串行ata技術(shù)詳解及其應(yīng)用介紹
前言
數(shù)字內(nèi)容已經(jīng)滲入到當(dāng)今社會(huì)的方方面面，從MP3文件、數(shù)碼相片到家庭電影，更不用說(shuō)典型用戶在其PC上保存的大量財(cái)務(wù)金融信息、電子郵件以及家庭或者商業(yè)資料。數(shù)字內(nèi)容已經(jīng)是無(wú)處不在，而用戶則仍然希望多多益善。這種數(shù)字信息爆炸已經(jīng)迅速消耗掉了可用的硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDD)空間，而且還帶來(lái)了極為嚴(yán)重的存儲(chǔ)挑戰(zhàn)。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校（UC Berkeley）近期的一項(xiàng)研究表明，僅在2002年就產(chǎn)生了5千兆(或者50億GB)的原始信息，而這個(gè)數(shù)字是此前三年的兩倍。這些信息90%以上存儲(chǔ)在磁介質(zhì)上，同時(shí)它們還保存了大量的拷貝數(shù)據(jù)。在典型的壓縮模式下，一張數(shù)碼相片大約需要2MB空間，一首歌曲要占用4MB空間，而一個(gè)小時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)清晰度視頻內(nèi)容則需要2GB存儲(chǔ)空間。顯然，持續(xù)“爆炸”的信息量需要增加更多的存儲(chǔ)容量，而一個(gè)方便靈活的存儲(chǔ)解決方案則變得比以前更為關(guān)鍵。
這種用戶想要保存的數(shù)字信
目前的外部存儲(chǔ)解決方案
目前，這些外部驅(qū)動(dòng)器通常使用一個(gè)USB或者1394(FireWire)接口連接到大多數(shù)PC上。這是因?yàn)閮?nèi)部磁盤驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)使用并行ATA接口(也就是大家所知道的IDE接口)，它不能通過(guò)外部連接擴(kuò)展到PC外面。并行ATA接口不是為使用外部電纜而設(shè)計(jì)的，它不能進(jìn)行熱插拔操作(在PC上電與運(yùn)行時(shí)插上或者拔掉)，而且，它還需要一個(gè)較為繁瑣的連接器。相反，USB與1394可以提供一個(gè)簡(jiǎn)易的連接器，配有設(shè)計(jì)用于外部使用的電纜與連接器，而且它們還允許在計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)添加或者刪除設(shè)備。
不過(guò)，那些使用USB或者1394的外部驅(qū)動(dòng)器，實(shí)際上還是同原來(lái)那些IDE驅(qū)動(dòng)器一樣，不同的是它們帶有一個(gè)轉(zhuǎn)換芯片，用作從磁盤驅(qū)動(dòng)器上的ATA接口協(xié)議到用于連接的USB或者1394協(xié)議之間的翻譯轉(zhuǎn)換。在PC之內(nèi)則進(jìn)行一個(gè)類似的逆向轉(zhuǎn)換，讓計(jì)算機(jī)僅僅像對(duì)待一個(gè)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器那樣識(shí)別外部驅(qū)動(dòng)器并與之對(duì)話。此外，驅(qū)動(dòng)器還需要電源來(lái)運(yùn)行，它通常使用一個(gè)插入墻壁并且連接到驅(qū)動(dòng)器外殼的外部交流適配器來(lái)供電。
為什么選用串行ATA?
