專利名稱：原生sata的固態(tài)硬盤控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種SATA接口的固態(tài)硬盤控制器的實(shí)現(xiàn)，采用大規(guī)模現(xiàn)場(chǎng)可編 程門陣列FPGA(Field Programable Gate Array)作為物理載體，實(shí)現(xiàn)SATA(Serial Advanced Technology Attachment) 2.0通信接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，管理NAND Flash的
讀寫，實(shí)現(xiàn)硬盤功能。
背景技術(shù)：
固態(tài)硬盤是具備高效能，高穩(wěn)定度的快速記憶體儲(chǔ)存媒體元件，效能成本 比最優(yōu)異的記憶體儲(chǔ)存媒體解決方案。具有取代傳統(tǒng)硬盤的多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，采用符 合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的控制技術(shù)。固態(tài)硬盤能提供原始的、高性能的和高可靠的數(shù)據(jù)儲(chǔ) 存，即使是在惡劣的條件下工作，如溫度、撞擊、震動(dòng)、干擾等，也不會(huì)對(duì)數(shù) 據(jù)構(gòu)成威脅。它克服了機(jī)械硬盤抗振動(dòng)性差的弊病，能廣泛用于工業(yè)控制、公 共安全、電信、軍工、航空等高可靠性的數(shù)據(jù)領(lǐng)域。
現(xiàn)有的固態(tài)硬盤接口標(biāo)準(zhǔn)主要是IDE (IntegratedDrive Electronics)接口， 屬于并行ATA (FATA)，常用的按口為40針接口，目前最高逨率為PATA-133 的i33MB/S，并行傳輸速度已經(jīng)到極限。而且PATA的三大缺點(diǎn)是信號(hào)線長(zhǎng) 度無法延長(zhǎng)、信號(hào)同步性難以保持、5V信號(hào)線耗電較大。由于信號(hào)衰減，PATA 的線纜長(zhǎng)度被限制在45厘米。這使得在大型計(jì)算機(jī)設(shè)備中連接距離很長(zhǎng)的兩個(gè) 連接點(diǎn)成了一個(gè)問題，導(dǎo)致特定的物理驅(qū)動(dòng)器配置模式無法執(zhí)行。PATA設(shè)備需 要5伏特的信號(hào)，不符合目前芯片設(shè)計(jì)的向電壓更低，尺寸更小的發(fā)展方向。
目前SATA接口的固態(tài)硬盤均采用橋接形式，即通過IDE轉(zhuǎn)SATA橋接芯 片實(shí)現(xiàn)SATA通信接口。這種方式增加系統(tǒng)復(fù)雜性，降低整體可靠性，也不利 于設(shè)備的體積小型化和低功耗要求。故本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種原生SATA接口的固 態(tài)硬盤控制器，無需橋接芯片，直接解析SATA2.0通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳 輸。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有SATA固態(tài)硬盤取代其他硬盤的趨勢(shì)，設(shè)計(jì)原生SATA的固態(tài)硬盤 控制器，負(fù)責(zé)SATA通信接口協(xié)議解析和控制管理NAND Flash存儲(chǔ)介質(zhì)，實(shí)現(xiàn) 高速大容量SATA接口固態(tài)硬盤，其具有結(jié)構(gòu)緊湊，寬溫、抗振、低功耗，易 于提高硬盤的容量、讀寫速度以及穩(wěn)定性。
本發(fā)明的技術(shù)方案是原生SATA的固態(tài)硬盤控制器采用模塊化設(shè)計(jì)，主 要由以下3個(gè)模塊組成嵌入式處理器IP核、SATA控制器和Flash控制器。嵌
入式處理器作為主控端，負(fù)責(zé)整體協(xié)調(diào)處理，調(diào)度SATA控制器和Flash控制器， 確保數(shù)據(jù)正確傳輸。SATA控制器負(fù)責(zé)解析處理SATA命令，實(shí)現(xiàn)SATA接口通 信協(xié)議。Flash控制器負(fù)責(zé)對(duì)NAND Flash存儲(chǔ)芯片的讀寫控制和Flash高級(jí)管理 算法實(shí)現(xiàn)。
