嵌入式SATA存儲系統(tǒng)的研究

SATA硬盤作為新型的存儲介質(zhì)，具有高速、海量、價格低廉、使用方便等優(yōu)點。SATA2.5協(xié)議支持3.0Gb/s的接口速度，SATA2.5硬盤的持續(xù)存儲速度可達80MB/s，最大存儲容量已經(jīng)達到750GB(如希捷ST3750640AS硬盤)。SATA硬盤已經(jīng)占據(jù)了大部分的PC機硬盤市場，并且正向工作站、服務器的領域邁進。而在嵌入式的應用領域，目前的硬盤存儲設備依然廣泛采用傳統(tǒng)的IDE（ATA）和SCSI硬盤。由于兩者存在低速或昂貴的缺點，因此如何將SATA硬盤存儲應用到嵌入式系統(tǒng)中就成為今后相關(guān)領域的研究重點。
1 SATA2.5協(xié)議的性能與結(jié)構(gòu)
1.1 各種硬盤存儲接口的比較
　　通常硬盤根據(jù)接口類型進行分類。硬盤接口主要分為：IDE（ATA）、Serial ATA（SATA）、SCSI、Serial Attached SCSI（SAS）和Fiber Channel（FC），此外還存在IEEE1394、USB等。
　　IDE、SCSI采用的是并行總線接口，隨著技術(shù)要求的不斷提高，并行技術(shù)的種種問題如信號扭曲和串擾、電纜和連接器的反射、設備的尋址能力有限等都已成為提高其數(shù)據(jù)吞吐能力的障礙。FC、SAS和SATA采用串行技術(shù)，克服了并行技術(shù)存在的缺點，大大提高了速度、可靠性和可擴展性。而SATA硬盤相對于FC和SAS硬盤具有很大的價格優(yōu)勢，并且與SAS接口兼容。
1.2 SATA2.5協(xié)議的基本性能[1]
　　SATA2.5是國際串行ATA組織SATA-IO(Serial ATA International Organization)制訂的最新SATA標準。其主要性能特點如下：
　　(1)傳輸速率快，由SATA1.0的1.5Gb/s發(fā)展到SATA2.5的3.0Gb/s，并且SATA-IO計劃今后幾年推出6.0Gb/s的接口協(xié)議，這比最新的并行IDE接口ATAPI-7的133MB/s的傳輸速率提高許多。
　　(2)電纜線寬度降低而長度增加，寬度由IDE的40針/80針減少到7針，長度由18英寸增加到1米。
　　(3)支持熱插拔，這使SATA硬盤可以作為移動硬盤使用。
　　(4)提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_度，ATA-3標準引入了基于CRC（循環(huán)冗余碼校驗）的數(shù)據(jù)包出錯檢測，但是，沒有任何一種并行ATA標準提供命令和狀態(tài)包的出錯檢測。SATA提高了CRC對數(shù)據(jù)、命令和狀態(tài)包錯誤的檢測能力，從而提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_度。
　　(5)支持全速命令隊列（NQC），大大提高了硬盤的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速度。
    此外，SATA2.5協(xié)議采用點對點結(jié)構(gòu)，降低了磁盤陣列的出錯風險；降低了工作電壓，減少了功耗；向下軟件兼容并行ATA，橫向兼容SAS協(xié)議。
1.3 SATA2.5協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)
　　SATA2.5采用四層結(jié)構(gòu)：應用層、傳輸層、鏈接層和物理層。其中，應用層負責所有ATA命令的執(zhí)行，包括對控制命令模塊寄存器的訪問；傳輸層負責在主機和硬盤設備之間以幀信息結(jié)構(gòu)（FIS）的形式傳輸控制命令和數(shù)據(jù)；鏈接層負責對數(shù)據(jù)進行8/10編解碼，根據(jù)需要從結(jié)構(gòu)幀中提取有效數(shù)據(jù)，或者將控制字插入到結(jié)構(gòu)幀當中；物理層負責在串行數(shù)據(jù)線上傳輸已編碼的數(shù)據(jù)。
2 Virtex-5 FPGA芯片簡介[2]
　　Virtex-5系列FPGA芯片[2]是Xilinx公司最新推出的高端產(chǎn)品，它采用65納米工藝，1.0V核電壓，具有靈活的時鐘管理模塊，100Mb/s～3.2Gb/s的串行連接功能，550MHz的DSP硬核，內(nèi)置36KB的塊RAM， I/O引腳多達1 200個。目前，Virtex5系列FPGA有LX、LXT和SXT三款平臺，分別面向高性能邏輯功能、高性能邏輯功能和高速串行連接，以及高速串行連接和DSP功能。
 RocketIO GTP收發(fā)器是專門為Virtex-5 FPGA實現(xiàn)高速低功耗串行連接而設計的，具有高速、穩(wěn)定的特點，可以實現(xiàn)PCI Express、FC、SATA等高速接口的物理層協(xié)議，而不用外置子板，從而節(jié)省了空間和成本。
3 SATA2.5協(xié)議在FPGA上的實現(xiàn)[3][4]
3.1 鏈接層在FPGA內(nèi)的實現(xiàn)
　　鏈接層發(fā)送或者接收混合了控制原語的數(shù)據(jù)流，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，CRC被加入或者提取出數(shù)據(jù)流，同時8b/10b編解碼被執(zhí)行。圖1給出了鏈接層在FPGA內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)，左邊與傳輸層相連，右邊與物理層相連。

