基于PCIE轉SATA多通道高速存儲電路設計與原型驗證
電子技術應用 2023年3期
王琪，張梅娟，鄧佳偉，楊楚瑋，周遷
（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035）
摘要： 針對傳統SATA控制器接口單一且無法充分發揮固態盤性能的問題，設計了一款基于PCIE轉SATA多通道高速存儲電路。充分利用PCIE總線高帶寬低延時特性，并遵循AHCI協議，大幅縮短硬盤無用的尋道次數和數據查找時間，提高固態盤的讀寫性能，同時本設計可支持4路SATA通道，具有良好的可拓展性。設計結合PCIE和SATA協議特點，介紹了PCIE轉SATA高速存儲電路的系統架構，詳細闡述了基于AHCI協議的數據流傳輸過程。最后基于FPGA原型驗證對電路進行測試，電路的單盤讀寫速率分別為562 MB/s和527 MB /s，相比傳統SATA控制器的讀寫性能具有較大提升，測試結果表明設計的PCIE轉SATA高速存儲電路讀寫性能優異，且具備良好的穩定性和可拓展性。
中圖分類號：TN401 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.223077
中文引用格式： 王琪，張梅娟，鄧佳偉，等. 基于PCIE轉SATA多通道高速存儲電路設計與原型驗證[J]. 電子技術應用，2023，49(3)：72-76.
英文引用格式： Wang Qi，Zhang Meijuan，Deng Jiawei，et al. Design and prototype verification of multi-channel high-speed storage circuit base on PCIE to SATA[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(3)：72-76.
中文引用格式： 王琪，張梅娟，鄧佳偉，等. 基于PCIE轉SATA多通道高速存儲電路設計與原型驗證[J]. 電子技術應用，2023，49(3)：72-76.
英文引用格式： Wang Qi，Zhang Meijuan，Deng Jiawei，et al. Design and prototype verification of multi-channel high-speed storage circuit base on PCIE to SATA[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(3)：72-76.
Design and prototype verification of multi-channel high-speed storage circuit base on PCIE to SATA
Wang Qi，Zhang Meijuan，Deng Jiawei，Yang Chuwei，Zhou Qian
(China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute， Wuxi 214035， China)
Abstract： Aiming at the problem that the traditional SATA controller has a single interface and cannot give full play to the performance of the SSD, a multi-channel high-speed storage circuit based on PCIE to SATA is designed. This design makes full use of the high-bandwidth and low-latency characteristics of the PCIE bus and follows the AHCI protocol, which can greatly reduce the useless seek times and data search time of the hard disk, and improve the read performance. At the same time, the design can support 4 SATA channels and has good scalability. This design combines the characteristics of PCIE and SATA protocols, introduces the system architecture of PCIE to SATA high-speed storage circuit, and elaborates the data stream transmission process based on AHCI protocol. Finally, the circuit is tested based on the FPGA prototype verification. The single-disk read and write rates of the circuit are 562MB/s and 527MB/s, respectively. Compared with the traditional SATA controller, the read and write performance is greatly improved. The test results show that the designed PCIE to SATA high-speed storage circuit has excellent read and write performance, and has good stability and scalability.
Key words : PCIE to SATA；AHCI protocol；multi-channel；FPGA verification
0 引言
隨著信息化時代的到來，面對數據的爆發式增長，人們對高速存儲需求日益迫切。由于SATA（Serial ATA，串行ATA）接口采用串行方式數據傳輸，具備結構簡單、支持熱插拔等特點，這使得SATA固態盤應用于各種數據存儲場景。PCI Express總線是第三代高性能IO總線，具備點對點串行互連、傳輸速率快、傳輸帶寬高等特點，廣泛地應用于嵌入式、服務器、通信平臺和計算系統等領域。
傳統的SATA控制器接口單一且無法充分發揮固態盤讀寫性能，同時市場上常見的PCIE轉SATA存儲芯片多為國外芯片，價格昂貴，而且安全性低。在高穩定性和高安全性要求的航天航空系統和電子軍工系統對國產自主安全的PCIE轉SATA存儲電路需求日益激增。
本文基于PCIE和SATA協議設計了一款基于PCIE轉SATA的多通道高速存儲電路，本設計采用PCIE2.0 x4接口，最高帶寬為20 Gb/s，與上游測試主機的PCIE主控制器相連；下游采用4路SATA3.1接口與固態盤相連，單路SATA接口，最高帶寬為6 Gb/s，從而該電路具備較高的讀寫性能和良好的可拓展性。
本設計充分利用PCIE總線的高帶寬低延時特性，結合AHCI協議的NCQ、TCQ技術，增加命令隊列最大長度，大幅縮短硬盤無用的尋道次數和數據查找時間，從而提高固態盤的讀寫性能。
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作者信息：
王琪，張梅娟，鄧佳偉，楊楚瑋，周遷
（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035）
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