SATA控制器采用通用IP (Intellectual Property)核形式設(shè)計(jì)成可移植的協(xié) 議棧。SATA控制器采用AHB (Advanced High-Performance Bus)通用總線接口， 方便與其他嵌入式處理器連接，實(shí)現(xiàn)SATA2.0標(biāo)準(zhǔn)總線協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸速度可 達(dá)3.0Gb/s。 FPGA中移植嵌入式MicroBlaze軟核處理器，實(shí)現(xiàn)硬件ECC (錯(cuò)誤 檢查和糾正)校驗(yàn)和Flash壞塊管理，保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)持久。釆用NAND Flash存 儲(chǔ)芯片陣列作為存儲(chǔ)介質(zhì)，并實(shí)現(xiàn)容量和速度的擴(kuò)展。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)-
1:單一塊芯片控制器實(shí)現(xiàn)SATA接口固態(tài)硬盤所有功能，外圍電路簡(jiǎn)單， 能減少PCB制版面積，使硬盤結(jié)構(gòu)小型化，降低功耗。
2:采用原生SATA接口，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá) 3.0Gb/s。
3:采用NAND Flash存儲(chǔ)芯片作為存儲(chǔ)介質(zhì)，具有掉電數(shù)據(jù)不丟失，使用
壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。


圖1:原生SATA的固態(tài)硬盤控制器結(jié)構(gòu)框圖
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明原生SATA的固態(tài)硬盤控制器包括嵌入式處理器IP核，SATA控 制器和FLASH控制器。
原生SATA的固態(tài)硬盤控制器選用FPGA作為物理載體，通過在FPGA內(nèi) 部嵌入MicroBlaze軟核處理器⑤作為嵌入式處理器IP核，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理。 MicroBlaze軟核處理器與外設(shè)接口均采用OPB (On-Chip Peripheral Bus)連接。 其中，MicroBlaze軟核處理器作為主設(shè)備掛在OPB上，處理器負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)SATA 的兼容命令、數(shù)據(jù)流的分發(fā)、陣列管理和Flash文件系統(tǒng)。從設(shè)備有NOR Flash 和SRAM控制器，外部分別連接一塊NOR Flash和SRAM作為程序存儲(chǔ)器和 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。固態(tài)硬盤控制器通過GPI0⑥接口控制LED燈顯示硬盤工作狀態(tài)， 當(dāng)主機(jī)檢測(cè)到硬盤時(shí)，GPIO⑥接收到上層軟件傳送來的控制命令，點(diǎn)亮LED燈， 表明主機(jī)已經(jīng)識(shí)別硬盤，可以開始傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)主機(jī)要終止與硬盤的通信，即 主機(jī)要?jiǎng)h除這個(gè)硬件時(shí)，LED燈熄滅。
與主機(jī)接口采用SATA串行接口，兼容SATA1.0和SATA2.0標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)
3.0Gb/s的傳輸速度。SATA協(xié)議分為四層應(yīng)用層、傳輸層和鏈路層②和物理 層①。本發(fā)明的應(yīng)用層由嵌入式處理器MicroBlaze軟核⑤負(fù)責(zé)處理實(shí)現(xiàn)，主要 功能是處理SATA控制和讀寫操作命令。SATA協(xié)議解析的核心是傳輸層和鏈路 層，本發(fā)明通過硬件描述語言設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，并以IP核形式獨(dú)立封裝成SATA 控制器，釆用通用的AHB總線接口與外部連接，并且集成DMA控制器，提高 數(shù)據(jù)傳輸效能，其中AHB Master接口應(yīng)用于DMA數(shù)據(jù)傳輸，AHB Slave接口 用于嵌入式處理器配置SATA控制器的工作模式。物理層與其他層分開設(shè)計(jì)， 既可以使用外部專門的物理層芯片，也可以使用FPGA內(nèi)部資源自行開發(fā)設(shè)計(jì)， 提高系統(tǒng)整體可移植性。本發(fā)明的物理層采用XilinxRoeketIOMGT (千兆級(jí)收 發(fā)器)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換后發(fā)送和接收，并行數(shù)據(jù)寬度為20bit，串行數(shù)據(jù)速 度為3.0Gb/s，物理層還設(shè)計(jì)OOB控制器，負(fù)責(zé)OOB信號(hào)檢測(cè)和發(fā)送，實(shí)現(xiàn)主 機(jī)與設(shè)備之間的初始化。
