ENTWURF UND REALISIERUNG EINES SATA PHYSICAL LAYERS FÜR ALTERA STRATIX II GX FPGAS

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1 Fakultät Informatik Institut für Technische Informatik, Professur für VLSI-Entwurfssysteme, Diagnostik und Architektur ENTWURF UND REALISIERUNG EINES SATA PHYSICAL LAYERS FÜR ALTERA STRATIX II GX FPGAS Großer Beleg - Verteidigung Thomas Frank Dresden, 17. April 2013

2 Inhalt 1 Einleitung Motivation und Ziele 2 Grundlagen Serial ATA Streaming optimierter SATA Controller Altera Stratix II GX 3 Transceiverkonfiguration Überblick Vorgehen Out of Band Signale Taktquelle SATA-fähige Konfiguration 4 Integration des Transceivermoduls TransceiverLayer Schnittstelle Anpassung des ATA-Streaming-Controllers 5 Messungen 6 Zusammenfassung TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 2 von 30

3 1 Einleitung TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 3 von 30

4 1 Einleitung Motivation: Streaming-optimierter Serial-ATA-Controller vorhanden Portabilität des SATA-Controllers zeigen FPGA als Beschleuniger: hohe Datenmengen erforderlich SATA-Eignung des Altera Stratix II GX FPGAs nachweisen Ziele: Gültige Transceiverkonfiguration für Verwendung von SATA Integration eines Altera-spezifischen Physical Layers in den SATA-Controller TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 4 von 30

5 2 Grundlagen TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 5 von 30

6 2 Grundlagen Serial ATA - Allgemeines Schnittstelle für interne/externe Festplatten mit hoher Verbreitung Nachfolger von IDE/PATA Treiber-Kompatibilität serielle Datenübertragung mit dezidiertem Sende- und Empfangskanal Kommunikationsschema halbduplex 3 Geschwindigkeiten: Bezeichnung Datenrate Nutzdatenrate SATA Revision 1.x 1,5 Gb/ s 150 MB/ s SATA Revision 2.x 3,0 Gb/ s 300 MB/ s SATA Revision 3.x 6,0 Gb/ s 600 MB/ s TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 6 von 30

7 2 Grundlagen Serial ATA - Schichtenmodell Abbildung nach [2] Application Layer OS-Schnittstelle, Schreib und Leseaufträge Command Layer Protokoll auf Transferebene, Adressübersetzung Transport Layer FIS Erzeugung Link Layer Protokoll auf Paketebene, CRC, Kodierung Physical Layer Erkennung, Initialisierung und Bereitstellung der Verbindung TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 7 von 30

8 2 Grundlagen Serial ATA - Physical Layer serielle Übertragung mit differenzieller Übertragungstechnik (LVDS) (De-)Serialisieren (SERDES) Taktsynchronisation/-rückgewinnung im Empfangspfad Ausgleich zwischen Empfangs- und Verarbeitungsrate (Ratematching) Finden des Byte- und Wortanfanges (Alignment) Verbindungsaufbau Erkennen/Erzeugen von Out Of Band-Signalen (OOB) TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 8 von 30

9 2 Grundlagen Streaming-optimierter SATA Controller Abbildung nach [3] SATA Implementation für Xilinx Virtex 5 (GTP DUAL) und Virtex 6 (GTXE1) Latenzminimierung durch sofortige Weiterleitung von Daten (Streaming) StreamDB als Beispielimplementierung für Applikationsschicht 32 Bit Datenpfad, variable Taktfrequenz Portabilität: Transceivermodul kapselt FPGA-spezifische Makros und stellt Controllertakt bereit 8b10b-Kodierung in TransceiverLayer verschoben TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 9 von 30

10 2 Grundlagen Altera Stratix II GX FPGA Leistung vergleichbar Xilinx Virtex 5 Transceiver (MGT) unterstützt Serielle Verbindungen bis zu 6,375 Gb/ s somit SATA 6 Gb/ s möglich SATA nicht offiziell unterstützt und kein SATA-Port vorhanden SATA-Port über SFP-Modul nachträglich hinzugefügt TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 10 von 30

11 3 Transceiverkonfiguration TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 11 von 30

12 3 Transceiverkonfiguration Überblick MultiGigaBit-Transceiver (MGT) besteht aus konfigurierbaren Elemente Ziel: SATA-fähige Konfiguration der Elemente Transceiveraufbau (Abbildung vereinfacht nach [1]) TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 12 von 30

13 3 Transceiverkonfiguration Vorgehen Konfigurationstool MegaWizard erlaubt nur vorbestimmte Transceivereinstellungen Empirisches Vorgehen: mehre Konfiguration mit MegaWizard erzeugen wichtige Konfigurationsparameter der Modulinstanziierungen identifizieren Instanziierung für SATA anpassen und mit Logikanalysator testen Beispiel: Threshold für Erkennung des Eletrical Idle Zustandes undokumentiert mehrere Tests mit Festplatten für nutzbaren Wert notwendig TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 13 von 30

14 3 Transceiverkonfiguration Out Of Band Signale 3 OOB-Signale: COMRESET, COMINIT, COMWAKE Aufbau: 6 Datenbursts (ALIGN P ) durch Electrical-Idle getrennt in jeder Übertragungsgeschwindigkeit gleiche Dauer Nutzung der Transceiver-Signale rx signaldetect und tx forceelecidle TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 14 von 30

