原创 PATA硬盘接口的设备端UDMA协议实现要点分析

    一年前费了好大的力气才用FPGA实现了PATA硬盘接口UDMA协议的设备端功能，现在需要把这一接口电路移植到新的项目中。借此机会把以前混乱的思路整理一下。 riple

    整理了当初设计时考虑到和后期调试中发现的几个设计难点，罗列如下。随着我对这些难点的逐一分析和解决，还会不断地充实。 riple

1. PATA接口的MDMA和UDMA传输协议复用信号。 riple

    同一组握手和触发信号，在MDMA和PIO方式下是一套信号名称，在UDMA方式下换成了另外一套名称，相应地，信号的时序特性也发生了改变。在UDMA方式下，同一个信号，在主机数据输出data_out和主机数据输入data_in两种不同的数据传输方向下，其定义也发生了变化。 riple

2. UDMA协议握手信号数量增加，握手信号关系复杂。 riple

    在MDMA传输方式下，握手信号仅有2个，读写触发信号2个；在UDMA传输方式下，握手信号增加到4个，读写触发信号1个。在data_out方向下，主机控制2个握手信号，1个触发信号，设备控制2个握手信号；在data_in方向下，主机控制3个握手信号，设备控制1个握手信号，1个触发信号。 riple

3. 本地时钟频率的确定问题。 riple

    对于同步时序电路，需要考虑异步信号跨时钟域传输的同步问题及其引入的延迟问题。从设计设备端接口的角度看来，主机信号的同步需要两个本地时钟周期。对于握手信号来说，协议要求的时序很宽泛，以50MHz时钟20ns一个周期，延迟两拍计算，设备端驱动的信号的响应时间在协议允许范围内；对于触发信号来说，协议要求的时序就很紧张。在data_in方向下，设备驱动触发信号，协议只有对触发信号的下限要求，没有上限约束，容易实现；在data_out方向下，主机驱动触发信号，很有可能达到协议要求的下限，设备必须在下限时间内实现触发信号的同步和数据的采集及写入，对延时很敏感。 riple

4. UDMA支持模式的问题。 riple

    UDMA模式越高，触发信号的周期越短，由于在触发信号的双边沿传输数据，所以周期减半。在data_in方向下，设备端驱动触发信号的数据，可以运行在较低的触发信号频率下；设备端的FIFO能够以多高的速度存入数据，决定了设备端在data_out方向下，能够支持的最高UDMA模式，该模式即设备能够支持的UDMA模式。采用数据宽度增倍的方式可以减半数据的写入频率，要求同步处理引入的延时不超过一个UDMA整周期，需要一个32位的buffer（注：在奇数个数据传输后，如果主机中止data_out传输，该方法会引发数据高低地址问题，处理较复杂）；采用流水方式可以避免奇数次中止问题，但是FIFO写入频率与半周期频率相等，并且要求同步处理引入的延时不超过一个UDMA整周期，需要两个16位的buffer。另外，16位CRC校验电路的运行频率也影响支持模式的确定。 riple

5.主从设备共用总线的问题。 riple

    设备端驱动的信号需要在有效状态和高阻状态之间适时地切换。 riple

6. CRC相关问题： riple

6.1. 双边沿触发数据CRC实现和时序问题。 riple

    可以与FIFO处理相同。采用加倍数据宽度方式可以提高性能，但是会带来资源的增加（其实没有提高性能）；采用连续流水方式可以节省资源，但是会有性能下降问题。 riple

6.2. data_in和data_out共用CRC实现问题。 riple

    把FIFO同步触发脉冲加入到该模块，用data_dir实现切换。 riple

6.3 CRC检查结果返回问题。 riple

    在每一次中止协议结束后，在DMACK-上升沿采样主机CRC结果，进行CRC校验，并返回结果。（中断方式，及时返回；查询方式，及时返回） riple

7. data_in协议相关问题： riple

7.1 data_in源同步传输方式，数据与触发信号同步产生，数据和触发信号的相位问题。 riple

    采用计数器分频信号产生触发信号，该信号需要符合奇数次中止问题。用寄存器延时实现内部和外部数据的相位调整。 riple

7.2 data_in设备启动协议。 riple

    用DMACK-的下降沿采样STOP信号（采样后的信号在每次中止协议发生后复位），与STOP信号同步之后的信号进行逻辑处理，该信号作为进入正常传输的跳转条件。 riple

