嵌入式SATA存储系统的研究
2008-11-04
作者：陈晓东1,2，苏宛新1，王化龙1
摘 要： 新兴的SATA技术为高速、便携、高性价比的嵌入式硬盘存储系统的研制提供了保障。将SATA2.5协议写到Virtex-5 FPGA内部，通过GTP收发器" title="收发器">收发器实现高速串行数据传输与存储，可以突破PCI接口的瓶颈，使系统具备高速、实时、便携和海量存储等特点。
关键词： SATA；Virtex-5；FPGA；硬盘存储；嵌入式系统
SATA硬盘作为新型的存储介质，具有高速、海量、价格低廉、使用方便等优点。SATA2.5协议支持3.0Gb/s的接口速度，SATA2.5硬盘的持续存储速度可达80MB/s，最大存储容量已经达到750GB(如希捷ST3750640AS硬盘)。SATA硬盘已经占据了大部分的PC机硬盘市场，并且正向工作站、服务器的领域迈进。而在嵌入式的应用领域，目前的硬盘存储设备依然广泛采用传统的IDE（ATA）和SCSI硬盘。由于两者存在低速或昂贵的缺点，因此如何将SATA硬盘存储应用到嵌入式系统中就成为今后相关领域的研究重点。
1 SATA2.5协议的性能与结构
1.1 各种硬盘存储接口的比较
通常硬盘根据接口类型进行分类。硬盘接口主要分为：IDE（ATA）、Serial ATA（SATA）、SCSI、Serial Attached SCSI（SAS）和Fiber Channel（FC），此外还存在IEEE1394、USB等。
IDE、SCSI采用的是并行总线接口，随着技术要求的不断提高，并行技术的种种问题如信号扭曲和串扰、电缆和连接器的反射、设备的寻址能力有限等都已成为提高其数据吞吐能力的障碍。FC、SAS和SATA采用串行技术，克服了并行技术存在的缺点，大大提高了速度、可靠性和可扩展性。而SATA硬盘相对于FC和SAS硬盘具有很大的价格优势，并且与SAS接口兼容。
1.2 SATA2.5协议的基本性能[1]
SATA2.5是国际串行ATA组织SATA-IO(Serial ATA International Organization)制订的最新SATA标准。其主要性能特点如下：
(1)传输速率快，由SATA1.0的1.5Gb/s发展到SATA2.5的3.0Gb/s，并且SATA-IO计划今后几年推出6.0Gb/s的接口协议，这比最新的并行IDE接口ATAPI-7的133MB/s的传输速率提高许多。
(2)电缆线宽度降低而长度增加，宽度由IDE的40针/80针减少到7针，长度由18英寸增加到1米。
(3)支持热插拔，这使SATA硬盘可以作为移动硬盘使用。
(4)提高了数据传输的精确度，ATA-3标准引入了基于CRC（循环冗余码校验）的数据包出错检测，但是，没有任何一种并行ATA标准提供命令和状态包的出错检测。SATA提高了CRC对数据、命令和状态包错误的检测能力，从而提高了数据传输的精确度。
(5)支持全速命令队列（NQC），大大提高了硬盘的内部数据传输速度。
此外，SATA2.5协议采用点对点结构，降低了磁盘阵列的出错风险；降低了工作电压，减少了功耗；向下软件兼容并行ATA，横向兼容SAS协议。
1.3 SATA2.5协议的体系结构
SATA2.5采用四层结构：应用层、传输层、链接层和物理层。其中，应用层负责所有ATA命令的执行，包括对控制命令模块寄存器的访问；传输层负责在主机和硬盘设备之间以帧信息结构（FIS）的形式传输控制命令和数据；链接层负责对数据进行8/10编解码，根据需要从结构帧中提取有效数据，或者将控制字插入到结构帧当中；物理层负责在串行数据线上传输已编码的数据。
2 Virtex-5 FPGA芯片简介[2]
Virtex-5系列FPGA芯片[2]是Xilinx公司最新推出的高端产品，它采用65纳米工艺，1.0V核电压，具有灵活的时钟管理模块，100Mb/s～3.2Gb/s的串行连接" title="串行连接">串行连接功能，550MHz的DSP硬核，内置36KB的块RAM， I/O引脚多达1 200个。目前，Virtex5系列FPGA有LX、LXT和SXT三款平台，分别面向高性能逻辑功能、高性能逻辑功能和高速串行连接，以及高速串行连接和DSP功能。
RocketIO GTP收发器是专门为Virtex-5 FPGA实现高速低功耗串行连接而设计的，具有高速、稳定的特点，可以实现PCI Express、FC、SATA等高速接口的物理层协议，而不用外置子板，从而节省了空间和成本。
3 SATA2.5协议在FPGA上的实现[3][4]
3.1 链接层在FPGA内的实现
链接层发送或者接收混合了控制原语" title="原语">原语的数据流，在数据传输过程中，CRC被加入或者提取出数据流，同时8b/10b编解码被执行。图1给出了链接层在FPGA内部的逻辑结构，左边与传输层相连，右边与物理层相连。
在核时钟域里，数据宽度是32位；而在PHY时钟域里，数据宽度是10位。在发送过程中，异步接口每四个PHY时钟发送一次双字，每个PHY时钟内一个8位数据块通过8b/10b编码器生成10位数据块，并被连续串行发送到物理层。接收过程刚好与此相反。原语是由双字组成的实体，用于控制和提供串行连接的状态。在FPGA内部，原语专门由原语发生器提供，主控制器根据上层命令控制原语的产生。CRC发生器多项式为：
