串行ata技术详解及其应用介绍

串行 ata技术

前言

       数字内容已经渗入到当今社会的方方面面，从MP3文件、数码相片到家庭电影，更不用说典型用户在其PC上保存的大量财务金融信息、电子邮件以及家庭或者商业资料。数字内容已经是无处不在，而用户则仍然希望多多益善。这种数字信息爆炸已经迅速消耗掉了可用的硬盘驱动器(HDD)空间，而且还带来了极为严重的存储挑战。美国加州大学伯克利分校（UC Berkeley）近期的一项研究表明，仅在2002年就产生了5千兆(或者50亿GB)的原始信息，而这个数字是此前三年的两倍。这些信息90%以上存储在磁介质上，同时它们还保存了大量的拷贝数据。在典型的压缩模式下，一张数码相片大约需要2MB空间，一首歌曲要占用4MB空间，而一个小时的标准清晰度视频内容则需要2GB存储空间。显然，持续“爆炸”的信息量需要增加更多的存储容量，而一个方便灵活的存储解决方案则变得比以前更为关键。

       这种用户想要保存的数字信

息的增生，以及在许多情况下的备份问题，是外部存储之后的驱动力量。虽然一般来说，在一台PC之内加装另一个磁盘驱动器是可行的，但是，这可能会是一个比较复杂的过程，它需要安装一个新驱动器、连接新电缆，而且在某些情况下，还需要安装一个新控制器卡并重新配置新软件。一个非常简单的方法就是，插入特为外部存储而配置的一个磁盘驱动器，它能够放置在台式机箱顶上而不需要最终用户打开PC。这个外部驱动器不仅安装简便，而且它还具有便携的优势，因此它可以提供一种将大量数据从一台计算机传送到另一个计算机之上的简易方法，无论这些数据是家庭相片还是大型工作文件。外部驱动器可以保存在较远的位置，因此万一原始数据丢失，它还可以作为备份拷贝使用。作为这种需求的例证，PC外部硬盘驱动器的销量每年翻一番，超过了内部HDD的销量。

       目前的外部存储解决方案

       目前，这些外部驱动器通常使用一个USB或者1394(FireWire)接口连接到大多数PC上。这是因为内部磁盘驱动器设计使用并行ATA接口(也就是大家所知道的IDE接口)，它不能通过外部连接扩展到PC外面。并行ATA接口不是为使用外部电缆而设计的，它不能进行热插拔操作(在PC上电与运行时插上或者拔掉)，而且，它还需要一个较为繁琐的连接器。相反，USB与1394可以提供一个简易的连接器，配有设计用于外部使用的电缆与连接器，而且它们还允许在计算机运行时添加或者删除设备。

       不过，那些使用USB或者1394的外部驱动器，实际上还是同原来那些IDE驱动器一样，不同的是它们带有一个转换芯片，用作从磁盘驱动器上的ATA接口协议到用于连接的USB或者1394协议之间的翻译转换。在PC之内则进行一个类似的逆向转换，让计算机仅仅像对待一个内部驱动器那样识别外部驱动器并与之对话。此外，驱动器还需要电源来运行，它通常使用一个插入墙壁并且连接到驱动器外壳的外部交流适配器来供电。

       为什么选用串行ATA?

       磁盘驱动器行业正在经历着一种极为重要的技术转换，使用串行ATA取代PC在过去十年中所使用的并行ATA接口。并行接口，例如老式的ATA磁盘接口，已经难以满足当前系统所需要的更高速度。串行接口不仅可以提供更高的数据传输速率，还使用更小的电缆与连接器，同时，用于内部存储的电压信号也更低。此外，它们提供一种接口技术，能够满足系统未来十年对于存储容量与性能日益增长的需求。另外，串行ATA接口非常适合于外部应用，并且它还具有许多超出目前使用的USB与1394接口的优势。

       Gartner调研部门副总裁John Monroe指出：“到2005年年底，SATA将成为具有绝对优势的标准HDD接口，而且到2007年年底，SATA应该完全占领所有的台式机与笔记本HDD市场。”

       表1提供了关于USB 2.0、1394a与串行ATA这三种接口的原始接口速度与数据传输速率的比较结果。虽然有更高的1394速度计划，但大多数上市的普通磁盘驱动器接口速度仍为400 Mbps。另外，新的串行AT

