閑周期，反映閾值檢測結(jié)果的信號就是rx_signaldetect這個端口。這樣就好理解OOB信號的具體實現(xiàn)了，當(dāng)發(fā)送OOB信號時，通過置位或復(fù)位tx_forceelecidle端口來發(fā)送空閑周期和突發(fā)信號周期，接收設(shè)備端的OOB信號時，通過檢測rx_signaldetect端口信號電平來確定當(dāng)前設(shè)備發(fā)送的是空閑周期還是突發(fā)信號周期，當(dāng)該端口被置位，說明接收到的是突發(fā)信號周期，否則是空閑周期。這里需要提醒一下的是這兩個端口的信號都是高電平有效的，這意味著tx_forceelecidle為高電平時是空閑周期，而rx_signaldetect為低電平時為空閑周期。這一點一定要注意，這跟XILINX FPGA中的信號電平定義好像不太一樣，我當(dāng)時就在這里吃過虧。接下來的OOB生成和檢測模塊的實現(xiàn)就好辦了，我們要做的工作就是實現(xiàn)能產(chǎn)生和檢測一組符合OOB信號規(guī)定的高低電平電路就可以了。

最后說說這個物理層狀態(tài)機(jī)。物理層狀態(tài)機(jī)是整個物理層電路工作的大腦，它主要負(fù)責(zé)控制前面提到的三個模塊，在上電時完成主機(jī)對SATA設(shè)備的識別和通信鏈路的建立。下面這個時序圖就是上電時主機(jī)初始化的過程。首先是主機(jī)發(fā)送COMRESET信號，設(shè)備接收后響應(yīng)COMINIT，主機(jī)接收之后發(fā)送COMWAKE，設(shè)備接收后再響應(yīng)COMWAKE。四個OOB信號交互之后，主機(jī)就完成了SATA設(shè)備的識別。之后主機(jī)與設(shè)備之間通過ALIGNp原語進(jìn)行速度協(xié)商并完成通信鏈路的建立，最后在通信鏈路建立之后以SYNCp保持。詳細(xì)的描述參考文檔中關(guān)于這部分的描述。

根據(jù)上面的時序圖，我設(shè)計了以下的狀態(tài)機(jī)，它的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下圖所示，供大家參考。

物理層狀態(tài)機(jī)共有12個狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖上圖所示。主機(jī)上電后需要先對ALTGX收發(fā)器進(jìn)行復(fù)位操作，使CDR能成功鎖定到接收數(shù)據(jù)。當(dāng)復(fù)位完成后，狀態(tài)機(jī)能接收到power_rst_done信號，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入發(fā)送COMRESET狀態(tài)，使能OOB信號生成模塊發(fā)送COMRESET信號。如果設(shè)備接收到COMRESET信號，設(shè)備會向主機(jī)發(fā)送COMINIT信號，主機(jī)接收到COMINIT信號后，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入發(fā)送COMWAKE信號狀態(tài)，使能發(fā)送模塊發(fā)送COMWAKE信號，之后主機(jī)等待設(shè)備響應(yīng)COMWAKE信號。主機(jī)在接到COMWAKE信號后會向設(shè)備發(fā)送一段時間D10.2數(shù)據(jù)，直到檢測到設(shè)備發(fā)送的ALIGNp原語。這時主機(jī)存儲ALIGNp原語，并以相同的速率返還給設(shè)備，完成速度協(xié)商。最后設(shè)備向主機(jī)發(fā)送SYNCp原語，主機(jī)在接收到該原語后進(jìn)入Link_ready狀態(tài)，表示通信鏈路已經(jīng)建立。

最終整個物理層的實現(xiàn)情況如下圖所示，這是用SignalTapII捕捉到的信號波形。第一個是OOB信號發(fā)送，即tx_forceelecidle端口控制信號，第二個是OOB信號接收，即rx_signaldetect端口信號，第三個是ALTGX接收轉(zhuǎn)換后的16位并行數(shù)據(jù)，第四個是ALTGX發(fā)送的16位并行數(shù)據(jù)。

至此，物理層基本邏輯設(shè)計完成