FPGA内需设置一个线性循环移位寄存器（LFSR），在检验过程中与传输数据进行异或，LFSR内部多项式为：
3.2 传输层在FPGA内的实现
传输层在发送过程中将数据和控制信号打包为FIS，在接收过程中分解接收到的FIS。如图2所示，FPGA内部设置了一个FIFO，数据的接收和发送过程都通过同一个FIFO通道。Wishbone总线是一种片上系统互联规范，该规范给片内的各部分以及IP核之间的互联定义了一种通用的接口，由此提高了设计的可靠性和可移植性。图中的Wishbone从接口与应用层的Wishbone主接口通信，过程方便可靠。Shadow寄存器用于转送命令到设备端，或者记录设备端的状态。状态和控制寄存器包含了一系列的寄存器，用于控制接口并且检索接口状态信息。
3.3 SATA与XC5VLX30T的接口及仿真
3.3.1 GTP收发器简介[5]
GTP收发器是Virtex-5 LXT和SXT系列FPGA内高度可配置和高度集成的可编程逻辑资源。它支持包括SATA在内的许多高速串行接口，内部的电流模式逻辑(CML)驱动器和缓存器提供用户可配置的终端、电压摆幅和耦合，可编程的发送预加重和接收均衡使得信号完整性得到优化。此外它还集成了可选的8b/10b编码、逗号校准、信道绑定以及时钟校正模块。
以Virtex-5 LXT系列的XC5VLX30T为例，它具有四个独立的GTP模块，每个模块又分别包含了若干GTP驱动电压与参考电压引脚，一对低压差分" title="差分">差分串行时钟引脚，以及两对RocketIOTM低压差分串行引脚。
3.3.2 SATA接口信号定义
SATA接口数据线由7根信号线组成。在主机端，1至7号线依次为GND、Tx+、Tx-、GND、Rx+、Rx-和GND。其中，Tx+和Tx-组成低压差分发送信号对，分别与XC5VLX30T的MGTTXP和MGTTXN引脚相连；Rx+和Rx-组成低压差分接收信号对，分别与XC5VLX30T的MGTRXP和MGTRXN引脚相连。
3.3.3 SATA时钟电路及PCB仿真[6-8]
由于SATA的时钟频率和串行数据传输速率都很高，因此对信号的抗干扰能力的要求很高。为提高系统可靠性，需要对布线后的PCB板上SATA时钟信号和数据信号进行反复的仿真实验。下面以SATA时钟信号为例，进行PCB布线后仿真实验。
SATA2.5最高支持3.0Gb/s的传输速度，因此要求所选的晶振具有300MHz以上的低压差分时钟输出能力。IDT公司的ICS844071和ICS844031满足要求，前者的输出频率范围是62.5MHz～170MHz，后者的输出频率范围是245MHz～340MHz。两者在封装上完全兼容，用户可以根据设计的速度要求来选取。图3是SATA时钟接口电路图，其中SATA_CLK和
分别与XC5VLX30T 的GTP专用差分时钟输入引脚MGTREFCLKP和MGTREFCLKN相连。
利用844071_3v3.ibs及virtex5.ibs两个IBIS模型，在Hyperlynx7.5环境下对SATA差分时钟进行BoardSim差分眼图" title="眼图">眼图仿真。图4是在线长1.2in、线宽10mil、差分线距12mil、串行连接0.01μF电容以及端接100Ω电阻等条件下，考虑各种过孔、PCB板的整体分析等因素后的PRBS位模式仿真眼图。从图中可以看出，在100MHz频率条件下，眼图的睁开程度较大，符合GTP收发器的时钟眼图要求。
随着FPGA逻辑单元的不断增多、内存容量的不断增大、主频的不断提高，许多以前只能在专用芯片上才能实现的功能，现在都可以集成到一片FPGA内部来完成。例如围绕着一片Virtex-5 FXT可以搭建涵盖图像采集、显示、处理、存储、通信等功能的系统。SATA作为一项正蓬勃发展的存储技术，与FPGA技术结合之后可以极大地提高其本身的应用范围，特别是为一些脱离PC机的嵌入式系统实现高速、稳定、价格较低的存储功能提供一种新的有效途径。
参考文献
[1] SATA-IO.Serial ATA International Organization：Serial ATA Revision 2.5[Z].USA：SATA-IO，2005.
[2] Xilinx Inc.Virtex-5 User Guide[Z].USA：Xilinx Inc，2006.
[3] 徐光辉，程东旭，黄如.基于FPGA的嵌入式开发与应用[M].北京：电子工业出版社，2006.
[4] Wayne Wolf.FPGA-Based System Design[M].USA：Prentice Hall PTR，2005.
[5] Xilinx Inc.Virtex-5 RocketIO GTP Transceiver User Guide[Z].USA：Xilinx Inc，2006.
[6] IDT Inc.FemtoclockTM Crystal-to-LVDS Clock Generator ICS844071[Z].USA：IDT Inc，2006.
[7] Xilinx Inc.Virtex-5 PCB Designer′s Guide[Z].USA：Xilinx Inc，2006.
[8] 张海风.Hyperlynx仿真与PCB设计[M].北京：机械工业出版社，2005.