SATA系列专题之六：浅析NCQ原生指令序列

一、故事前传

在之前的文章中, 我们已经针对SATA相关内容进行了较为详细的解析，如果感兴趣的话，请见之前文章：

1，浅析SATA Physical Layer物理层OOB信号；

2，SATA Link Layer链路层解析2.0-2.3；

3，SATA Transport Layer传输层解析3.0-3.4；

4，SATA Command Layer命令层解析4.0-4.1；

5，SATA Link Power Managment解析；

我们这里主要解析一下SATA NCQ(Native Command Queuing)原生指令序列的相关内容。

二、SATA NCQ 原生指令序列

NCQ是SATA中的命令协议，允许同时在Drive中执行多个命令。 当用户的应用程序发送多条指令到用户的硬盘，NCQ可以优化完成这些指令的顺序，从而降低负荷达到提升性能的目的。

此外，SATA Spec中还定义了三个特殊的功能来加强NCQ的性能：

1. Race-Free Status Return: 无竞争状态返回机制，允许任何指令任何时间报告执行状态，此外，多个命令执行完毕信息可以打包一起回传。

2. Interrupt Aggregation: 在DMA传输模式下，硬盘通知传输结束，会引起一个中断（Interrupt），造成延迟。所以，SATA spec提供中断聚集机制。如果硬盘同时间内完成多组命令，这些命令完成所引起的中断就可以聚集在一起，大幅减少中断的数目，这对于降低中断延迟有极大的贡献。

3. First-Party DMA(FPDMA): SATA允许硬盘端通过DMA setup FIS直接对Host控制器送出数据传输请求，DMA引擎就可以直接进行资料传输，这个过程中并不需要Host端软件的介入。
   

当Drive收到一个Command，是要将其重新排列？还是立即执行呢？这怎么区分呢？

不怕，SATA Spec定义了两个特殊的NCQ指令：

1. Read FPDMA Queued;

   

2. Write FPDMA Queued;

   

 

从上面Read FPMA Queued Inputs和Write FPMA Queued Inputs我们可以看到红色框里面有一个特别的5-bit参数TAG(bit3~bit7). 这个参数就代表了NCQ一次可以最多执行32个Commands(如下图红色框Command List)。

在Device端，当Queued Commands(最多32)中的一个write或者read准备好传输数据时，通过发送DMA setup FIS告知Host已准备好数据传输，其中要附带更新Tag Value(如下图红色框)。

  

在Device端，当Queued Commands执行完成后, 通过发送Set Device Bits FIS告知Host完成状态，此时SActive区域对应TAG的相关内容(最多32个Command)。

FPDMA Read Command(60h) Protocol如下：

我们抓取了一个FPDMA Read Command(60h)的SATA trace，如下图：

从上面的SATA trace我们可以得到：

1. 这个FPDMA read cmd对应的Tag=8;
   

2. 这个FPDMA read cmd要读取32768 bytes的数据;

   在之前的文章“SATA Transport Layer传输层解析”中，我们提到过，Data FIS中的数据长度最大为2048 DWs,也就是8192 Bytes。所以，我们可以看到在上面的sata trace中，分4次发送Data FIS来实现32768 bytes数据的传输。
   

FPDMA Write Command(61h) Protocol如下：

我们抓取了一个FPDMA Write Command(61h)的SATA trace，如下图：

从上面的SATA trace我们可以得到：

1. 这个FPDMA write cmd对应的Tag=0xEh=14;
   

2. 这个FPDMA write cmd要写入131072 bytes的数据;

   在之前的文章“SATA Transport Layer传输层解析”中，我们提到过：Data FIS中的数据长度最大为2048 DWs,也就是8192 Bytes。所以，我们可以看到在上面的sata trace中，分16次发送Data FIS。但是每发送一个DMA DATA FIS后，要再次收到DMA Activate FIS才能发送下一个DMA DATA FIS；

下面我们再看个完整的例子加深一下对NCQ的理解：

举例：Host向Device发送两个Read FPDMA Queued指令

针对这个例子，我们作两个假设：

假设1：

第一个Read FPDMA Queued指令 Tag=0;

第二个Read FPDMA Queued指令 Tag=5;

假设2：

Device要先执行第二个指令(Tag=5), 然后在执行第一个指令(Tag=0)

上图中指令下发流程如下：

1. Host先下发第一个Read FPDMA Queued指令，并且SActive bit0=1, 写入NCQ buffer，这时NCQ队列深度=1；

2. Host先下发第二个Read FPDMA Queued指令，并且SActive bit0 & bit5=1, 写入NCQ buffer，这时NCQ队列深度=2；
   

在假设2中，我们要求先执行第二个指令(Tag=5)，那么，这个时候就需要NCQ对这两个指令重新排序，如下图红色框显示：

NCQ对这个两个指令重新排序后，就开始执行依次这两个Read FPDMA Queued指令, 指令执行流程见前面介绍的“FPDMA Read Command(60h) Protocol”内容。

上图是执行Tag=5指令的示意图，下图为执行Tag=0指令的示意图：