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1、SATA 存储技术1.并行ATA的演变本章关于如何实现PATA的背景知识对于理解串行ATA启用是很重要的。SATA的设计为PATA遗留程序接口提供了兼容及为PATA定义的命令。该章节为并行ATA的实行提供了基础水平的知识并试图做出该技术的复习或者入门资料。下一章下章介绍了实行串行ATA的诱因。许多公认的PATA的缺点在SATA的实施中被解决。本章明确了这些确定并且阐述了SATA提供的解决方案。ATA过度到串行交互像很多其他IO交互一样，PATA拥有一个高速串行的堂兄简称为SATA。SATA是为ATA/ATAPI6规格的软件的兼容性所设计的。将ATA迁移至串行接口的动机包含很多方面，其中包括：通
2、过减少引脚的数目来降低成本；较低的硅尺寸意味着较低的电压。提高在驱动和主机适配器之间的传输速度增强可靠性改进电缆/接口服务器环境下对针对ATA的攻击进行定位下一章将讨论由实现SATA带来的提升和新功能ATA起源ATA的起源可以追溯到在20世纪80年代中期的康柏电脑。在那个时期，康柏主要以它的手提电脑出名。康柏的第一个手提电脑是基于IBM的PC机和之后的PC-AAT。PC机上的硬盘驱动最初与直接插入电脑扩展总线的硬盘控制卡组合使用并与安装进硬盘插槽里的硬盘驱动联合使用。图1-1描述了该硬盘驱动控制器及硬盘驱动的联合。康柏试图制造一款比原始手提电脑（有时叫luggables）更小更轻的手提电脑，而
3、原始手提电脑在一些情况下重达40磅。二代手提电脑设计全局尺寸时，在某些部分通过将许多IO功能整合到主板上，从而减小对扩充卡的需求并连接扩展槽。这些集成功能包括软盘驱动接口，串行接口及并行接口。康柏同时将硬盘控制器缩小为一个插件适配器卡并将它安装在驱动顶部。这个实现的硬盘控制器和驱动的联合就叫做康柏集成驱动。在此过程中，将PC-AT扩展总线延长到驱动插槽是必要的。这一项通过一个带状电缆和一个称作主机总线适配器的小的接口电路实现。康柏集成驱动的下一代是完全整合的，此时控制器被包含在Imprimis公司制作的雷恩硬盘驱动箱中。IDE（集成光盘电子）驱动的出现其他硬盘驱动厂商开始制造类似于康柏专有解决
4、方案的整合驱动。这些磁盘驱动器被称为IDE驱动器。这些缩写的意义其实并不明确。一些可能性包括：集成光盘电子；集成设备电路；集成驱动原件；智能驱动器电子；“我个人最喜欢的是集成光盘电子，但IDE最初代表的意义可能归于：Who cares？双驱动器支持IDE驱动器的另一个特征是通过一个单独的主机适配器接口和公用带状电缆来附加和解决双设备的能力。请注意每个驱动器上的跳跃或开关必须被设定指定哪些驱动将响应为驱动器0,及哪些将响应为驱动器1。一个与ID相关的早期问题是没有标准来实施这些驱动器。因此有一系列的兼容性问题。或许最通用的发生在当两个来自不同制造厂商的驱动器被连接到同一个IDE电缆。ATA标准最
5、终一个在通用访问方法组内的工作组定义了一种在IBM PC-AT总线和IDE驱动器之间互相通用的标准接口规范。该规范最终被称为ATAttachment或ATA。第一套ATA规范最终出版为ANSI X3.221-1994.如今依然存在称为T13的定义ATA方向的ATA工作委员会。ATA信令接口ATA接口用框图标示如图1-4所示。 该接口包含32个信号，7个接地引脚和一个为键保留的引脚位置。从根本上说，ATA主机总线适配器（HBA）只是延长了IBM PC-AT扩展总线到光盘控制器所在的光盘驱动。接口包括几个主要信号组：输入输出地址相关信号；控制信号数据行DMA相关信号这些信号组连同其他杂项信号被列出