Gartner調(diào)研部門副總裁John Monroe指出：“到2005年年底，SATA將成為具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的標(biāo)準(zhǔn)HDD接口，而且到2007年年底，SATA應(yīng)該完全占領(lǐng)所有的臺(tái)式機(jī)與筆記本HDD市場(chǎng)。”
表1提供了關(guān)于USB 2.0、1394a與串行ATA這三種接口的原始接口速度與數(shù)據(jù)傳輸速率的比較結(jié)果。雖然有更高的1394速度計(jì)劃，但大多數(shù)上市的普通磁盤驅(qū)動(dòng)器接口速度仍為400 Mbps。另外，新的串行AT
在原始接口速度方面，很顯然，串行ATA帶寬超出USB或者1394三倍，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于USB或者1394。在包括向驅(qū)動(dòng)器讀取、寫入數(shù)據(jù)在內(nèi)的傳輸測(cè)試中，限制因素通常來(lái)自驅(qū)動(dòng)器本身，也就是磁盤驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠從旋轉(zhuǎn)磁記錄盤片中讀取或者寫入數(shù)據(jù)的速度。使用串行ATA，持續(xù)讀取與寫入速度大約為40-50 MB/sec。因?yàn)轵?qū)動(dòng)器能夠使用內(nèi)存來(lái)緩沖存儲(chǔ)一些待寫數(shù)據(jù)，所以寫入速度可以更高一些。如果將驅(qū)動(dòng)器連接到內(nèi)部，并行ATA接口也可以獲得類似的性能數(shù)據(jù)。不過(guò)，非常清楚，目前通常使用的USB與1394這兩個(gè)外部接口，實(shí)際上是降低了數(shù)據(jù)傳輸速率，在某些情況下數(shù)據(jù)傳輸速率僅僅是串行ATA接口速率的一半。這不僅是因?yàn)榈退俳涌?，而且還在于需要將ATA命令的驅(qū)動(dòng)器語(yǔ)言數(shù)據(jù)翻譯成一個(gè)
對(duì)于那些經(jīng)常在外部驅(qū)動(dòng)器上訪問(wèn)數(shù)據(jù)文件，或者在一個(gè)基本配置上大量備份的用戶來(lái)說(shuō)，這種性能差異非常重要。舉例來(lái)說(shuō)，串行ATA連接以這樣的速率傳輸一個(gè)2 GB的視頻文件將花費(fèi)35秒左右的時(shí)間，而使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)USB或者1394驅(qū)動(dòng)器的時(shí)間則需要超過(guò)一分鐘。
串行ATA磁盤驅(qū)動(dòng)器解決方案的另一個(gè)重要的有利因素就是成本。隨著串行ATA成為具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的內(nèi)部磁盤驅(qū)動(dòng)器接口，這些驅(qū)動(dòng)器的成本將等于而且最終將低于它們所取代的并行ATA驅(qū)動(dòng)器的成本。這些驅(qū)動(dòng)器實(shí)際上能以“原樣不變”的方式在外部應(yīng)用中使用，而不需要一個(gè)昂貴的協(xié)議 轉(zhuǎn)換芯片。一個(gè)“1394-to-ATA”或者“USB-to-ATA”芯片的典型成本范圍是從5美元到10美元，這個(gè)成本必須被考慮到外部磁盤驅(qū)動(dòng)器解決方案的最終成本之中。如果一個(gè)ATA驅(qū)動(dòng)器能夠以“原樣不變”的方式使用，或者是用一個(gè)僅僅放大信號(hào)電平的簡(jiǎn)易緩沖器芯片，這種解決方案的成本將會(huì)更低。
串行ATA轉(zhuǎn)換
