SATA控制器

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2024年6月23日发(作者：)

本文说明：最近学了南桥spec中有关SATA的部分，这里就总结了近期所学到的内容，希望能对向

我这样入门阶段的新手起到借鉴作用。文中大部分内容都出自文档，文档中没有的或者我没有读到的，

都是凭借个人臆想。这里的文档指南桥spec和ATA/ATAPI-7 Draft。由于本人没有什么基础，又喜欢妄

加推测，所以错误的地方肯定很多很多。完全可以认为文中所有的内容都是值得怀疑的。若发现错误之

处，请您指正。

一、概念说明

控制器支持三种模式，IDE、AHCI、RAID，模式选择的寄存器是MAP，bit[7:6]为SMS(SATA

Mode Select)。IDE模式就是将SATA设备当作普通的IDE设备使用； AHCI(Advanced Host Controller

Interface)模式也就是SATA设备模式，另外支持很多新的功能，如Native Command Queuing、Auto

Activate for DMA等等； RAID(Redundant Array of Independent Disk)，就我所了解的，IDE与

AHCI都只支持一个硬盘(只能一个端口接SATA硬盘，其余的端口只能接硬盘以外的SATA设备，如CD

ROM) ，唯有RAID可支持多个硬盘

2. IDE模式下又可以细分为Legacy IDE与Native IDE，区分它们的寄存器是PI，bit[3:0]。关于

Legacy IDE、Native IDE以及AHCI这三种模式的区别，我猜测是这样的。在SATA推出来之后已经是

Windows Xp时代了,为了使得过去的操作系统及应用程序能够使用SATA设备，需要做一些兼容性的措

施，所以就有了Legacy IDE；而新的系统就不需要这些措施，称为Native IDE；不论是Legacy IDE还是

Native IDE，都需要进行串行到并行的转换以兼容过去的PATA模式。AHCI模式推出后就不需要这种转

换，并有了新的特性，它能很好的发挥到SATA的优势。可以这样说Legacy IDE对比于Native IDE，是为

了对过去软件上的兼容；IDE（Legacy IDE和Native IDE）对比于AHCI，是为了对过去硬件上的兼容。

3. 过去常说的IDE (IDE与ATA同义) 通常是并行传输，称之为PATA，相对的串行传输的为SATA。

所谓并行就是一次传输多位数据，串口就是一次传输1位数据。很多地方，串行接口渐渐地取代了并行

接口。一来是串行总线占用空间更小；二来串行传输的电磁干扰较小，出错概率少，传输频率可以很

高，所以传输速度反而会比并行的更快。

4. ICH9中SATA有6个端口，Native IDE模式用D31:F2来操作0-3端口，用D31:F5来操作4-5端口；

legacy IDE只能使用D31:F2来操作0-3端口；AHCI和RAID模式用D31:F2支持所有的6个端口。PCS寄存

器中的从PxP位中可以反映当前哪些端口已经连接了SATA设备。另外端口又有Primary与Secondary之

分，Primary与Secondary底下又有Master与Slave之分。

端口号类型

0

2

1

3

Primary Master

Primary Slave

Secondary Master

Secondary Slave

5. 关于ATAPI。最初ATA只针对磁盘，后来出现ATAPI，能够使ATA接口连接磁盘以外的设备，

比如CDROM。在ATA/ATAPI-7 Draft文档中是这样描述的：A device implementing the Packet

Command Feature Set。也就是实现了包指令集的设备。现在所有的SATA设备当然都支持ATAPI。

ATA控制器通过向ATA设备发送命令来与ATA设备交互，ATA设备都支持General Feature Set，实现

ATAPI接口的设备除了支持通用指令集外还支持包指令集。下图列举了部分指令集。如何判断是否ATA

设备是否支持ATAPI？通过发送命令“EXECUTE DEVICE DIAGNOSTIC”。可以参考ATA/ATAPI-7

Draft。

-EXECUTE DEVICE DIAGNOSTIC

-FLUSH CACHE

General Feature Set：-IDENTIFY DEVICE

-READ DMA

-......

Packet Command Feature Set：

-PACKET

-DEVICE RESET

-IDENTIFY PACKET DEVICE

二、控制器与设备间的交互 (采用Block Command Registers)

Block Command Registers有8个寄存器，在Legacy IDE的模式下，它们处在IO Space的1F0H的位

置；在Native IDE或者AHCI模式下，它们在PCMD_BAR和SCMD_BAR所指定的位置。如何判断硬盘处

于哪种模式，请查看MAP以及PI寄存器的说明。如何判断是PCMD_BAR还是SCMD_BAR，可以先从

PCS中找到连接了SATA设备的端口号，端口0和2是Primary，端口1和3是Secondary。那Master与Slave该

如何区分？后面再说。

寻址方式有两种，LBA（Logic Block Address）和CHS（Cylinder/Head/Sector），前者是一个线性

地址，后者是一个3维地址，前者的起始位置是0，后者的起始位置是0磁道0磁头1扇区。

Block Command Registers的说明如下表：

第一步，读取寄存器7，判断bit7和bit6是否分别是0和1。如果不是，则需要循环等待并继续读取判

断。注意这个寄存器在读的时候为状态寄存器，写的时候为命令寄存器。

76543210

BSYDRDYDF/SE#DRQ## ERR

Bit7为BUSY位，0表示设备空闲，1表示设备忙

Bit6为Device Ready为，0表示没有准备好，1表示已经准备好接受命令

第二步，设置Device/Head寄存器，设置为E0，为什么设置为E0，如下，

7

1

6543210

L/C1DEV

Bit6为选择寻址方式，0表示CHS方式，1表示LBA方式

Bit4为设备选择，0表示选择Master，1表示选择Slave

Bit3-0为地址，LBA方式则为高位地址，CHS方式则为磁头号

第三步，设置Sector Count寄存器，指定读取的扇区数量。这里指定为1，表示读取1个扇区。

第四步，设置LBA Low/Mid/High这几个寄存器为0，0，0。这样就指定完了LBA为0。（如果是

CHS方式，第一个扇区应该是0磁头0磁道1扇区）

第五步，写寄存器7为20H，表示发送READ SECTORS命令。为什么写20h表示这个命令？其实这

些命令是已经规范好了的，不同的数值代指不同的命名。具体细节可以查看ATA/ATAPI-7 Draft.

第六步，读取寄存器7，循环判断bit7与bit6是否为01，以表示命令执行结束，以及bit0是否为1（为

1则表示命令执行出错）。若出错，则读取寄存器1，以了解具体错误。该寄存器在出错的情况下反映具

体错误，在正确的情况下反映的是数据高8位。不同的命令错误所需要判断的位不同 。具体请查看

ATA/ATAPI-7 Draft。

第七步，假如命令执行结束且没有错误，循环读取Data[15-0]共256次，因为1个扇区是512字节。

本文标签： 设备寄存器表示