0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Реализация стандарта Serial ATA

Особенности реализации интерфейса и регистры Serial ATA.

Особенности реализации интерфейса и регистры Serial ATA.

Спецификация SATA (Serial ATA), описывает интерфейс для жестких дисков с последовательным способ обмена информацией. Последовательный SATA интерфейс программно совместим с традиционным — параллельным. Для обмена в нем используются те же регистры и команды, что обеспечивает программную совместимость с предыдущими версиями ATA. Все жесткие диски SATA подключаются независимым информационным кабелем, который состоит из 7 проводов, из которых 3 провода не используются, а оставшиеся 4 используются парами (одна пара для передачи, другая для приема). Кабель стал тонким и круглым, что позволило снизить температуру компонентов внутри системного блока компьютера за счет улучшения вентиляции. Разъем конструктивно предусматривает защиту от неправильного подключения. Нахождение кабеля SATA вблизи источников сильных электромагнитных помех нежелательно, т.к. в кабеле SATA уровень сигналов снижен до 0.4 вольт, что привело к снижению помехозащищенности при передаче информации. Поддержка подключения и замены жестких дисков без выключения компьютера описана в стандарте опционально, и производители жестких дисков стали реализовывать ее по своему усмотрению, что тоже привело к различным проблемам совместимости.

Спецификация Serial ATA версии 2.0 обеспечивала большую пропускную способность и специальные средства для поддержки сетевых устройств хранения. Расширения SATA-2 были направлены на повышение надежности этой системы и оптимизацию обработки запросов, однако подавляющая часть нововведений рассчитана на применение в серверах. Пропускная способность SATA-2 составляет 300 мегабайт в секунду (современный жесткий диск пока способен использовать не более 60-70 процентов от пропускной способности SATA). Спецификация SATA-2 предусматривает возможность подключения к одному порту нескольких жестких дисков при помощи так называемого концентратора или умножителя портов (port multiplier). При этом уменьшается число кабельных соединений, экономится место и достигается возможность гибкого масштабирования системы. Спецификация SATA Revision 3.0 предусматривает возможность передачи данных на скорости до 6 Гбит/с (600 Мбайт/с) и обладает полной обратной совместимостью с устройствами, поддерживающие предыдущие версии стандарта. В спецификации SATA 3.0 добавлены новые возможности, позволяющие улучшить работу NCQ, увеличить энергосбережение и использовать новые, более компактные разъемы.

Интерфейс Serial ATA является хост-центрическим, в нем определяется только взаимодействие хоста с каждым из подключенных устройств, а взаимодействие между ведущим и ведомым устройствами, свойственное традиционному интерфейсу АТА, исключается. Программно хост видит множество устройств, подключенных к контроллеру, как набор каналов АТА, у каждого из которых имеется единственное ведущее устройство (имеется возможность эмуляции пар устройств «ведущее — ведомое» на одном канале, если такая необходимость возникнет).

Программное взаимодействие с устройствами Serial ATA практически совпадает с прежним, набор команд соответствует ATA/ATAPI-5. В то же время аппаратная реализация хост-адаптера Serial ATA сильно отличается от достаточно простого (в исходном варианте) интерфейса АТА.

ATA/ATAPI-7 – определил протокол Ultra DMA-6 (133 Мбайт/с), расширенные режимы самотестирования SMART (Selective, Conveyance), поддержка расширенных журналов SMART, версия последовательного интерфейса ATA — SATA. ATA/ATAPI-8 – добавил аппаратное шифрование (Trusted Computing feature), датчик свободного падения (Free-fall Control), проверка чтением после записи (Write-Read-Verify feature), дополнительный протокол управления параметрами жесткого диска и чтения расширенной информации (SCT Command Transport), флэш память с возможностью управления ее энергосбережением (NV Cache, NV Cache Power Mode), определение номинальной скорости вращения двигателя (Nominal media rotation rate), время раскрутки магнитных пластин до номинальной скорости (Time to Spin Up in Seconds), команду — WRITE UNCORRECTABLE EXT.

В параллельном интерфейсе АТА хост-адаптер был простым средством, обеспечивающим программное обращение (доступ) к регистрам, расположенным в самих подключенных устройствах. В Serial ATA ситуация иная: хост-адаптер имеет блоки так называемых «теневых» регистров (Shadow Registers), совпадающих по назначению с обычными регистрами устройств АТА. Каждому подключенному устройству соответствует свой набор регистров. Обращения к этим теневым регистрам вызывают процессы взаимодействия хост-адаптера с подключенными устройствами и исполнение команд.

В стандарте SATA рассматривается многоуровневая модель взаимодействия хоста и устройства, где прикладным уровнем является обмен командами, информацией о состоянии и хранимыми данными. На физическом уровне для передачи информации между контроллером и устройством используются две пары проводов. Данные передаются кадрами. Транспортный уровень формирует и проверяет корректность информационных структур кадров (Frame Information Structure — FIS).

Для облегчения высокоскоростной передачи на канальном уровне данные кодируются по схеме 8В/10В (8 бит данных кодируются 10-битным символом) и скремблируются, после чего по физической линии передаются по простейшему методу NRZ (уровень сигнала соответствует передаваемому биту).

Между канальным и прикладным уровнем имеется транспортный уровень, отвечающий за доставку кадров. На каждом уровне имеются свои средства контроля достоверности и целостности.

В первом поколении Serial ATA данные по кабелю передавались со скоростью 1500 Мбит/с, что с учетом кодирования 8В/10В обеспечивало скорость 150 Мбайт/с (без учета накладных расходов протоколов верхних уровней). В дальнейшем была повышена скорость передачи, и в интерфейсе была заложена возможность согласования скоростей обмена по каждому интерфейсу в соответствии с возможностями хоста и устройства, а также качеством связи.

Хост-адаптер имеет средства управления соединениями, программно эти средства доступны через специальные регистры Serial ATA.