15 3 Transceiverkonfiguration Taktquelle für SATA 6,0 Gb/ s ist Taktquelle von mind. 150 MHz nötig Altera Stratix II GX AV Entwicklungsboard besitzt keine geeignete Taktquelle, dafür konfigurierbaren VCO Austausch der Taktquelle (Quarzocszillator) des VCOs Konfiguration des VCOs für 150 MHz TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 15 von 30

16 3 Transceiverkonfiguration SATA-fähige Konfiguration Bandbreiten gesteuerter Transceiver mit konstanten Referenztakt (refclk) von 150 MHz SATA 6,0 Gb/ s: SERDES-Komponenten in double datarate SATA Geschwindigkeitsumschaltung über SATA Generation Signal TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 16 von 30

17 4 Integration des Transceivermoduls TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 17 von 30

18 4 Integration des Transceivermoduls TransceiverLayer Schnittstelle SATA Clock ist Taktsignal für Schichten des SATA-Controllers RX/TX Adapter realisieren Taktdomänenübergang der Daten RX Adapter zusätzlich für Wort-Alignment und Ratematching zuständig TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 18 von 30

19 4 Integration des Transceivermoduls Anpassung des Streamingcontrollers lange kombinatorische Pfade durch große Statemachines Pipelinestufe durch einstufigen FIFO Taktfrequenz 150 MHz für SATA 6,0 GB/ s erreicht TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 19 von 30

20 5 Messungen TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 20 von 30

21 5 Messungen Messverfahren ATASCMeasurement aus [3] zum Messen Messung mit Taktzählern Zählerwerte über FIFO abrufbar, ausgelesen mit Signaltap Messwerte: Takte ab vollständigen Erhalt des ersten FIS (SODB) bis zu letzten FIS (EODB) TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 21 von 30

22 5 Messungen SATA 1,5 Gb/s Datenrate 150 MiB/s 140 MiB/s 130 MiB/s 120 MiB/s 110 MiB/s 100 MiB/s 90 MiB/s 80 MiB/s 70 MiB/s 60 MiB/s 50 MiB/s 8 KiB Datenbankgröße Hit. DS 250GB OCZ V3 120GB WDC 500GB Limit 16 KiB 32 KiB 64 KiB 128 KiB 256 KiB 512 KiB 1 MiB 2 MiB 4 MiB 8 MiB 16 MiB 32 MiB 64 MiB 128 MiB 256 MiB 512 MiB TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 22 von 30

23 5 Messungen SATA 3,0 Gb/s Datenrate 310 MiB/s 280 MiB/s 250 MiB/s 220 MiB/s 190 MiB/s 160 MiB/s Hit. DS 250GB OCZ V3 120GB WDC 500GB Limit 130 MiB/s 100 MiB/s 70 MiB/s 40 MiB/s 8 KiB Datenbankgröße 16 KiB 32 KiB 64 KiB 128 KiB 256 KiB 512 KiB 1 MiB 2 MiB 4 MiB 8 MiB 16 MiB 32 MiB 64 MiB 128 MiB 256 MiB 512 MiB TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 23 von 30

24 5 Messungen SATA 6,0 Gb/s Datenrate 630 MiB/s 570 MiB/s 510 MiB/s 450 MiB/s 390 MiB/s 330 MiB/s OCZ V3 120GB WDC 500GB Limit 270 MiB/s 210 MiB/s 150 MiB/s 90 MiB/s 8 KiB Datenbankgröße 16 KiB 32 KiB 64 KiB 128 KiB 256 KiB 512 KiB 1 MiB 2 MiB 4 MiB 8 MiB 16 MiB 32 MiB 64 MiB 128 MiB 256 MiB 512 MiB TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 24 von 30

25 5 Messungen SATA 3,0 Gb/s: Vergleich Altera und Xilinx Xilinx Virtex 5 (V5) unterstützt maximal SATA 3,0 Gb/ s 330 MiB/s 300 MiB/s S2GX: OCZ S2GX: WDC V5: OCZ V5: WDC 270 MiB/s Datenrate 240 MiB/s 210 MiB/s 180 MiB/s 150 MiB/s 120 MiB/s 90 MiB/s 8 KiB Datenbankgröße 16 KiB 32 KiB 64 KiB 128 KiB 256 KiB 512 KiB 1 MiB 2 MiB 4 MiB 8 MiB 16 MiB 32 MiB 64 MiB 128 MiB 256 MiB 512 MiB TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 25 von 30

26 5 Messungen Ressourcenbedarf ALM Reg. ALUT M4K Clocks PLL Streaming-Ctrl SATA-Ctrl Trans-Layer Gesamt Anteil(%) ,5 TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 26 von 30

27 6 Zusammenfassung TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 27 von 30

28 6 Zusammenfassung Funktionierende Transceiverkonfiguration für SATA mit Altera Stratix II GX Unterstütztung für alle 3 Übertragungsgeschwindigkeiten Integration der Transceiverkonfiguration in Streaming-optimierten SATA Controller Anpassung des Controllers für SATA 6,0 Gb/ s auf 150 MHz Verarbeitungstakt TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 28 von 30

29 Ausgewählte Quellen [1] Altera. Stratix II GX Device Handbook, siigx5v1-4.3 edition, [2] D. Anderson. SATA Storage Technology: Serial ATA. MindShare technology series. MindShare Press, [3] P. Lehmann. Implementierung eines auf Streaming optimierten SATA-Host-Bus-Adapters (HBA). Bachelorarbeit, Technische Universität Dresden, [4] SerialATA Workgroup. Serial ATA: High Speed Serialized AT Attachment, 1.0a edition. TU Dresden, 17. April 2013 SATA Physical Layer für Altera Stratix II GX Folie 29 von 30

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