Marvell 88SE9215 AHCI驅動筆記

Yangtai 2021-09-18 16:53:48 阅读数:557

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一、Marvell 88SE9215、AHCI與SATA簡介

1.Marvell 88SE9215

1)概述

88SE9215是一個四端口,兼容3 Gbps和6 Gbps的SATA主機總線適配器,提供一個單線PCle 2.0接口、SATA控制器功能和4個6 Gbps SATA端口。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規範,支持2.5 Gbps和5 Gbps的通信速度,支持SATA控制器的AHCI編程接口寄存器,支持積極電源管理,支持錯誤報告、恢複和糾正,支持消息提示中斷(MSI)。

3)SATA控制器

 符合串行ATA規範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編程接口。支持4個SATA接口。支持原生命令隊列(NCQ)。支持多端口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 規範强調 AHCI 控制器(稱為host bus adapter 或 HBA)旨在成為系統內存和 SATA 設備之間的數據移動引擎。它封裝了 SATA 設備,並為主機提供了標准的 PCI 接口。系統設計人員可以使用系統內存和內存映射寄存器輕松訪問 SATA 驅動器,而無需像 IDE 那樣操作煩人的任務文件。AHCI 控制器最多可支持 32 個端口,這些端口可以連接不同的 SATA 設備。 AHCI 支持所有原生 SATA 功能,例如命令隊列、熱插拔、電源管理等。對於軟件開發人員來說,AHCI 控制器只是具有總線主控能力的 PCI 設備。

2)SATA

SATA標准分別由T13和SATA-IO維護。 SATA-IO 側重於串行 ATA,而 T13 也包含傳統的並行 ATA 規範。

雖然 IDE 和 SATA 的硬件規格(甚至在實現它們的不同設備之間)差异很大,但 API 和 ABI 非常相似。對於軟件開發者來說,SATA 和PATA 的最大區別在於 SATA 使用 FIS(幀信息結構)數據包在主機與設備之間傳輸數據。 FIS 可以被視為傳統任務文件的數據集,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 寄存器(Offset 04h)與Status 寄存器(Offset 06h)

                                           

 

 

Command 寄存器需要將以下狀態比特,設置為1:

Memory Space比特,該比特錶示PCI設備是否相應存儲器請求。

Bus Master比特,該比特錶示PCI設備是否可以作為主設備。

Status寄存器寫入~0UL,將錯誤比特清除。

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

需要注意,在PCIe設備中,Cache Line Size 寄存器的值並無意義,因為PCIe設備在進行數據輸送時,在其報文中含有一次數據傳送的大小,PCIe總線控制器可以使用這個“大小”,判斷數據區域與Cache行的對應關系。

而Latency Timer 寄存器的值則必須設置為0,因為PCIe設備並不需要使用該寄存器,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寄存器

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信息構建一張address map,描述系統中資源的分配情况,然後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),其指定範圍內的當前設備中的內部寄存器(或內部存儲空間)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的範圍內,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應被硬件全被設置為0,並且告知軟件這些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,處理器使用的存儲器域的地址,而BAR寄存器存放PCI總線域的地址,需要將PCI總線域的地址轉換為存儲器域的地址,才可以訪問PCI設備的寄存器空間。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,即可實現動態從橋地址轉換。並在Address Editor中,配置合適的PCIe控制器地址與BAR地址。

 

三、HBA初始化

HBA寄存器被分成兩部分,全局寄存器和端口控制寄存器。所有100h以下地址的寄存器都是全局的,並適用於整個HBA。所有端口的端口控制寄存器都是相同的,並且有多少端口就有多少寄存器組。所有未定義的寄存器和寄存器內所有保留比特在讀取時返回'o'。

1.重置HBA

需要將GHC(Offset 04h: GHC – Global HBA Control)中的HBA Reset比特置1,延遲200ms後檢測GHC的HBA Reset比特是否為0,如依然為1則重置失敗,返回錯誤。成功後,注册並使能中斷使能。

2.使能AHCI,獲取端口信息

將GHC中的AHCI Enable比特置1,即可使能AHCI

讀取CAP(Offset 00h: CAP – HBA Capabilities),讀取低5比特再加1,即可得到端口數

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

 之後讀取CAP的30比特,得到控制器是否具有支持NCQ的能力。

讀取PI(Offset 0Ch: PI – Ports Implemented),其對應的某一比特為1,則說明對應比特的端口可供使用

3.分配內存並使能端口

AHCI的端口地址從100h開始,之後的端口地址在前一個端口地址基礎上偏移80h,如端口0的地址為100h,端口1則為180h,以此類推。

1)停止端口

首先需要確保端口不在運行狀態,否則後續的配置將會無效。檢測端口的PxCMD(Offset 18h: PxCMD( Port x Command and Status)比特狀態,確保CR(Command List Running)、FR(FIS Receive Running)、FRE (FIS Receive Enable)、ST(Start)比特為0,每有一比特由1置0,則需要等待500毫秒。將中斷關閉,清除掛起的中斷比特,即可開始分配內存。