В стандарте предусматривается управление энергорежимом интерфейсов. Каждый интерфейс кроме активного состояния может находиться в состояниях PARTIAL и SLUMBER с пониженным энергопотреблением, для выхода из которых требуется заметное время (10 мс).

Команды, требующие передачи данных, могут исполняться в различных режимах обмена. Обращение в режиме PIO и традиционный способ обмена по DMA (legacy DMA) выполняется аналогично привычному интерфейсу ATА. Однако внутренний протокол обмена между хост-адаптером и устройствами позволяет передавать между ними разноплановую информацию (структуры FIS определены не только для команд, состояния и собственно хранимых данных). В приложении D к спецификации описывается своеобразный способ обмена по DMA, который предполагается основным (First-party DMA) для устройств Serial ATA. В традиционном контроллере DMA адаптера ATА для каждого канала имеется буфер, в который перед выполнением операции обмена загружают дескрипторы блоков памяти, участвующей в обмене. Теперь же предполагается, что адресная информация, относящаяся к оперативной памяти хост компьютера, будет доводиться до устройства хранения, подключенного к адаптеру Serial ATA. Эта информация из устройства хранения при исполнении команд обмена выгружается в контроллер DMA хост-адаптера и используется им для формирования адреса текущей передачи (расплатой за это некоторое упрощение хост-адаптера — особенно многоканального, является усложнение протокола и расширение функций, выполняемых устройством хранения). При традиционном разделении функций, задача устройств внешней памяти была лишь хранить данные, «не интересуясь» тем, в каком месте оперативной памяти компьютера они должны находиться при операциях обмена.

Последовательный интерфейс SATA, как и его параллельный предшественник ATA, предназначен для подключений устройств внутри компьютера. Длина кабелей не превышает 1 м, при этом все соединения радиальные, каждое устройство подключается к хост-адаптеру своим кабелем. В стандарте предусматривается и непосредственное подключение устройств к разъемам кросс-платы с возможностью «горячей» замены.

Стандарт определяет новый однорядный двухсегментный разъем с механическими ключами, препятствующими ошибочному подключению. Сигнальный сегмент имеет 7 контактов (S1-S7), питающий — 15 (Р1- Р15); все контакты расположены в один ряд с шагом 1,27 мм. Назначение контактов приведено в табл.1. Малые размеры разъема (полная длина — около 36 мм) и малое количество цепей облегчают компоновку системных плат и карт расширения. Питающий сегмент может отсутствовать (устройство может получать питание и от обычного 4-контактного разъема ATА).

Для обеспечения «горячего» подключения контакты разъемов имеют разную длину, в первую очередь соединяются контакты «земли» Р4 и Р12, затем остальные «земли» и контакты предзаряда конденсаторов в цепях питания РЗ, Р7 и Р13 (для уменьшения броска потребляемого тока), после чего соединяются основные питающие контакты и сигнальные цепи.

AHCI, или как использовать преимущества Serial ATA

Вы купили новый винчестер. Конечно, с интерфейсом Serial ATA. И, конечно, много слышали о новой интересной функции, реализованной в последних моделях — NCQ. Предвкушая заметный прирост скорости загрузки Windows и программ, а также снижение шума винчестера, вы подключаете винчестер, устанавливаете операционку и. Теперь вам потребуется проделать дополнительные манипуляции, чтобы включить поддержку AHCI и установить подходящие драйверы. Иначе технология NCQ, равно как и другие интересные функции, останется незадействованной.

Идея, лежащая в основе технологии NCQ (Native Command Queuing), уже не раз была реализована в жестких дисках и контроллерах, но не в тех, что применяются в обычных персоналках.

Итак, вот какой принцип лежит в основе NCQ. Как известно, жесткий диск работает довольно медленно, по сравнению с другими устройствами ПК ввиду его механической природы. Особенно много времени тратится на перемещение головок между дорожками, на которых расположены запрошенные системой сектора с данными. Чтобы эти перемещения минимизировать, можно применить хорошо известный в информатике метод переупорядочивания очереди команд. В данном случае в качестве критерия перестройки используется расстояние между дорожками, к которым будет производиться доступ. Команды на чтение, поступающие к жесткому диску со стороны системы, выполняются не по порядку, а накапливаются в очереди. Там они меняются местами таким образом, чтобы головка при выполнении соседних запросов смещалась как можно меньше. За счет этого и достигается ускорение.

Обычно для иллюстрации эффекта от переупорядочивания приводится классический пример — лифт в здании. Представьте, что он перемещается по этажам в том порядке, в каком были нажаты кнопки на панели. Но лифт работает гораздо эффективнее — он открывает двери на этажах по ходу движения. Да, некоторым из пассажиров приходится ожидать дольше, но другие попадают на нужный этаж намного быстрее.

Собственно, некоторые минусы после приведения примера с лифтом вам стали очевидны. Не все запросы будут выполнены быстрее — некоторые могут «застрять» в очереди, пропуская другие запросы. А появление запроса на запись вообще осложняет обработку очереди команд, так как возможна ситуация нарушения целостности данных.

Кроме того, подобная технология даст выгоду только в том случае, если команды винчестеру поступают плотным потоком и намного быстрее, чем он успевает их выполнить. В условиях современных ПК такая ситуация происходит не очень часто — в основном в момент загрузки ОС и больших программных пакетов. Поэтому за реализацию технологии NCQ взялись только в последнее время, хотя в серверной среде интеллектуальное переупорядочивание команд применяется давно и успешно.

Следует заметить, что возможность изменения порядка команд и обработки очередей заложена и в протоколе интерфейса ATA (технология TCQ). И даже есть примеры вполне успешной ее реализации. Но сделано это не очень красиво и удобно. Дело в том, что протокол интерфейса ATA, по которому работают жесткие диски с обычным, «параллельным» интерфейсом, основан на протоколе работы шины ISA. Процедура инициализации и передачи команды, а также слежение за состоянием и ошибками — довольно длительная и сложная процедура, требующая анализа нескольких регистров. Поэтому разработчики решили реализовать поддержку данной технологии в винчестерах, использующих новый интерфейс — Serial ATA.

