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一、Marvell 88SE9215、AHCI與SATA簡介

1.Marvell 88SE9215

1）概述

88SE9215是一個四埠，兼容3 Gbps和6 Gbps的SATA主機總線配接器，提供一個單線PCle 2.0介面、SATA控制器功能和4個6 Gbps SATA埠，下文將以PCIe EP設備的配置、HBA的初始化、Port的初始化、Command Slot的填充來介紹88SE9215驅動，系統框圖如圖1-1所示，

2）PCIe控制器

  88SE9215是PCle 2.0 EP設備，符合PCle 2.0規范，支持2.5 Gbps和5 Gbps的通信速度，支持SATA控制器的AHCI編程介面暫存器，支持積極電源管理，支持錯誤報告、恢復和糾正，支持訊息提示中斷(MSI)，

3）SATA控制器

 符合串行ATA規范3.1，支持通信速度6gbps, 3gbps和1.5 Gbps，支持可編程輸出信號電平，支持Gen 1i, Gen 1x, Gen 2i, Gen 2m, Gen 2x和Gen 3i，支持AHCI 1.0編程介面，支持4個SATA介面，支持原生命令佇列(NCQ)，支持多埠FIS或命令交換，支持分部和休眠電源管理狀態，支持交錯Spin-up，

2.AHCI與SATA

1）AHCI

AHCI(Advance Host Controller Interface)由 Intel 開發，以方便處理 SATA 設備， AHCI 規范強調 AHCI 控制器（稱為host bus adapter 或 HBA）旨在成為系統記憶體和 SATA 設備之間的資料移動引擎，它封裝了 SATA 設備，并為主機提供了標準的 PCI 介面，系統設計人員可以使用系統記憶體和記憶體映射暫存器輕松訪問 SATA 驅動器，而無需像 IDE 那樣操作煩人的任務檔案，AHCI 控制器最多可支持 32 個埠，這些埠可以連接不同的 SATA 設備， AHCI 支持所有原生 SATA 功能，例如命令佇列、熱插拔、電源管理等，對于軟體開發人員來說，AHCI 控制器只是具有總線主控能力的 PCI 設備，

2）SATA

SATA標準分別由T13和SATA-IO維護， SATA-IO 側重于串行 ATA，而 T13 也包含傳統的并行 ATA 規范，

雖然 IDE 和 SATA 的硬體規格（甚至在實作它們的不同設備之間）差異很大，但 API 和 ABI 非常相似，對于軟體開發者來說，SATA 和PATA 的最大區別在于 SATA 使用 FIS（幀資訊結構）資料包在主機與設備之間傳輸資料， FIS 可以被視為傳統任務檔案的資料集，或 ATA 命令的封裝， SATA 使用與PATA 相同的命令集，

二、PCIe EP設備的配置

1.Command 暫存器(Offset 04h)與Status 暫存器(Offset 06h)

Command 暫存器需要將以下狀態位,設定為1：

Memory Space位，該位表示PCI設備是否相應存盤器請求，

Bus Master位，該位表示PCI設備是否可以作為主設備，

Status暫存器寫入~0UL，將錯誤位清除，

2.Cache Line Size 暫存器 (Offset 0Ch)與Latency Timer 暫存器 (Offset 0Dh)

需要注意，在PCIe設備中，Cache Line Size 暫存器的值并無意義，因為PCIe設備在進行資料輸送時，在其報文中含有一次資料傳送的大小，PCIe總線控制器可以使用這個“大小”，判斷資料區域與Cache行的對應關系，

而Latency Timer 暫存器的值則必須設定為0，因為PCIe設備并不需要使用該暫存器，PCIe總線的仲裁方式與PCI總線不同，使用的連接方法也與PCI總線不同，

3.Base Address Register 0~5暫存器

BAR是PCI配置空間中從0x10h 到 0x24h 的6個register，用來定義PCI需要的配置空間大小以及配置PCI設備占用的地址空間，

每個PCI設備在BAR中描述自己需要占用多少地址空間，bios通過所有設備的這些資訊構建一張address map，描述系統中資源的分配情況，然后在合理的將地址空間配置給每個PCI設備， 一旦BAR的值確定了（Have been programmed），其指定范圍內的當前設備中的內部暫存器（或內部存盤空間）就可以被訪問了，當該設備確認某一個請求（Request）中的地址在自己的BAR的范圍內，便會接受這請求，如果某個設備的BAR沒有被全部使用，則對應的BAR應被硬體全被設定為0，并且告知軟體這些BAR是不可以操作的，

