基于FPGA的SATA2.0加密桥控制器的设计与研究

发布时间：2020-08-25 10:21

【摘要】： SATA是一种高速的串行总线,采用点对点方式进行数据传输,内置数据/命令校验单元,支持热插拔,具有150MB/s(SATA1.0)或300MB/s(SATA2.0)传输速度。目前SATA2.0应用广泛,相较于SATA1.0还支持NCQ(原生命令队列)、端口多路器(Port Multiplier)、交错启动(Staggered Spin_up)、热插拔等一系列的功能。随着我国信息化发展进程加快,信息化覆盖面扩大,信息安全问题也随之增多,数据存储和保护的需求与日俱增。基于硬件的加密方式因其速度快、密钥保存方式安全可靠等优点,逐渐成为存储数据加密的发展趋势。本文将硬盘数据加密和SATA2.0接口相结合进行研究,并基于FPGA实现了带有SATA2.0接口的硬盘加密桥IP,对于研究硬盘高速串行接口的加密桥具有重要的价值。本文分析了PATA和SATA两种协议之间的差异,深入研究了SATA2.0协议和ATA/ATAPI-6指令集,包括物理层、链路层、传输层和应用层分析。阐述了Xilinx公司的Virtex-5 ? GTP的结构框图以及其工作原理。重点研究了SATA2.0加密桥接口IP的系统设计,分析了加密桥的原语传输方式和帧传输方式等。详细介绍了SATA2.0加密桥接口的系统中各个单元的工作原理,阐述了在实现过程中应注意的要点。设计SATA加密桥控制器IP,依照设计流程,规划硬件功能,制定接口信号和相关时序,再利用硬件描述语言编写代码描述电路,通过验证保证描述电路功能符合协议要求。设计电路时不仅要考虑面积与功耗影响,更重要的是保证设计完全正确。很多指导性原理和经验可作为设计参考,从源头增强设计鲁棒性。其次对设计进行充分验证也是保障的必要手段之一。因此,本文还介绍了系统验证。加密桥控制器IP在Xilinx公司的Virtex-5? FPGA上工作正常,性能良好,已达到设计的性能指标。本文对于SATA2.0加密桥控制器的研究具有一定的工程设计参考价值。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP336
【图文】：

总线,串行传输

7图2-3 SATA 总线PATA 总线接口速度达到 100MB/s 和 133MB/s 的时候，并行信号之间的干扰非常严重。如果继续在并行传输技术上进行相应改进，已经无法解决此类问题。当工作频率越来越高时，串行传输方式成为一种人们的选择，SATA 总线就是串行传输方式中目前广泛采用的一种形式。SATA 总线采用串行传输方式，只有两根数

过程图,物理层,过程,链路层

说明已经建立好连接，发送 SYNC 原语；(9) 进行三次非 ALIGN 的数据通信之后，表明已经建立了正常的连接。图2-8 物理层上电过程2.3.2 链路层2.3.2.1 基本功能链路层是根据传输层的指示控制传输帧和交互原语，以及接收帧和原语转换为指示信号告知传输层。当链路层收到传输层的要求传输一帧的请求或者收到来自物理层的数据时，链路层会提供以下功能：与对应链路层协议好传输一帧，并仲裁主机和设备的优先级；确认对应链路层已经准备好接收；接收到来自对应链路层的帧接收应答；在传输层要求传输的数据加上帧的外壳部分；在接收方去除接收到物理层数据的帧的外壳部分；以双字Dwords的形式接收来自传输层的数据；以编码后的字符形式接收来自物理层的数据；计算数据的 CRC 校验值；收发帧；根据 FIFO 的数据缓存器或者对应链路层的请求进行帧流量的控制；告知传输层传输正确或者链路层/物理层的错误；进行 8b/10b 编解码；对数据信息进行加解扰。

框图,单元结构,框图,状态机

[14]。图3-9 物理层接口单元结构框图3.5.2 OOB 控制单元OOB 控制单元主要根据 SATA 协议中物理层状态机而进行设计，主要完成对于 OOB 信号的生成和检测，并完成物理层的链接过程。图 3-10 是参考设计中主机 OOB 控制器的状态机，完成初始化 OOB 握手过程，其中的超时限制遵循 SATA协议。整个过程主要通过 OOB 信号的发送和检测，D10.2 数据的发送，ALIGN 检测和发送，最后 SYNC 的检测直到链接成功。具体的实现过程可以参考第 2.3.1.4节。

【引证文献】