Министерство науки и образования Украины
Запорожский национальный технический университет
Кафедра КСС
Реферат
на тему: «Serial ATA»
по дисциплине «Периферийные устройства»
Выполнил: ст. гр. IOT-614 Хрисанов Я.В.
Принял: Рыбин В.О.
2006г.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение. 3
1 Введение Технологии. 4
2 Сравнение шинной архитектуры SATA и PATA Технологий. 5
2.1 Ultra ATA. 5
2.2 Serial ATA. 6
3 Стратегии разработок. 7
3.1 Электрические ограничения дизайна. 7
3.2 Электрические рассмотрения дизайна. 8
3.3 Синхронизация. 8
3.4 Линии передачи. 9
3.5 Соединители. 10
3.6 Окончания линий передачи, терминаторы.. 11
3.7 PCB Маршрутизация. 12
3.8 Передача сигналов. 13
4 Реализация технологии Serial ATA. 14
5 Вторая скорость Serial ATA. 20
5.1 Предпосылка SATA II 20
5.2 Мультипликаторы портов. 20
5.3 Селекторы портов. 21
5.4 Native Command Queuing. 21
5.5 Краткий обзор Samsung HD160JJ. 22
6 Внешний SATA (eSATA) 24
Заключение. 29
Список источников. 30
Введение
В прошлых годах, увеличивающиеся скорости передачи жесткого диска вынудили спецификацию интерфейса ATA непрерывно модифицироватся, чтобы избежать фактора ограничения в дисковой работе ввода - вывода. Поскольку потребители охватывают новые модели использования, типы цифрового видео, создания и редактирования, хранения цифровой звукозаписи и воспроизведения, совместное использование файла по высокоскоростным сетям, и другим данным требования на производительности жесткого диска, как ожидается, скорости будут увеличиваться и далее.
Чтобы сохранять темп, соединительный провод должен быть разработан вне существующей Ultra ATA технологии. Новый подход – Serial ATA, последовательное выполнение параллельного Ultra ATA интерфейса. С этим сдвигом парадигмы в дизайне ввода - вывода, скорость ATA будет расширена вне теоретических пределов Ultra ATA шины.
Цель этого документа состоит в том, чтобы обучить читателя на технических различиях между Ultra ATA и Serial ATA технологии, и обеспечивать объяснение перехода от параллельной к последовательной шинной архитектуре. Ключевые пункты дизайна каждой технологии будут описаны и сравнены, будут сопровождаться кратким обзором системного уровня и преимуществ конечного пользователя Serial ATA технологии. САМ ATA протокол не будет обсужден, так как нет никакого различия между технологиями.
Serial ATA программно совместим с ATA, связаны с помощью интерфейса и таким образом появится как стандартное ATA устройство в конфигурации.
Сокращения и аббревиатуры:
ATA – AT Attachment
ATAPI – ATA Packet Interface
SATA – Serial ATA
PATA – Parallel ATA
SCSI – Small Component System Interface
RAID – Redundant Array of Inexpensive Disks
CD–ROM – Compact Disk – Read Only Media
CD– RW - Compact Disk – Read/Write
DVD – Digital Versatile Disk
CRC – Cyclic Redundancy Check
EMI – Electromagnetic Interference
MUX – multiplexer
PCI – Peripheral Component Interconnect
1 Введение Технологии
Ultra ATA - первичный соединительный провод внутренней памяти для PC, подключая ведущую систему на периферийные устройства типа жестких дисков, оптических дисков, и сменных магнитных устройств носителей. Ultra ATA - расширение оригинального параллельного интерфейса ATA, представленного в середине 1980-ых и поддерживает совместимость со всеми предыдущими версиями этой технологии. Последний пересмотр Ultra ATA спецификации, принятая ANSI поддержала INCITS T13, руководство для ATA спецификаций, - ATA/ATAPI-6, которое поддерживает скорость передачи данных до 100Mb/s.
Развитие ATA/ATAPI-7 спецификации, обновление параллельной шинной архитектуры, которая обеспечивает до 133Mbytes/sec, в настоящее время завершается. Serial ATA – следующий соединительный провод внутренней памяти, разработанный, чтобы заменить Ultra ATA технологию. Serial ATA – действующее развитие интерфейса ATA от параллельной шины до последовательной шинной архитектуры. Эта архитектура преодолевает электрические ограничения, которые увеличивают трудность длительных расширений скорости для классической параллельной ATA шины. Serial ATA будет представлен со пропускной скоростью в 150Mb/s, уже запланированным на 600Mb/s, поддерживающий до 10 лет развития памяти, основанного на исторических тенденциях.
Хотя Serial ATA не будет способен непосредственно связать с помощью интерфейса Ultra ATA аппаратных средств, но полностью совместимо с ATA протоколом и таким образом программно совместимо.[1]
2 Сравнение шинной архитектуры
SATA и PATA Технологий
2.1 Ultra ATA
Шинный Дизайн
- последний пересмотр ATA спецификации, ATA/ATAPI-6 где определен Ultra ATA 100, поддерживает совместимость со всеми предыдущими ATA пересмотрами, используя стандартную 16-разрядную широкую параллельную шину данных и 16 сигналов управления поперек соединителя с 40 штырьками.
Рисунок 2.1.1 Передача по шине PATA
Полоса пропускания
–, чтобы понять 100Mb/s производительность, нужно рассмотреть несколько коэффициентов. С 16-разрядной шиной данных, два байта переданы в шинную сделку. Таким образом, чтобы достигнуть производительности 100Mbytes/sec, шина данных должна быть синхронизирована в 50MHz. Чтобы свернуть сложность дизайна строба, Ultra ATA использует “двойную скорость передачи данных” или двойной край, синхронизирующий механизм для всех передач прямого доступа в память Ultra. Используя эту технологию, данные зарегистрированы и на повышении и падающих гранях строба данных, деля на два требуемую частоту строба. Таким образом полоса пропускания:
Рисунок 2.1.2 Расчет полосы пропускания для шины PATA
Тайминги
- Как упомянуто выше, данные должны быть синхронизированы в 50MHz, или каждый 20ns. Обратите внимание, что из-за установки данных и временной задержки, все строки данных должны фактически переключить и уладить в пределах приблизительно 10ns.