HBA使用BAR5來訪問，所以必須配置BAR5的值，本例中，BAR5的地址被分配為0x40400000到0x4FFFFFFF，需要注意的是，處理器使用的存盤器域的地址，而BAR暫存器存放PCI總線域的地址，需要將PCI總線域的地址轉換為存盤器域的地址，才可以訪問PCI設備的暫存器空間，因為在Vivado中配置了動態從橋地址轉換，所以通過對BAR5的首地址0x40400000進行偏移，即可對HBA進行配置，

如下圖所示,在AXI Memory Mapped To PIC Express中,勾選Enbale Dynamic Address Translation，即可實作動態從橋地址轉換，并在Address Editor中，配置合適的PCIe控制器地址與BAR地址，

三、HBA初始化

HBA暫存器被分成兩部分，全域暫存器和埠控制暫存器，所有100h以下地址的暫存器都是全域的，并適用于整個HBA，所有埠的埠控制暫存器都是相同的，并且有多少埠就有多少暫存器組，所有未定義的暫存器和暫存器內所有保留位在讀取時回傳'o'，

1.重置HBA

需要將GHC（Offset 04h: GHC – Global HBA Control）中的HBA Reset位置1，延遲200ms后檢測GHC的HBA Reset位是否為0，如依然為1則重置失敗，回傳錯誤，成功后，注冊并使能中斷使能，

2.使能AHCI，獲取埠資訊

將GHC中的AHCI Enable位置1，即可使能AHCI，

讀取CAP（Offset 00h: CAP – HBA Capabilities），讀取低5位再加1，即可得到埠數，

接著讀取CAP的8~12位再加1，即可得到最大支持的Command slot數，

 之后讀取CAP的30位，得到控制器是否具有支持NCQ的能力，

讀取PI(Offset 0Ch: PI – Ports Implemented)，其對應的某一位為1，則說明對應位的埠可供使用，

3.分配記憶體并使能埠

AHCI的埠地址從100h開始，之后的埠地址在前一個埠地址基礎上偏移80h，如埠0的地址為100h，埠1則為180h，以此類推，

1）停止埠

首先需要確保埠不在運行狀態，否則后續的配置將會無效，檢測埠的PxCMD(Offset 18h: PxCMD( Port x Command and Status)位狀態，確保CR（Command List Running）、FR(FIS Receive Running)、FRE (FIS Receive Enable)、ST(Start)位為0，每有一位由1置0，則需要等待500毫秒，將中斷關閉，清除掛起的中斷位，即可開始分配記憶體，

2）分配記憶體

AHCI埠暫存器并不直接保存需要發送或接收的命令與資料，而是在PxCLB（Offset 00h: PxCLB – Port x Command List Base Address ）與PxFB（Offset 08h: PxFB – Port x FIS Base Address）中保存命令與資料的首地址，

上圖中每個埠都擁有一個Command list與Recived FIS Structure，Command List由 1 到 32 個命令頭組成，每個頭稱為一個槽（slot），命令槽是一個32位元組的結構，詳細說明了命令的方向、型別以及Command table的地址，

Command table中保存Command FIS（CFIS)、ATAPI Command（ACMD)與Physical Region Descriptor Table (PRDT)，CFIS可以存盤需要發送的命令，PRDT用來保存要傳輸資料地址的串列，ACMD包含要傳輸的ATAPI命令，僅當在命令頭中設定了‘a’位時需要將其填充，

以上圖為例，每個埠的Command list可以分配32個Command slot，每個slot為32位元組，即分配1024位元組即可，需要注意的是，Command list的地址需要1024位元組對齊，否則無法正確發送命令，

Received FIS分配256位元組，需要256位元組對齊，用來接收從device端發來的FIS，Command table則分為前80h固定大小，與至多65535位元組的PRDT部分，這里分配56個PRD,即總大小為1024位元組，同樣進行1024位元組對齊，記憶體分配完成后，將地址分別賦值給PxCLB與PxFB，