Читать еще:  Конкурс JBL Pulse 4 — собери их всех!

Контроллер Serial ATA, согласно требованиям этого стандарта, должен поддерживать, как минимум, два режима работы. Первый — режим эмуляции стандартного контроллера ATA. В этом режиме контроллер полностью повторяет протокол обращения к жесткому диску ATA и, с точки зрения операционной системы и драйверов, не отличается от контроллера «параллельного» интерфейса. При этом подключенные к нему винчестеры эмулируются либо как устройства Master на отдельном канале, либо, если операционная система «не понимает» более двух каналов — как пары устройств Master и Slave. Этот режим включен по умолчанию, он полностью поддерживается всеми операционными системами и BIOS.

Проблема в том, что в режиме эмуляции реализация дополнительных функций Serial ATA частично или полностью невозможна, иначе совместимость с классической реализацией ATA будет нарушена. Поэтому контроллер имеет возможность переключиться в «родной» (Native) режим Serial ATA, который не имеет сковывающих его «родственных обязательств» по отношению к ATA.

Протокол AHCI (Advanced Host Controller Interface) как раз описывает поведение контроллера в режиме Native с точки зрения системы. Он описывает, каким образом контроллер обрабатывает очередь команд, где и как они хранятся, как программист должен помещать команды в очередь и где получать результаты их выполнения. Все условности протокола ATA отброшены, все сложности с манипулированием регистрами и флагами упразднены за ненадобностью. Реализация всех дополнительных функций Serial ATA, включая NCQ, Hot Swap, Port Multiplier, Staggered Spin-Up и т.д., теперь ничем не ограничивается.

Данный протокол был разработан специальной инициативной группой во главе с Intel. Он является дополнением к стандарту Serial ATA, который, в общем-то, не описывает требования к хост-контроллерам (контроллерам со стороны вычислительной системы, к которой подключен винчестер). Вместе с AHCI стандарт Serial ATA является законченным решением для организации дисковой подсистемы в ПК нового поколения.

Вместе с тем теряется совместимость с программным обеспечением, не поддерживающим Serial ATA изначально. Работать в двух режимах одновременно контроллер не может. Переключаясь в режим Native, он теряет возможность принимать команды от программного обеспечения, не «понимающего» протокол AHCI.

Таким программным обеспечением, как ни странно (или что неудивительно), является операционная система Windows. Как признаются разработчики этой операционной системы в специальном документе (www.microsoft.com/whdc/device/storage/serialATA_FAQ.mspx), дисковая подсистема всех версий Windows, вышедших до версии Vista, поддерживать AHCI не будет. Объясняют они это наличием особенностей в реализации AHCI производителями разных контроллеров. В будущем в ядре Windows будет реализован новый механизм подключения драйверов — Ataport, и в составе драйверов будет идти стандартный минипорт для Native-режима контроллера Serial ATA. А пока, увы, нужно устанавливать специальный драйвер или SCSI-минипорт непосредственно от производителя контроллера.

Эта проблема сложнее, чем кажется на первый взгляд. Операционная система Windows устроена таким образом, что при старте она должна обязательно «подхватить» правильный драйвер для контроллера жестких дисков. Иначе старт прерывается пресловутым «синим экраном», избавиться от которого можно только переустановкой системы. Мало того, процесс установки тоже прервется этим же «синим экраном», если вовремя не предоставить Windows дискету с нужным драйвером. Владельцам ноутбуков вообще не позавидуешь — им и дискету-то вставить некуда, а другие носители Windows в данном случае не принимает.

Способ первый, классический. Как и при создании RAID, вы используете установочную дискету, идущую в комплекте с материнской платой или созданную самостоятельно. Начинаете установку Windows, доходите до первой перезагрузки, а когда появляется надпись «Press F6. » внизу синего экрана, нажимаете F6 и предлагаете дискету. Следует выбрать правильный вариант драйвера и продолжить установку Windows. Впоследствии, когда установка успешно завершится, будет нелишним еще раз установить драйверы и утилиты — они позволят проделать некоторые настройки и убедиться, что NCQ включена.

Второй способ сложнее, но он позволяет обойтись и без дискеты, и без переустановки Windows. Для этого в BIOS вашего компьютера должна быть возможность отключения AHCI (или Native Mode, что в данном случае синонимы). При включенном режиме эмуляции вы проводите установку Windows, а потом устанавливаете драйверы от производителя контроллера (чипсета материнской платы). Если они не ставятся автоматически, делаете это вручную. Потом включаете AHCI в BIOS, и система начинает использовать преимущества NCQ.

В чипсетах Intel поддержка AHCI появилась еще в серии 915. Правда, только в южных мостах с суффиксами «R», «M» и «DH»:

  • ICH6R, ICH6M — чипсеты серии 915/925;
  • ICH7R, ICH7M, ICH7DH, ICH7MDH — чипсеты серии 945/955/975;
  • ICH8R — чипсеты серии 965.

Такими мостами комплектуются только ноутбуки на платформе Centrino, начиная со второго поколения, и дорогие материнские платы на старших чипсетах серии — 925, 955, 975. Как правило, если AHCI поддерживается, то в BIOS будет соответствующая строчка. В крайнем случае, можно заглянуть в руководство к материнской плате.

Вам понадобятся драйверы Intel Matrix Storage, бывшие Intel Application Accelerator, а также установочная дискета к ним. Ее образ можно скачать с сайта Intel. Драйверы с этой дискеты пригодятся и для установки Windows, и для включения AHCI уже после установки. В последнем случае не забудьте обязательно установить Intel INF Update перед тем, как начинать манипуляции с другими драйверами. После того, как драйверы стандартного контроллера Serial ATA будут заменены на драйверы с установочной дискеты Intel, можно включать AHCI. Windows сможет загрузиться, и дальше можно продолжить установку комплекта Matrix Storage — без включения AHCI он запускаться откажется. Для контроллеров других производителей процедура аналогичная — сначала установка драйверов, потом включение AHCI.