2.2 Serial ATA
Шинный Дизайн
- в отличие от Ultra ATA параллельного шинного дизайна, Serial ATA использует отдельный канал сигнала, чтобы передать данные последовательно, или постепенно, и второй последовательный канал, чтобы возвратить отчет о получении отправителю. Поскольку каждый из этих каналов сигнала - дифференциальная пара с 2 проводами, Serial ATA шина состоит из 4 строк сигнала в канал. Информация управления передана или как короткие предопределенные разрядные последовательности, которые являются различимыми от данных, в формате пакета, или использовании из-полосы передачи сигналов (сигналы управления, посланные, используя вклвыкл сообщают об импульсах, подобных коду Азбуки Морзе), и таким образом не требует отдельных строк передачи.
Полоса пропускания
- 16-разрядная широкая параллельная Ultra ATA шина способна к передаче двух байтов данных за раз. Хотя Serial ATA передает только один бит за раз, последовательная шина может быть выполнена в намного более высокой скорости, чтобы компенсировать за потерю параллелизма. Serial ATA будет начат с полосой пропускания 1500Mbits/sec, или 1.5Gbits/sec. Поскольку данные закодированы, используя 8b/10b кодировку (80%-ое эффективное кодирование, используемое с цифровой передачей сигналов дифференциала, чтобы поддержать постоянный среднюю точку смещения "СИСТЕМЫ ЦИФРОВОГО УПРАВЛЕНИЯ"), эффективная максимальная производительность - 150Mbytes/sec.
Рисунок 2.2.1 Расчет полосы пропускания для шины SATA
Тайминги
- 1.5Gbits/sec скорость передачи требует разрядных переходов и приема, чтобы произойти в пределах 0.667ns. Максимум позволил переключать время - 0.273ns, намного быстрее чем 10ns время перехода, допустимое для Ultra ATA. Однако, как замечено в следующих разделах электрические параметры дизайна последовательной шины более сильно управляются. Serial ATA может таким образом встретить{*выполнить*} и превзойти синхронизацию, требуемую поставить производительность, сопоставимую этому Ultra ATA.
3 Стратегии разработок
3.1 Электрические ограничения дизайна
Оптимизация любого высокоскоростного цифрового шинного дизайна фактически требует осторожного рассмотрения аналоговых проблем дизайна. Нежелательные аналоговые эффекты, связанные с параллельными шинами данных типа перекрестных помех, наземного срыва, дребезга, и расфазировки тактовых сигналов стали главными ограничениями дизайна для Ultra ATA интерфейс, который вынужден поддержать совместимость с унаследованной параллельной технологией. Эти те же самые проблемы, как ожидается, станут критическими контрольно-пропускными пунктами к дальнейшему увеличению скорости Ultra ATA.
Serial ATA облегчает многие из этих проблем, переходя к последовательной шине данных. Намерение следующего раздела состоит в том, чтобы сначала представить методы дизайна, требуемые для достижения потока Ultra ATA, скорости передачи данных, и иллюстрировать сложности дальнейших расширений скорости к параллельной технологии. В каждом случае опишем, как шинная архитектура Serial ATA преодолевает эти сложности, чтобы расширить скорости передачи ATA.
Хотя полное объяснение аналоговых обсужденных проблем дизайна - вне области этого документа, краткий их обзор обеспечит читателя подготовкой, необходимой для сравнения электрических свойств каждого шинного дизайна:
– Перекрестные помехи следуют из магнитных полей, сгенерированных от трансмиссии потоков, соединяемых в соседние текущие циклы, подобные функциональным возможностям Величина перекрестных помех пропорциональна скорости изменений трансформатора в потоке и количеству связей между текущими циклами. Таким образом это наиболее очевидно в параллельных шинах, где множественные смежные строки могут переключаться в то же самое направление в то же самое время и вводить шумовое напряжение на сигнал жертвы.
– Наземный срыв наиболее проблематичен, когда несколько сигналов переключаются в то же самое время или при использовании высокоскоростных драйверов, оба общие с параллельными шинами данных. Мгновенная мощность такова, что конденсаторы на входе для устройства не могут снабдить необходимый поток и перекосы напряжения поставки. Если напряжение уменьшается достаточно, изменение может ошибаться как маленький переход.
– Дребезг – следствие изменения импеданса в пути сигнала в системах, в которых время повышения сигнала близко к задержке распространения сигнала на линии. Когда это условие сохраняется, путь сигнала должен быть замечен как распределенная система, подразумевая, что все точки на пути сигнала не могут быть в том же самом напряжении в то же самое время. Поскольку сигнал размножает путь, величина напряжения связана с "эффективным" импедансом до точки в прохождении сигнала. Если этот импеданс внезапно изменяется, то напряжение временно увеличивается, чтобы поддержать текущий поток. Это напряжение "размышляет" назад по линии передачи к источнику, где, если не полностью заглушенный может размышлять снова на получатель, и может повториться пока фактически не будет заглушено. Это вызывает колебания в напряжении, или дребезге, на линии передачи.
– Расфазировка тактовых сигналов следует из несоответствий в задержках пути передачи между синхроимпульсом и сигналами данных, или деградацией сигнала и сигнала синхронизации. Если след синхронизации короче чем линии данных, например, сигнал синхронизации может достигнуть получателя прежде, чем строб данных стабилизировали, таким образом регистрируя неправильные данные. Альтернативно, дребезг или шум на линии синхронизации может задержать переход синхроимпульса относительно коммутации сообщений с возможным нарушением времени задержки данных.