2002年，隨著基于PCI的串行ATA主機(jī)控制器與串行ATA磁盤驅(qū)動(dòng)器的實(shí)用化，從并行ATA到串行ATA的轉(zhuǎn)換初現(xiàn)端倪。在2003年，推出了首款集成了串行ATA的PC芯片組，而且在隨后的一年里，串行ATA將繼續(xù)取代芯片組上的并行ATA端口，直到硬盤驅(qū)動(dòng)器與光盤驅(qū)動(dòng)器二者均已轉(zhuǎn)換到串行ATA上來(lái)為止。分析數(shù)據(jù)（如圖1中的組合圖表所示）顯示，2003年串行ATA磁盤驅(qū)動(dòng)器的市場(chǎng)份額大概為5 %，預(yù)計(jì)2004年晚些時(shí)候市場(chǎng)份額將達(dá)到50 %左右。到2005年，串行ATA的產(chǎn)量將會(huì)占到驅(qū)動(dòng)器總產(chǎn)量的85 %左右，并且，并行ATA將會(huì)在2006年基本消失。
在大的方面，來(lái)自Intel、VIA、SIS、ATI與NVIDIA等供應(yīng)商的芯片組發(fā)展進(jìn)程計(jì)劃正在推動(dòng)這種轉(zhuǎn)換。芯片組上的并行ATA接口需要若干引腳，要求5V容許誤差，同時(shí)還需要一個(gè)較大的主板空間來(lái)進(jìn)行配線。使用串行ATA，信號(hào)電壓(標(biāo)稱為500-600 mV) 將會(huì)更符合當(dāng)前的工藝處理技術(shù)要求，每個(gè)通道只需要四個(gè)信號(hào)針腳，而且，它所需要的連接器、配線與線路板空間都小于并行ATA。串行ATA的其他優(yōu)點(diǎn)還包括用于驅(qū)動(dòng)器連接的專用主機(jī)、未來(lái)的速度提升空間( 3 Gbps規(guī)格現(xiàn)已可用，而且3 Gbps接口已有展示產(chǎn)品)，以及通過(guò)原生命令隊(duì)列等功能增加的性能優(yōu)勢(shì)。
光盤驅(qū)動(dòng)器將緊隨硬盤驅(qū)動(dòng)器之后轉(zhuǎn)用串行ATA接口。少數(shù)光盤驅(qū)動(dòng)器現(xiàn)在已經(jīng)提供一個(gè)串行ATA接口，而且在明年或者后年更多的光驅(qū)將會(huì)做出轉(zhuǎn)換，因?yàn)樾酒M將不再支持并行ATA。概括來(lái)說(shuō)，光盤驅(qū)動(dòng)器將在硬盤驅(qū)動(dòng)器市場(chǎng)采用串行ATA大約一年之后進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
新的連接器與電纜需求
在最初的技術(shù)規(guī)格說(shuō)明書中，串行ATA主要是用作PC機(jī)箱內(nèi)部硬盤驅(qū)動(dòng)器的替代品。最初的電纜技術(shù)規(guī)格說(shuō)明書描述了一個(gè)設(shè)計(jì)用于內(nèi)部使用的1米電纜，它不具有關(guān)于電磁干擾(EMI)、靜電放電（ESD）方面的任何特殊功能或者是外部互連所需要的其他屬性。由于對(duì)外部串行ATA驅(qū)動(dòng)器的需求趨勢(shì)日益明朗，串行ATA工作組開始調(diào)查對(duì)更適合外部驅(qū)動(dòng)器的新電纜與連接器的需求，并制訂出一個(gè)新的技術(shù)規(guī)格說(shuō)明書來(lái)滿
與標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部連接器相比，插座中的信號(hào)觸點(diǎn)凹進(jìn)插座盒凹得更深，這將有助于預(yù)防接近高速信號(hào)觸點(diǎn)的任何靜電放電。使用金屬屏蔽罩可以提供一個(gè)良好的接地回路，它將在插入或者拔掉電纜的時(shí)候釋放掉任何靜電放電電荷。
這里提供的接地通路將有助于來(lái)自外部驅(qū)動(dòng)器的任何電磁干擾(EMI)輻射的最小化，但是還需要采取額外步驟，通過(guò)增加一個(gè)包裹電纜不同信號(hào)對(duì)的特別屏蔽層來(lái)改裝電纜。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部電纜內(nèi)，每一對(duì)信號(hào)線都被分別屏蔽。這種屏蔽用于外部電纜，但是還要進(jìn)行額外的包裹。