Винчестер в данном случае не затрагивается — форматировать, перешивать и т.п. ничего не нужно.

Serial ATA: первые признаки жизни

Разговоры о новом интерфейсе Serial ATA, эволюционно идущем на смену нынешним повсеместно распространенным интерфейсам Parallel ATA (UltraATA/100, /133 и т.п.), ведутся уже давно. Достаточно сказать, что мы подробно писали о нем более двух лет назад (см. www.computerra.ru/offline/2000/354/3815), финальная спецификация первой версии этого интерфейса, Serial ATA 1.0, была принята 29 августа 2001 года (см. www.serialata.org/collateral/index.shtml), а подробное руководство по дизайну устройств для Serial ATA 1.0 (см. www.serialata.org/collateral/zipdownloads/10Gold _ Supp.zip) было выпущено 5 апреля этого года — почти сразу после весеннего Intel Developer Forum. Между тем, воплощение Serial ATA в новых устройствах — в первую очередь, накопителях на жестких магнитных дисках и дисковых контроллерах на системных платах — не спешило добраться до потребителей. Первая ласточка появилась лишь этим летом, когда Seagate объявила о выпуске новых дисков Barracuda ATA V, часть из которых оснащено этим новым интерфейсом. Однако диски те мы ждем и по сей день. Обещаниями кормят и другие дискостроители (Maxtor, IBM, Western Digital).

Не утруждают себя спешкой с выпуском контроллеров и производители чипсетов для материнских плат: у многих из них новые чипсеты со встроенным Serial ATA запланированы к выпуску лишь на конец этого года (например, южный хаб ввода-вывода ICH5 у Intel в чипсетах серии Springdale и южный мост SiS965 у компании SiS). То есть в данный момент фактически лишь производители дискретных чипов контроллеров ATA могут представить на суд свои изделия для Serial ATA — это Promise, High Point, Marvell и некоторые другие. Впрочем, Promise и High Point по многолетней традиции всегда первыми выпускали контроллеры для очередных новых версий ATA-интерфейсов (UltraATA/66, /100, /133), поэтому чипы для Serial ATA не стали исключением.

В этой статье мы рассмотрим первые серийные экземпляры контроллеров Serial ATA на популярных материнских платах. Благодарить за почин следует компанию ASUSTeK, недавно выпустившую несколько системных плат нового поколения, например, P4B533-VT на чипсете i845G и P4S8X на чипсете SiS648 (эти платы мы подробно рассмотрели ранее в статье на www.ferra.ru/online/system/19470), отличительной особенностью которых является, в частности, наличие наплатного контроллера нового ATA-интерфейса (наряду со старыми Parallel ATA). Поскольку нынешние чипсеты не оснащены Serial ATA, инженеры ASUS использовали отдельные чипы контроллеров для этого интерфейса, причем различные. Это даст нам возможность взглянуть на Serial ATA с разных сторон. Но прежде, чем перейти непосредственно к рассмотрению новых железок, вспомним кратко основные особенности нового интерфейса, с которым нам предстоит работать последующие примерно лет 10, а может и больше.

Подробно предпосылки и предысторию возникновения интерфейса Serial ATA, а также его базовые характеристики были рассмотрены нами ранее, поэтому, чтобы не повторяться, отсылаем вас к статье на www.ferra.ru/online/storage/6926. Детальные спецификации версии 1.0 этого интерфейса желающие могут изучить, например, на официальном сайте www.serialata.org в 307-страничном документе по линку www.serialata.org/collateral/zipdownloads/SerialATA10Gold.zip, а также на сайте developer.intel.com. Здесь же мы просто перечислим основные отличия нового последовательного интерфейса от старого параллельного и коснемся основных принципов и путей его реализации в «железе».

Прежде всего, кабель у нового интерфейса принципиально отличается от прежнего 40- или 80-жильного широкого плоского: количество сигнальных проводов кабеля сокращено до четырех (есть еще и земля), и до метра увеличена его допустимая длина. Это способствует более компактной упаковке и лучшим условиям охлаждения внутри корпуса компьютера, удешевляет конструкцию. Тут компактные семиконтактные разъемы соединяются узким уплощенным кабелем шириной примерно 8 мм и толщиной около 2 мм (см. фото). Внутри кабеля Serial ATA находятся 2 пары сигнальных проводов (одна пара на прием, другая — на передачу), отделенных тремя жилами общего провода («земли»). На разъеме, расположенном на дисках и материнских платах, три «земляных» контакта выступают чуть дальше сигнальных контактов, чтобы облегчить «горячее» подключение (предусмотрено «горячее» подключение накопителей по Serial ATA без специальных адаптеров).

Кабели Serial ATA и Parallel ATA.

Еще одно преимущество Serial ATA — бОльшая полоса пропускания, чем у Parallel ATA. Первая версия интерфейса Serial ATA обладает пропускной способностью до 1,5 Гбит/с (это около 150 Мбайт/с для полезных данных против 100-130 Мбайт/с у параллельного интерфейса). Однако в дальнейшем второе и третье поколение Serial ATA (примерно через 3 и 6 лет) увеличат скорость до 3 и 6 Гбит/с соответственно.

Кроме того, поскольку к каждому кабелю Serial ATA может быть подключен только один накопитель (к параллельным можно подключать два накопителя одновременно), то запас скорости интерфейса сейчас кажется очень большим. Действительно, если нынешние IDE-винчестеры со скоростью чтения полезных данных с пластин до 50 Мбайт/с практически насытили интерфейс UltraATA/100 (два таких диска на одном IDE-шлейфе уже не могут сосуществовать без теоретической потери скорости, поскольку реально UltraATA/100 дает примерно 90 Мбайт/с потоковой пропускной способности) и подступили вплотную к пределу интерфейса UltraATA/133, то добираться до 150 Мбайт/с одиночным дискам придется еще очень долго (по прикидкам — примерно лет 5, а то и больше), то есть даже первой версии Serial ATA обеспечена долгая жизнь. К тому же соседство на одном шлейфе больше не будет мешать дискам в силу устранения латентностей шины IDE на переключение между соседними устройствами, что также должно повысить скорость работы дисков в компьютерах при грамотной реализации контроллеров на системных платах.