3.2 Электрические рассмотрения дизайна
Из-за увеличения скорости Ultra ATA, сдвиг в стратегии дизайна требуется. Serial ATA адресует эту потребность, делая переход к высокоскоростной последовательной магистрали. Чтобы смягчить многие из проблем дизайна, связанных с высокоскоростными асимметричными и/или параллельными шинами, Serial ATA использует низкую передачу сигналов дифференциала напряжения. С этим подходом, каждые данные сигнала фактически переданы более чем в две линии, которые несут равные и противоположные версии сигнала. Получатель тогда декодирует сигнал, основанный на дифференциальном напряжении между этими строками. Напряжение "общего режима", или напряжение использование строк как справочник СИСТЕМЫ ЦИФРОВОГО УПРАВЛЕНИЯ плюс шум, введенный одинаково в обе строки, отклонены в получателе. Это напряжение общего режима может измениться через какое-то время, хотя изменения выше некоторой частоты могут быть введены в получатель как шум. Эти превосходные электрические свойства обеспечивают многие из ключевых преимуществ дизайна, которые дают возможность Serial ATA расширить скорости далеко за пределы Ultra ATA.
3.3 Синхронизация
Из-за высоких скоростей передачи данных и относительно длинной шины и кабельных задержек распространения, Ultra ATA использования несцеплял синхронизацию, также известную как исходно-синхронная синхронизация. В типичных синхронных дизайнах синхронизации, данные переданы из источника и синхронизированы в получателе, используя местный сигнал синхронизатора. С несцепленной синхронизацией, синхронизатор или сигнал строба данных сгенерированы в источнике и посланы с данными. Принимая идентичный след или кабельные длины и характеристики, оба данных и строб достигают получателя в то же самое время.
Эта методика позволяет больше гибкости в полной задержке распространения по шине, но вводит дополнительные сложности. Поскольку строб посылают с данными, это похоже к дребезг и отражения. Если этот шум является достаточно большим, данные могут быть “двойственно синхронизированы”, если сигнал строба пересекает порог переключения. Данные, улаживающие время являются часто более критическими, поскольку переход строба типично более настойчиво выравнивается с переходом данных.
Расфазировка тактовых сигналов становится более сложной, поскольку оба данных и времена распространения синхроимпульса могут измениться от предсказанной задержки. Чтобы уменьшать проблемы, связанные, чтобы уклониться, 100MHz передачи (прямой доступ в память Ultra, режим 5) должен использовать 3.3V сигнализирующий (против 5V с предыдущими ATA спецификациями) так, чтобы переходы сигнала были более симметричны о 1.5V переключение порога. Импедансы завершения также более сильно сдерживаются уменьшить дребезг в сигналах, которые могли вызвать плато или удары на крае сигнала, приводя к отсроченным пороговым пересечениям.
В отличие от параллельной ATA шины, Serial ATA не выделяли отдельный сигнал как строб или CLOCK. Вместо этого синхроимпульс "внедрен" в поток данных непосредственно. Когда никакие данные не посылают поперек шины, “101010…” образец передан так, чтобы оба устройства могли синхронизировать их внутренние получатели со входящей разрядной синхронизацией перехода. Эта синхронизация поддержана в течение передач данных. 8b10b кодирование предписывает переходы на несколько битов в 10 битов даже в течение передачи данных; дрейф часов свернут, непрерывно прослеживая эти переходы. Внедренная синхронизация обеспечивает выгоды синхронизации от исходно-синхронной синхронизации, не вводя проблемы, связанные с расфазировкой тактовых сигналов.
3.4 Линии передачи
Ultra ATA - ленточный кабель с 80 проводами.
До ATA/ATAPI-3, или Ultra ATA 33, интерфейс ATA использовал кабель с 40 проводами, чтобы передать данные, из которых только 7 сигналов были наземные. Поскольку перекрестные помехи пропорциональны размеру взаимных текущих циклов между строками сигнала, большое разделение между каждым сигналом, и его соответствующая строка земли возвращения приводит к существенным перекрестным помехам по этому кабелю. Для скоростей передачи больше чем 33MHz (прямой доступ в память Ultra Режим 3), первоначальный кабель с 40 проводами был заменен версией с 80 проводами с чередующейся землей и строками сигнала. Это очень свертывает перекрестные помехи среди сигналов и помогает балансировать эффективный импеданс каждой строки в высоких частотах. Однако, кабель разработан так, чтобы был не более 18” в длину, чтобы свернуть проблемы целостности сигнала.
Рисунок 3.4.1 – Сравнение кабелей PATA и SATA
Serial ATA - кабель с 4 проводами с поддержкой дополнительного экрана.
Serial ATA использует минимальный кабель с 4 проводами, который включает дифференциальные пары для того, чтобы передать и получать данные. Чтобы свернуть импеданс и перекрестные помехи, много кабелей включают дополнительные строки утечки (земли) для экранирования, которые функционируют подобно к 40 вкрапленным наземным строкам в кабель Ultra ATA с 80 штырьками. Serial ATA соединитель поддерживает 3 независимых линии GND возвращения. Serial ATA кабели разработаны, так чтобы максимальная длина была 1 метр.
3.5 Соединители
Ultra ATA - двойной шлейф с 40 линиями.
Хотя кабель был модифицирован для использования в высокоскоростных передачах данных, ATA соединитель остался стандартным двойным с 40 штырьками, для поддержки совместимости. 40 дополнительных наземных проводов в кабеле привязаны к 7 штырькам GND в соединителе. Поскольку дополнительные наземные строки не добавились, индуктивная связь в соединителе вводит существенное количество перекрестных помех в течение переключения. Эффект перекрестных помех является наиболее большим на сигнале, который остается постоянным в то время как весь соседний переход сигналов в том же самом направлении, до 1V самый плохой случай. Этот сгенерированный шум наиболее проблематичен при передаче на устройство в середине кабеля, или при получении от этого устройства. Поскольку перекрестные помехи пропорциональны изменению в потоке через какое-то время, это может быть уменьшено, ограничивая повышение и времена падения, или скорость просмотра файла изображения, шинных драйверов. Однако, эти силы стратегии более низкие тактовые частоты и таким образом не являются способствующими шинным увеличениям скорости.
Serial ATA - заказной соединитель с 7 линиями.