針對(duì)NAND Flash的特點(diǎn)以及固態(tài)硬盤在速度方面的要求設(shè)計(jì)出NAND Flash控制器 。 NAND Flash設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的SRAM接口 ，使上位機(jī)訪問控制器如 同訪問內(nèi)存方便；數(shù)據(jù)緩存和NAND Flash之間加DMA通道，實(shí)現(xiàn)高速從NAND Flash讀取數(shù)據(jù)和向NAND Flash寫入數(shù)據(jù)；加入ECC糾錯(cuò)邏輯，確保讀取數(shù)據(jù) 和寫入信息的正確。
本實(shí)施例采用如下配置
可編程邏輯器件Virtex4FX60-llFF672
嵌入式軟核處理器Xilinx MicroBlaze 4.0
SATA接口 Virtex畫4 RocketIO MGT
時(shí)鐘管理ICS844001 實(shí)施案例
原生SATA接口固態(tài)硬盤控制器，應(yīng)用于固態(tài)硬盤的解決方案，硬件環(huán)境由 原生SATA控制器，嵌入式處理器，NAND Falsh控制器和NAND Falsh存儲(chǔ)陣 列構(gòu)成，軟件環(huán)境由地址映射邏輯，壞塊管理邏輯，均衡損耗邏輯構(gòu)成，使SATA 接口固態(tài)硬盤對(duì)上位機(jī)表現(xiàn)為無差別于機(jī)械硬盤的器件，實(shí)現(xiàn)以"AND Flash 閃存為存儲(chǔ)介質(zhì)的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。 權(quán)利要求
1、原生SATA的固態(tài)硬盤控制器，包括嵌入式處理器IP核、SATA控制器和Flash控制器，其特征在于原生SATA的固態(tài)硬盤控制器選用FPGA作為物理載體，通過在FPGA內(nèi)部嵌入MicroBlaze軟核處理器⑤作為嵌入式處理器IP核，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理，MicroBlaze軟核處理器與外設(shè)接口均采用OPB(On-Chip PeripheralBus)連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的原生SATA的固態(tài)硬盤控制器，其特征在于該原 生SATA的固態(tài)硬盤控制器外部分別連接一塊NORFlash和SRAM作為程序存 儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的原生SATA的固態(tài)硬盤控制器，其特征在于固態(tài) 硬盤控制器通過GPI0⑥接口控制LED燈顯示硬盤工作狀態(tài)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的原生SATA的固態(tài)硬盤控制器，其特征在于固態(tài) 硬盤控制器與主機(jī)接口采用SATA串行接口。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種原生SATA的固態(tài)硬盤控制器。固態(tài)硬盤控制器選用FPGA，內(nèi)部移植嵌入式處理器MicroBlae軟核，通過OPB總線協(xié)調(diào)控制整個(gè)系統(tǒng)工作。單一塊芯片控制器實(shí)現(xiàn)SATA接口固態(tài)硬盤所有功能，外圍電路簡(jiǎn)單，能減少PCB制版面積，使硬盤結(jié)構(gòu)小型化，降低功耗。采用原生SATA接口，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)3.0Gb/s。
文檔編號(hào)G06F3/06GK101339492SQ20081003205
公開日2009年1月7日 申請(qǐng)日期2008年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月11日
發(fā)明者佳 吳, 吳建飛, 欣 徐, 凱 步 申請(qǐng)人:湖南源科創(chuàng)新科技股份有限公司