6、并描述在表1-1.要注意很多这种新号不能被用在ATA的实现过程中；电源的驱动是由一个单独的电源接口支持的。2 SATA出现原因前言关于PATA实行的背景信息对于理解SATA的实行很重要。SATA的设计为兼容性提供了PATA传统程序接口及PATA的命令定义。前章提供了一个基础信息来作为并行信息的复习和入门本章本章介绍了实行串行版本ATA的起因。PATA的很多公认的缺点在SATA都被解决了。该章介绍了PATA的问题及SATA提供的解决方案。下一章下一章提供了对SATA功能和协议的全面的概述。SATA的设计动因和设计目标就像许多其他IO接口一样，ATA现在拥有一个高速串行接口。很多强制性的原因导致了
7、这个串行接口包含了下列的需求：更少的引脚数；更高的性能；简单的驱动布局更好的电缆/接口；更高的可靠性更低的支持电压；能迁移到更多的服务器；串行接口能实现的一个极其重要的方面是包含兼容ATA的软件。下一节讨论了PATA的问题和SATA是如何解决这些问题及是如何包含软件兼容性的。更少的引脚数PATA的实现包含了大量的引脚，如图1-5所示。需注意的是，这些引脚中除留下必须的26个信号引脚外，其余很多现在不再使用也不再需要了。过多引脚的问题是非常严重的：在驱动和HBA上为容纳更多的引脚数而采用更大的芯片需要很高的成本；由于高引脚数导致更多的版面空间被占据；40引脚的接口占据了很大的空间并且造价高昂；电
8、线占据了更多的空间，造价高，路线繁杂，并通过整个系统阻碍了空气流通；简而言之，与PATA相关的许多问题直接来源于高引脚数。带有更少引脚的串行接口解决了很多PATA相关的问题性能PATA的使用受到物理接口和最初用于配合以8MB/sec的传输速率工作的IBM PC-AT总线的限制。如今PATA工作在133MB/sec的速率。为了实现更高的PATA传输速率，在每个信号之间加入了接地引脚，使得接口的尺寸加倍到80个引脚。在性能方面使用PATA电缆和接口进行进一步的提升将更加困难。PATA的有限的传输能力不适合需求更高传输速率的下一代硬盘驱动。SATA的高速串行接口以1.5Gbits/sec的速率操作，
9、这将产生一个最大值为150MB/SEC的传输速率（第一代）。第二代SATA将传输速率加倍至300MB/sec并计划将性能提高的更多就像“Support for Two Drives”中说的一样，ATA驱动需要配置跳跃来支持两个共享相同ATA总线的驱动器。一个驱动必须选作驱动器0另一个为驱动器1.驱动器的错误设置通常会组织驱动器正常工作。在SATA驱动器上不需要驱动选择开关/跳跃因为每个驱动都在他自己的 总线上。每个SATA驱动都只作为驱动0相应电线和接口PATA电线和驱动器拥有许多缺点，包括：增加成本的多引脚数，提高空间需求，电线繁杂难于管理，典型电缆长度限制为18英寸。除此之外，PATA接口
10、使用了在最佳环境下易于弯曲且难以插拔的引脚接口。最后，PATA接口不支持热插拔。图2-1对比了PATA和SATA驱动器和接口SATA电缆和接口拥有对PATA加以改进的下列特征：信号电缆有7个道题（两对差分降噪和3个接地引脚）；相对于PATA的18英寸，1.0A标准规定的SATA最大电线长度为1米；SATA电线更小，更易于管理，并且比PATA方案的成本更低；接口为触电而不是引脚；接口使用了更易连接的设计，有时称为盲连；接口支持热插拔；SATA接口更易于适配主板。图2-2描述了SATA设备（驱动）接口和在主机适配器上的接口。接口可以特定制作使驱动器能插入主板上插槽或在两个连接器之间架起连接。可靠性
11、ATA总线不包括任何本地传输相关错误检测和报告能力。然而，对于33Mhz及更高的传输速率的极端DMA传输操作支持CRC（循环冗余码校验）错误校验，但只在数据传输期间有效。相反，每个通过SATA总线发送的数据包都包含一个循环冗余码校验。这些冗余码是设计来校验每个发生的单或双位的错误。存在极大的可能性CRC将检测到几乎每个错误。当检测到错误时，硬件被设定为通过再次发送错误的数据包来自动重试。该重试功能支持所有的包类型除了数据包。这种限制是由于非常大的数据包的尺寸（高达8KB）会需要在接口缓冲以支持重试机制。大的缓冲区的尺寸与保持驱动器低成本的目标相冲突，因此不支持数据包重试功能。更低的电压随着硅的