0.5” широких кабельных соединителя непосредственно подключают 4 провода сигнала и 3 линии GND на терминал получения в отдельной линии. Поскольку соединитель включает штырьки земли экранирования, получаются очень небольшие перекрестные помехи. Обратите внимание, что терминал получения использует расширенные соединители для 3 наземных сигналов так, чтобы наземная ссылка между устройством и главным компьютером могла быть разделена до сигналов, применяемых при вводе. Подобная последовательность совмещения предписана с новым 7/8” широкий отдельный соединитель мощности линии с 15 штырьками. Эта особенность необходима для возможности горячего подключения.
Рисунок 3.5.1 – Кабель питания SATA винчестеров
Рисунок 3.5.2 – DATA-кабель SATA винчестеров
Рисунок 3.5.3 – Контакты Serial ATA кабелей: питание и данные
3.6 Окончания линий передачи, терминаторы
В Ultra ATA конфигурации - источник, заглушен, чтобы свернуть дребезг. Используя эту схему заглушки, добавочный резистор помещен в устройство на выходном канале передачи. Величина этого сопротивления выбрана так, чтобы сопротивление плюс импеданс вывода передатчика соответствовало управляемому следу и/или кабельному импедансу. Это производит делитель напряжения при выводе устройства, что фактически половина мощности испускаемого сигнала. Когда этот сигнал достигает получателя, сигнал размышляет в несоответствии импеданса, сформированном между управляемой строкой передачи импеданса или кабелем и очень высоким входным сопротивлением получателя. Это отражение удваивает мощность сигнала в получателе, и таким образом возвращения сигнала к первоначальной амплитуде. Когда отраженный сигнал возвращается назад к источнику, это видит импеданс и таким образом полностью заглушает его. Если резистор-терминатор плохо выбран, часть этого отраженного сигнала будет снова отражена и вызовет дребезг в сигнале.
Эта схема терминирования очень эффективна при использовании единственного устройства и получателя в противоположных концах соединяющегося кабеля. Стандарт ATA кабель, однако, позволяет второму устройству быть приложенным в середине пути сигнала. В этой точке в кабеле, сигнал испытывает "плато", поскольку переданный сигнал достигнет половины мощности, и отраженный сигнал должен отразиться назад от получателя прежде, чем полное колебание напряжения будет достигнуто. Если перерегулирование начального сигнала является достаточно большим, сигнал полуамплитуды может пересечь порог переключения на много раз прежде, чем отраженный сигнал прибудет. Это перерегулирование может также управляться, ограничивая скорость просмотра файла изображения вывода, но как упомянуто выше этого решения будет проблематичен, если необходима большая шинная скорость.
Serial ATA - Более плотные спецификации импеданса плюс поддержка автоматического соответствия импеданса.
Так как Serial ATA использует только 4 линии сигнала в канале, надлежащее терминирование всех линий является менее дорогостоящим, и в сложности дизайна и долларах. Все устройства обязаны обеспечивать точные импедансы терминирования. Также обеспечена Поддержка для активного импеданса (согласовывающего), которые гарантируют точное соответствие к любому кабелю или устройству. Хотя Serial ATA использует ту же самую исходную схему терминирования как PATA, многие из проблем уменьшены. Двухточечная топология подключения гарантирует, что на конце только один единственный получатель.
3.7 PCB Маршрутизация
Поскольку интерфейс ATA использует 32 линии сигнала для каждого канала, с типичной конфигурацией Ultra ATA mode 2, 64 сигнала должны быть направлены с контроллера ввода-вывода на ATA соединитель. Чтобы свернуть перекрестные помехи и дребезг, размеры следа и разделения должны тщательно управляться. Типично максимум, длина направляющего 8”. Все длины следа типично обязаны быть в пределах 0.5”, чтобы свернуть расфазировку тактовых сигналов.
Serial ATA - Дифференциальная Пара, направляющая ограничения.
Каждый Serial ATA канал состоит из двух дифференциальных пар, общее количество - 4 линии передачи. Каждая пара должна быть направлена с дифференциальными линиями в постоянном разделении и с равной длиной. Из-за высокой скорости передачи сигналов и ограничений общего FR4 PCB маршрутизация материала, длины следа должны типично быть меньше чем 6”. Хотя надлежащая маршрутизация более важна с Serial ATA чем с Ultra ATA, и здесь намного меньше линий передачи. Каждый Serial ATA канал требует 4 следа сигнала, таким образом 4 устройства требовал ли бы общего количества 16 направленных линий, против 74 для Ultra ATA.
3.8 Передача сигналов
Ultra ATA - Наследство 5V допуска.
Как упомянуто выше, устройства, что использование прямой доступ в память Ultra Режим 5, или 100 Mb/s, передачи должно использовать 3.3V сигнал, чтобы балансировать высокие-к-низкому и низкие-к-высокому времена перехода. Чтобы быть полностью обратно совместимым, Ultra ATA устройства и главные компьютеры должен быть с поддержкой 5V логики, чтобы избежать повреждения когда имеем дело с ATA/ATAPI-5 или более ранними устройствами. Этот 5V допуск нужно рассмотреть в течение ИС дизайна, поскольку, как ожидается, станет более тяжело поддержать более новые процессы дизайна CMOS.
Serial ATA - Передача дифференциальных сигналов низкого напряжения.
Шумовые возможности отклонения дифференциальных пар учитывают низкую передачу сигналов напряжения. С Serial ATA, колебание напряжения - 0.125V о напряжении общего режима, с минимальным напряжением общего режима 0.25V. Поскольку Serial ATA не поддерживает аппаратную совместимость с предыдущими ATA спецификациями, 5V ограничение допуска удалено.
