[发明专利]SATA协议加速模块、主机与硬盘通信方法及固态硬盘控制器

说明书

技术领域

本发明属于及计算机系统的存储技术领域，特别涉及一种应用于固态硬盘控制器的SATA协议加速模块、主机与基于SATA接口的固态硬盘之间通信的方法及该固态硬盘控制器。

背景技术

固态硬盘(Solid State drive)是使用闪存等作为存储介质的硬盘，固态硬盘主机侧的接口与传统硬盘一样，多采用SATA接口。

SATA(Serial Advanced Technology Attachment)是一种高速串行接口，其协议分为4层，物理层、链路层、传输层以及命令层。物理层主要负责链路串并转换，链路层主要负责与对端进行链路级别的握手，传输层主要负责帧的构建和解析，命令层主要负责进行ATA命令的交互。

如图1所示，现有的基于SATA接口的固态硬盘包括固态硬盘控制器、Flash颗粒5、和Dram颗粒6，其中固态硬盘控制器包括SATA接口控制模块1、CPU2、Dram控制模块3和Flash接口控制模块4，所述SATA接口控制模块1和主机相连，SATA接口控制模块1分别通过CPU2和Dram控制模块3与Flash接口控制模块4相连，Flash接口控制模块4与Flash颗粒5相连，Dram控制模块3与Dram颗粒6相连。

SATA接口控制模块1负责实现固态硬盘跟主机的连接控制；CPU2负责处理来自主机的ATA命令，以及通过Flash接口控制模块4管理Flash颗粒5；Dram控制模块3负责管理Dram颗粒6；Flash接口控制模块4负责实现对Flash颗粒5的操作。

在图1所示的架构中，SATA接口控制模块1以硬件电路实现SATA协议中的前三层(包括物理层、链路层、传输层)，SATA协议中的命令层由CPU2以及其运行的固件实现。SATA接口控制模块1将从主机收到的ATA命令发送给CPU2，CPU2根据SATA协议完成跟主机的交互动作。同时，CPU2还要根据SATA命令层协议检查ATA命令的正确性，如果命令层的交互出现异常，还要负责根据协议要求完成异常处理。这种由CPU2来处理SATA命令层的方式非常慢，CPU2会花费很大一部分资源和时间去解析和完成SATA命令层的协议交互，由于嵌入式CPU2在处理协议事务上速度不会很快，完成一个简单的比较运算都会花费多个时钟周期，更何况是要完成命令层中复杂的交互流程，这必然会导致SATA接口的性能带宽由于协议开销被消耗掉一部分，从而影响整个固态硬盘的性能。

申请号为CN201210369554的中国专利公开了一种基于协处理器的SATA控制器，使用microblaze(某FPGA公司提供的CPU软核)加固件软件代码的方式，实现SATA控制器中传输层状态机的跳转。该方法虽然增加了SATA控制器的灵活性，但是由于其使用的也是标准的嵌入式CPU加C语言代码，所以其效果跟上述现有一般固态硬盘控制器架构中的处理方式基本相同，不会减少完成SATA协议带来的时间开销，SATA接口的性能不能达到最大。

由于固态硬盘的存储介质多采用NAND Flash颗粒，在多通道并发模式下，访问NAND Flash颗粒的性能带宽会比SATA接口的最大理论带宽要大，所以现有架构的固态硬盘控制器中，SATA接口成了限制固态硬盘设备性能的瓶颈。

发明内容

现有基于SATA接口的固态硬盘中，由于CPU花费很大一部分资源和时间来实现SATA命令层，从而造成固态硬盘性能低。本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种SATA协议加速模块、主机与硬盘通信方法及固态硬盘控制器。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种应用于固态硬盘控制器的SATA协议加速模块，包括接收控制模块、发送控制模块、信息提取模块、DMA接口控制模块、CPU接口控制模块、寄存器控制模块、指令执行模块和指令RAM模块，其中接收控制模块与SATA接口控制模块相连，接收控制模块通过DMA接口控制模块与Dram控制模块相连，接收控制模块依次通过信息提取模块、CPU接口控制模块与CPU相连，CPU接口控制模块通过寄存器控制模块与指令执行模块相连，CPU接口控制模块与指令RAM模块相连，指令执行模块还分别与信息提取模块、接收控制模块、指令RAM模块和发送控制模块相连，DMA接口控制模块还与发送控制模块相连，发送控制模块还与SATA接口控制模块相连；其中，