12、制造工艺使尺寸变小，其也需求更小的电压。由于ATA信号在5伏特的电压下传输，因此他不适合这些更小的尺寸。相反，SATA的信号电压已降低到0.7伏特。这允许使用更小的驱动接口芯片及更低的功率。迁移到服务器ATA驱动主要由于其相对于SCSI及FIBER驱动器更低的每兆字节的价格而成为一个引人注目的驱动。许多与ATA驱动相关的缺点可以通过实现RAID来减轻影响。RAID可以提供更多的灵活性、可靠性及提高整体性能。并行接口两个驱动器/接口、没有热插拔支持及缺乏对其他诸如双端口驱动的服务器相关功能支持的限制，使得ATA服务器实现成为问题。3 SATA概览前一章前章介绍了实行串口ATA的动机。PATA的很
13、多公认的缺点都由SATA的实行而解决。该章确认了这些缺点并描述了SATA提供的解决方案。该章该概览提供了对SATA接口操作的观念上的理解。这包括SATA通信原理基础及按规范定义的每一层的主要功能。随着SATAII的扩展而提出新的功能，SATA如何包含兼容PATA的软件页包含在该章中下一章通过SATA接口的通信主要包括传输帧信息结构。一个FIS可能包含shadow（远程处理监督程序）或者ATA注册内容、数据、控制信息等等。该章向读者介绍了FIS传输协议的基本信息。随后的章节讨论了更详细的协议，并讨论了由于流量控制的要求，错误和相关问题所导致的变换。SATA规格SATA规格是通过SATA国际组织来
14、升级和维护。成员公司可以从WWW.sata-io.org上下载说明书。未加入公司必须付费（最近是25美元）来下载副本。SATA2.6版本是在本书印刷时的最新版本。总称SATAI和SATAII在本书中用以描述由一代和二代SATA定义的特征。需要注意的是，SATAII功能包含了3.0GB/s的传输速率，基于最新版本规格的驱动程序可以以1.5Gb/s或3.0Gb/s的速率进行操作。此外，大多数由SATAII介绍了功能在这两种传输速率下都支持。SATA功能总结上章介绍了ATA的主要缺点和SATA的做出的改进。表3-1包含更全面的SATA实现的相关功能的列表。串行接口串行ATA在主机适配器和每个驱动之间
15、定义了一个高速串行连接。SATAI版本的规格定义了1.5Gb/s（第一代）的传输速率，SATAII版本规格提高传输速率到3Gb/s（为两种速度都提供支持）。最大带宽很容易计算，因为每个字节都是做8位到10位编码结构的一个10位的值。GEN 1 speed=150MB/sGen 2 speed = 300MB/sSATA接口在HBA端口和SATA设备中由两个差分对组成。但是，SATA的实现与操作于可在两个方向上同时进行数据传输的对偶单纯型模式的高速串行总线是非常不同的。SATA的实现是基于在同事间仅有单一方向的半双工设计。SATA实现了一个数据传输差分对和其他从接收设备端接收反馈的其他差分对。就像3-1所示，当数据包（FIS）交付时，传输节点（主机或设备）从接收节点（从后主线）接收当前传输状态。SATA与PATA的兼容性SATA的软件兼容性允许进行硬件改进而不需要大量新固件和软件。这一目标将压力放在了确保与PATA软件兼容运行的硬件设计上。下面章节讨论了软件兼容性的几个方面。遗留的编程接口软件兼容性的主要元素自然是ATA接口编程。图3-2将SATA采用的用以为PATA提供遗留程序支持的方法概念化。ATA主机适配器只是提供了源于CPU穿过ATA电缆到驱动器寄存器的IO读写。在SATA实现中，称为“影子寄