4 Реализация технологии
Serial ATA
Сегодняшние компьютеры используют параллельные ATA жесткие диски, подключенные по 40 или 80 пиновым ленточными кабелями к ATA контроллеру. Этот интерфейс, конечно, использует параллельную шину, которая достигает ее предела развития с сегодняшними скоростями передачи данных 100 - 133 Mb/s. Подобно многим унаследованным стандартам интерфейса, параллельная шина была проста в релизе и обеспечила достаточную полосу пропускания когда была первоначально введена, но носители с более высокими скоростям передачи данных теперь подчеркивают возможности этой шины. В наступающий год, Serial ATA диски
Serial ATA интерфейс заменяет сегодняшние 80 пиновые шлейфы 4 пиновыми кабелями. Вместо того, чтобы отсылать данные параллельно, данные от контроллера преобразованы в последовательную форму, и отосланы как дифференциальная пара сигнала на целевое дисковое устройство. Диск также отправляет данные на дифференциальной паре назад на ведущий контроллер. Одновременная передача происходит на обоих каналах, с главного компьютера на диск и диск на главный компьютер. Из-за этого, Serial ATA - двухточечная связь, и поддерживает только единственное устройство в интерфейсе контроллера, в отличие от поддержки двух дисков (Master и Slave) на каждом PATA порте. Контроллеры могут обратиться к множественным устройствам, но каждое устройство требует отдельного, выделенного порта. Есть много выгод от меньшего телеграфирования от полной системной перспективы изготовителя PC. Плоские, широкие ленточные кабели ограничительны к вентиляционной струе в пределах корпуса PC, и часто требуют сворачивания комплекса и блока, чтобы поддержать устройства, используемые сегодня. С более тонким кабелем Serial ATA, ограничения потока воздуха свернуты, и тепловые проблемы дизайна более легко решены, как показано на Рисунке 4.1.
Рисунок 4.1 – Сравнение кабелей SATA и PATA внутри корпуса
Начальная скорость передачи данных для Serial ATA - 150 Mb/s, требует проводной скорости 1.5 ГГц для последовательной передачи данных. Спецификация, изданная Рабочей Группой Serial ATA в августе 2001, также намерена осуществить вторую и третью скорость передачи данных. Поколения будут удваивать скорости до 300 Mb/s и затем 600 Mb/s, (со скоростями на проводе 3.0 Gbps и 6.0 Gbps) соответственно. В преобразовании в последовательную форму данных, используется стандарт 8b/10b кодирования и методы синхронизации спектра распространения. Serial ATA это – дифференциальная пара, использующая только 250mV - против 3.3V или даже 5V для параллельного интерфейса ATA.
В сегодняшних PC, южный мост обеспечивает интегрированный контроллер жесткого диска. Этот контроллер имеет два порта, первичный и вторичный, и каждый порт может поддержать два диска, первичный диск и вторичный диск. Таким образом общее количество – четыре ATA устройства, такие устройства могут быть подключены: типичный bootable HDD, и одно или более оптических устройств типа CD-ROM, CD-RW и т.д.. Для поддержки дополнительных дисков обычно используется интерфейс PCI Пример этой конфигурации показано на Рисунке 4.2.
Рисунок 4.2 – Схема подключения PATA
Начальная поддержка Serial ATA устройства будет обеспечена через PCI, базовый контроллер. Он может быть установлен непосредственно на системной плате, или обеспечен как аддон к плате, связанной через PCI слот на системной плате. 32 бит PCI шина, скорость передачи данных 33 МГЦ позволяет передавать данные до 133 MB/s, и скорость передачи данных 66 МГЦ позволила бы 266 MB/s. Это обеспечило бы достаточную полосу пропускания для 2 портов Serial ATA контроллера, потому что длительной скоростью передачи будет примерно 100 MB/sec.
Для систем хранения информации на предприятии, типа внешних устройств RAID, побольше портов было бы идеально - 4, 6, или даже 8 портов могли бы быть желательны. В этом случае, интерфейс PCI-X был бы лучше согласован в терминах шинной полосы пропускания. Сегодня, мы уже видим, что параллельные ATA системы RAID будут осуществлены, потому что газировка на SCSI – решение значительно более дорогостоящее. С расширенными особенностями Serial ATA может быть разработано намного больше устойчивых и гибких систем RAID. Расширение Serial ATA уже разрабатывается, чтобы удовлетворить новые рыночные требования, этим занимается рабочая группа Serial ATA-II.
Serial ATA протокол разбит на три различных уровня:
• транспортный уровень, который связывает с помощью интерфейса, чтобы выше заказать протоколы типа PCI или Параллельного ATA. Транспортный уровень ответственен за связь по интерфейсу к файлу регистра ATA, интерпретируя команды, и давая уровень связи блокирует задачи.
• уровень Связи ответственен за кадрирование пакета, 8b/10b кодирование и декодирование и производство и проверка кодов циклического контроля избыточности. Уровень связи (линковки) также обрабатывает управление потоком данных, буферизуя данные как необходимо разместить передачи, изменения скорости передачи данных от использования синхроимпульса спектра распространения.
• Phy уровень имеет 10b, закодированные данные от уровня Связи приходят к нему и преобразовываются в последовательную форму, отсылаются по кабелю. Phy уровень также ответственен за deserializing, для использования данных полученных с другого конца для поиска подключенного устройства методом Hot Plug.
Иерархию этих трех уровней показано на Рисунке 4.3.
Рисунок 4.3 – Иерархия 3 уровней контроллера SATA
С соответствующим транспортным уровнем есть возможность сделать "мост", который может принять параллельные команды ATA, и конвертировать их в Serial ATA данные. Эти чипы могут допустить простому системному преобразованию Serial ATA, потому что весь PC уже включает параллельные ATA контроллеры. Большинство начальных жестких дисков также использует эти чипы моста, таким образом давая возможность параллельным дискам ATA работать с Serial ATA передачей. Пример этой конфигурации показано на Рисунке 4.4.
