基于FPGA的SATAⅡ设备接口控制器设计及实现

论文摘要

硬盘接口是计算机系统的一个重要组成部分。随着用户对计算机数据处理速度和读写速度要求的提高,传统的PATA硬盘接口开始暴露出数据传输速度以及数据完整性方面的不足。SATA是一种典型的高速串行通信总线,作为PATA的替代方案,SATA具有优异的电气特性和数据传输速度。SATA接口方案提供了诸多的扩展功能,已经成为市场上主流的硬盘接口总线标准。目前多家国内外知名公司及科研机构对SATA总线投入了巨大精力并相继开发出多款SATA2.0接口控制器IP,获得了极大的社会效益和经济效益。课题以Serial ATA2.5 Golden Specifiction为指导标准,提出了一种全新的SATA II设备接口控制器的核心设计方案。本设计分为物理层、链路层、传输层、应用层,并辅以应用测试接口,完全使用数字逻辑实现SATA II接口的主要功能。本文首先介绍了课题的研究背景、设计目标以及设计难点,继而在SATA2.0协议及硬盘启动技术的基础上对项目设计思路以及系统各模块的功能进行了总体阐述,之后对本人所负责的物理层控制模块、命令层模块以及应用测试接口模块的具体设计和实现进行了详细说明,最后给出了系统的验证与测试方案,并对仿真验证结果以及系统测试结果进行了分析。本设计支持3 Gbps的数据传输速度,提供CRC校验和错误处理功能,支持格式化,数据传输等操作。通过在Xilinx Virtex5 XC5VLX50T FPGA平台上的实际测试,本设计的传输速度已基本达到了商用机械硬盘的速度标准,满足SATA2.0协议的速度和功能要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 课题的设计目标及难点
• 1.3 论文主要工作及体系结构
• 第二章 SATA Ⅱ 协议简述
• 2.1 SATA Ⅱ 协议
• 2.2 物理层
• 2.2.1 物理层结构
• 2.2.2 物理层交互过程
• 2.3 链路层
• 2.3.1 原语
• 2.3.2 8b/10b 编码及转换
• 2.3.3 扰码
• 2.3.4 CRC 计算与校验
• 2.4 传输层
• 2.4.1 帧信息结构（FIS）
• 2.4.2 流控机制
• 2.5 设备命令层
• 2.6 应用层
• 2.7 本章小结
• 第三章 SATA Ⅱ 设备端接口控制器总体设计
• 3.1 系统设计思想
• 3.2 系统总体设计
• 3.2.1 物理层控制模块
• 3.2.2 数据链路层模块
• 3.2.3 传输层模块
• 3.2.4 命令层与应用层模块
• 3.2.5 应用接口模块
• 3.3 接口说明
• 3.3.1 SAPIS 接口
• 3.3.2 DDR2 SDRAM 接口
• 3.4 本章小结
• 第四章 物理层控制模块设计
• 4.1 RocketIO GTP
• 4.1.1 RocketIO GTP 结构介绍
• 4.1.2 RocketIO GTP 的配置与使用
• 4.2 物理层控制模块设计
• 4.2.1 物理层控制模块设计
• 4.2.2 时钟与复位控制模块设计
• 4.3 本章小结
• 第五章 命令层模块设计
• 5.1 命令层工作原理
• 5.2 命令层机制
• 5.2.1 非数据命令机制
• 5.2.2 PIO 命令机制
• 5.2.3 DMA 命令机制
• 5.3 命令层控制器设计
• 5.4 ATA 寄存器组模块设计
• 5.4.1 STATUS 寄存器
• 5.4.2 COMMAND 寄存器
• 5.4.3 DEVICE 寄存器
• 5.4.4 ERROR 寄存器
• 5.4.5 ALTERNATE STATUS 寄存器
• 5.4.6 FEATURE 寄存器
• 5.4.7 SECTOR COUNT 寄存器
• 5.4.8 LBA 寄存器
• 5.4.9 DEVICE CONTROL 寄存器
• 5.5 本章小结
• 第六章 应用测试接口模块设计
• 6.1 应用测试接口模块功能
• 6.2 硬盘启动引导过程介绍
• 6.2.1 硬盘存储结构
• 6.2.2 主引导记录（MBR）
• 6.2.3 硬盘分区表（DPT）
• 6.2.4 分区引导记录（DBR）
• 6.3 应用测试接口模块设计
• 6.3.1 数据路由模块设计
• 6.3.2 Feature ROM
• 6.3.3 DDR2 SDRAM 接口
• 6.3.4 MIG 的配置
• 6.4 本章小结
• 第七章 系统验证与测试
• 7.1 基于 FPGA 的数字系统验证与调试
• 7.1.1 数字系统验证
• 7.1.2 数字系统调试
• 7.2 SATA Ⅱ 设备端接口控制器验证
• 7.2.1 验证环境
• 7.2.2 验证方案及结论
• 7.3 SATA Ⅱ 设备端接口控制器调试
• 7.3.1 硬件平台及调试环境
• 7.3.2 调试方案及结论
• 7.4 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历及研究成果