CN101339492A - 原生sata的固态硬盘控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种原生SATA的固态硬盘控制器。固态硬盘控制器选用FPGA，内部移植嵌入式处理器MicroBlae软核，通过OPB总线协调控制整个系统工作。单一块芯片控制器实现SATA接口固态硬盘所有功能，外围电路简单，能减少PCB制版面积，使硬盘结构小型化，降低功耗。采用原生SATA接口，系统结构简单，稳定性好，数据传输速度可达3.0Gb/s。
Description
技术领域
本发明涉及一种SATA接口的固态硬盘控制器的实现，采用大规模现场可编程门阵列FPGA(Field Programable Gate Array)作为物理载体，实现SATA(SerialAdvanced Technology Attachment)2.0通信接口协议标准，管理NAND Flash的读写，实现硬盘功能。
背景技术
固态硬盘是具备高效能，高稳定度的快速记忆体储存媒体元件，效能成本比最优异的记忆体储存媒体解决方案。具有取代传统硬盘的多项优势，采用符合工业标准的控制技术。固态硬盘能提供原始的、高性能的和高可靠的数据储存，即使是在恶劣的条件下工作，如温度、撞击、震动、干扰等，也不会对数据构成威胁。它克服了机械硬盘抗振动性差的弊病，能广泛用于工业控制、公共安全、电信、军工、航空等高可靠性的数据领域。
现有的固态硬盘接口标准主要是IDE(Integrated Drive Electronics)接口，属于并行ATA(PATA)，常用的接口为40针接口，目前最高速率为PATA-133的133MB/S，并行传输速度已经到极限。而且PATA的三大缺点是：信号线长度无法延长、信号同步性难以保持、5V信号线耗电较大。由于信号衰减，PATA的线缆长度被限制在45厘米。这使得在大型计算机设备中连接距离很长的两个连接点成了一个问题，导致特定的物理驱动器配置模式无法执行。PATA设备需要5伏特的信号，不符合目前芯片设计的向电压更低，尺寸更小的发展方向。
目前SATA接口的固态硬盘均采用桥接形式，即通过IDE转SATA桥接芯片实现SATA通信接口。这种方式增加系统复杂性，降低整体可靠性，也不利于设备的体积小型化和低功耗要求。故本发明设计了一种原生SATA接口的固态硬盘控制器，无需桥接芯片，直接解析SATA2.0通信协议，实现数据高速传输。
发明内容
针对现有SATA固态硬盘取代其他硬盘的趋势，设计原生SATA的固态硬盘控制器，负责SATA通信接口协议解析和控制管理NAND Flash存储介质，实现高速大容量SATA接口固态硬盘，其具有结构紧凑，宽温、抗振、低功耗，易于提高硬盘的容量、读写速度以及稳定性。
本发明的技术方案是：原生SATA的固态硬盘控制器采用模块化设计，主要由以下3个模块组成：嵌入式处理器IP核、SATA控制器和Flash控制器。嵌入式处理器作为主控端，负责整体协调处理，调度SATA控制器和Flash控制器，确保数据正确传输。SATA控制器负责解析处理SATA命令，实现SATA接口通信协议。Flash控制器负责对NAND Flash存储芯片的读写控制和Flash高级管理算法实现。
SATA控制器采用通用IP(Intellectual Property)核形式设计成可移植的协议栈。SATA控制器采用AHB(Advanced High-Performance Bus)通用总线接口，方便与其他嵌入式处理器连接，实现SATA2.0标准总线协议，数据传输速度可达3.0Gb/s。FPGA中移植嵌入式MicroBlaze软核处理器，实现硬件ECC(错误检查和纠正)校验和Flash坏块管理，保证数据存储持久。采用NAND Flash存储芯片阵列作为存储介质，并实现容量和速度的扩展。
本发明具有如下优点：
1：单一块芯片控制器实现SATA接口固态硬盘所有功能，外围电路简单，能减少PCB制版面积，使硬盘结构小型化，降低功耗。
2：采用原生SATA接口，系统结构简单，稳定性好，数据传输速度可达3.0Gb/s。
3：采用NAND Flash存储芯片作为存储介质，具有掉电数据不丢失，使用寿命长等特点。
附图说明
图1：原生SATA的固态硬盘控制器结构框图
具体实施方式
本发明原生SATA的固态硬盘控制器包括：嵌入式处理器IP核，SATA控制器和FLASH控制器。
