基于 FPGA 开发应用 SATA 硬盘协议详解

三、链路层协议

链路层负责数据帧（FIS）的封装与传输控制，涉及 8B/10B 编码、加扰/解扰、CRC 生成检测等。

1. 原语机制

SATA 协议中的原语以 DW（4 字节）中的低字节为标志。K28.5 表示 ALIGN 原语，K28.3 表示其他功能原语。

注意：初始化前遇到的 0x4A4A4A4A 为 DIAL-TONE，初始化后则为普通数据。SATA 规范规定每最多发送 256 个 DW 至少插入 2 个连续的 ALIGN 原语，用于维持 10bit 边界。

2. FIS 数据包结构

FIS（Frame Information Structure）是传输层包，常用类型如下：

命令示例

• Identify 命令：00EC8027 00000000 00000000 00000000 00000000
• DMA 写请求：0x00358027, 0xE0xxxxxx, 0x00yyyyyy, 0x000000zz, 0x00000000（LBA 起始位置及扇区数）
• DMA 读请求：0x00258027, 0xE0xxxxxx, 0x00yyyyyy, 0x000000zz, 0x00000000

发送流程

当双方空闲时互发 SYNC 原语。发送方发起 FIS 时持续发送 X_RDY，接收方准备好后回复 R_RDY。随后发送 SOF、数据、EOF、WTRM。接收方校验 CRC 后回复 R_OK 或 R_ERR。由于物理全双工但应用半双工，同一时间点上 FIS 不可能双向发送。Device 优先级高于 Host，若同时发送 X_RDY，Host 需放弃转为接收。

流控机制

Flow Control 防止溢出。使用 HOLD 和 HOLDA 原语。若发送端暂时无数据，插入 HOLD；接收端检测到 HOLD 则回复 HOLDA。连续重复原语超过三次时，第 3 个替换为 CONT，后续替换为垃圾数据（GARB），以减少 EMI。

四、应用层与测试

建链成功后，FPGA 读写硬盘主要涉及 0x27、0x34、0x39、0x46 四种 FIS。本次测试未启用 NCQ 功能，采用单条指令执行模式。

1. 查询硬盘信息

FPGA 发送 Identify 命令后，硬盘响应 0x34 状态 FIS，随后发送 129DW 的 0x46 FIS（含 128DW 信息）。通过解析 76 字 bit[3:1] 可查看支持的 SATA Gen，77 字 bit[3:1] 查看协商速率。容量信息位于 60、61 字及 100-103 字（48 位 LBA）。

2. DMA 读写流程

• 写操作：Host 发 5DW 写请求 -> Device 响应 1DW 0x39 (DMA Activate) -> Host 发 0x46 数据 FIS -> Device 每收一个 0x46 回复一个 0x39 -> 全部完成后 Device 发 5DW 0x34 状态响应。
• 读操作：Host 发 5DW 读请求 -> Device 直接发 0x46 数据 FIS -> 全部完成后 Device 发 5DW 0x34 状态响应。

3. 性能测试

测试环境：用户时钟 300MHz。读写操作不能同时进行。单次请求最多操作 255 个扇区以提高效率。

例如写 1GB 耗时约 1291664613 个时钟周期，对应速率 238MB/S；读 1GB 耗时约 728681644 个时钟周期，对应速率 422MB/S。实际应用中可根据需求调整扇区大小和并发策略。