在核時鐘域里，數(shù)據(jù)寬度是32位；而在PHY時鐘域里，數(shù)據(jù)寬度是10位。在發(fā)送過程中，異步接口每四個PHY時鐘發(fā)送一次雙字，每個PHY時鐘內(nèi)一個8位數(shù)據(jù)塊通過8b/10b編碼器生成10位數(shù)據(jù)塊，并被連續(xù)串行發(fā)送到物理層。接收過程剛好與此相反。原語是由雙字組成的實體，用于控制和提供串行連接的狀態(tài)。在FPGA內(nèi)部，原語專門由原語發(fā)生器提供，主控制器根據(jù)上層命令控制原語的產(chǎn)生。CRC發(fā)生器多項式為：
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FPGA內(nèi)需設置一個線性循環(huán)移位寄存器（LFSR），在檢驗過程中與傳輸數(shù)據(jù)進行異或，LFSR內(nèi)部多項式為：

3.2 傳輸層在FPGA內(nèi)的實現(xiàn)
　　傳輸層在發(fā)送過程中將數(shù)據(jù)和控制信號打包為FIS，在接收過程中分解接收到的FIS。如圖2所示，F(xiàn)PGA內(nèi)部設置了一個FIFO，數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送過程都通過同一個FIFO通道。Wishbone總線是一種片上系統(tǒng)互聯(lián)規(guī)范，該規(guī)范給片內(nèi)的各部分以及IP核之間的互聯(lián)定義了一種通用的接口，由此提高了設計的可靠性和可移植性。圖中的Wishbone從接口與應用層的Wishbone主接口通信，過程方便可靠。Shadow寄存器用于轉(zhuǎn)送命令到設備端，或者記錄設備端的狀態(tài)。狀態(tài)和控制寄存器包含了一系列的寄存器，用于控制接口并且檢索接口狀態(tài)信息。

3.3 SATA與XC5VLX30T的接口及仿真
3.3.1 GTP收發(fā)器簡介[5]
　　GTP收發(fā)器是Virtex-5 LXT和SXT系列FPGA內(nèi)高度可配置和高度集成的可編程邏輯資源。它支持包括SATA在內(nèi)的許多高速串行接口，內(nèi)部的電流模式邏輯(CML)驅(qū)動器和緩存器提供用戶可配置的終端、電壓擺幅和耦合，可編程的發(fā)送預加重和接收均衡使得信號完整性得到優(yōu)化。此外它還集成了可選的8b/10b編碼、逗號校準、信道綁定以及時鐘校正模塊。
　　以Virtex-5 LXT系列的XC5VLX30T為例，它具有四個獨立的GTP模塊，每個模塊又分別包含了若干GTP驅(qū)動電壓與參考電壓引腳，一對低壓差分串行時鐘引腳，以及兩對RocketIOTM低壓差分串行引腳。
3.3.2 SATA接口信號定義
　　SATA接口數(shù)據(jù)線由7根信號線組成。在主機端，1至7號線依次為GND、Tx+、Tx-、GND、Rx+、Rx-和GND。其中，Tx+和Tx-組成低壓差分發(fā)送信號對，分別與XC5VLX30T的MGTTXP和MGTTXN引腳相連；Rx+和Rx-組成低壓差分接收信號對，分別與XC5VLX30T的MGTRXP和MGTRXN引腳相連。
3.3.3 SATA時鐘電路及PCB仿真[6-8]
　　由于SATA的時鐘頻率和串行數(shù)據(jù)傳輸速率都很高，因此對信號的抗干擾能力的要求很高。為提高系統(tǒng)可靠性，需要對布線后的PCB板上SATA時鐘信號和數(shù)據(jù)信號進行反復的仿真實驗。下面以SATA時鐘信號為例，進行PCB布線后仿真實驗。
　　SATA2.5最高支持3.0Gb/s的傳輸速度，因此要求所選的晶振具有300MHz以上的低壓差分時鐘輸出能力。IDT公司的ICS844071和ICS844031滿足要求，前者的輸出頻率范圍是62.5MHz～170MHz，后者的輸出頻率范圍是245MHz～340MHz。兩者在封裝上完全兼容，用戶可以根據(jù)設計的速度要求來選取。圖3是SATA時鐘接口電路圖，其中SATA_CLK和分別與XC5VLX30T 的GTP專用差分時鐘輸入引腳MGTREFCLKP和MGTREFCLKN相連。

利用844071_3v3.ibs及virtex5.ibs兩個IBIS模型，在Hyperlynx7.5環(huán)境下對SATA差分時鐘進行BoardSim差分眼圖仿真。圖4是在線長1.2in、線寬10mil、差分線距12mil、串行連接0.01μF電容以及端接100Ω電阻等條件下，考慮各種過孔、PCB板的整體分析等因素后的PRBS位模式仿真眼圖。從圖中可以看出，在100MHz頻率條件下，眼圖的睜開程度較大，符合GTP收發(fā)器的時鐘眼圖要求。

 隨著FPGA邏輯單元的不斷增多、內(nèi)存容量的不斷增大、主頻的不斷提高，許多以前只能在專用芯片上才能實現(xiàn)的功能，現(xiàn)在都可以集成到一片F(xiàn)PGA內(nèi)部來完成。例如圍繞著一片Virtex-5 FXT可以搭建涵蓋圖像采集、顯示、處理、存儲、通信等功能的系統(tǒng)。SATA作為一項正蓬勃發(fā)展的存儲技術(shù)，與FPGA技術(shù)結(jié)合之后可以極大地提高其本身的應用范圍，特別是為一些脫離PC機的嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)高速、穩(wěn)定、價格較低的存儲功能提供一種新的有效途徑。