7.3 data_in主机暂停协议。 riple

    用HDMARDY-信号控制触发信号发生电路，实现暂停 ，但是要实现电平保持功能。不需要在状态机中实现该状态。 riple

7.4 data_in设备暂停协议。 riple

    用rfifo_al_empty和rfifo_empty信号实现暂停，但是要保持暂停前的电平。不需要在状态机中实现该状态。 riple

7.5 data_in主机中止协议。 riple

    由STOP信号同步后的信号引发状态机跳转，设备需要拉低DMARQ信号。在中止状态，需要判断CRC结果，并根据结果决定跳转方向。如果正确，可以根据数据传输量进入相应的状态；如果错误，要返回错误。 riple

7.6 data_in设备中止协议。 riple

    正常情况下，不在数据传输结束前由设备发出中止协议。在后端超时和传输结束时由设备发出中止协议。此时DSTROBE信号已经由暂停协议确定电平，设备只需要拉低DMARQ信号即可。在非正常状态中止时，设备需要返回错误信息。 riple

7.7 data_in主机中止、设备重新启动的实现。 riple

    在数据没有传输完毕时，主机启动了中止协议，设备进入中止协议处理状态后，需要等到DMACK-无效后，并进行CRC结果判断。如果结果正确，才能进入下一次启动协议；如果结果错误，要返回错误信息（中断或主机查询方式）。 riple

7.8 data_in主机奇数次传输中止，设备偶数次启动时，DSTROBE信号的有效、无效边沿区别问题。 riple

    在奇数次传输中止时，DSTROBE信号保持低电平；在偶数次启动时，DSTROBE是高电平。需要在中止协议里实现对DSTROBE信号高电平复位的操作。 riple

8. data_out协议相关问题： riple

8.1 data_out源同步传输方式，如何实现双边沿数据捕获，同步写入问题。 riple

    用每一个边沿采样数据。在每一个边沿产生同步脉冲，采用流水线方式同步写入FIFO。由于奇数次中止问题，不考虑加倍数据宽度方式。 riple

8.2 data_out设备启动协议。 riple

    用DMACK-的下降沿采样STOP信号（采样后的信号在每次中止协议发生后复位），与STOP信号同步之后的信号进行逻辑处理，该信号作为进入正常传输的跳转条件。用DMACK-和STOP信号的组合逻辑（异步或同步后）实现DDMARDY信号的高电平向低电平跳转。 riple

8.3 data_out主机暂停协议。 riple

    设备端不需要考虑。 riple

8.4 data_out设备暂停协议。 riple

    用wfifo_al_full控制DDMARDY信号的低电平向高电平跳转。 riple

8.5 data_out主机中止协议。 riple

    由STOP信号同步后的信号引发状态机跳转，设备需要拉低DMARQ信号，DDMARDY信号由STOP信号的高电平跳转引发高电平跳转。在中止状态，需要判断CRC结果，并根据结果决定跳转方向。如果正确，可以根据数据传输量进入相应的状态；如果错误，要返回错误。 riple

8.6 data_out设备中止协议。 riple

    用传输数据量控制DDMARDY信号向高电平跳转，延时后控制DMARDY信号向低电平跳转。状态机进入中止协议处理状态。在中止状态，需要判断CRC结果，并根据结果决定跳转方向。如果错误，要返回错误。 riple

8.7 data_out主机中止、设备重新启动的实现。 riple

    在数据没有传输完毕时，主机启动了中止协议，设备进入中止协议处理状态后，需要等到DMACK-无效后，并进行CRC结果判断。如果结果正确，才能进入下一次启动协议；如果结果错误，要返回错误信息（中断或主机查询方式）。 riple

8.8 data_out主机奇数次传输中止，设备偶数次启动时，HSTROBE信号的有效、无效边沿区别问题。 riple

    在采用双倍数据宽度处理方式中，在中止后重新启动时需要根据上一次传输中止时记录的HSTROBE信号的高低电平（低电平为奇数次）决定数据写入的高低地址。在采用流水方式进行的数据采样过程中，只需要根据STOP原始信号的低电平判断是否进行同步脉冲生成即可，不需要考虑奇数次中止问题。 riple

相关链接：ATA-100标准跟我看，内容老了些（01），但是反映了当初技术的前沿

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