基于SATA 2.0接口的固态硬盘控制器的设计与实现

发布时间：2017-08-28 01:46

  本文关键词：基于SATA 2.0接口的固态硬盘控制器的设计与实现

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【摘要】：存储技术作为计算机系统的重要组成部分，极大地影响着其整体性能。随着大数据时代的来临，传统数据存储设备已经无法满足海量数据处理和存储的应用需求。相比于机械硬盘，固态硬盘作为一种新兴的存储设备，具有数据传输速率高、抗震性好、稳定性强等诸多特点，受到了越来越多的青睐。同样作为新一代硬盘接口规范的SATA接口，采用串行连接方式有效解决了信号之间干扰的问题，凭借着接口速率快、纠错能力强、物理接口简单和支持热插拔等优势，已经成为市场上主流的硬盘接口标准。目前，多家国外厂商已经相继推出了SATA标准接口的固态硬盘，处于垄断地位；而国内在该领域尚处于起步阶段。因此，研究基于SATA标准接口的固态硬盘控制器具有十分重要的意义。 本文首先简要介绍了存储技术和SATA标准接口的发展历程以及SATA接口技术的国内外研究现状。重点研究SATA2.0标准协议，分别从物理层、数据链路层、传输层、命令层和应用层五个部分进行了深入的分析，包括物理链路的建立、OOB信号的交互、数据编解码方式、FIS的封装、ATA命令的解析等操作。然后，参考SATA2.0标准协议，利用Xilinx公司的Kintex-7FPGAKC705评估套件作为开发平台，提出了一个固态硬盘控制器IP核的设计方案。详细介绍了该IP核的总体设计、每一层的功能模块划分以及它们具体的实现方法。最后，采用ChipScope在线调试工具配合测试逻辑对固态硬盘控制器的功能进行测试，并详细分析了测试结果。 最终测试结果表明，该固态硬盘控制器工作正常，能够实现读写、识别等操作，数据传输速度可达200MB/s，，具有较好的可移植性和一定的应用价值。
【关键词】：数据存储 SATA接口 固态硬盘 FPGA
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP333.35
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 1 绪论11-17
• 1.1 课题研究背景和意义11-13
• 1.1.1 存储技术发展11-13
• 1.1.2 FPGA技术在数据存储领域的应用13
• 1.2 国内外研究现状13-16
• 1.3 主要研究工作16
• 1.4 论文组织安排16-17
• 2 SATA2.0 标准协议分析17-44
• 2.1 SATA标准协议概述17-20
• 2.1.1 SATA标准协议发展17-18
• 2.1.2 SATA标准接口电气特性18-19
• 2.1.3 SATA2.0标准协议体系结构19-20
• 2.2 物理层20-26
• 2.2.1 物理层内部结构21-22
• 2.2.2 OOB信号22-23
• 2.2.3 物理层初始化过程23-26
• 2.3 数据链路层26-34
• 2.3.1 8B/10B编码27-30
• 2.3.2 帧和原语30-32
• 2.3.3 CRC校验32-33
• 2.3.4 扰码33-34
• 2.4 传输层34-39
• 2.4.1 帧信息结构的类型和功能35-39
• 2.5 命令层39-42
• 2.6 应用层42-43
• 2.7 本章小结43-44
• 3 固态硬盘控制器设计与实现44-89
• 3.1 固态硬盘控制器总体设计44
• 3.2 开发平台44-46
• 3.3 物理层的设计与实现46-52
• 3.3.1 物理层功能模块设计46-48
• 3.3.2 高速串口IP设计48-49
• 3.3.3 时钟与复位模块设计49-50
• 3.3.4 物理层初始化状态机50-52
• 3.4 数据链路层的设计与实现52-68
• 3.4.1 数据链路层功能模块设计52-54
• 3.4.2 数据链路层状态机54-59
• 3.4.3 通用同步FIFO设计59-63
• 3.4.4 32位并行CRC校验模块设计63
• 3.4.5 32位并行扰码模块设计63
• 3.4.6 原语发送与解析模块设计63-66
• 3.4.7 接收数据同步66-67
• 3.4.8 自动复位67-68
• 3.5 传输层的设计与实现68-84
• 3.5.1 传输层功能模块设计68-71
• 3.5.2 传输层状态机71-77
• 3.5.3 FIS发送和接收模块设计77-78
• 3.5.4 错误处理78-82
• 3.5.5 命令流程82-84
• 3.6 命令层的设计与实现84-88
• 3.6.1 命令层功能模块设计84-85
• 3.6.2 命令层状态机85-87
• 3.6.3 错误处理87-88
• 3.7 本章小结88-89
• 4 固态硬盘控制器测试与结果分析89-101
• 4.1 测试原理89-90
• 4.2 测试平台90-91
• 4.3 测试用例91-93
• 4.4 整体测试与结果分析93-100
• 4.5 本章小结100-101
• 5 总结与展望101-103
• 5.1 总结101-102
• 5.2 展望102-103
• 参考文献103-105
• 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果105-106
• 致谢106-107

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 申慧军;;SATA高速串行总线8B/10B编解码模块设计新方法[J];广东通信技术;2009年02期

2 甲天下;;硬盘发展史(下)[J];大众硬件;2008年09期

3 吴敌;;硬盘志[J];个人电脑;2006年06期

4 欧阳科文;黎福海;唐纯杰;;基于RocketIO的SATA物理层高速串行传输实现[J];计算机测量与控制;2009年05期

本文编号：746818