Рисунок 4.4 – Подключение чипа конвертирования PATA команд в SATA команды к разъему PATA
В то время как эти подходы будут работать хорошо как предоставление технологии на стороне диска, есть некоторые проблемы с этим выполнением, которые делают этот метод менее желательным чем интегрированные контроллеры на ведущей стороне. Сначала, с чипом моста, параллельные ATA связывают с помощью интерфейса сторону, будет ограничен 100 или 133 Mb/s, потому что это - скорость параллельных ATA контроллеров. Во вторых, с чипом моста на ведущем устройстве, программный драйвер может только управлять параллельным ATA контроллером, и не может обратиться, Serial ATA регистрирует пробел. Для интегрированного контроллера, обращение к этому пробелу происходит через регистр, это предоставляет большую устойчивость обработки ошибок, и более гибкую передачу данных. Наконец, большинство чипов моста берет в одном параллельном ATA, связывают с помощью интерфейса и имеют один сериал ATA вывод. Поскольку стандартный параллельный ATA порт мог поддержать два дисковода (первичный и вторичный), использование отдельного чипа моста порта уменьшает номер устройств, которые могли быть связаны.
В некоторый момент, southbridge включит Serial ATA технологию как замену для параллельного ATA. Есть два возможных подхода для этой интеграции. Полная интеграция Serial ATA, связь и phy уровни допустили бы прямому последовательному подключению от southbridge. Вызов с полной интеграцией находится во включении высокоскоростных аналоговых блоков phy уровня с обширной цифровой логикой в southbridge. Для многих других высокоскоростных последовательных интерфейсов, соглашение состояло в том, чтобы сохранить эти чипы, типа сетевых интерфейсов, как дискретные чипы. Подобное соглашение найдено с высокоскоростными цифровыми интерфейсами дисплея, используемыми с внешними phy чипами, а не интеграцией в northbridge графический блок.
Альтернативный путь интеграции: цифровые блоки транспортировки и уровней связи включены в southbridge, при поддержке внешнего phy уровня, более совместим с архитектурой, используемой сегодня. Этот альтернативный путь показан на Рисунке 5, он позволяет формировать контроллер, который мог MUX PATA порт со связью SATA к интерфейсу phy, обеспечивая гибкость в выполнении, не увеличивая количество пинов на шлейфе. Использование внешнего phy чипа также обеспечивает более простой путь к скоростям второго поколения 3.0 Gbps.
Рисунок 4.5 – Подключение чипа конвертирования PATA команд в SATA команды к разъему PATA
Ожидается, что большинство контроллеров сначала преобразуют только один из их портов от параллельного до Serial ATA, оставляя унаследованный параллельный порт для подключения с оптическими дисками. Через какое-то время, поскольку оптические устройства также развиваются, ожидается полное преобразование параллельных интерфейсов в Serial ATA.
5 Вторая скорость
Serial ATA
5.1 Предпосылка
SATA II
В самом начале жизненного пути стандарта SerialATA подразумевалось как минимум три поколения этого интерфейса, основные различия между которыми лежали не только в области скоростных характеристик. И сегодня уже можно утверждать, что фаза "SerialATA I" успешно подходит к своему логическому завершению, а следующая ступень развития, SerialATA II, только набирает обороты. Термин "SerialATA II", или "SATA II", возник в первую очередь как "прозвище" для обозначения интерфейса SerialATA, достигшего пропускной способности 3 Гбит/с. В этом кроется причина настоящей неразберихи, возникшей среди пользователей. Во-первых, официально SerialATA II не является обозначением для интерфейса SerialATA, обеспечивающего пропускную способность 3 Гбит/c. Данная величина лишь одна из многих способностей, задекларированных комитетом стандарта SATA II, но поскольку именно она наиболее заметна, то стала синонимом для SerialATA II. На самом же деле SATA II - более глубокое усовершенствование SATA и требует детального рассмотрения.
Группа разработчиков SATA II[2]
сегодня переименована в SATA-IO (SATA International Organization) - как раз с целью уменьшения путаницы. Как известно, интерфейс SerialATA был создан и позиционировался в качестве замены параллельному ATA-интерфейсу, распространенному на рынке офисных и домашних компьютеров. Диски и контроллеры SerialATA в настоящее время доступны во множестве новых систем, но основные усилия разработчиков и маркетологов направлены на внедрение следующей версии последовательного интерфейса, которая откроет стандарту дверь в мир систем корпоративного уровня.
В чем самые существенные различия между SerialATA и SerialATA II? SerialATA II выглядит более приспособленным для корпоративного применения в силу трех нововведений: мультипликаторов портов, селекторов портов и NCQ (Native Command Queuing, упорядоченная очередь команд). Рассмотрим их подробнее.
5.2 Мультипликаторы портов
Классическое подключение дисков по схеме master-slave в случае с SerialATA II уже неактуально. Спецификация от рабочей группы разработчиков SerialATA II предусматривает подключение к контроллеру SerialATA до 15 жестких дисков при помощи мультипликатора портов. Хотя это намного меньше, чем число соответствующих дисков, которые можно подключить к контроллерам Fibre Channel или Serial Attached SCSI. Но в любом случае такая возможность - дополнительный козырь для вывода технологии SerialATA II на корпоративный рынок.
5.3 Селекторы портов
Селекторы портов позволяют подключать два хоста к одному жесткому диску. Это свойство полезно, так как допускает создание "избыточного" соединения с жестким диском. В случае если с одним из хостов произошел сбой, второй ("запасной") перехватывает доступ и управление. Такой тип избыточности играет важную роль - ведь SATA II нацелен на применение в корпоративных системах.
5.4 Native Command Queuing
Технология NCQ призвана увеличить производительность и эффективность жестких дисков SATA II. В обычной ситуации команды чтения и записи поступают с контроллера на диск последовательно, что практически всегда вызывает необходимость чтения и записи в самых разнообразных участках диска. Если команды выполняются строго по мере их поступления, получается большая механическая нагрузка на диск: головке чтения/записи приходится непрерывно перемещаться для доступа к нужным секторам, а шпинделю двигателя - практически постоянно вращаться. Диски SerialATA II используют механизм оптимизации очереди команд, который перестраивает последние таким образом, чтобы минимизировать движения головки и по возможности сократить время вращения шпинделя.