正如上面總結(jié)的變化所展示的那樣，在用于內(nèi)部與外部串行ATA應(yīng)用的電纜與連接器結(jié)構(gòu)之間存在有重要差異，以適用于特定的使用需求。因?yàn)榇嬖谥@些差異，連接器就可以被鎖住以防止在外部應(yīng)用中誤用未經(jīng)屏蔽的內(nèi)部電纜，它將是不合適的。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，插座內(nèi)的內(nèi)部信號(hào)連接器被做的更寬，而電纜末端連接器的總寬度更窄，因此內(nèi)部電纜不能被插到外部連接器當(dāng)中。另一種區(qū)分兩個(gè)連接器的簡(jiǎn)便方式就是內(nèi)部電纜有一個(gè)L型舌片，作為簡(jiǎn)單的盲配（blind mate）鑰匙。對(duì)于外部連接器來(lái)說(shuō)，通過(guò)將連接器內(nèi)的信號(hào)觸點(diǎn)從中心移開來(lái)完成盲配（blind mating）定位。
早期的外部串行ATA產(chǎn)品
電氣信號(hào)需求
上面得出的功能需求之一就是配有一根長(zhǎng)達(dá)2米的較長(zhǎng)電纜，用于外部應(yīng)用。由于最初的串行ATA技術(shù)規(guī)格說(shuō)明書是為內(nèi)部1米電纜而設(shè)計(jì)的，它沒有提供充分的設(shè)計(jì)裕量來(lái)驅(qū)動(dòng)更長(zhǎng)的電纜。串行ATA技術(shù)規(guī)格說(shuō)明書規(guī)定了必須從一個(gè)串行ATA主機(jī)或者設(shè)備發(fā)送出的最小與最大發(fā)送電壓，而且還規(guī)定了一個(gè)接收器能夠正確地解碼所必需的最小電壓。對(duì)于速率為1.5 Gbps的內(nèi)部電纜來(lái)說(shuō)，從主機(jī)發(fā)送至驅(qū)動(dòng)器的發(fā)送電壓，或者反向發(fā)送，其電壓范圍都是從400到600 mV?？紤]到電纜與連接器的信號(hào)損失，接收器必須能夠?qū)?25與600 mV之間的電壓進(jìn)行解碼。
考慮到電纜上任何額外的損失，使用2米電纜的最小發(fā)送電壓將從400提高到500 mV，同時(shí)，最小的接收器靈敏度則進(jìn)一步降低到240 mV。這些改變用以適應(yīng)在信號(hào)通路內(nèi)較長(zhǎng)的電纜或者額外的連接器之內(nèi)的任何額外衰減。應(yīng)該指出，當(dāng)信號(hào)傳輸速
串行ATA主機(jī)連接
想象一個(gè)設(shè)計(jì)用于支持串行ATA接口的定制外部磁盤驅(qū)動(dòng)器非常簡(jiǎn)單，而如何將一個(gè)外部串行ATA與主機(jī)連接的問(wèn)題就更為容易。如上所述，許多最初的芯片組與分散的控制器設(shè)計(jì)沒有能力直接支持一個(gè)外部驅(qū)動(dòng)器附加裝置，盡管第二代設(shè)計(jì)很可能增加這些能力。因此，對(duì)于外部互連，將需要使用一個(gè)分立的控制器（典型地是基于PCI的控制器）。
使用一個(gè)基于PCI卡的解決方案，可以在PCI托架之上提供外部互連（如圖3所示）。它提供了一種簡(jiǎn)單而且可靠的方法來(lái)使用一個(gè)外部連接與一臺(tái)PC配用，或者是訂購(gòu)這樣的一個(gè)已安裝卡，或者是通過(guò)用戶安裝一個(gè)PCI卡配件。
對(duì)于使用一個(gè)設(shè)計(jì)支持外部串行ATA連通性控制器的母板，無(wú)論是在芯片組內(nèi)或者是通過(guò)一個(gè)添加的基于PCI的控制器，可以選擇在母板上安裝一個(gè)外部串行ATA連接器，或者是使用一根從內(nèi)部連接器連到PCI托架上的一個(gè)插座的電纜，來(lái)進(jìn)行連接（如圖4所示）。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)指出，內(nèi)部電纜to 托架應(yīng)該僅連接到一個(gè)串行ATA設(shè)備上，它能夠滿足上面強(qiáng)調(diào)的電氣兼容需求。