3）使能埠

打開埠的SATA鏈路，將PxCMD的SUD置為1，如果在2毫秒內PxSSTS（ Port x Serial ATA Status (SCR0: SStatus)）低3位沒有變為3，即可判定此埠的鏈路不通，釋放第二步分配的記憶體，繼續檢測其他埠，鏈路打開后，將POD、FRE、ICC置為1，檢測PxTFD（Port x Task File Data）的BSY與 DRQ位，如100毫秒內置0則初始化成功，否則釋放第二步分配的記憶體，讀PxSIG（Offset 24h: PxSIG – Port x Signature）暫存器，0x101代表sata設備，0xEB140101為 SATAPI 驅動器，一些有問題的 AHCI 控制器可能無法正確設定PxSIG，最可靠的方法是從設備讀回的Identify資料中判斷，最后打開中斷，

四、如何發送命令

為了發送命令，我們需要構造一個Command header，之后設定埠命令發出暫存器 (PxCI) 中的相應位， AHCI 控制器會自動向設備發送命令并等待回應，如果發生錯誤，埠中斷暫存器 (PORTxIS) 中的錯誤位將被置1，并且可以從埠任務檔案暫存器 (PxTFD)、PxSSTS 暫存器  和 PxSERR暫存器 中獲取資訊，如果發送成功，則對應PxCI位將被清除，接收到的資料（如果有）將由 AHCI 控制器從設備復制到主機存盤器，

SATA 支持queued commands以增加吞吐量，不同于傳統的并行ATA驅動器，當之前的命令仍在運行時，SATA 驅動器可以處理新命令，使用 AHCI，主機最多可以同時向設備發送 32 個命令，

1.選擇Command Slot與填充FIS

讀取PxSACT與PxCI的值，并進行或運算，或運算后其最低為0的位即為空閑可用的Slot,根據Slot對Command list地址進行偏移，可以得到可用的Command header地址，

下圖為Host to Device的FIS格式，以寫塊設備為例：

FIS Type為27h，代表主機到設備；

C為1表示Command, 0表示Control；

Command填寫需要的命令，這里為寫塊設備，所以填ATA_CMD_WRITE，即0xCA；

LBA為block的偏移量

Count為需要寫入的扇區數量

此時，FIS即填充完成，

2.構造Command header

首先，根據我們傳入的資料記憶體塊大小，對cache進行flush，將cache的內容重繪到記憶體中，確保DMA可以正確搬移資料，如果為讀，則是invalidate，需要注意的是，對于設備上的dma，分配的地址必須是cache line的整數倍，要寫入的資料記憶體塊也必須確保對齊cache line，

接下來，參考分配記憶體時的結構圖來構造Command Table，首先，將FIS拷貝到CFIS中，之后，根據資料塊大小（最大不超過4MB），計算所需要的PRDT長度，即PRDTL，并將資料分段填入各個PRD中，完成后執行cache_flush(<address of Command Table>, sizeof(<Command Table>))

最終，構造Command header，將FIS的長度與PRDTL根據結構圖分別填入對應位置，即低4位與16~31位，因為是寫操作，將第6位‘W’置1，將Command table的地址寫入Command header的CTBA中，最后執行cache_flush(<address of Command Header>, sizeof(<Command Header>))，

3.命令的發送與檢測

此時，只需要將PxCI中與slot對應的位寫入1，AHCI 控制器會自動向設備發送命令并等待回應，此時可以通過輪詢或中斷的方式檢測任務是否完成，這里以輪詢為例，如PxCMD的CR位為1，說明此時已啟動dma，檢測PxSERR查看是否存在錯誤位，接著輪詢檢查對應的PxCI位是否為0，當為0時，說明命令發送成功，任務執行完成，

五、總結

初始化

- 在 PCI 命令暫存器中啟用中斷、DMA 和記憶體空間訪問
- 記憶體映射 BAR 5 暫存器，
- 重置控制器
- 在全域主機控制暫存器中啟用 AHCI 模式和中斷，
- 讀取capabilities暫存器，如果需要，檢查是否支持 64 位 DMA，
- 對于所有已實作的埠：
- 為其命令串列、接收到的 FIS 及其命令表分配物理記憶體，確保命令表是 1k 位元組對齊的，
- 設定命令串列和接收到的 FIS 地址暫存器（和高位暫存器，如果支持），
- 設定命令串列條目以指向相應的命令表，
- 重置埠，
- 使用埠的命令暫存器啟動命令串列處理，
- 讀取埠的簽名/狀態以查看它是否連接到驅動器，
- 向連接的驅動器發送 IDENTIFY ATA 命令，獲取他們的扇區大小和數量，

啟動 讀/寫命令

- 選擇要使用的可用命令槽，
- 設定命令 FIS，
- 設定 PRDT，
- 設定命令頭，
- 發送命令.

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