基于FPGA的SATA控制器的實現分析根據SATAⅡ協議與SATAⅢ協議的不同，分別從物理層、鏈路層和傳輸層詳細討論了基于FPGA的SATAⅢ協議的實現，成功實現了控制器與支持SATAⅢ協議的SSD硬盤之間的通信。隨著硬盤技術的發展，硬盤容量變得越來越大，接口傳輸速率越來越快。但是，隨著傳輸速率的提升，并行傳輸技術使得總線間的相互干擾越來越難以抑制，大幅上升的傳輸誤碼率導致經傳輸后的數據無法使用。當PATA總線的速率達到133MHz的時候，并行傳輸技術已無法抑制串擾帶來的誤碼，基于串行傳輸技術的SATA孕育而生，其所采用的高速差分傳輸技術從根本上解決了因串擾導致的傳輸誤碼問題。與PATA接口相比，SATA接口優勢明顯，其使用的接口針腳少，體積小，傳輸速率快，穩定性好，可靠性高，抗干擾能力強。2001年，Intel、DELL、Seagate等幾大廠商組成了SerialATA委員會，提出了第一代SATA標準，以取代PATA。SATAⅠ的傳輸速率可達150MBps，直接超越了當時傳輸速率最快的PATA。2005年，SerialATA委員會對SATAⅠ進行了改進，形成了第二代SATA標準，SATAⅡ的傳輸速率為SATAⅠ的兩倍，達到了300MBps。隨后SSD技術的飛速發展推動了串行傳輸技術的繼續前行，第三代SATA標準于2009年誕生，其傳輸速率為SATAⅠ的四倍，達到了600MBps，但還遠遠沒有達到串行傳輸技術的極限。隨著硬盤及計算機技術的發展，SATA標準還將得以延續［1］。1SATAⅢ協議的結構SATAⅢ協議的體系結構繼承了以前的SATA標準，分為物理層、鏈路層、傳輸層和應用層，其結構原理框圖如圖1所示。物理層實現高速串行信號的發送和接收，完成數據串并、并串轉換以及編解碼處理。鏈路層負責編碼幀數據，校驗數據，添加幀的邊界和流量控制。鏈路層只發送和接收幀，并不需要知道幀的內容。傳輸層是整個SATA協議的核心，負責把發送數據封裝成FIS（FrameInformationStructure）幀格式，把接收到的FIS幀去除封裝。應用層相當于人機交互界面，完成對SATA控制器的各種操作。2SATAⅢ控制器的設計實現2．1物理層設計根據SATAⅢ協議規范，物理層主要實現主機與設備的初始化和串行數據流的傳輸。本設計采用了Xilinx公司Virtex5系列的XC5VFX70T。該FPGA具有16個GTX，每個GTX的傳輸速率可達6．5Gbps。Virtex5系列下的所有具有RocketIO的FPGA均已完全支持SATAⅡ協議，但雖然FX系列FPGA的RocketIO傳輸速率能達到6Gbps，可仍不支持SATAⅢ協議規范［2］。本設計中物理層的重點是：設計SATAⅢ協議的OOB（OutOfBand）信號傳輸時序，以滿足協議規范中的要求，從而實現鏈路雙方的握手。3個OOB信號的時序圖如圖2所示。Gbps的傳輸速率，可根據協議描述設計初始化狀態機，控制GTXCore中與OOB相關的信號，即可完成主機與設備的初始化。但是，當RocketIO的傳輸時鐘達到3GHz時（即雙沿6Gbps傳輸速率），圖2中T1和T3將由106．7ns縮短為53.3ns，而T2也將由為320ns縮短為160ns。這樣導致初始化數據段周期錯誤，無法完成主機與設備之間的初始化。為了滿足規范中OOB信號的時序要求，本文中重新設計OOB產生信號，通過手動控制OOB信號的產生，按周期連續產生不少于6個周期的OOB信號。這樣，雖然T1仍保持為53.3ns，但T2和T3的時間間隔可以手動調節，本設計中將其分別擴展為373.3ns和160ns，以保證空閑段周期的正確性，從而完成主機與設備的正常初始化。圖3為chipscope抓取的物理層初始化信號圖。以上方法通過增加T2和T3的時長來保持OOB信號的周期恒定不變，以滿足SATAⅢ協議規范中的定義。考慮到OOB信號的數據容差較大，本文也實驗了保持T3為106.7ns、T