Читать еще:  Code Vein — у вампиров тоже есть душа

Улучшено и электрическое обрамление интерфейса: теперь вместо более 20 пятивольтовых линий (а пятивольтовые сигналы в современных системах нередко требуют усложнения и удорожания схемотехники, поскольку большинство нынешних цифровых микросхем уже работают при более низких напряжениях питания) используются всего две дифференциальные линии с перепадом уровня всего 0,5 вольт, а это отлично согласуется с современными интегрированными решениями.

Еще одной важной особенностью Serial ATA является то, что изменения архитектуры интерфейса лежат только в области физического интерфейса, а по регистрам и программному обеспечению он будет полностью совместим с нынешним параллельным ATA. Поэтому не будет необходимости кардинально менять драйверы. Более того, в некоторых случай новых драйверов для Serial ATA вообще не потребуется (!): архитектура Serial ATA прозрачна для BIOS и операционной системы. Кроме того, Serial ATA (в отличие от параллельных ATA) обладает средствами исправления ошибок (по ECC), и целостность передаваемых по кабелю данных будет гарантироваться.

Обратная совместимость последовательного ATA с параллельным будет реализовываться двумя способами: объединением чипсетов, поддерживающих параллельный ATA-интерфейс, с дискретными компонентами, реализующими Serial ATA физически, и применением адаптеров (dongles), превращающих параллельную шину АТА в последовательную, и наоборот (см. блок-схему).

Что такое SATA

Многим пользователям компьютеров не однократно встречалось слово SATA, но не многие знают, что этого такое. Стоит ли обращать на него внимание при выборе жесткого диска, системной платны или уже готового компьютера? Ведь в характеристиках данных устройств слово SATA сейчас часто упоминается.

СОДЕРЖАНИЕ (нажмите на кнопку справа):

Даем определение

SATA это последовательный интерфейс передачи данных между различными накопителями информации, который пришел на смену параллельному интерфейсу АТА.

Начало работ по созданию данного интерфейса было организованно с 2000 года.

В феврале 2000 года, по инициативе компании Intel была создана специальная рабочая группа, в которую вошли лидеры IT технологий тех и теперешних времен: компания Dell, Maxtor, Seagate, APT Technologies, Quantum и много других не менее значимых компаний.

В результате двух годичной совместной работы, первые разъемы SATA появились на системных платах в конце 2002года. Они использовались для передачи данных через сетевые устройства.

А с 2003 года последовательный интерфейс был интегрирован уже во все современные системные платы.

Чтобы визуально ощутить разницу между АТА и SATA посмотрите фото ниже.

Параллельный интерфейс АТА.

Последовательный интерфейс Serial ATA.

Новый интерфейс на программной уровне, совместим со всеми существующими аппаратными устройствами и обеспечиваем более высокую скорость передачи данных.

Как видно из фото выше 7 контактный провод имеет меньшую толщину, что обеспечивает более удобное соединение между собой различных устройств, а также позволяет увеличить количество разъемов Serial ATA на системной плате.

В некоторых моделях материнских плат их количество может достигать аж 6.

Более низкое рабочего напряжение, меньшее количество контактов и микросхем уменьшило тепловыделение устройствами. Поэтому контроллеры портов SATA не перегреваются, а это обеспечивают еще большую надежную передачу данных.

Однако к интерфейсу Serial ATA еще проблематично подключить большинство современных дисководов, поэтому все производили современных системных плат еще не отказались от интерфейса АТА (IDE).

Кабеля и разъемы

Для полноценной передачи данных через интерфейс SATA используются два кабеля.

Один, 7 контактный, непосредственно для передачи данных, и второй, 15 контактный, силовой, для подачи дополнительного напряжения.

При этом, 15 контактный, силовой кабель подключается к блоку питания, через обычный, 4-х контактный разъем выдающий два разных напряжения, 5 и 12 В.

Силовой кабель SATA выдает рабочее напряжение 3,3, 5 и 12 В, при силе тока в 4,5 А.

Ширина кабеля 2, 4 см.

Чтобы обеспечить плавный переход от АТА к SATA, в плане подключения питания, на некоторых моделях жестких дисков еще можно увидеть старые 4-х контактные разъемы.

Но как правило, современные винчестеры уже идут только с 15 контактным новым разъемом.

Кабель передачи данных Serial ATA можно подключать к винчестеру и системной плате даже при включенных последних, что нельзя было сделать в старом интерфейсе АТА.

Это достигается за счет того, что выводы заземления в районе контактов интерфейса сделаны немного длиннее, чем сигнальные и силовые.

Поэтому при подсоединении в первую очередь контактируют провода заземления, и только потом все остальные.

Тоже самое можно сказать и про силовой 15 контактный кабель.

Таблица, выводы разъема данных.

Таблица, силовой разъем Serial ATA.

Конфигурация SATA

Основное отличие конфигурации SATA от АТА это отсутствие специальных переключателей и фишек типа Master/Slave.

А также нет необходимости выбирать место подключения устройства к кабелю, ведь на кабеле АТА два таких места, и устройство, которое подключено в конце кабеля считается в BIOS главным.

Отсутствие настроек Master/Slave не только значительно упрощает аппаратную конфигурацию, но и позволяет более быстро устанавливать операционные системы, к примеру, Windows 7.

Кстати про BIOS, настройки в нем тоже не займут много времени. Вы там быстро все найдете и настроите.

Скорость передачи данных

Скорость передачи данных это один из важных параметров, для улучшение которого и был разработан интерфейс SATA.

