[发明专利]一种基于FPGA夹层板的SATA主控器

说明书

技术领域

本发明涉及符合串行高级技术附件(Serial Advanced Technology Attachment,SATA)接口规范的主控器实现，将大规模现场可编程门阵列(Field Programable Gate Array，FPGA)作为实现平台，实现SATA接口标准，控制和管理符合SATA接口存储设备的数据写入和读出。

背景技术

计算机在对数据进行高速采集时，需要通过各种接口与硬盘之间进行命令和数据的传输，其中高级技术附件规范(Advanced Technology Attachment,ATA)是最常见的一种接口。ATA是指计算机与硬盘连接的接口规范，其特征包括价格低廉，兼容性强，拥有较出色的数据传输性能。1990年至2002年之间，ATA经历了从ATA-1到ATA-7共7代标准，传输速率从4.16Mbps增长到133Mbps。但发展到ATA-6时，电缆属性、连接器和信号协议方面出现的技术约束限制了ATA技术的发展，从而产生了对新型接口标准的需求。

SATA即串行高级技术附件规范Serial ATA，与并行的ATA接口标准完全不同，这种接口以连续串行的方式传送数据，在同一时间点内仅传输1位数据。这种串行接口技术将提供比并行接口技术更高的传输速率，同时还降低了电力消耗，减小了发热量。

SATA协议与网络七层协议类似，同样按照层的概念进行划分。根据不同的功能，协议总体结构从下至上可以划分成物理层、链路层、传输层和应用层。SATA基本的传输单元为帧，最大长度为2049个Dword(Double word)。SATA作为一种串行接口，采用点到点的方式传输数据，以传输速度快、支持热插拔、内置数据/命令校验单元等特性广泛应用于机械硬盘和固态硬盘上。

与并行ATA相比，SATA具有很多方面的优势：

1.数据传输速率更快。ATA-7的理论最大速度为133Mbps，而SATA传输速率已由SATA1.0的1.5Gbps提高到了SATA3.0的6Gbps，远高于并行ATA接口的数据传输速率。

2.数据传输精度更高。ATA-3标志使用了循环冗余码校验(Cyclic Redundancy Check，CRC)的数据包出错检测机制。针对在传输过程中帧可能发生错误的情况，SATA协议加强了CRC对帧的检测，提高了数据传输精度。同时，SATA协议还支持原生命令队列(Native Command Queuing，NCQ)技术，当用户程序发送多条指令到硬盘时，这些指令执行顺序运用NCQ技术给出的相应算法进行优化后，执行效率提高，从而使硬盘工作的负荷控制在合理的范围内。

3.SATA接口具有热插拔的特点，使得SATA接口硬盘使用起来更加方便快捷，可以作为移动硬盘使用，尤其是在需要连续工作和高数据交互的金融企业级应用场景下，SATA接口比并行ATA具有更大的优势。

4.SATA接口支持多硬盘连接，一个FMC子卡具有10个SATA卡槽，可以插入10个SATA硬盘。SATA接口的这种特性使一个工作系统主机可与多个硬盘进行信息交互。

本发明针对SATA 3.0协议，提出了一种精简SATA主控器结构，大大降低了硬件实现的资源消耗，有利于FPGA或者ASIC实现。

本发明所涉及的SATA主控器全部用硬件逻辑实现，无需任何嵌入式处理器的参与，用户侧只需要配置简单的时间参数和命令即可完成SATA硬盘的读写操作，大大简化了实现复杂度和使用成本，使得本发明更易于系统集成。

针对数据采集的特殊应用场景，本发明对SATA硬盘数据加入时间戳的属性，使得数据与时间具有一一对应关系，更方便多点采集数据的后期处理。

发明内容

本发明的目的：除了解决传统ATA接口在数据高速采集时存在的缺陷外，还针对一般SATA接口资源消耗高、实现程度复杂、使用成本高等不足之处，提出了一种精简的主控器结构，不但降低资源消耗，有利于FPGA或ASIC的实现，还全部采用硬件逻辑，降低实现的复杂程度和使用成本。同时，针对数据采集的特殊应用场景，对SATA硬盘数据加入时间戳，更方便于多点采集数据的后期处理。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:一种基于FPGA夹层板的SATA主控器，总体框架如图1所示，主要包括：