Каждое из этих дополнений к стандарту SerialATA II делает интерфейс намного более приспособленным к работе в корпоративных центрах данных. Однако улучшения, наблюдающиеся в SerialATA II, вовсе не означают, что крупные компании забудут о Fibre Channel и SCSI и моментально обратят свои взгляды на подсистемы, базирующиеся на SerialATA II. Как и ранее, высокопроизводительные интерфейсы, в ближайшее время дополненные и Serial Attached SCSI, будут доминировать на корпоративном рынке, а стандарт SATA II позиционируется лишь в виде вспомогательного или аварийного средства. Не стоит питать иллюзий по поводу революции в корпоративном секторе - сами разработчики стандарта подчеркивают, что хотели бы видеть Serial ATA II в компьютерных инфраструктурах крупных компаний, но в то же время прекрасно отдают себе отчет о гораздо большей привлекательности рынка домашних и офисных систем. Приведем следующий пример. Часто, по прошествии некоторого времени, данные теряют свою актуальность. Чем дольше такой период, тем реже эти данные требуются - например, если файл создан вчера, гораздо вероятнее, что сегодня потребуется именно он, нежели файл, созданный полгода назад. Таким образом, "пожилые" данные гораздо разумнее размещать не на дорогих высокопроизводительных дисках, а на гораздо более дешевых накопителях SerialATA (в данном случае, SATA II), а затем и на архивных магнитных лентах. Разработчики стандарта SATA II акцентируют внимание именно на этом обстоятельстве, отводя дискам SATA второстепенную роль.
Новые SATA II-накопители выглядят гораздо более надежными, нежели их предшественники, и рассчитаны на работу в режиме 24/7 с большим средним временем наработки на отказ. Они не столь "прочны", как диски SCSI или Fibre Channel, которые не только обладают высокой надежностью, но и работают в условиях сильной загрузки. Диски SATA II обязаны быть достаточно надежными для исполнения "второй роли", при условии не слишком экстремального применения. В этом причина меньшей стоимости дисков SerialATA II по сравнению с дорогими накопителями Fibre Channel и SCSI. На рынке имеется несколько продуктов, относительно которых производители заявили о пропускной способности 3 Гбит/с. Это, например, жесткие диски от Samsung, Hitachi и Western Digital. Вообще же ситуация такова, что еще не все производители представили полный спектр накопителей, "доросших" до уровня 3 Гбит/с, поэтому мы постараемся сравнить общие свойства доступных на рынке дисков.
Итак, даже SATA II предполагает лишь транспортировку данных по шине, начиная с буфера накопителя, а сам накопитель внутри может быть хоть 3-дюймовой дискетой. Необходим качественный скачок вперед - все замерли в ожидании новинок, в которых реализована технология перпендикулярной записи.
5.5 Краткий обзор Samsung HD160JJ
Новые винчестеры Samsung предлагаются в модификациях емкостью 80 Гбайт (модель HD080HJ), 120 Гбайт (модель HD120IJ) и 160 Гбайт (модель HD160JJ). Оборудованы буфером традиционной емкостью 8 Мбайт и имеют скорость вращения шпинделя 7200 об/мин. Среднее время поиска составляет 8,9 мс, минимальное время наработки на отказ достигает 600 тыс. часов.
Рисунок 5.1 - Samsung SpinPoint HD160JJ
| Емкость 160 Гбайт
Скорость вращения шпинделя 7200 об/мин Буфер 8 Мбайт Среднее время поиска 8,9 мс |
В винчестерах реализована NCQ, кроме того, накопители поддерживают фирменные технологии NoiseGuard и SilentSeek, предназначенные для снижения уровня производимого при работе шума (3,1 Б в режиме произвольного чтения/записи). Накопители способны выдерживать нагрузки до 350g в течение 2 мс в отключенном состоянии и до 63g в течение 2 мс - в рабочем.
6
Внешний SATA (eSATA)
Первоначально SATA был разработан как внутренний, принося улучшенную работу и новые особенности на внутренних носителях для PC. Творческие проектировщики быстро поняли, что инновационный интерфейс мог надежно быть расширен вне PC, принося ту же самую работу и особенности к внешним потребностям памяти вместо того, чтобы положиться на USB или 1394 интерфейса. Названный внешним SATA или eSATA, клиенты могут теперь использовать экранированные кабели длиной до 2 метров вне PC, чтобы использовать в своих интересах выгоды. SATA - теперь вне поля как внешний стандарт, с определенными кабелями, соединителями, и требованиями к сигналу, выпущенными как новые стандарты в середине 2004. eSATA обеспечивает большую производительность чем существующие решения и Hot Plug.
· ключевые выгоды от eSATA в 6 раз быстрее чем существующие внешние решения хранения: USB 2.0, и 1394
· устойчивое и внешнее подключение, дружественное к пользователю
· высокая эффективность
· длина кабеля до 2 метров
Рисунок 6.1 – Пиковая производительность интерфейсов
Много существующих внешних жестких дисков используют USB и/или 1394. Эти интерфейсы - не почти с такой скоростью как SATA когда сравнено использование пиковых значений, и могут ставить под угрозу работу диска.
USB и 1394 внешних диска - диски ATA с чипом моста, который транслирует от ATA протокола до USB или 1394 протоколов, используемых для подключения. Эти интерфейсы требуют формирования пакета или преобразования переданных данных и затем де-герметизация после того, как данные получены. Этот протокол наверху уменьшает эффективность этих ведущих шин, увеличивает ведущее использование центрального процессора или требует, чтобы специальный чип разгрузил главный компьютер.
Результаты eSATA не являются драматическими, как с USB или 1394. eSATA шина поставляет в 37 раз большую производительность. Эта способность совершенна чтобы использовать массив дисков с работой striping на другом конце eSATA ведущего порта.
Рисунок 6.2 – Типичная производительность интерфейсов
Рисунок 6.3 – Коннекторы eSATA
На рисунке 6.3 внешний соединитель маршрута. Внешний кабельный соединитель - экранированная версия соединителя specificed в SATA 1.0a с этими основными различиями:
· Внешний соединитель не имеет никакого “L”, ключа, и особенности руководства вертикально смещены и уменьшены в размере. Это предотвращает использование неэкранированных внутренних кабелей во внешних приложениях.
