随着我们对SATA协议的逐步分析，SATA的物理层、链路层、传输层的基本原理和结构我们基本上都搞清楚了，现在，我们来看SATA协议的最后一部分，应用层的原理与结构，有的文献上将应用层内部划分出一个命令层来，但总的来看，功能上都是类似的。

应用层是 SATA协议的顶层结构，它负责所有ATA指令的执行与解析，向处理器报告当前硬盘运行状态，生成对数据的读写请求，读取和设置硬盘的工作性能模式，还包括对控制指令模块寄存器的访问。SATA应用层和PATA协议的应用层功能相同，主要负责所有ATA指令的解析和向处理器报告当前工作状态。当主机的BIOS程序或软件向硬盘控制器发送主机指令时，应用层对主机发送的SATA指令进行解析和执行，它通过指令和控制寄存器来接收指令，硬盘控制器的微处理器通过中断和状态信息设置状态寄存器，响应相应的操作，并向主机报告当前的工作状态，微处理器指示硬盘系统软件执行下一步操作，设置ATA协议内部DMA的控制，实现数据的高速传输。主机向指令寄存器写入指令，并读取指令的状态信息，设备处理器通过设置指令寄存器中的各种参数，控制中断、复位和其他各种状态。

应用层的命令处理部分，也可称之为命令层，主要负责ATA命令的解析。在发送端，命令层将主机端的映射寄存器（Shadow  Register  Block）或者设备端的ATA 寄存器（ATA Register）内更新的寄存器值提取出来并转换成对应不同交互机制的命令类型，然后通知传输层构造 FIS；在接收端，命令层通过解析传输层的FIS所携带的信息，判断出是哪一种命令类型并作相对应的操作。SATA2.0标准协议中规定的命令主要包括两大部分：与PATA兼容的ATA命令集和SATA新特性添加的新命令。其中常用的主要有IDENTIFY DEVICE、READ DMA、READ DMA EXT、READ SECTOR（S）、WRITE DMA EXT等。为了实现这些命令，SATA2.0标准协议将他们分为12个类型，每一种类型对应着不同的交互机制，每一种命令还采用不同的命令码来加以区分，具体见表1、2 所示。

表1 SATA命令类型

表2 SATA常用命令表

以READ DMA EXT命令为例，介绍整个交互机制和过程。READ DMA EXT命令属于DMA-In 命令类型，命令码位25h。该命令使用DMA数据传输方式从设备端向主机端发送数据，一次DMA传输的数据必须为8K字节的整数倍。其交互过程如下图1所示：

图1 DMA-In类型命令交互过程

详细流程为：

1、主机软件首先初始化主机端的DMA控制器，包括指定用于存放硬盘数据的内存空间地址； 

2、主机软件初始化主机端的映射寄存器（BSY=0）；

3、主机软件向主机端映射寄存器发起READ DMA EXT命令（BSY=1），命令层识别该命令的交互机制并通知传输层构造一个Register FIS - Host to Device 发送到设备端；

4、设备端接收到该FIS后，校验其正确性并解析出命令内容；

5、设备端执行命令-READ DMA EXT，读取硬盘中目标扇区的数据并存储在硬盘本地缓存中； 

6、设备端然后通过Data FIS向主机端发送数据，根据扇区数决定发送Data FIS的数量，一次Data FIS所能传输的数据量为16个扇区（16×512Bytes=8KB）；

7、主机端接收到数据后校验是否出现错误；

8、通过DMA 控制器将主机端的缓存中的数据转移到主机内存中，当速度不匹配时需要进行流量控制；

9、当数据全部发送完成后，设备端将完成状态通过Register FIS-Device to Host发送给主机端；

10、主机端更新映射寄存器组中的值；

11、主机端向主机软件发起中断，报告完成状态，结束命令。

应用层是SATA2.0标准协议的顶层，它为主机软件提供编程接口，负责执行所有的ATA命令。应用层包含映射寄存器和SATA协议规定的寄存器组，主机软件可以根据中断标志和状态信息访问并更新这些寄存器，使得SATA标准接口根据命令完成相应的操作。主机端映射寄存器与PATA相兼容，包括了命令寄存器、设备寄存器、设备控制寄存器、错误寄存器、状态寄存器等。下面对这些寄存器进行简要介绍，如表 3所示。

表3 主机端映射寄存器表

除了映射寄存器之外，SATA还规定了16组SCR寄存器（Status and Control Register，状态控制寄存器）。SCR寄存器独立于映射寄存器之外，用于SATA标准接口新特性的状态报告和错误信息。目前协议使用了 5 组，剩下的作为未来升级使用，其定义见表4。

表4 SCR 寄存器定义表

SATA 传输层完成各种FIS帧的封装后，应用层利用这些封装好的 FIS进行接口通讯。协议根据接口各种数据传输方式需要，定义设计各种不同的数据传输控制流程， SATA 协议设备端常用数据传输控制操作流程：

1. 非数据命令类型操作流程

非数据命令操作类型主要读取或设置SATA接口设备端的状态或属性信息等，如SLEEP , IDLE , FLUSH CACHE等命令。设备端收到此类命令后，执行该命令并以发送响应FIS帧作为回应，而响应FIS帧中包括了执行命令后的状态信息以及可能的出错信息，具体执行操作流程如图2所示。

图2 非数据命令类型操作流程

2.  PIO数据读写命令类型操作流程

PIO 数据读写操作命令类型主要用作从 SATA 设备端的硬盘内部扇区中读取少量数据，如读取设备整体属性的命令IDENTIFY，扇区读取命令READ等。设备端收到命令后，设置状态寄存器并准备发送数据，准备完毕后先发送PIO SETUP FIS信息帧，然后再将准备好的数据封装成DATA FIS信息帧发送给主机端，如此循环直至数据传输完毕，最后发送响应 FIS信息帧表示传输完毕，具体执行操作流程如图3。

图3 PIO数据读命令类型操作流程

3.  DMA 数据读写命令类型操作流程

DMA 数据传输与 PIO大致相同，不同点在于DMA传输操作需要配置 DMA控制器，并利用该控制器来进行数据传输操作，而且一次可以传输多个DATA FIS信息帧，因此DMA数据传输率比PIO较高。

总体上看，SATA的应用层主要完成命令的处理和数据的传输，这些操作和PATA协议高度兼容，并添加了体现SATA特性的一些新的寄存器和命令。理解这些寄存器和命令的使用，是主机端驱动开发和设备端数据读取的基础。

通过连续5篇文章的分析，我们对SATA协议已经有了一个清晰的认识，对SATA的框架基本上分析了一遍，但“光说不练是假把式”，后续的文章中，我们将动用SATA协议分析的利器-SATA总线分析仪，连接主板和SATA硬盘，具体的展现SATA主机端和设备端通信的细节，敬请期待。

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