FPGA SATA高速存储设计

        今天来讲一篇如何在fpga上实现sata ip，然后利用sata ip实现读写sata 盘的目的，如果需要再速度和容量上增加，那么仅仅需要增加sata ip个数就能够实现增加sata盘，如果仅仅实现data的读写整体来说sata ip设计比较简单，下面从sata 协议角度来聊聊sata ip应该如何实现。下图就是在FPGA上实现3张SATA SSD硬盘组成RAID0的结构图。

                      

        sata速度分为三个等级，sata在硬件接口上是一对收发差分信号，硬件是全双工模式，但实际SATA协议是半双工工作模式，为什么会如此奇怪，再link层会讲解到。sata gen1 速度1.5Gbps，sata gen2速度3.0 Gbps，sata gen3 速度6.0Gbps，然后编码都是8b/10b编码，所以对于sata gen3的有效带宽速度=6*1000 * 0.8 / 8= 600MB/s（注意这里的速度都是按照1000进制计算），这里的有效带宽包含了FIS数据和一些握手 Primitives，实际的纯data的有效带宽一般是在570MB/s，如果带了sata盘，那么就和每家的ssd盘有一定关联，目前速度做的最快和最稳定的当是三星大哥了。

链路层

物理层不需要我们设计，用xilinx的ip就行，我们从链路层开始讲解。

链路层的帧结构如下所示，Primitives + FIS +CRC组成，FIS在链路层看层是data，我们在传输层时候在讲解，CRC是FIS的CRC，Primitives用于HOST和device之间如何通讯，如何握手。每个FIS的传输都离不开Primitives和CRC.

常见的Primitives如下图所示，这里只列举一些Primitives。

SOF :表示数据传输的start

EOF:表示数据传输的end

X_RDY:向对端发起请求，我要抢占总线传输数据

R_RDY：接受者向发起者发送该Primitives表示我已经准备好了

R_IP：表示一直在收数据或者在发数据，这就是为什么sata是半双工的原因，需要一直握手。

SYNC：表示事情做完了，可以让出总线处于Idle状态

传输层

传输层设计相对简单很多，传输主要是解析FIS帧或者组FIS帧，常用的FIS帧如下所示。

        从上图可以看到FIS层一共有8中类型的FIS，我们在设计FPGA SATA IP时可以不用设计BIST Activate FIS，因为该FIS用于验证链路的，下面列举几个常见FIS帧,

从下面FIS帧我们可以清晰的看到lba,count和Command等栏位，lba就是访问sata硬盘的逻辑扇区，count是lba的数量，count最大是16bit表示，那么可以看出单次命令最大的size=32MB，count=0表示32MB，command表示应用层的cmd code，这个在应用层会讲解。

H2D FIS帧格式如下：

D2H FIS帧格式如下：

DATA FIS帧格式如下

SDB FIS帧格式如下，NCQ发送DATA FIS之后需要发送SDB FIS反馈状态。

DMA Activate FIS帧格式如下，DMA Write和NCQ Write命令特有的。

DMA Setup FIS帧格式如下，这个是NCQ命令特有的

PIO Setup FIS帧格式如下，这个是PIO命令特有的。

应用层

应用层常用的是ATA指令集,ATA指令集如下所示。

        ATA指令集command偏多，这里讲解identify，trim，flush cache和ncq read write命令，下面贴图都是4KB size,和NCQ qd1，这样是为了方便理解单个命令FIS交互过程。flush cache命令比较简单，就是一个non-data命令，只需要H2D FIS和D2H FIS两个FIS就能完成命令的实现。

identify命令是一个pio read命令，只要不是Error情况，device是不需要响应D2H FIS

NCQ Read命令

NCQ Wrtie命令，细心的同学发现了Write命令比Read命令多了一个DMA Activate，并且这个FIS在第一笔DATA FIS传输是可以省略的（可以在Set feature命令中设置）

最后一个很重要的就是硬复位命令了，这个COMRESET在Primitives实现的。

        总体来说SATA设计比较简单，因为不需要考虑什么low power等，仅仅需要实现NCQ命令就行，NCQ命令可以最大支持qd32，但是速度还是很慢，有条件就上pcie，无论在单lane速率，还是lane得数量上都是吊打sata，反正结合项目实际需求，找到适合自己的设计方案。