固态硬盘中SATA接口控制器命令层的设计及验证

摘要

随着大数据时代的到来，传统的机械硬盘受限于其机械特性，在稳定性、抗震性方面的缺陷，已经无法满足用户的需求，人们迫切需要一种新的存储设备来替代传统的机械硬盘。固态硬盘(SolidStateDisk)，正是这样一种新兴的存储设备，其高速的传输速率，在抗震性、稳定性方面的优势，立刻使其成为人们关注的重点。而固态硬盘所使用的接口通常为SATA接口。
　　SATA接口是一种高速串行通信总线，其传输速率最高可达600MB/sec，支持热插拔、支持NCQ命令的特性，使其取代了PATA接口，成为市场上的主流接口。目前，国内在这个领域中还处于研发的初始阶段，市场上尚无成熟的产品，因此本课题选择研究具有自主产权的SATAIP，具有非常重要的意义。
　　本课题首先介绍了课题研究的背景，然后分析了SATA协议，包括物理层、链路层、传输层、命令层，其中命令层是本课题研究的重点。在掌握协议的基础上，提出了命令层的设计架构，对设计的命令层控制模块、数据传输控制模块进行了详细说明。在对性能仿真进行分析之后，提出了一种流水线执行NCQ命令的设计，可以节约软硬件交互的时间，大大提高了NCQ命令的执行效率。
　　对于整个SATA设计的验证，是本文的另一个重点。本课题分析并选择了UVM验证方法学来构建SATA验证环境，完成了UVM验证平台的搭建，实现了大规模随机验证，达到了验证的目标。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1．课题研究背景

1．1．1．固态硬盘简介

1．1．2．硬盘接口技术的概述

1．1．3．SATA接口的发展过程

1．1．4．SATA接口的研究现状

1．2．主要研究工作

1．3．论文组织及内容安排

1．4．本章小结

2．SATA3的协议分析

2．1．SATA体系架构

2．2．物理层分析

2．2．1．物理层功能

2．2．2．带外信号

2．2．3．建立链接的流程

2．3．链路层分析

2．3．1．8b／10b编码

2．3．2．原语

2．3．3．链路层CRC校验

2．3．4．扰码

2．4．传输层分析

2．4．1．FIS

2．5．命令层分析

2．5．1 NON_DATA命令

2．5．2．PIO命令

2．5．3．DMA命令

2．5．4．NCQ命令

2．6．本章小结

3．SATA命令层的设计与实现

3．1．命令层总体设计架构

3．2．数据传输控制模块的设计与实现

3．3．命令层控制模块的设计与实现

3．3．1．PIO读命令状态机

3．3．2．PIO写命令状态机

3．3．3．DMA读命令状态机

3．3．4．DMA写命令状态机

3．3．5．NCQ接收命令状态机

3．3．6．NCQ读命令执行状态机

3．3．7．NCQ写命令执行状态机

3．4．本章小结

4．基于UVM的SATA验证平台的设计与实现

4．1．UVM验证方法学

4．2．SATA验证平台架构

4．2．1．AHB_Agent

4．2．2．Memory_Agent

4．2．3．AXI_Agent

4．2．4．CR_Agent

4．3．SATA验证激励

4．3．1．AXI_Control_sequence

4．3．2．PRD_Create_sequence

4．4．UVM验证结果分析

4．5．本章小结

5．FPGA验证

5．1．FPGA验证架构

5．2．测试结果分析

5．2．1．PIO读命令测试

5．2．2．PIO写命令测试

5．2．3．DMA读命令测试

5．2．4．DMA写命令测试

5．2．5．NCQ读命令测试

5．2．6．NCQ写命令测试

5．3．本章小结

6．总结与展望

致谢

参考文献