2)分配內存

 

   

 

 

AHCI端口寄存器並不直接保存需要發送或接收的命令與數據,而是在PxCLB(Offset 00h: PxCLB – Port x Command List Base Address )與PxFB(Offset 08h: PxFB – Port x FIS Base Address)中保存命令與數據的首地址。

上圖中每個端口都擁有一個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字節的結構,詳細說明了命令的方向類型以及Command table的地址

Command table中保存Command FIS(CFIS)、ATAPI Command(ACMD)與Physical Region Descriptor Table (PRDT),CFIS可以存儲需要發送的命令,PRDT用來保存要傳輸數據地址的列錶,ACMD包含要傳輸的ATAPI命令,僅當在命令頭中設置了‘a’比特時需要將其填充。

以上圖為例,每個端口的Command list可以分配32個Command slot,每個slot為32字節,即分配1024字節即可,需要注意的是,Command list的地址需要1024字節對齊,否則無法正確發送命令。

Received FIS分配256字節,需要256字節對齊,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字節的PRDT部分,這裏分配56個PRD,即總大小為1024字節,同樣進行1024字節對齊。內存分配完成後,將地址分別賦值給PxCLB與PxFB。

3)使能端口

打開端口的SATA鏈路,將PxCMD的SUD置為1,如果在2毫秒PxSSTS( Port x Serial ATA Status (SCR0: SStatus))低3比特沒有變為3,即可判定此端口的鏈路不通,釋放第二步分配的內存,繼續檢測其他端口。鏈路打開後,將POD、FRE、ICC置為1,檢測PxTFD(Port x Task File Data)的BSY與 DRQ比特,如100毫秒內置0則初始化成功,否則釋放第二步分配的內存。讀PxSIG(Offset 24h: PxSIG – Port x Signature)寄存器,0x101代錶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置PxSIG,最可靠的方法是從設備讀回的Identify數據中判斷。最後打開中斷

四、如何發送命令

為了發送命令,我們需要構造一個Command header,之後設置端口命令發出寄存器 (PxCI) 中的相應比特, AHCI 控制器會自動向設備發送命令並等待響應。如果發生錯誤,端口中斷寄存器 (PORTxIS) 中的錯誤比特將被置1,並且可以從端口任務文件寄存器 (PxTFD)、PxSSTS 寄存器  和 PxSERR寄存器 中獲取信息。如果發送成功,則對應PxCI比特將被清除,接收到的數據(如果有)將由 AHCI 控制器從設備複制到主機存儲器。

SATA 支持queued commands以增加吞吐量。不同於傳統的並行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,並進行或運算,或運算後其最低為0的比特即為空閑可用的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,代錶主機到設備

C為1錶示Command, 0錶示Control;

Command填寫需要的命令,這裏為寫塊設備,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。根據我們傳入的數據內存塊大小,對cache進行flush,將cache的內容刷新到內存中,確保DMA可以正確搬移數據,如果為讀,則是invalidate。需要注意的是,對於設備上的dma,分配的地址必須是cache line的整數倍。要寫入的數據內存塊也必須確保對齊cache line

接下來,參考分配內存時的結構圖來構造Command Table。首先,將FIS拷貝到CFIS中。之後,根據數據塊大小(最大不超過4MB),計算所需要的PRDT長度,即PRDTL,並將數據分段填入各個PRD中。完成後執行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比特置,即低4比特與16~31比特。因為是寫操作,將第6比特‘W’置1。將Command table的地址寫入Command header的CTBA中,最後執行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對應的比特寫入1,AHCI 控制器會自動向設備發送命令並等待響應。此時可以通過輪詢或中斷的方式檢測任務是否完成,這裏以輪詢為例。如PxCMD的CR比特為1,說明此時已啟動dma,檢測PxSERR查看是否存在錯誤比特。接著輪詢檢查對應的PxCI比特是否為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 命令寄存器中啟用中斷、DMA 和內存空間訪問
- 內存映射 BAR 5 寄存器。
- 重置控制器
- 在全局主機控制寄存器中啟用 AHCI 模式和中斷。
- 讀取capabilities寄存器。如果需要,檢查是否支持 64 比特 DMA。
- 對於所有已實現的端口:
- 為其命令列錶、接收到的 FIS 及其命令錶分配物理內存。確保命令錶是 1k 字節對齊的。
- 設置命令列錶和接收到的 FIS 地址寄存器(和高比特寄存器,如果支持)。
- 設置命令列錶條目以指向相應的命令錶。
- 重置端口。
- 使用端口的命令寄存器啟動命令列錶處理。
- 讀取端口的簽名/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。
- 設置命令 FIS。
- 設置 PRDT。
- 設置命令頭。
- 發送命令.

 

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