Но этот показатель в данном интерфейсе постоянно увеличивался и сейчас скорость передачи данных может достигать до 1969 Мбайт /с. Многое зависит от поколения интерфейса SATA, а их уже 5.

Первые поколения последовательного интерфейса, версии «0», могли передать до 50 Мбайт/с, но они не прижились, так как сразу же были заменены на SATA 1.0. скорость передачи данных которых уже тогда достигала 150 Мбайт/с.

Время появления серий SATA и их возможности.

Серии:

  1. 1.0 – время дебюта 7.01.2003 года – максимальная теоретическая скорость передачи данных 150 Мбайт/с.
  2. 2.0 – появлюсь в 2004 году, полностью совместима с версией 1.0, максимальная теоретическая скорость передачи данных 300 Мбайт/с или 3 Гбит/с.
  3. 3.0 – время дебюта июль 2008 года, начало выпуска май 2009 года. Теоретическая максимальная скорость 600 Мбайт/с или 6 Гбит/с.
  4. 3.1 – время дебюта июль 2011 года, скорость – 600 Мбайт/с или 6 Гбит/с. Более усовершенствованная версия чем в п. 3.
  5. 3.2, а также входящая в него спецификация SATA Express – время выхода 2013 год. В данной версии произошло слияние SATA и PCIe устройств. Скорость передачи данных выросла до 1969 Мбайт/с.

SATA Express

В данном интерфейсе передача данных осуществляется на скорости 16 Гбит/с или 1969 Мбайт/с за счет взаимодействия двух линий PCIe Express и SATA.

Интерфейс SATA Express начал внедрятся в чипсетах Intel 9-й серии и в начале 2014 года был мало еще известен.

Если не внедрятся в дебри ИТ технологий, то в двух словах можно сказать так.

Serial ATA Express, это своеобразный переходной мост, который переводит обычный режим передачи сигналов в режиме SATA на более скоростной, который возможен благодаря интерфейсу PCI Express.

eSATA

eSATA используется для подключения внешних устройств, что еще раз подтверждает универсальность интерфейса SATA.

Здесь уже используется более надежный разъемы подключения и порты.

Недостатком является то, что для работы внешнего устройства нужен отдельный специальный кабель.

Но разработчики интерфейса в скором времени решили эту проблему внедрив систему питания сразу в основной кабель в интерфейсе eSATAp.

eSATAp

eSATAp, это доработанный интерфейс eSATA в реализации которого была использована технология USB 2.0. Основное преимущество данного интерфейса, это передача по проводам напряжения 5 и 12 Вольт.

Соответственно встречаются eSATAp 5 V и eSATAp 12 V.

Существуют и другие названия интерфейса, все зависит от производителя. Вы можете встретить аналогичные названия: Power eSATA, Power over eSATA, eSATA USB Hybrid Port (EUHP), eSATApd и SATA/USB Combo.

Как выглядит интерфейс смотрите ниже.

Совместимость кабелей.

Также для ноутбуков и нетбуков разработан интерфейс Mini eSATAp.

mSATA

mSATA – внедрен с сентября 2009 года. Разработан для использования в ноутбуках, нетбуков и других не больших ПК.

На фото выше, как пример, представлено два диска, один обычный SATA, он внизу. Выше диск с интерфейсом mSATA.

Кому интересно, можете ознакомится с характеристиками mSATA-накопителей.

Такие накопители установлены практически в каждом ультрабуке.

Интерфейс mSATA в обычных компьютерах применяется редко.

Переходник mSATA to Serial ATA Convertor.

Вывод

Из выше сказанного понятно, что интерфейс последовательной передачи данных SATA еще не исчерпал себя полностью.

Поэтому и дальше он будет развиваться и совершенствуется, удивляя нас своими возможностями в скорости передачи данных и удобством в работе.

Реализация стандарта Serial ATA

Наконец-то, через год после утверждения стандарта, первые Serial ATA устройства уже поступили в магазины. Практически все известные производители карт-контроллеров уже обладают готовыми Serial ATA решениями, однако производители жестких дисков решили обождать до осени. В данной статье мы попытаемся рассмотреть и протестировать несколько Serial ATA устройств.

Уже давно понятно, что времена стандарта IDE/ATA прошли. Пользователи всегда пытаются улучшить производительность своих систем, и негибкий параллельный ATA выделяется в компьютере как мамонт в зоопарке. Шлейфы бывают всегда слишком коротки и слишком ненадежны.

Параллельная передача данных (посылка данных по нескольким параллельным маршрутам) подразумевает использование нескольких проводов, к тому же высокочастотный сигнал подвержен электромагнитным помехам. Serial ATA является последователем других успешных стандартов, базирующихся на принципе последовательной передачи данных. Среди них можно упомянуть Ethernet, USB, FireWire и даже AMD HyperTransport.

Serial ATA призван достичь нескольких целей. Он должен быть быстрым, легким в эксплуатации и самонастраивающимся. Еще одно ключевое требование — обратная совместимость. Serial ATA должен быть обратно совместим с Parallel ATA (что достигается с помощью специальных адаптеров). Новый стандарт должен быть распространен как можно шире, и в результате экспансии Serial ATA уже разрабатывается стандарт SAS (Serial Attached SCSI). Так что через пару лет Fiber Channel придется потесниться, поскольку SAS обеспечит скорость передачи 600 Мбайт/с.

Итак, после трех лет разработки первые устройства появились в магазинах. Достиг ли Serial ATA указанных целей? Будет ли он быстр, легок и надежен? Давайте посмотрим.

Скорость последовательной передачи

«Последовательная передача обеспечивает высокую скорость». Еще несколько лет назад, если бы вы такое сказали специалисту, он бы покрутил пальцем у виска. Ведь последовательные COM порты никогда не обеспечивали высокой скорости передачи. Но не забывайте, что все самые важные сегодняшние стандарты (USB 2.0, FireWire, Ethernet, V-Link, MuTIOL, HyperTransport, RapidIO) являются последовательными, и в то же время они быстры и дают хорошую производительность.

