基于SATA3.0協(xié)議的數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)的研究

摘 要：隨著綜合化航空電子技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)集成度的提高，針對海量數(shù)據(jù)的存儲方法提出了新的要求，高速存儲、信號抗干擾、支持熱插拔等特點使SATA控制器的應(yīng)用得到了發(fā)展，本文通過對SATA3.0協(xié)議的在某系統(tǒng)中的應(yīng)用的描述，詳細(xì)介紹了SATA控制器控制原理、比較了SATA控制器與其他控制器的區(qū)別；

關(guān)鍵詞：SATA；FIS；海量數(shù)據(jù)存儲

數(shù)字電子地圖在航空電子系統(tǒng)中的應(yīng)用，使得原有的IDE設(shè)備已滿足不了高分辨率、高幀頻、數(shù)據(jù)量巨大的航拍圖像信息的實時存儲，基于SATA3.0協(xié)議的SATA電子盤的理論數(shù)據(jù)傳輸速率峰值可達(dá)到600MB/S，工業(yè)級的標(biāo)準(zhǔn)SATA電子盤的容量以突破500GB，這種高吞吐量，海量數(shù)據(jù)存儲的優(yōu)勢，使得帶有SATA控制器的電子盤將高幀頻，大陣列的數(shù)字航拍圖得到了實時的存儲。而傳統(tǒng)的機械型ATA電子盤的傳輸速率僅有3.3MB/S。已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足新一代航空電子對數(shù)據(jù)高速處理的要求。

一、SATA協(xié)議

SATA（Serial Advanced Technology Attachment）設(shè)備是一種高速的串行通信的大容量電子盤的控制器，可作為并行總線的大容量電子盤替代裝置。通過8b/10b的比特解碼技術(shù)保障了串行連接的高速性。

SATA體系結(jié)構(gòu)從上到下一共分為四層，應(yīng)用層、傳輸層、鏈接層、物理層。應(yīng)用層負(fù)責(zé)執(zhí)行ATA規(guī)范的命令。傳輸層負(fù)責(zé)在活存中按照AHCI協(xié)議規(guī)定的格式組織命令和通信數(shù)據(jù)包的格式，HBA（hostbus adapter）通過PCI總線將命令包和數(shù)據(jù)包發(fā)送到ATA設(shè)備。鏈接層負(fù)責(zé)接收傳輸層發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，并以流的形式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锢韺印Ｎ锢韺迂?fù)責(zé)在總線上以串行數(shù)據(jù)流的形式接收解碼后的數(shù)據(jù)。

物理層：物理層決定了SATA控制器的電器特性，本設(shè)計采用Intel公司的工業(yè)檔SATA控制器。

鏈路層：和傳輸層進(jìn)行命令交換時，鏈路層不關(guān)心數(shù)據(jù)包的格式。鏈路層提供以下服務(wù)：提供協(xié)商機制，仲裁主機和設(shè)備的命令沖突。為數(shù)據(jù)加上包頭和包尾標(biāo)記，使數(shù)據(jù)以包頭+幀數(shù)據(jù)+包尾的形式存在。然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗，并自動將校驗碼添加到包尾，將整包數(shù)據(jù)同擾碼值異或后再發(fā)送給物理層。和物理層進(jìn)行命令交互時，鏈路層提供以下服務(wù)：刷新鏈路狀態(tài)，通知數(shù)據(jù)FIFO準(zhǔn)備接收，然后接收物理層解碼后的數(shù)據(jù)，刪除包頭和包尾后對數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗，對收到的數(shù)據(jù)的CRC碼同計算出來的CRC校驗進(jìn)行比對，對錯誤數(shù)據(jù)進(jìn)行丟包處理。

傳輸層：定義了一系列FIS（Frame Information Structure），構(gòu)造/解析特定類型的FIS的流程。描述主機和設(shè)備間交互的基本結(jié)構(gòu)，主機和設(shè)備會隨收到的FIS發(fā)生狀態(tài)遷移。

命令與應(yīng)用層：應(yīng)用層定義了一系列SATA設(shè)備的附加特性。

二、命令的分發(fā)及處理

控制器主機中保存了一組設(shè)備寄存器的映射，稱為Shadow Register Block（SRB），軟件將數(shù)據(jù)讀寫命令寫入主機的SRB， 再發(fā)送給設(shè)備若設(shè)備寄存器的值被修改，則也通過FIS傳給主機更新其SRB。具體的命令及數(shù)據(jù)控制流見圖1。

三、系統(tǒng)狀態(tài)機

DMA In/Out命令采用同步方式執(zhí)行，即設(shè)備收到命令后，即刻開始執(zhí)行，主機在該命令執(zhí)行結(jié)束前不能再向設(shè)備發(fā)送命令命令采用異步執(zhí)行的方式，將命令的提交與執(zhí)行分開執(zhí)行。

在設(shè)備端：響應(yīng)命令A(yù)的準(zhǔn)備工作完畢構(gòu)造一個DMA Setup FIS，包含命令A(yù)的DMA Buffer Identifier發(fā)送FIS給主機。

在主機端：收到一個DMA Setup FIS根據(jù)DMA Buffer Identifier找到內(nèi)存空間，此內(nèi)存空間中接收/發(fā)送的數(shù)據(jù)。

當(dāng)設(shè)備接收到

這三種命令時，僅將命令入隊后即返回空閑態(tài)，準(zhǔn)備接收下一個命令。

一旦啟動命令執(zhí)行，當(dāng)命令隊列不為空，且運行命令所需的條件已具備時，設(shè)備即進(jìn)入相應(yīng)的命令處理階段。

設(shè)備可以自行決定命令執(zhí)行順序，不必保證命令的執(zhí)行順序與提交順序一致。

例如：命令1，2，3分別要讀取位于磁道1、5、3上的數(shù)據(jù)，則磁頭尋道軌跡：

四、結(jié)語

總的來說，隨著大容量存儲技術(shù)的發(fā)展，不僅僅帶動了存儲容量本身的提升，也帶動了數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議的完善，數(shù)據(jù)安全性的提升，從PATA到SATA，再到SATAII。相信將來，數(shù)據(jù)存儲設(shè)備及其接口標(biāo)準(zhǔn)還會繼續(xù)向著更穩(wěn)定、高效方向發(fā)展。

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基金項目：國家重大專項資助項目（2012ZX01041-006）

作者簡介：

霍峰，男，遼寧鐵嶺人，研究方向為嵌入式軟件開發(fā)技術(shù)。