鏈路層設(shè)計(jì) - 基于FPGA的SATA控制器的實(shí)現(xiàn)分析

　　物理層在初始化完成后就準(zhǔn)備為主機(jī)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(hào)完成數(shù)據(jù)的CRC 校驗(yàn)和加/解擾碼，以及流量控制。流量控制由狀態(tài)機(jī)發(fā)送相關(guān)原語(yǔ)完成。鏈路層的狀態(tài)機(jī)比較復(fù)雜，難以用一個(gè)完整的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖來(lái)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(jì)原理框圖。

　　鏈路層的CRC 校驗(yàn)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(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)運(yùn)算完成，輸出到鏈路層狀態(tài)機(jī)。其仿真圖如圖5 和圖6 所示，圖中的時(shí)鐘僅僅是為了便于觀(guān)察數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換狀態(tài)，并無(wú)實(shí)際意義。

　　鏈路層將剔除除SOF 與EOF 外的任何其他原語(yǔ)，降低鏈路層的開(kāi)銷(xiāo)，因?yàn)閭鬏攲舆€需要SOF 與EOF 來(lái)判斷FIS 的類(lèi)型，而其他控制流量的原語(yǔ)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(jì)

　　傳輸層是整個(gè)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(lèi)型、設(shè)置類(lèi)型和數(shù)據(jù)類(lèi)型。傳輸層根據(jù)應(yīng)用層命令，組成相應(yīng)類(lèi)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(jìn)行寄存器設(shè)置或是數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。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(lèi)構(gòu)建的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。根據(jù)FIS 的定義，標(biāo)志FIS 類(lèi)型的編碼存放于第0 個(gè)DWORD 的第0 個(gè)Byte。所以，傳輸層要根據(jù)SOF 原語(yǔ)來(lái)找到FIS 的第0 個(gè)DWORD，由此來(lái)判斷FIS 的類(lèi)型，從而進(jìn)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(yǔ)剔除，確保送到應(yīng)用層的數(shù)據(jù)為從硬盤(pán)讀出的數(shù)據(jù)，沒(méi)有額外的開(kāi)銷(xiāo)。傳輸層發(fā)送時(shí)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(yǔ)和流量控制原語(yǔ)等。

　　2． 4 關(guān)于應(yīng)用層

　　相當(dāng)于人機(jī)操作接口的應(yīng)用層并不適合在FPGA中完成，因?yàn)槟菢訒?huì)使FPGA 的邏輯設(shè)計(jì)變得相當(dāng)復(fù)雜。本設(shè)計(jì)中留出了應(yīng)用層接口，交由計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種操作，通過(guò)應(yīng)用層接口實(shí)現(xiàn)對(duì)SATAⅢ控制器的操作。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　串行傳輸技術(shù)的飛速發(fā)展使傳輸速率越來(lái)越快，SATAⅢ的出現(xiàn)使硬盤(pán)與計(jì)算機(jī)之間的通信速率不再是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取的瓶頸。本文中所設(shè)計(jì)的SATAⅢ控制器已運(yùn)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(pán)，單塊盤(pán)流盤(pán)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。