原生SATA的固态硬盘控制器选用FPGA作为物理载体，通过在FPGA内部嵌入MicroBlaze软核处理器⑤作为嵌入式处理器IP核，实现系统管理。MicroBlaze软核处理器与外设接口均采用OPB(On-Chip Peripheral Bus)连接。其中，MicroBlaze软核处理器作为主设备挂在OPB上，处理器负责实现SATA的兼容命令、数据流的分发、阵列管理和Flash文件系统。从设备有NOR Flash和SRAM控制器，外部分别连接一块NOR Flash和SRAM作为程序存储器和数据存储器。固态硬盘控制器通过GPIO⑥接口控制LED灯显示硬盘工作状态，当主机检测到硬盘时，GPIO⑥接收到上层软件传送来的控制命令，点亮LED灯，表明主机已经识别硬盘，可以开始传输数据。当主机要终止与硬盘的通信，即主机要删除这个硬件时，LED灯熄灭。
与主机接口采用SATA串行接口，兼容SATA1.0和SATA2.0标准，可实现3.0Gb/s的传输速度。SATA协议分为四层：应用层、传输层和链路层②和物理层①。本发明的应用层由嵌入式处理器MicroBlaze软核⑤负责处理实现，主要功能是处理SATA控制和读写操作命令。SATA协议解析的核心是传输层和链路层，本发明通过硬件描述语言设计状态机实现，并以IP核形式独立封装成SATA控制器，采用通用的AHB总线接口与外部连接，并且集成DMA控制器，提高数据传输效能，其中AHB Master接口应用于DMA数据传输，AHB Slave接口用于嵌入式处理器配置SATA控制器的工作模式。物理层与其他层分开设计，既可以使用外部专门的物理层芯片，也可以使用FPGA内部资源自行开发设计，提高系统整体可移植性。本发明的物理层采用Xilinx RocketIO MGT(千兆级收发器)，将数据进行串并转换后发送和接收，并行数据宽度为20bit，串行数据速度为3.0Gb/s，物理层还设计OOB控制器，负责OOB信号检测和发送，实现主机与设备之间的初始化。
针对NAND Flash的特点以及固态硬盘在速度方面的要求设计出NANDFlash控制器④。NAND Flash设计标准的SRAM接口，使上位机访问控制器如同访问内存方便；数据缓存和NAND Flash之间加DMA通道，实现高速从NANDFlash读取数据和向NAND Flash写入数据；加入ECC纠错逻辑，确保读取数据和写入信息的正确。
本实施例采用如下配置：
可编程逻辑器件：Virtex4FX60-11FF672
嵌入式软核处理器：Xilinx MicroBlaze 4.0
SATA接口：Virtex-4RocketIO MGT
时钟管理：ICS844001
实施案例
原生SATA接口固态硬盘控制器，应用于固态硬盘的解决方案，硬件环境由原生SATA控制器，嵌入式处理器，NAND Falsh控制器和NAND Falsh存储阵列构成，软件环境由地址映射逻辑，坏块管理逻辑，均衡损耗逻辑构成，使SATA接口固态硬盘对上位机表现为无差别于机械硬盘的器件，实现以NAND Flash闪存为存储介质的大容量数据存储。
Claims (4)
1、原生SATA的固态硬盘控制器，包括嵌入式处理器IP核、SATA控制器和Flash控制器，其特征在于：原生SATA的固态硬盘控制器选用FPGA作为物理载体，通过在FPGA内部嵌入MicroBlaze软核处理器⑤作为嵌入式处理器IP核，实现系统管理，MicroBlaze软核处理器与外设接口均采用OPB(On-Chip PeripheralBus)连接。
2、根据权利要求1所述的原生SATA的固态硬盘控制器，其特征在于该原生SATA的固态硬盘控制器外部分别连接一块NOR Flash和SRAM作为程序存储器和数据存储器。
3、根据权利要求1所述的原生SATA的固态硬盘控制器，其特征在于固态硬盘控制器通过GPIO⑥接口控制LED灯显示硬盘工作状态。
4、根据权利要求1所述的原生SATA的固态硬盘控制器，其特征在于固态硬盘控制器与主机接口采用SATA串行接口。
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Publications (1)
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Country Status (1)
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