固态硬盘的SATA接口设计

发布时间：2020-05-24 02:22

【摘要】： 固态硬盘(Solid State Disk)是一种新型的硬盘存储设备,与传统的磁记录硬盘相比,具有数据传输率高、能耗低、抗震性好等优点,在高端存储应用中市场潜力巨大。由于固态硬盘采用的是半导体存储介质,不再含有机械部件,其数据读写速度得以显著提升。采用串行高级技术附件协议(Serial Advanced Technology Attachmet, SATA)的接口标准,将使固态硬盘的接口速度在ATA协议的基础上大幅提升。虽然目前SATA接口有着广泛应用,但国内对此方向的研究成果甚少,尚无发现自主研发的SATA接口芯片。 详细分析了SATA协议规范,分层阐述了协议的主要功能,阐述了硬件设计方法及相应的硬件开发环境,给出了固态硬盘接口体系结构。根据SATA协议数据传输流程进行了层次性功能模块和主控模块划分,进而对主控模块中的物理层初始化状态机、链路层传输控制状态机及循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check, CRC)、数据扰频、带外信号信号等功能模块进行了设计和实现。对SATA协议传输层主要的数据传输模式PIO(Programming Input/Output)传输与DMA(Direct Memory Access)传输进行了分析与设计,阐述了SATA协议双方进行数据传输的交互过程。 对实现的SATA协议各层主要功能进行了仿真验证与结果分析,针对SATA物理层进行了板级调试验证,对验证结果进行了理论分析并提出了改进方法。通过对接口进行设计优化,节省了FPGA(Field Programmable Gate Array)芯片门阵列资源,加快了数据传输进程,提高了接口数据传输速度。
【图文】：

.1 ATA 协议分析随着数据传输速率的提升，并行 ATA 传输技术的各种问题如信号扭、设备寻址能力有限等都已成为提高协议数据传输效率的主要障碍，，因进行串行传输成为一种选择[22]。在 2001 年 8 月，Seagate 公司在 IDF F会上宣布 SerialATA1.0 标准，SerialATA 规范正式确立，协议规定数据论值为 150MB/s，大大高于并行 ATA 协议[23]。随着 SATA II 及 SATA 准陆续制定，其接口数据传输速率可提高到 300MB/s 甚至 600MB/s。在进行串行数据传输时，SATA 接口只有 7 根针脚线：4 根差分信号地线，它们的主要作用分别是提供电源，接地，数据发送和接收功能，数据线，一个输入一个输出，数据采用共模差分信号进行传输[24]，SA规范示例如图 2.2 所示。这样的结构也能够降低数据传输的功耗，提高过程的稳定性。

SATA 物理层的主要任务是完成串并数据之间的转换，并将数字逻辑信号驱动为差分物理信号，对接收数据进行采样得到相应的时钟信号，通过带外信号完成设备的上电初始化进程，SATA 协议中规定的物理层接口逻辑图如图 2.4 所示：图 2.4 SATA 物理层接口逻辑图由图 2.4 可知，当 SATA 物理层接口进行数据传输时，串行数据传输链路中没有提供必要的时钟信号，物理层数据接收模块在进行接收数据高低电平的检测时没有可参考的时钟信号。为解决此问题，SATA 协议规定数据传输使用 8b/10b编码机制，利用数据冗余信息向物理层接收器提供数据检测时钟信号。另外，为了增强 SATA 接口设备的扩展能力以及响应能力，协议还定义了特殊信号带外信号（Out Of Band）以协助物理层进行上电初始化和复位操作。。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP333.35

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本文编号：2678309