       在原始接口速度方面，很显然，串行ATA带宽超出USB或者1394三倍，其性能远远优于USB或者1394。在包括向驱动器读取、写入数据在内的传输测试中，限制因素通常来自驱动器本身，也就是磁盘驱动机构能够从旋转磁记录盘片中读取或者写入数据的速度。使用串行ATA，持续读取与写入速度大约为40-50 MB/sec。因为驱动器能够使用内存来缓冲存储一些待写数据，所以写入速度可以更高一些。如果将驱动器连接到内部，并行ATA接口也可以获得类似的性能数据。不过，非常清楚，目前通常使用的USB与1394这两个外部接口，实际上是降低了数据传输速率，在某些情况下数据传输速率仅仅是串行ATA接口速率的一半。这不仅是因为低速接口，而且还在于需要将ATA命令的驱动器语言数据翻译成一个

       在考虑到突发数据传输速率时，原始接口速度的这种差异更为明显。当从磁盘驱动器上的缓冲存储器中直接读取数据时，可以形成突发数据传输速率，因此没有出现通常数据盘片读取的机械限制。在这种情况下，串行ATA的突发数据传输速率将比USB或者1394的速率高出将近三倍，这将接近预期的原始接口速度。

       对于那些经常在外部驱动器上访问数据文件，或者在一个基本配置上大量备份的用户来说，这种性能差异非常重要。举例来说，串行ATA连接以这样的速率传输一个2 GB的视频文件将花费35秒左右的时间，而使用一个标准USB或者1394驱动器的时间则需要超过一分钟。

       串行ATA磁盘驱动器解决方案的另一个重要的有利因素就是成本。随着串行ATA成为具有绝对优势的内部磁盘驱动器接口，这些驱动器的成本将等于而且最终将低于它们所取代的并行ATA驱动器的成本。这些驱动器实际上能以“原样不变”的方式在外部应用中使用，而不需要一个昂贵的协议 转换芯片。一个“1394-to-ATA”或者“USB-to-ATA”芯片的典型成本范围是从5美元到10美元，这个成本必须被考虑到外部磁盘驱动器解决方案的最终成本之中。如果一个ATA驱动器能够以“原样不变”的方式使用，或者是用一个仅仅放大信号电平的简易缓冲器芯片，这种解决方案的成本将会更低。

       串行ATA转换

       2002年，随着基于PCI的串行ATA主机控制器与串行ATA磁盘驱动器的实用化，从并行ATA到串行ATA的转换初现端倪。在2003年，推出了首款集成了串行ATA的PC芯片组，而且在随后的一年里，串行ATA将继续取代芯片组上的并行ATA端口，直到硬盘驱动器与光盘驱动器二者均已转换到串行ATA上来为止。分析数据（如图1中的组合图表所示）显示，2003年串行ATA磁盘驱动器的市场份额大概为5 %，预计2004年晚些时候市场份额将达到50 %左右。到2005年，串行ATA的产量将会占到驱动器总产量的85 %左右，并且，并行ATA将会在2006年基本消失。

       在大的方面，来自Intel、VIA、SIS、ATI与NVIDIA等供应商的芯片组发展进程计划正在推动这种转换。芯片组上的并行ATA接口需要若干引脚，要求5V容许误差，同时还需要一个较大的主板空间来进行配线。使用串行ATA，信号电压(标称为500-600 mV) 将会更符合当前的工艺处理技术要求，每个通道只需要四个信号针脚，而且，它所需要的连接器、配线与线路板空间都小于并行ATA。串行ATA的其他优点还包括用于驱动器连接的专用主机、未来的速度提升空间( 3 Gbps规格现已可用，而且3 Gbps接口已有展示产品)，以及通过原生命令队列等功能增加的性能优势。

       光盘驱动器将紧随硬盘驱动器之后转用串行ATA接口。少数光盘驱动器现在已经提供一个串行ATA接口，而且在明年或者后年更多的光驱将会做出转换，因为芯片组将不再支持并行ATA。概括来说，光盘驱动器将在硬盘驱动器市场采用串行ATA大约一年之后进行转换。

      

随着并行ATA大规模转向串行ATA，使用原生串行ATA硬盘驱动器与光盘驱动器作为外部解决方案的时机已经非常成熟。串行ATA接口不仅能够提供比USB或者1394接口更高的性能，而且，它还不再需要协议转换芯片，从而节省了成本。

