Разработка SATA - IO-link контроллера с программными интерфейсами Legacy и AHCI

1.

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.

2.

Развитие интерфейсов накопителей
IDE
SATA

3.

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

4.

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

5.

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.

6.

Схема функциональных уровней
стандарта SATA
-
Commands and Application ― верхний
уровень, обрабатывающий поступающие
команды,
работающий
с
памятью,
выставляющий прерывания и т.д.;
-
Serial
Digital
Transport
транспортный
Control
уровень
выполняет
преобразование
информации
―
контрольной
или
данных,
которые
необходимо передать, в пакеты\фреймы
(Frame Information Structure, FIS);
-
Serial Digital Link Layer ― реализует
протокол звена данных, кодировка 8\10b;
-
Serial
Physical
физический
передачу
Interface
уровень
и
Plant
―
отвечает
за
данных
по
прием
последовательному каналу;

7.

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

8.

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);

9.

Формат команды AHCI

10.

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

11.

Реализация
-
IO-link client ― модуль, отвечающий за
проведение транзакций на IO-link-интерфейсе;
-
SATA
―
IO-link
конфигурационное
Config
Space
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.

12.

Внутреннее устройство модуля SATA-port

13.

Автомат, реализующий DMA
транзакции на AHCI уровне

14.

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:

15.

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.

16.

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.

17.

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».

18.

Спасибо за внимание!