SATA驱动中FIS命令处理(详细)流程附代码和协议解析

一、简介

本文主要讲述在SATA模块命令的处理、数据的传输和内存分布详细过程，同时讲述如何通过FIS用于Host和device之间信息传输。

二、命令处理详细流程

2.1 总体过程总结

1、构造FIS命令；
2、填充Command Table；
3、填充Command Header；
4、通知Host或Device处理命令；

2.2 内存布局

SATA在处理命令前构造的FIS和填充的数据都是存放在内存中，但是controller如何知道具体存放位置呢？这就要借助每个Port很重要的两个寄存器存放FIS(FB和FBS)的基地址和Command Header(CLB和CLBU)的基地址。

2.2.1 具体内存分配规则

根据AHCI SPEC和sata驱动，每个port有一段分配的内存区域(CFIS)存放FIS内容和Comand List（PRDT）相关信息。
具体偏移地址如下：

	if (pp->fbs_supported) {
		dma_sz = AHCI_PORT_PRIV_FBS_DMA_SZ;
		rx_fis_sz = ACARD_AHCI_RX_FIS_SZ * 16;
	} else {
		dma_sz = AHCI_PORT_PRIV_DMA_SZ;
		rx_fis_sz = ACARD_AHCI_RX_FIS_SZ; 		//512Byte
	}
	mem = dmam_alloc_coherent(dev, dma_sz, &mem_dma, GFP_KERNEL);
	if (!mem)
		return -ENOMEM;

	/*
	 * First item in chunk of DMA memory: 32-slot command table,
	 * 32 bytes each in size
	 */
	pp->cmd_slot = mem;
	pp->cmd_slot_dma = mem_dma;

	mem += AHCI_CMD_SLOT_SZ;		//32Byte * 32 command = 1024Byte
	mem_dma += AHCI_CMD_SLOT_SZ;

	/*
	 * Second item: Received-FIS area
	 */
	pp->rx_fis = mem;
	pp->rx_fis_dma = mem_dma;

	mem += rx_fis_sz;	//512Byte 非FBS模式
	mem_dma += rx_fis_sz;

	/*
	 * Third item: data area for storing a single command
	 * and its scatter-gather table
	 */
	pp->cmd_tbl = mem;
	pp->cmd_tbl_dma = mem_dma;

2.2.2 具体命令填充

1、构造FIS填充在CFIS指定的地址

2、PRDT中一个sgl的地址，主要是数据传输时用来存放数据地址

3、填充Command Header
每一个Port有32个Command Header，填充后Host或者Device根据顺序依次处理，每个Header填充了Comand Feature信息和Command Table的基地址，便于直接解析FIS和Command List。

4、整体command构造代码流程如下

0-> ahci_qc_prep
    1-> ata_tf_to_fis //将tf的各个值填入到cfis中对应字段
    1-> memcpy(cmd_tbl + AHCI_CMD_TBL_CDB, qc->cdb, qc->dev->cdb_len); //如果是scsi的命令，则拷贝cdb命令到ACMD中，即使用SATA中的ATAPI命令。
    1-> ahci_fill_sg //将上层的sgl中的sg一个一个填入到PRD表中
    1-> ahci_fill_cmd_slot //填充command header，command header的地址初始化阶段已被写到了PxCLB和PxCLBU寄存器中
        2-> opts = cmd_fis_len | n_elem << 16 | (qc->dev->link->pmp << 12);
            opts |= AHCI_CMD_WRITE; //写命令
            opts |= AHCI_CMD_ATAPI | AHCI_CMD_PREFETCH; //atapi命令
            DW0=opts
        2-> 清零PRDBC，该字段用于当前已经完成的读写字节数
        2-> 将本命令的内存的DMA地址赋值给CTBA

2.2.3 命令触发流程

驱动在分配的对应的Command Header和Command Table内存并填充了相关信息后就要通知Host或者Device处理命令，具体流程如下：
1、填充分配给Command header Base地址到PnCLB和PnCLBU寄存器中；
2、填充FIS存放的BASE地址到PnFB和PnFBS中；
3、使能PnCMD中fre位使能FIS接收；
4、置位PnCI寄存器;
5、读PnTFD寄存器bit[7:0]，确定command处理结果；

	/* set FIS registers */
	if (hpriv->cap & HOST_CAP_64)
		writel((pp->cmd_slot_dma >> 16) >> 16,//将申请的cmd_slot_dma BASE地址写入到PnCLB
		       port_mmio + PORT_LST_ADDR_HI);
	writel(pp->cmd_slot_dma & 0xffffffff, port_mmio + PORT_LST_ADDR);

	if (hpriv->cap & HOST_CAP_64)
		writel((pp->rx_fis_dma >> 16) >> 16,将申请的rx_fis_dma BASE地址写入到PnFB
		       port_mmio + PORT_FIS_ADDR_HI);
	writel(pp->rx_fis_dma & 0xffffffff, port_mmio + PORT_FIS_ADDR);

	/* enable FIS reception */
	tmp = readl(port_mmio + PORT_CMD);
	tmp |= PORT_CMD_FIS_RX;
	writel(tmp, port_mmio + PORT_CMD);//使能FIS接收

	/* issue & wait */
	writel(1, port_mmio + PORT_CMD_ISSUE);  //通知处理command PnCI

	if (timeout_msec) {
		tmp = ata_wait_register(ap, port_mmio + PORT_CMD_ISSUE,
					0x1, 0x1, 1, timeout_msec);
		if (tmp & 0x1) {
			ahci_kick_engine(ap); //读取PnCMD中命令处理状态
			return -EBUSY;
		}
	} else
		readl(port_mmio + PORT_CMD_ISSUE);	/* flush */

	return 0;

2.2.4 其他注意事项

1、sata驱动中FB中填充的FIS BASEADDR（256Byte）存放FIS内容主要是PIO Setup FIS、D2H Register FIS、SDB FIS、Unknown FIS，而其他的FIS存放在Command Table中起始的位置，代码如下：

其他FIS存放起始地址：

	cmd_tbl = pp->cmd_tbl + qc->hw_tag * AHCI_CMD_TBL_SZ;//Command Table起始地址

	ata_tf_to_fis(&qc->tf, qc->dev->link->pmp, 1, cmd_tbl);

2、内核驱动中每个Port分配的Commad List数量有误
根据协议每个Command Table最大限制在1K对齐，硬件最大支持64K，而每个Command List为16B，则最大为64个，而内核驱动中写成168个，可能是开发人员手误多打了一个8：


相当于每个Table都额外多申请的内存：

具体的FIS类型参考博客链接：SATA信息传输FIS结构总结

三、其他相关链接

1、SATA模块之HBA卡开发总结（一）

2、SATA信息传输FIS结构总结

3、PCIe物理层总结-PCIE专题知识（一）

4、PCIe数据链路层图文总结-PCIe专题知识（二）

5、SSD硬盘SATA接口和M.2接口区别总结