Благодаря последовательной передаче Serial ATA нужны только два канала данных — один для отправки и другой для приема. Сигнальное напряжение на каналах составляет 250 мВ, вместо старых 5 В на параллельном ATA. Благодаря дифференциальной передаче сигналов и противоположным фазам каналов происходит уничтожение взаимных помех. Поэтому отпала необходимость во взаимной скрутке проводов.

Вкратце перечислим основные характеристики.

  • максимальная пропускная способность 150 Мбайт/с или 1200 Мбит/с (в будущем планируется переход на 300/600 Мбайт/с);
  • возможность горячего включения;
  • два режима энергосбережения: частичный (partial) и бездействие (slumber);
  • перекрытие инструкций (overlapping);
  • очередь тегированных команд (tagged command queuing);
  • кабель с семью проводами. Разъемы 8 мм шириной.
Читать еще:  Стив Возняк в Москве

Кабель стал тоньше и длиннее

Скажем правду в лицо: ленточные IDE шлейфы уже всех достали. У них масса недостатков. При максимальной длине в 40 см невозможно закрепить жесткие диски в верхней части больших корпусов. Более того, расположение разъемов вдоль IDE шлейфа жестко нормировано, так что приходится располагать диски в определенном порядке. И поскольку на разъеме IDE почти не имеется желобков (та маленькая штучка скорее смешна) очень соблазнительно воткнуть его, предварительно повернув на 180 градусов. Вы ведь когда-нибудь ошибались в правильном подключении IDE дисков, не так ли? А задача по подсоединению двух IDE устройств на один шлейф не всегда тривиальна. Не все жесткие диски живут друг с другом, к сожалению.

Надежность шлейфов и разъемов оставляет желать лучшего. Перегиб кабеля может легко вывести его из строя. И что хуже всего, огромные размеры шлейфов мешают нормальной циркуляции воздуха в корпусе, ухудшая охлаждение.

В теории победа явно за Serial ATA. Новые кабели могут быть до метра длиной, размер их необычно мал из-за использования всего семи проводов. Даже разъем (попробуйте воткнуть его наоборот) имеет всего 8 мм ширины. Стоит напомнить, что рабочая группа Serial ATA сейчас разрабатывает стандарты Serial ATA II и Serial ATA III, которые обеспечат пропускную способность 300 и 600 Мбайт/с соответственно.

Разъемы

Разъем слева говорит о статусе прототипа. Затем следует разъем Serial ATA. Внизу слева находится разъем для передачи данных (семь контактов), внизу справа — переделанный разъем питания (15 контактов).

Число контактов на разъеме питания кажется слишком большим. Главной причиной является возможность использования третьего напряжения помимо 5 В и 12 В. То есть Serial ATA винчестеры могут питаться от 3,3 В. Причем они могут браться и с материнской платы, поскольку на 3,3 В работает несколько компонентов платы.

Три контакта на напряжение (плюс, минус и земля) оставляют шесть контактов из 15, которые необходимы для реализации горячего подключения — по два контакта на напряжение.

Функция горячего подключения — что-то новое для ATA. То есть сейчас вы можете подключать и отключать устройства без выключения компьютера. Подобные операции не рекомендуется, конечно же, совершать с системным диском, однако подключить винчестер соседа теперь не составит труда. Диск будет автоматически распознан при подключении всеми новыми операционными системами (начиная от Win98SE). Процедура для форматирования дисков и создания разделов не изменилась.

Контроллер Serial ATA

RocketRAID 1520 — так называется последний Serial ATA контроллер от HighPoint. Он обеспечивает два канала, к каждому из которых можно подключить один или два жестких диска. Подобная технология уже привычна для пользователя.

Поскольку по многим причинам параллельному стандарту ATA уже пора на свалку, стандартом де-факто станет последовательный ATA. Важная особенность нового стандарта заключается в возможности использования текущих чипов-контроллеров ATA, к которым необходимо добавить лишь соответствующие компоненты (мосты). В результате мы опять выигрываем на цене контроллеров.

Однако новый стандарт имеет свои ограничения. Адаптеры Serial ATA используют шину PCI, что накладывает теоретические ограничения на 150 Мбайт/с интерфейса Serial ATA, поскольку шина PCI имеет пропускную способность 133 Мбайт/с. Однако на практике сегодня вряд ли существует потребность даже в 100-110 Мбайт/с. Поэтому в ближайшие месяцы Serial ATA не сможет обеспечить какое-либо увеличение производительности по сравнению с UltraATA/100 или UltraATA/133. Даже следующее поколение жестких дисков вряд ли сможет близко подойти к таким скоростям. Единственное применение, которому необходимы такие скорости — RAID массив на несколько дисков.

Не следует ожидать интеграции Serial ATA в чипсеты раньше 2003 года, когда выйдут Intel ICH5 и VIA VT8236/8238. Кстати и хабовая архитектура Intel, и V-Link VIA представляют собой несколько последовательных соединений, обеспечивающих скорость 533 Мбайт/с. Контроллер Serial ATA сможет достичь своего потенциала в этих архитектурах, поскольку интеграция ничего сложного собой не представляет.

Контроллер на материнской плате — Abit IT7 MAX2

Как видим, плата Abit IT7-MAX оснащена двумя разъемами Serial ATA, которые обслуживаются мостами Marvel. Они задействуют два IDE канала из четырех на контроллере HighPoint HPT374. К сожалению, все подключенные устройства будут ограничены пропускной способностью шины PCI — 133 Мбайт/с.

Адаптеры

Адаптер HighPoint позволяет подключать обычный IDE диск к контроллеру Serial ATA.

HighPoint в комплект с RocketRAID 1520 включает два адаптера, позволяющие подсоединять Ultra ATA жесткие диски к последовательной шине ATA. Так что существующее оборудование сможет работать с новым интерфейсом без потери производительности.