許多母板使用預(yù)先定義的連接器占地面積（連通）以適合標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)箱。在這個(gè)連接器外殼之內(nèi)，將需要一個(gè)外部串行ATA連接器，而且將很可能需要取代現(xiàn)有的連接器—無(wú)論是一個(gè)不再常用的老式連接器，或者可能一個(gè)USB或者1394連接器將通過(guò)一個(gè)外部串行ATA連接器更好地服務(wù)。其他PC設(shè)計(jì)在它們的連接器需求方面更為方便靈活，范圍從服務(wù)器平臺(tái)到XPC規(guī)格。同時(shí)，我們預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)可以看到有更多的這些設(shè)備使用外部串行ATA連接器。
在筆記本應(yīng)用中，一種實(shí)現(xiàn)外部串行ATA連通的簡(jiǎn)便方式就是使用一個(gè)基于PCMCIA的控制器。由于基于PCI的控制器能夠方便地設(shè)計(jì)去使用這個(gè)接口，盡管是使用早先說(shuō)明的內(nèi)部連接器，其中一些產(chǎn)品已經(jīng)推出。圖5所示為這種互連類型的一個(gè)例子。外部串行ATA應(yīng)用的連接器使用合適的設(shè)計(jì)。隨著將PCI-Express引入到下一代筆記本設(shè)計(jì)當(dāng)中，PCMCIA卡將會(huì)被PCI-Express卡所取代，PCI-Express卡將會(huì)通過(guò)內(nèi)部連接到驅(qū)動(dòng)器來(lái)提供更高的性能。
外部存儲(chǔ)設(shè)備通過(guò)獨(dú)立方式供電，這超出了本技術(shù)規(guī)格說(shuō)明書的范圍。這種獨(dú)立供電方式預(yù)期與USB或者1394外部驅(qū)動(dòng)器供電方式類似，后者通常使用墻式安裝型交流電源變壓器供電。對(duì)于只需要5V連接的2.5”磁盤驅(qū)動(dòng)器(或者更小型)，一些解決方案使用USB或者PS-2連接器等其他外設(shè)連接，來(lái)為串行ATA驅(qū)動(dòng)器供電（如圖6所示）數(shù)字視頻錄像機(jī)外部存儲(chǔ)的一個(gè)新興應(yīng)用領(lǐng)域
硬盤驅(qū)動(dòng)器消耗的增長(zhǎng)領(lǐng)域之一就是消費(fèi)電子設(shè)備—特別是，數(shù)字視頻錄像機(jī)(DVR)，比如TiVo與類似設(shè)備等。電纜機(jī)頂盒與衛(wèi)星接收器系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用硬盤驅(qū)動(dòng)器來(lái)允許用戶錄制視頻節(jié)目，這種應(yīng)用正在不斷增長(zhǎng)。一個(gè)硬盤驅(qū)動(dòng)器比早期用于VCR的磁帶方法，不僅在同時(shí)記錄或者重放多個(gè)數(shù)據(jù)流的能力方面，而且在單個(gè)磁盤上記錄數(shù)百小時(shí)節(jié)目容量方面，都具有顯著優(yōu)勢(shì)。額外的用戶增強(qiáng)服務(wù)，比如直覺的節(jié)目指南與基于電視觀眾喜好的可定制記錄，使得這些系統(tǒng)成為它們的所有者電視體驗(yàn)的一個(gè)主要部分。
相反，在這些設(shè)備上使用一個(gè)外部串行ATA連接器，將能夠提供一個(gè)簡(jiǎn)便的方式來(lái)增加容量。一家機(jī)頂盒(STB) 供應(yīng)商，Scientific Atlanta公司，已經(jīng)接受了這種理念，并在力推具有外部串行ATA連接的下一代STB產(chǎn)品。
外部串行ATA還能夠使得STB制造商采用一種新的業(yè)務(wù)模型。在視頻攝像設(shè)備中，磁盤驅(qū)動(dòng)器通常是系統(tǒng)中最為昂貴的設(shè)備。結(jié)果是，它能夠成為更為廣泛地采用這些設(shè)備的一種障礙。例如，使用一個(gè)外部串行ATA連接的能力能夠允許一個(gè)電纜提供商提供一個(gè)“PVR可用”的盒子，但是為最終用戶留下成本以及一個(gè)用戶所需要的驅(qū)動(dòng)器尺寸的選擇權(quán)。
