目前大多數計算機硬盤驅動器都采用并行ATA接口傳遞數據,但隨著人們對傳輸速度的要求越來越高,并行ATA已不能滿足實際需要,于是業界提出了串行ATA方案。本文介紹串行ATA接口基本特性,并對其各層結構進行討論。

目前的并行ATA最大問題是難以將數據傳輸率提高到100Mbps以上。并行ATA使用的是單端信令系統,容易引起噪聲,將并聯數據傳輸率提高到100Mbps以上要有新信令系統,而它無法與現有系統后向兼容。此外并行ATA的另一個局限是它使用5V信號電平,這與未來的硅芯片微電子工藝也不兼容。

串行ATA通過采用250mV差分信令方法解決這些問題,差分信號能抑制引入的噪聲,且250mV差分信號電平與未來的微電子制造工藝是兼容的。圖1顯示了并行ATA與串行ATA的結構比較。

串行ATA基本特性

ATA是目前業界主要的硬盤驅動器(HDD)接口,根據國際數據公司(IDC)2002/03年的預測,ATA接口市場預計2003年約為1.9億套,所有出廠硬盤驅動器中有90%都采用這種接口。到2006年,IDC預計ATA發貨量將增加到3.1億套以上,并繼續占據所有硬盤驅動器90%份額。很明顯,在可預見的未來市場將繼續需要配備ATA的硬盤驅動器。

串行ATA v1.0版由串行ATA工作組制定,并正被ANSI T13公共委員會采用準備納入到其ATA/ATAPI 7規范中。與此同時,串行ATA Ⅱ工作組正在制定1.0版的擴充版本,以使串行ATA硬盤驅動器用于入門級服務器和存儲器系統,串行ATA Ⅱ接口規范將使速度加倍,達到300Mbps。

串行ATA的設計使其對主機系統軟件層透明,允許現有的操作系統、設備驅動程序和應用軟件無需修改就可運行。接口是一個四線點對點結構,每個控制器連接支持一個設備,所以它沒有并聯ATA那樣的主/從配置跳線問題。這種接口可大幅度減少并聯ATA的引腳端數量,線纜更小將有助于氣流并改善線纜布線。

串行ATA層次結構

串行ATA功能分為4層,從下到上依次是物理層、鏈路層、傳輸層和應用層(表1)。傳輸層和鏈路層控制全部操作,應用層設計為與并行ATA相同,這樣保持了軟件的兼容性,物理層則處理與設備之間的高速串行通信。串行ATA能傳輸所有ATA和ATAPI協議,并設計為與將來ATA標準前向兼容。此外,它還提供了對ATA加以改進的機會,如改善本地隊列等。下面我們對各個層分別進行介紹。

1．物理層
串行ATA物理層(PHY)采用低壓(250mV)差分信號,可使速度達到以上,規劃是十年以后達到6Gbps。有兩組差分對,一組用于發送,一組用于接收。物理層包含了串行器/解串行器,提供段外(OOB)信號并處理加電順序和速度協商。傳輸數據用10位字符進行串行化處理,接收數據則解串到10位字符,設備的狀態將反饋到鏈路層。

該接口支持線纜(最長1米)和背板連接。連接器設計成盲對接,帶有錯列的觸點以便于熱拔插。它有三種電源電壓,分別是12V、5V和,第一代線纜和連接器設計為支持未來的速度。連接器位置和接口對、3.5和2.5英寸設備都可以使用,這樣在一個機架里可支持多種形式的設備,圖2顯示了串行ATA接口用在不同尺寸設備上的連接器位置。

2．鏈路層
鏈路層負責發送和接收幀、控制信號基元和進行流控制。鏈路層包含一個原字符編碼/解碼器、8B/10B編碼/解碼器、32位CRC計算器、數據密碼轉換/解碼轉換器和層控制器。

3．傳輸層 傳輸層把ATA和ATAPI信息打包或打開到幀信息結構中,傳輸層也處理FIFO或緩沖存儲器以控制數據流。

4．應用層
應用層通過一個寄存器接口與傳輸層相互作用,即相當于傳統并行ATA主適配器提供的那種,同時它還定義了一個影子寄存器塊使其既能與并行ATA兼容又能與將來預期擴充兼容,所以其軟件可與并行ATA設備后向兼容。

本文結論

串行ATA的市場機會包括所有ATA設備(不只是HDD),以及潛在替代其它接口。要想快速得到采用關鍵是要有廣泛的業界支持,例如英特爾芯片組中引入串行ATA支持就是業界采納串行ATA硬盤驅動器最重要的步驟。在開始階段,串行ATA硬盤驅動器最適合高端桌面型PC市場,而最終串行ATA將占據整個并行ATA市場。這也要求其成本下降到足以在非硬盤驅動器應用中取代并行ATA,如不需要接口性能的DVD驅動器。

另外,串行ATA硬盤驅動器還會侵入目前被并行SCSI所占據的市場。例如單用戶低端工作站市場會發現串行ATA非常誘人,并行ATA已經進入這個市場,雖然Gartner預測2001年的市場份額還不到5%。這個市場包括低端工作站、服務器和網絡應用支持設備(NAS)。

串行ATA接口是并行ATA接口的重要技術升級,串行ATA的優點總結如下:

* 點對點連接,不需要進行主/從配置

* 電纜線更薄更長

* 串行ATA硬盤驅動器無需新的軟件驅動程序

* 信號為低差分電壓

* 接口帶寬目前是150Mbps,然后會到300Mbps,最后可達600Mbps

* 可以很好配合將來的升級

* 連接器設計更好,具有熱拔插、盲配對等特性

* 在所有數據和控制信息上進行32位CRC糾錯

作者:Frank R. Chu

高級工程師

日立環球存儲科技公司