特集ハイビジョン非圧縮動画の記録もできる第3章 4 チャネル束ねて使えば 1G バイト/ 秒の怒濤の超高速転送を実現できる Altera 社製 FPGA への市販 SATA コア実装事例石川康彦 Yasuhiko Ishikawa この章では GXトランシーバ内蔵の最新 Altera 社製 FPGAに SATA-IPコアを実装して，SATAインターフェースを構築するデザインや応用例について紹介します．大容量ファイルを扱えるexFAT の適用や，複数ドライブを並列動作することで，転送帯域を飛躍的に高められるRAID（Redundant Arrays of Inexpensive Disks）デザイン，さらに SATAアプリケーションの実用例として，1 対 3 デュプリケータ（データ・コピー機）について紹介します． 1．Altera 社製 FPGA の GX トランシーバの活用 ● SATA 対応 GX トランシーバ FPGA で SATA インターフェースを構築する場合， SATA 規格に対応可能なトランシーバ内蔵タイプが使えます．SATA ケーブル内を流れる高速シリアル信号自体は PHY レイヤを実装したトランシーバで送受信しますが，ユーザからリード / ライト・データとしてアクセスするためには，FPGA 内部ファブリックや内蔵 CPU で構築したリンク / トランスポート / アプリケーションなどの上位レイヤで処理する必要があります．すなわち GX トランシーバは PHY レイヤとして使い，上位レイヤに SATA-IP コアや Nios Ⅱ CPU を応用して評価ボードに組み込んで実用的なシステムとしてデザインします． ● GX トランシーバの SATA 設定 Altera 社の最新 FPGA には，高速シリアル通信を可能とする GX トランシーバが内蔵されたデバイスが用意されています．そのトランシーバを応用することで，SATA インターフェースを構築できます．ここで紹介する Stratix IV GX，Stratix V GX，Arria V GX デバイスのトランシーバは，最新となる SATAⅢ 規格（6Gbps）を超える帯域を持っており，かつ SATA の初期化に必要な OOB 信号の生成 / 検出機能を内蔵するため，SATA- Ⅲの実装も可能です．各種高速シリアル通信規格へ柔軟に対応するため， GX トランシーバは複雑かつ高機能であり，多数のパラメータを設定する必要があります．PCI Express や 10GBase-R，XAUI などのメジャーなプロトコルに対しては，それぞれの規格に対応した設定パッケージがもともと Altera 社から提供されています．しかし残念ながら，SATA 規格に対しては専用のパッケージは用意されていません．このため Quartus II 開発ツー 32 第3章ルで提供される図 1 のようなカスタム PHY IP コアを使って，SATA に対応したトランシーバ設定をデザインする必要があります．ただ設定といってもデータ・レートやファブリック・インターフェース・ビット幅，8b10b 機能の有無など基本的なパラメータを SATA 規格に合うように入力するだけで必要なパラメータを全て自動生成してくれるので，GX トランシーバの設定自体は非常に簡単にできてしまいます．一方，SATA の初期化で必要となる OOB（Out-ofBand）プロトコルは GXトランシーバだけでは実装できません．OOB で使う低周波の信号検出や発生機能自体は GXトランシーバに内蔵されているので，その機能とファブリック部の OOB 制御ロジックを組み合わせて OOB プロトコルを実装することになります． 2．SATA-IP コアと評価用リファレンス・デザイン ● IP コア概要説明（SATA3 対応 /Link 層を実装 / 実機評価環境）高速シリアル通信規格の PHY レイヤを実装する GX トランシーバは SATA- Ⅲの 6Gbps に対応しますが，トランシーバだけでは SATA インターフェースを実装することはできません．SATA 規格は図 2 に示すように，PHY レイヤの上位にリンク・トランスポート・アプリケーションの全 4 レイヤ構造で規格化されています．ホストとデバイスがそれぞれのレイヤ同士で通信するので，PHY レイヤに加えて各上位レイヤを合わせて実装することで初めて SATA インターフェースとして機能します．その上位レイヤのうち最も実装が困難とされているのが SATA プロトコルの制御を担うリンク・レイヤです．リンク・レイヤではプリミティブと呼ばれる制御パケットの生成 / 送信や受信 / 解析，CRC の生成 / ベリファイ，スクランブル化と復元など複雑な機能を実装しますが，リンク・レイヤをデザインするために Altera 社製 FPGA への市販 SATA コア実装事例