       新的连接器与电缆需求

       在最初的技术规格说明书中，串行ATA主要是用作PC机箱内部硬盘驱动器的替代品。最初的电缆技术规格说明书描述了一个设计用于内部使用的1米电缆，它不具有关于电磁干扰(EMI)、静电放电（ESD）方面的任何特殊功能或者是外部互连所需要的其他属性。由于对外部串行ATA驱动器的需求趋势日益明朗，串行ATA工作组开始调查对更适合外部驱动器的新电缆与连接器的需求，并制订出一个新的技术规格说明书来满 足这些需求。电缆与连接器技术规格说明书包含于新的技术规格说明书之中–即，串行ATA II技术规格说明书：电缆与连接器，第2卷。具体的电气信号需求包含于《串行ATA II技术规格说明书：物理层》之中。

       对于用户友好型可靠外部互连需求来说，需要考虑若干因素。对于一个使用USB或者1394接口的典型外部存储设备，缆需要足够长，以致于能够从放在地面上的PC连到放在台式机上的驱动器上。为了满足这种很可能的应用场景需求，它的电缆长度应从1米增加到标称2米。为了防止电缆意外脱落，这种电缆还应设计一些需要稍微大一点的力来插入或者移走的定位止动功能。图2所示的电缆与连接器突出强调了这些增加功能，包括驱动器或者PC插座上的弹簧片，以及弹簧夹夹紧处电缆末端连接器的定位止动装置等。

      

除了电缆与连接器机械方面之外，技术规格说明书还考虑了一些电气问题以确保外部连接的驱动器满足静电放电(ESD)与电磁干扰(EMI)辐射与敏感性的规章要求。图3还显示了使用罩在信号导线所有四个侧面上的一个金属屏蔽罩来屏蔽连接器，而且连接器末端还有凸边，用来确保为驱动器与PC机壳提供一个良好接地通路。同时，电缆末端连接器所有四个侧面都有金属保护，确保在电缆与连接器之间提供良好的接地。

       与标准内部连接器相比，插座中的信号触点凹进插座盒凹得更深，这将有助于预防接近高速信号触点的任何静电放电。使用金属屏蔽罩可以提供一个良好的接地回路，它将在插入或者拔掉电缆的时候释放掉任何静电放电电荷。

       这里提供的接地通路将有助于来自外部驱动器的任何电磁干扰(EMI)辐射的最小化，但是还需要采取额外步骤，通过增加一个包裹电缆不同信号对的特别屏蔽层来改装电缆。在一个标准内部电缆内，每一对信号线都被分别屏蔽。这种屏蔽用于外部电缆，但是还要进行额外的包裹。

       正如上面总结的变化所展示的那样，在用于内部与外部串行ATA应用的电缆与连接器结构之间存在有重要差异，以适用于特定的使用需求。因为存在着这些差异，连接器就可以被锁住以防止在外部应用中误用未经屏蔽的内部电缆，它将是不合适的。为了实现这个目标，插座内的内部信号连接器被做的更宽，而电缆末端连接器的总宽度更窄，因此内部电缆不能被插到外部连接器当中。另一种区分两个连接器的简便方式就是内部电缆有一个L型舌片，作为简单的盲配（blind mate）钥匙。对于外部连接器来说，通过将连接器内的信号触点从中心移开来完成盲配（blind mating）定位。

       值得一提的根本区别在于一个内部电缆不应被经常拔插，因此它设计耐受 50次插拔操作。对于一个外部附连的硬盘驱动器，它的耐受次数应该更高，因此电缆与连接器设计用于支持5000次插拔操作。

       早期的外部串行ATA产品

       对于外部串行ATA接口连接的市场需求可由以下事实说明：具备这种功能的某些产品已经先于外部串行ATA技

术规格说明书在市场露面。不过，许多这些早期产品使用一个内部SATA连接，它不提供所需要的、上面所说的为新外部电缆与连接器而设计的全部属性。结果，它们预计将很快地转向被认可的新设计。甚至，更为不受欢迎的是某些使用其他连接器技术的早期外部串行ATA产品，例如使用1394或者DB9(标准监视器互连)电缆与连接器等。这些产品不是为适用高速串行ATA信号而设计的，并且在用户认为“一个不同类型的信号被输出到连接器之上”时会引起许多混乱。想象一下，将一个昂贵的便携式数字摄/放像一体机连接到一个实际上由串行ATA控制器驱动的1394连接器时，将会发生什么样的问题！随着新技术规格说明书的发布，这种混乱状况将得到彻底改变，同时，兼容的、用户友好的外部串行ATA设备将会得到迅速增长。

