Marvell 88SE9215 AHCI驅動筆記
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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主機匯流排適配器，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規範，支援2.5 Gbps和5 Gbps的通訊速度，支援SATA控制器的AHCI編程介面暫存器，支援積極電源管理，支援錯誤報告、恢復和糾正，支援消息提示中斷(MSI)。
3）SATA控制器
符合串列ATA規範3.1。支援通訊速度6gbps, 3gbps和1.5 Gbps。支援可編程輸出訊號電平。支援Gen 1i, Gen 1x, Gen 2i, Gen 2m, Gen 2x和Gen 3i。支援AHCI 1.0編程介面。支援4個SATA介面。支援原生命令隊列(NCQ)。支援多埠FIS或命令交換。支援分部和休眠電源管理狀態。支援交錯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 設備之間的數據移動引擎。它封裝了 SATA 設備，並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鬆訪問 SATA 驅動器，而無需像 IDE 那樣操作煩人的任務文件。AHCI 控制器最多可支援 32 個埠，這些埠可以連接不同的 SATA 設備。 AHCI 支援所有原生 SATA 功能，例如命令隊列、熱插拔、電源管理等。對於軟體開發人員來說，AHCI 控制器只是具有匯流排主控能力的 PCI 設備。
2）SATA
SATA標準分別由T13和SATA-IO維護。 SATA-IO 側重於串列 ATA，而 T13 也包含傳統的並行 ATA 規範。
雖然 IDE 和 SATA 的硬體規格（甚至在實現它們的不同設備之間）差異很大，但 API 和 ABI 非常相似。對於軟體開發者來說，SATA 和PATA 的最大區別在於 SATA 使用 FIS（幀資訊結構）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 暫存器(Offset 04h)與Status 暫存器(Offset 06h)
Command 暫存器需要將以下狀態位,設置為1：
Memory Space位，該位表示PCI設備是否相應存儲器請求。
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匯流排控制器可以使用這個「大小」，判斷數據區域與Cache行的對應關係。
而Latency Timer 暫存器的值則必須設置為0，因為PCIe設備並不需要使用該暫存器，PCIe匯流排的仲裁方式與PCI匯流排不同，使用的連接方法也與PCI匯流排不同。
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設備佔用的地址空間。
每個PCI設備在BAR中描述自己需要佔用多少地址空間，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暫存器（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應被硬體全被設置為0，並且告知軟體這些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，處理器使用的存儲器域的地址，而BAR暫存器存放PCI匯流排域的地址，需要將PCI匯流排域的地址轉換為存儲器域的地址，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暫存器被分成兩部分，全局暫存器和埠控制暫存器。所有100h以下地址的暫存器都是全局的，並適用於整個HBA。所有埠的埠控制暫存器都是相同的，並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返回’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後檢測GHC的HBA Reset位是否為0，如依然為1則重置失敗，返回錯誤。成功後，註冊並使能中斷使能。
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，即可得到最大支援的Command slot數。
之後讀取CAP的30位，得到控制器是否具有支援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.分配記憶體並使能埠
AHCI的埠地址從100h開始，之後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，否則後續的配置將會無效。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、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表，ACMD包含要傳輸的ATAPI命令，僅當在命令頭中設置了『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，這裡分配56個PRD,即總大小為1024位元組，同樣進行1024位元組對齊。記憶體分配完成後，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。鏈路打開後，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並等待響應。如果發生錯誤，埠中斷暫存器 (PORTxIS) 中的錯誤位將被置1，並且可以從埠任務文件暫存器 (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，接收到的數據（如果有）將由 AHCI 控制器從設備複製到主機存儲器。
SATA 支援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，這裡為寫塊設備，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記憶體塊大小，對cache進行flush，將cache的內容刷新到記憶體中，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對應的位寫入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，這裡以輪詢為例。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
– 在全局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，檢查是否支援 64 位 DMA。
– 對於所有已實現的埠：
– 為其命令列表、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。
– 設置命令列表和接收到的 FIS 地址暫存器（和高位暫存器，如果支援）。
– 設置命令列表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列表處理。
– 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。
– 設置命令 FIS。
– 設置 PRDT。
– 設置命令頭。
– 發送命令.