· чтобы предотвратить повреждение электронного распределения программных средств, глубина вставки увеличена от 5mm до 6.6mm, и контакты установлены далее назад в обоих сосуд и разъем.
· чтобы обеспечить защиту электромагнитных шумов и удовлетворить Федеральную Комиссию по связи и требования эмиссии Совета Европы, кабель имеет дополнительный уровень экранирования, и соединители имеют металлические ответственные точки.
· есть защелки, поскольку особенности задержания встраивали экран соединителя на обоих верхние и нижние поверхности.
Внешний соединитель и кабель разработаны для более чем пяти тысяч вставок и удалений, в то время как внутренний соединитель только определен, чтобы противостоять пятьдесят. Есть две точки согласования для каждого маршрута, внешний SATA Интерфейс Данных, один в каждом ограждает внешний соединитель. Как в другой SATA спецификации, соединительный провод между IC/Phy и соединителями при совмещающемся интерфейсе - вне области определения и рассматривается частью поставленного Phy решения. Выполнение, которое имеет дополнительные подключения между Phy/IC и экранированным внешним соединителем, должно обеспечить такие соединительные провода как часть проектируемого решения. Для выполнения цели (см рис 6.4), точки согласия остаются в экранированных внешних соединителях.
Рисунок 6.4 – Точки подключения устройств
Типичная кабельная длина - 2 метра (6 футов); достаточно длинный, чтобы подключить диск на столе, когда системный блок находится где-то под столом. Согласно определению SATA II Электрическая Спецификация, как Gen1m и Gen2m спецификации для 1.5 Gb/s и 3.0 Gb/s, выполнены соответственно.
С формированием организации SATA-IO и завершения e-SATA спецификации, новая эмблема теперь вводится, чтобы идентифицировать eSATA главные компьютеры и диски, которые являются SATA спецификациями совместимые изделия.
Только изделия, которые являются совместимыми к SATA, могут использовать eSATA эмблему, и компании, которые используют эмблему, должны быть члены организации SATA-IO.
На рисунке 6.5 предоставлены некоторые примеры eSATA изделий:
SATA 1.5Gbps может использоваться, чтобы соединить, два диска в RAID 0, или три диска RAID 0 и обеспечивают по 100MB/s.
Рисунок 6.5 – Примеры изделий для внешнего подключения накопителей через eSATA.
В настоящее время, большинство системных плат PC не имеет e-SATA соединителя. eSATA с готовностью допускается, однако, через добавление eSATA HBA или соединителя скобки (как показано на рис 6.6 и 6.8) для настольных систем или с Cardbus или Специальной Платой для портативных компьютеров. Новые системные платы, представленные в 2005 начнут встраивать e-SATA соединители непосредственно, добавляя простую возможность использования внешней памяти.
Рисунок 6.6 – Метод подключения внешних накопителей
Рисунок 6.7 – Карты расширения eSATA
Рисунок 6.8 – Схема подключения через карту расширения
Важно обратить внимание, что перед заключительной спецификации для e-SATA было много изделий.
Напоследок, некоторые фактические размеры, используя SATA 1.5Gbps диск и различных ведущих шинных интерфейсов. Поскольку можно заметить, что есть драматическое усовершенствование, когда шина не требует протокола которые были разработаны для внешних подключений. Некоторые из них используют внутренний SATA соединитель или разработанными для других спецификаций интерфейса, типа 1394. Эти изделия нужно избежать, так как они - не SATA совместимы и могут вызвать несовместимость, проблемы электромагнитных шумов, или сбой. Некоторые примеры изделий, которые не должны использоваться, показывают обеспечение для сбора данных с eSATA кабелем и портом multipler с несколькими SATA 1.5Gbps дисками. Эта конфигурация способна общаться на скорости до 300MBps.
More information on eSATA can be found by viewing the White Paper from Silicon Image:
http://www.sata-io.org/docs/External%20SATA%20WP%2011-09.pdf
Заключение
В данном реферате произведен обзор технологии SATA. Сравнение SATA и PATA технологий. Обзор SATA II и eSATA.
Прогресс просто вынудил повысить скорость передачи информации между компьютером и винчестером. Поскольку параллельный интерфейс исчерпал свои возможности, была произведена попытка перехода на последовательный интерфейс передачи данных. Рабочая группа Serial ATA решила эту проблему и предоставила новую технологию последовательной передачи данных, у которой появилась большая перспектива дальнейшего развития. Также удалось осуществить вторую скорость последовательного АТА интерфейса.
В новое поле битвы внешних интерфейсов добавился интерфейс eSATA, который в первую очередь был предназначен для внешнего подключения винчестеров. Он оправдал себя по всем характеристикам и вскоре все материнские платы будут оснащены этим интерфейсом. Этот интерфейс не планирует заменить USB или IEEE 1394, а только дополнить серию внешних интерфейсов.
Список источников
1. http://www.serialata.org
2. http://www.t13.org
3. http://www.siliconimage.com
4. http://www.citforum.ru
[1]
Так утверждают разработчики. Стандарт Serial ATA 1.0 был разработан рабочей группой Serial ATA.
[2]
Стандарт Serial ATA 1.0 был разработан рабочей группой Serial ATA. На момент опубликования спецификации рабочая группа включала в себя следующие компании: Dell, Intel, Maxtor, Seagate и APT Technologies. Данная рабочая группа расформировалась после публикации спецификации. Последующая группа - рабочая группа Serial ATA II сформировалась с целью разработки расширений к спецификации 1.0. По причинам юридического характера, данные расширения не могут быть названы Serial ATA 2.0. Поэтому официальное название - Serial ATA II. Участниками новой рабочей группы Serial ATA II являются по сути те же компании, что и в предыдущей, включая Dell, Intel, Maxtor, Seagate и Vitesse (компания, которая приобрела APT Technologies).