SATA、AHCI、ATA等相关知识概述

SATA
SATA（Serial Advanced Technology Attachment，串行高级技术附件）是一种基于行业标准的串行硬件驱动器接口，是由Intel、IBM、Dell、APT、Maxtor和Seagate公司共同提出的硬盘接口规范。现在主流为SATA3.0，速率可达到6.0Gbps.SATA Spec中定义了物理层、链路层、传输层的标准，以及传输协议、关键数据结构FIS等的定义，SATA下面有2中mode可以选择：AHCI和IDE


IDE
IDE的英文全称为“IntegratedDrive Electronics”，即“电子集成驱动器”，它的本意是指把“硬盘控制器”与“盘体”集成在一起的硬盘驱动器。又称PATA接口，最大速率为133MB/s，现在已经完全被SATA所取代，但是为了兼容的原因，不管是BIOS还是OS下仍然保留IDE模式，该模式可以将SATA盘映射模拟成普通IDE硬盘，无需额外加载SATA驱动。但不支持任何SATA接口的新特性


AHCI 
AHCI（Serial ATA AdvancedHost Controller Interface），又名串行ATA高级主控接口/高级主机控制器接口。AHCI通过包含一个PCI BAR（基址寄存器），来实现原生SATA功能，允许存储驱动程序启用高级串行 ATA 功能。
AHCI模式是专门为SATA接口而设计，支持SATA接口特性，诸如本机命令队列(NCQ)和热插拔。但是需要用户在BIOS中选择AHCI模式，方便操作系统自动加载AHCI驱动。AHCI 协议主要定义了Host端的寄存器、错误处理、电源管理等


ATA和ATAPI
ATA和ATAPI是广为使用的IDE和EIDE设备的相关标准，与SATA、AHCI有着密切的关系。
ATA是AT Attachment的缩写，意思是AT计算机上的附加设备。ATA可以使用户方便地在PC机上连接硬盘，但有时这样还不够。有些用户需要通过同样方便的手段连接CDROM、磁带机、MO驱动器等设备，所以就有了ATAPI
ATAPI标准就是为了解决在IDE/EIDE接口上连接多种设备而制定的。ATAPI是AT Attachment Packet Interface的缩写，意思是AT计算机上附加设备的包接口。支持ATAPI的IDE/EIDE接口可以像连接硬盘一样连接ATAPI设备。目前几乎所有的IDE/EIDE接口都支持ATAPI。


BIOS中初始化SATA HDD流程：
1  初始化南桥中相关的寄存器,根据BIOS设定选择使用AHCI模式还是IDE模式，现在默认为AHCI模式，以此为例
  AHCI一般在南桥中对应于Device31 Function2 的PCI配置空间，其下有6个port，可以接出来6个SATA插槽， 连接6个SATA HDD设备
2 PCI扫描阶段，为AHCI Controller分配所需的MMIO空间等
3 枚举Slave device：
   （1）. 检测port上面是否接有device，通过检测寄存器来确定，如存在Device，其Link状态会有所改变
   （2）.存在device则发命令让其Spinup起来
   （3）. 获取device的相关信息。device（如HDD）中存在微处理器、Firmware、存储芯片等，当Host发送命令到Device之后，device会执行Protocol规定的动作，完成和Host之间的信息交互。

   信息交互的过程涉及到Protocol、command、FIS等知识点，在此以获取identifydata为例来说明：
   参考ATA-ACS Spec中 IDENTIFY DEVICE - ECh, PIO Data-In；
   Host发送IDENTIFY DEVICE命令给Device，其command值为ECh，采用的是PIO Data-In command Protocol,其过程为
   <1>Host发送H2D register FIS 给Device，该FIS中包含command=ECh
   <2>device 接到H2D之后看到ECh的command,知道其采用的PIO Data-In Protocol，故传送一个D2H的PIO Setup FIS通知Host已经准备好了，可以开始传送Data FIS了
   <3>Host接到D2H的PIO Setup FIS，开始从Device端接收Data FIS
   <4>当Data传完或者在传输的过程中发现有Error发生，则device发送一个D2H register FIS通知Host状态
   
   在上述过程中涉及到的command的定义参考ATA8-ACS Spec、FIS和command protocol的介绍参考SATA Spec；至于发送command命令和等待命令完成则是通过读取寄存器的值来进行，可以参考AHCI Spec
   
   除了上述的PIO data-in protocol，SATA Spec中还定义了其他的一些Protocol：Nodata command Protocol、PIO Data-out command Protocol、DMA Data in\out command protocol等；
   
   PIO和DMA的区别为
   PIO的英文拼写是“Programming Input/Output Model”， PIO模式是一种通过CPU执行I/O端口指令来进行数据的读写的数据交换模式。是最早先的硬盘数据传输模式，数据传输速率低下，CPU占有率也很高，大量传输数据时会因为占用过多的CPU资源而导致系统停顿，无法进行其它的操作。PIO数据传输模式又分为PIO mode 0、PIO mode 1、PIO mode 2、PIO mode 3、PIO mode 4几种模式，数据传输速率从3.3MB/s到16.6MB/s不等。受限于传输速率低下和极高的CPU占有率，这种数据传输模式很快就被淘汰
   
   DMA是一项1997初才开始广泛采用的新的ATA／IDE接口协议，所以又称Ultra ATA。Ultra DMA采用总线主控方式，在硬盘上有DMA直接内存访问控制器。由于在数据传输过程中不需CPU的干预，因而节约了宝贵的CPU资源，使得CPU可以腾出大量的时间处理其它的数据和程序要求。其次，Ultra DMA把IDE命令的时钟脉冲的上升沿和下降沿都用作内存读写选通信号，使得每半个时钟周期就可以传输一次数据，也就使最大外部数据传输率从每秒16.6MB倍增，现在使用的UltraDMA 6最大为133 MB/s
   
   AHCI 每个Port都包含有2个主要的DMA engine，一个用来遍历commandlist,由PxCMD.ST来控制；另一个将接收到的FIS copy到memory,由PxCMD.FRE来控制