Разработка SATA-IO-link контроллера с программными

Выпускная квалификационная работа
Разработка SATA - IO-link
контроллера с программными
интерфейсами Legacy и AHCI
Студент:Белянин И.В., ФРТК, 713 гр.
Научный руководитель:Петраков П.Ю.
Развитие интерфейсов накопителей
IDE
SATA
Сравнение характеристик IDE и SATA
IDE

Максимальная пропускная
способность
133 МБ/с (UDMA-6)

Способ передачи данных
параллельный интерфейс

Кодировка
нет

Методы контроля ошибок
CRC

Метод подключения устройств
master/slave
SATA

Максимальная пропускная
способность
SATA I — 150 МБ/c, SATA II 300 МБ/c

Способ передачи данных
последовательный интерфейс

Кодировка
8/10b

Методы контроля ошибок
CRC & Scrambling

Метод подключения устройств
точка-точка
Постановка задачи
-
-
Разработать
универсальный
SATA-контроллер,
удовлетворяющий следующим требованиям:
поддержка программных интерфейсов Legacy и
AHCI
контроллер обязан полностью соответствовать
стандартам SATA v2.5 и AHCI v1.3
интерфейс внешнего взаимодействия IO-link
использование
физического
уровня
фирмы
«Synopsys»
надежная работа в режимах SATA I — 1.5 GHz и
SATA II — 3 GHz
Расположение контроллера в
структуре вычислительного
комплекса
Контроллер
может
располагаться
как
в
составе чипсета или
южного моста, так и
подключаться извне с
использованием
шин
PCI/PCI-X.
Схема функциональных уровней
стандарта SATA
-
-
Commands and Application ― верхний
уровень, обрабатывающий поступающие
команды,
работающий
с
памятью,
выставляющий прерывания и т.д.;
Serial Digital Transport Control ―
транспортный
уровень
преобразование
информации
или
выполняет
контрольной
данных,
которые
необходимо передать, в пакеты\фреймы
(Frame Information Structure, FIS);
-
Serial Digital Link Layer ― реализует
протокол звена данных, кодировка 8\10b;
-
Serial
Physical
Interface
Plant
―
физический уровень отвечает за передачу
и прием данных по последовательному
каналу;
Особенности интерфейса AHCI
- до 32-х портов
- 32-х, 64-х битная адресация
- отсутствие разделения накопителей на Master/Slave
- улучшенное управление питанием
- поддержка режима очередей (Native Queued Command)
- ступенчатая «раскрутка» диска
- Port Multiplier
Конфигурационное пространство AHCI
-
Конфигурационное
пространство
AHCI полностью совпадает с
конфигурационным
устройством
PCI контроллера.
Базовые адреса, расположенные в
конфигурационном пространстве:
один базовый адрес 24h (реализация
AHCI);
пять базовых адресов (интерфейс
Legacy);
Формат команды AHCI
Особенности реализации

поддержка команд с невыровненным адресом

поддержка режима передачи невыровненного количества слов

поддержка 4-х портов

32-х битная адресация

не реализована поддержка команд Native Queded Command

не поддерживается Port Multiplier
Реализация
-
IO-link client ― модуль, отвечающий за
проведение транзакций на IO-link-интерфейсе;
SATA ― IO-link Config Space ―
конфигурационное
пространство
(набор
управляющих регистров) совпадающее с
PCI Config Space;
-
DMA Arbiter ― модуль, обеспечивающий
арбитраж сигналов с разных портов;
-
AHCI HCSM (AHCI HBA Controller State
Machine)
―
модуль,
определяющий
внешнее поведение контроллера в режиме
AHCI, содержит в себе такие опции как
глобальный reset, бит AHCI enable, а также
набор регистров отвечающих за поведение
устройства;
-
SATA Port ― модуль, включающий в себя,
модули отвечающие за обработку данных и
общение с диском, самая объемная часть
контроллера. К порту через SATA кабель
подключается накопитель данных.
Внутреннее устройство модуля SATA-port
Автомат, реализующий DMA
транзакции на AHCI уровне
Моделирование
Пример выполнения команды на уровне Commands & Application с интерфейсом AHCI
-
Порядок выполнения теста:
инициализация диска(OOB sequence);
выполнение команды записи данных на диск по определенному адресу;
выполнение команды чтения данных с диска по тому же адресу;
cравнение данных в памяти;
смещение адреса и данных на фиксированную величину и повторение команды:
Отладка на макете
Из-за отсутствия тестового стенда с
интерфейсом был использован PCI-интерфейс.
-
IO-link
Использованное тестовое оборудование:
ВК на основе микропроцессора МЦСТ «R150»
набор тестов, входящих в состав boot
макетная плата (4 разъема SATA, ПЛИС Xilinx Virtex-5,
SATA phy layer GTP-Dual Transceiver, 1 PCI разъем)
логический анализатор ПО ChipScope Analyzer
Принцип тестирования совпадает с уже использованным
при моделировании.
Пример диаграммы, полученной с помощью логического
анализатора
Начальный момент процедуры OOB Sequence:
-контроллер передает диску последовательность сигналов COM_RESET;
-ожидание ответной последовательности сигналов COM_INIT;
-обмен последовательностями сигналов COM_WAKE;
-контроллер передает диску фиксированные данные;
-если диск отвечает, что данные приняты верно, то определение диска и
подстройка частоты прошла успешно.
Результаты:
- разработано RTL-описание универсального SATA- IO-link контроллера с
интерфейсами Legacy и AHCI;
- получен макет контроллера с PCI-интерфейсом;
- собран тестовый стенд и успешно проведены имеющиеся тесты
контроллера в составе стенда с использованием реальных SATA дисков
фирмы Maxtor
Перспективы:
проведение более сложных тестов, включающих загрузку
операционной системы с диска и имитацию работы пользователя.
реализация функции Native Queded Command
проведение отладки устройства на тестовом стенде с IO-linkинтерфейсом.
В конечном итоге данный контроллер будет реализован на кристалле в
составе южного моста, разработанного компанией ЗАО «МЦСТ».
Спасибо за внимание!