光盤驅(qū)動(dòng)器作為外部設(shè)備使用也在不斷增長(zhǎng)。無(wú)論是需要為起初未配置可記錄驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)添加一個(gè)可記錄驅(qū)動(dòng)器，還是僅僅需要一個(gè)速度更高的設(shè)備，目前，外部光盤驅(qū)動(dòng)器確實(shí)比外部硬盤驅(qū)動(dòng)器銷量更好。在PVR市場(chǎng)對(duì)DVD錄像機(jī)的需求也在不斷增長(zhǎng)，一個(gè)用戶使用磁盤驅(qū)動(dòng)器錄下節(jié)目用于常規(guī)使用與重放，但是能夠?qū)⑺鼈兇鏅n于一個(gè)DVD之上用于永久存儲(chǔ)。
家庭網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)新興應(yīng)用
外部串行ATA還將應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)由于與一個(gè)家庭之內(nèi)的多個(gè)PC與用戶共享存儲(chǔ)容量與內(nèi)容的用戶需求而日益流行。新的串行ATA功能 例如一個(gè)端口倍增器，它允許一個(gè)單個(gè)主機(jī)連接訪問(wèn)多個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器，能夠提供一個(gè)容易的方式，使用一個(gè)外部串行ATA連接為一個(gè)主機(jī)系統(tǒng)增加1000GB存儲(chǔ)容量。這個(gè)容量能夠被多個(gè)用戶共享，分割成不同的布置，而且還可以用于用于網(wǎng)絡(luò)上其他設(shè)備的自動(dòng)備份.
隨著數(shù)字內(nèi)容的日益增長(zhǎng)，添加一個(gè)外部驅(qū)動(dòng)器不可能總是足以滿足要求，而在它們的需要擴(kuò)展時(shí)，一個(gè)基于端口倍增器的設(shè)備能夠允許用戶方便地持續(xù)增加存儲(chǔ)。這個(gè)新的使用模型可以使用串行ATA實(shí)現(xiàn)，而且這也是轉(zhuǎn)向這個(gè)新的接口技術(shù)的另一個(gè)好處。
結(jié)束語(yǔ)
外部串行ATA技術(shù)規(guī)格說(shuō)明書的完成為成本效益型高性能便攜式外部存儲(chǔ)設(shè)備的擴(kuò)展鋪平了道路。串行ATA提供了比USB或者1394更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，這對(duì)于那些經(jīng)常訪問(wèn)其外部驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)的用戶來(lái)說(shuō)將最為明顯。此外，外部串行ATA驅(qū)動(dòng)器還具有比USB或者1394驅(qū)動(dòng)器成本更低的潛力，USB或者1394驅(qū)動(dòng)器必須包含一個(gè)轉(zhuǎn)換芯片，這就增加了驅(qū)動(dòng)器的成本。
近期，外部串行ATA市場(chǎng)將主要由下列用戶驅(qū)動(dòng)：一些用戶從更為昂貴的與較低性能的外部USB與1394設(shè)備轉(zhuǎn)到外部串行ATA上來(lái)，將其作為一種為現(xiàn)有PC擴(kuò)充更多存儲(chǔ)容量的手段。日益增長(zhǎng)的HD內(nèi)容容量還推動(dòng)了外部串行ATA在家庭娛樂(lè)領(lǐng)域的應(yīng)用，在這個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，外部串行ATA驅(qū)動(dòng)器能夠方便地為PVR與STB提供額外的存儲(chǔ)容量。外部串行ATA還將用于家庭網(wǎng)絡(luò)，事實(shí)將會(huì)證明，串行ATA從該網(wǎng)絡(luò)的單臺(tái)主機(jī)連接訪問(wèn)多個(gè)驅(qū)動(dòng)器的能力將大有裨益。
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