电气信号需求

       上面得出的功能需求之一就是配有一根长达2米的较长电缆，用于外部应用。由于最初的串行ATA技术规格说明书是为内部1米电缆而设计的，它没有提供充分的设计裕量来驱动更长的电缆。串行ATA技术规格说明书规定了必须从一个串行ATA主机或者设备发送出的最小与最大发送电压，而且还规定了一个接收器能够正确地解码所必需的最小电压。对于速率为1.5 Gbps的内部电缆来说，从主机发送至驱动器的发送电压，或者反向发送，其电压范围都是从400到600 mV。考虑到电缆与连接器的信号损失，接收器必须能够对325与600 mV之间的电压进行解码。

       考虑到电缆上任何额外的损失，使用2米电缆的最小发送电压将从400提高到500 mV，同时，最小的接收器灵敏度则进一步降低到240 mV。这些改变用以适应在信号通路内较长的电缆或者额外的连接器之内的任何额外衰减。应该指出，当信号传输速

率为3 Gbps时，信号电平变化很小，而且这些信号需要被校验的兼容点是外部电缆插入的那些点，而不是在硅晶体器件上。

      

由于现有的许多磁盘驱动器与串行ATA芯片组最初设计仅考虑了内部信号电平，它们有可能不能够满足外部互连电平更为严格的需求。由于这个原因，技术规格说明书允许设备或者主机系统在必要时使用一个缓冲器芯片，用来提供增强的信号电平或者接收器灵敏度。

       串行ATA主机连接

       想象一个设计用于支持串行ATA接口的定制外部磁盘驱动器非常简单，而如何将一个外部串行ATA与主机连接的问题就更为容易。如上所述，许多最初的芯片组与分散的控制器设计没有能力直接支持一个外部驱动器附加装置，尽管第二代设计很可能增加这些能力。因此，对于外部互连，将需要使用一个分立的控制器（典型地是基于PCI的控制器）。

       使用一个基于PCI卡的解决方案，可以在PCI托架之上提供外部互连（如图3所示）。它提供了一种简单而且可靠的方法来使用一个外部连接与一台PC配用，或者是订购这样的一个已安装卡，或者是通过用户安装一个PCI卡配件。

       对于使用一个设计支持外部串行ATA连通性控制器的母板，无论是在芯片组内或者是通过一个添加的基于PCI的控制器，可以选择在母板上安装一个外部串行ATA连接器，或者是使用一根从内部连接器连到PCI托架上的一个插座的电缆，来进行连接（如图4所示）。在这种情况下，应当指出，内部电缆to 托架应该仅连接到一个串行ATA设备上，它能够满足上面强调的电气兼容需求。

     许多母板使用预先定义的连接器占地面积（连通）以适合标准PC机箱。在这个连接器外壳之内，将需要一个外部串行ATA连接器，而且将很可能需要取代现有的连接器—无论是一个不再常用的老式连接器，或者可能一个USB或者1394连接器将通过一个外部串行ATA连接器更好地服务。其他PC设计在它们的连接器需求方面更为方便灵活，范围从服务器平台到XPC规格。同时，我们预计在不久的将来可以看到有更多的这些设备使用外部串行ATA连接器。

       在笔记本应用中，一种实现外部串行ATA连通的简便方式就是使用一个基于PCMCIA的控制器。由于基于PCI的控制器能够方便地设计去使用这个接口，尽管是使用早先说明的内部连接器，其中一些产品已经推出。图5所示为这种互连类型的一个例子。外部串行ATA应用的连接器使用合适的设计。随着将PCI-Express引入到下一代笔记本设计当中，PCMCIA卡将会被PCI-Express卡所取代，PCI-Express卡将会通过内部连接到驱动器来提供更高的性能。

       外部存储设备通过独立方式供电，这超出了本技术规格说明书的范围。这种独立供电方式预期与USB或者1394外部驱动器供电方式类似，后者通常使用墙式安装型交流电源变压器供电。对于只需要5V连接的2.5”磁盘驱动器(或者更小型)，一些解决方案使用USB或者PS-2连接器等其他外设连接，来为串行ATA驱动器供电（如图6所示）数字视频录像机外部存储的一个新兴应用领域

       硬盘驱动器消耗的增长领域之一就是消费电子设备—特别是，数字视频录像机(DVR)，比如TiVo与类似设备等。电缆机顶盒与卫星接收器系统设计使用硬盘驱动器来允许用户录制视频节目，这种应用正在不断增长。一个硬盘驱动器比早期用于VCR的磁带方法，不仅在同时记录或者重放多个数据流的能力方面，而且在单个磁盘上记录数百小时节目容量方面，都具有显著优势。额外的用户增强服务，比如直觉的节目指南与基于电视观众喜好的可定制记录，使得这些系统成为它们的所有者电视体验的一个主要部分。

      

许多DVR用户低估了他们所需要的存储容量，特别是随着高清(HD)内容容量的日益增长。为了容纳一个同等长度的HD节目内容，标准清晰度内容所需要的存储量将近增长十倍以上。早期的HD PVR系统能容纳250到500 GB的磁盘容量，这经常需要使用多 个驱动器来实现。为了提高他们的DVR容量，目前用户通常选择增加一个额外的内部驱动器或者将原来的驱动器更换为一个容量更大的驱动器。不过，这两种解决方案都需要用户打开系统并添加一个新的驱动器。这个过程不仅比较复杂，而且它通常还会使得保质期失效。

       相反，在这些设备上使用一个外部串行ATA连接器，将能够提供一个简便的方式来增加容量。一家机顶盒(STB) 供应商，Scientific Atlanta公司，已经接受了这种理念，并在力推具有外部串行ATA连接的下一代STB产品。

       外部串行ATA还能够使得STB制造商采用一种新的业务模型。在视频摄像设备中，磁盘驱动器通常是系统中最为昂贵的设备。结果是，它能够成为更为广泛地采用这些设备的一种障碍。例如，使用一个外部串行ATA连接的能力能够允许一个电缆提供商提供一个“PVR可用”的盒子，但是为最终用户留下成本以及一个用户所需要的驱动器尺寸的选择权。

       光盘驱动器作为外部设备使用也在不断增长。无论是需要为起初未配置可记录驱动器的系统添加一个可记录驱动器，还是仅仅需要一个速度更高的设备，目前，外部光盘驱动器确实比外部硬盘驱动器销量更好。在PVR市场对DVD录像机的需求也在不断增长，一个用户使用磁盘驱动器录下节目用于常规使用与重放，但是能够将它们存档于一个DVD之上用于永久存储。

       家庭网络的另一个新兴应用

       外部串行ATA还将应用于家庭网络，这种网络由于与一个家庭之内的多个PC与用户共享存储容量与内容的用户需求而日益流行。新的串行ATA功能 例如一个端口倍增器，它允许一个单个主机连接访问多个磁盘驱动器，能够提供一个容易的方式，使用一个外部串行ATA连接为一个主机系统增加1000GB存储容量。这个容量能够被多个用户共享，分割成不同的布置，而且还可以用于用于网络上其他设备的自动备份.

       随着数字内容的日益增长，添加一个外部驱动器不可能总是足以满足要求，而在它们的需要扩展时，一个基于端口倍增器的设备能够允许用户方便地持续增加存储。这个新的使用模型可以使用串行ATA实现，而且这也是转向这个新的接口技术的另一个好处。

       结束语

       外部串行ATA技术规格说明书的完成为成本效益型高性能便携式外部存储设备的扩展铺平了道路。串行ATA提供了比USB或者1394更高的数据传输速率，这对于那些经常访问其外部驱动器数据的用户来说将最为明显。此外，外部串行ATA驱动器还具有比USB或者1394驱动器成本更低的潜力，USB或者1394驱动器必须包含一个转换芯片，这就增加了驱动器的成本。

       近期，外部串行ATA市场将主要由下列用户驱动：一些用户从更为昂贵的与较低性能的外部USB与1394设备转到外部串行ATA上来，将其作为一种为现有PC扩充更多存储容量的手段。日益增长的HD内容容量还推动了外部串行ATA在家庭娱乐领域的应用，在这个领域当中，外部串行ATA驱动器能够方便地为PVR与STB提供额外的存储容量。外部串行ATA还将用于家庭网络，事实将会证明，串行ATA从该网络的单台主机连接访问多个驱动器的能力将大有裨益。

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