Как показывает наш горький опыт, если новая технология звучит слишком заманчиво, то первое оборудование начнет нормально работать только лишь через недели или даже месяцы после появления на свет. Однако все Serial ATA устройства, что мы перепробовали, работали как часы. Впрочем, некоторые странные вещи все же иногда происходили, но мы ведь тестировали прототипы.

Сначала мы попытались подключить Serial ATA диск от Western Digital к нашему HighPoint RocketRAID 1520. Мы не смогли одновременно подключить кабель питания и кабель данных. Проблема может заключаться как в кабеле данных, поставляемым с контроллером, поскольку разъемы в нем на 2 мм шире кабеля Western Digital, или, что более вероятно, входы на жестком диске находятся слишком близко друг к другу. Однако мы тестируем прототип, и вряд ли подобная проблема проявится в нормальных моделях.

Второй недостаток мы обнаружили во время тестирования жесткого диска. Мы положили его на стол и очень аккуратно задели. Но даже легкого касания достаточно, чтобы диск отключил питание и перезапустился. Мы сначала не поверили, но через несколько минут ситуация повторилась.

Причина заключалась в плохом крепеже кабелей контроллера и разъема жесткого диска. Если поместить диск внутрь корпуса, то кабель может отпасть даже при простом передвижении корпуса. Мы надеемся, что подобный недостаток будет исправлен в продажных версиях.

Внешний интерфейс Serial ATA. Первые факты об еще необъявленном стандарте

Введение

В далеком прошлом остались первые робкие шаги интерфейса Serial ATA. Начав со спецификаций Serial ATA 1.0, для использования исключительно в качестве альтернативы устаревшему во всех отношениях параллельному варианту ATA, освоив по пути множество дополнительных возможностей, присущих, в том числе, исключительно серверным компонентам, в этом году новый последовательный интерфейс готов посостязаться в качестве интерфейса внешнего.

Действительно, решение о стандартизации Serial ATA в качестве единого порта для внешних и внутренних накопителей напрашивалось само собой: скоростные возможности интерфейса (даже первой редакции — до 150 МБ/с), помехоустойчивость интерфейсного кабеля, простота разводки и другие параметры рано или поздно должны были подсказать разработчикам SATA: пора действовать. А тут еще подоспела повальная мода на внешние накопители, где до сих пор проистекает явное и скрытое соперничество USB и FireWire. Хотя, противопоставление этих интерфейсов просто ничтожно перед возможностями Serial ATA. Например, производительность самых современных версий интерфейсов — USB 2.0 (480 Мбит/с) и FireWire (в варианте IEEE 1394b — до 800 Мбит/с), не идёт ни в какое сравнение с возможностями SATA 1.0 (теоретически — 1,5 Гбит/с).

Первое явление народу официальных спецификаций нового стандарта начнется совсем скоро, в дни первого весеннего форума IDF 2004. Впрочем, больших откровений в эти дни никто не ожидает, поскольку сама идея поддержки внешних устройств была заложена в стандарт загодя, и лишь сейчас дело дошло до реальных шагов по ее реализации. Первые рабочие демонстрации внешнего интерфейса Serial ATA, тогда еще на базе черновых спецификаций от SATA II Working Group (Serial ATA II Cables and Connectors Volume 2) были проведены компаниями Maxtor, Silicon Image и Comax, в дни осеннего IDF 2003. При этом использовался винчестер Maxtor DiamondMax SATA, PCI-SATA мост SiI 3112 SATALink и прототип внешнего экранированного SATA кабеля от Comax.

Основную информацию по еще не опубликованным спецификациям внешнего стандарта SATA до начала IDF Spring 2004 можно почерпнуть из презентации «Knut Grimsrud — Intel, Serial ATA 3 Gbps and Next Frontier», сделанной 18 сентября 2003 года на Intel Developer Forum, или из книги того же Кнута Гримсруда под названием «Serial ATA Storage Architecture and Applications: Designing High-Performance, Cost-Effective I/O Solutions», которую уже сейчас можно свободно приобрести или полистать в интернете. Внимательно рассматривая слайды прошлогодней презентации, можно обнаружить недвусмысленное упоминание о вариантах внешнего интерфейса Serial ATA, а также его четкое наименование.

Первое поколение SATA – «Gen1», в двух уже существующих вариантах Gen1i и Gen1m (фактическое различие – в уровне сигналов), как и первая версия второго поколения, Gen2i, поддерживают работу исключительно со внутренними устройствами. Однако, варианты, помеченные как Gen1x/Gen2x, являются именно реализациями внешней версии SATA.

Теперь, по пунктам, очертим круг главных вопросов, которые составляют особенности реализации внешнего интерфейса Serial ATA.

Принципы, заложенные еще в первые спецификации физического уровня Serial ATA, позволяют, как известно, использовать сигнальный интерфейсный кабель Serial ATA длиной до 1 метра и подключить внешнее устройство. Последовательным поставщиком внешних контроллеров и накопителей псевдо-Serial ATA можно назвать компанию HighPoint, которая весь прошедший год совершенствовала свою серию e.SATA. Среди устройств HighPoint e.SATA можно найти отдельные контроллеры и комплекты из контроллеров, кабелей и соответствующих внешних накопителей. Выгода от применения PCI карты образца RocketRAID 1542 вполне существенна, поскольку покупатель получает сразу четыре Serial ATA канала (2 внутренних и 2 внешних) с поддержкой горячего подключения и функций RAID 0, 1, 0/1, JBOD под ОС Windows 9x/ME/NT4.0/2000/XP, Red Hat, SuSE, Turbo, Caldera Linux и FreeBSD. Для тех, кто уже имеет материнскую плату с интегрированным контроллером SATA, HighPoint предлагает простой комплект из планки с разъемами для подключения внешнего кабеля Serial ATA.

Жаль, но такой подход совершенно не регламентируется стандартом, и вопросы работоспособности целиком и полностью остаются на совести производителя такого нестандартного устройства. В качестве примера возможных осложнений при эксплуатации внешних устройств, подключенных с помощью «внутренней» версии Serial ATA, можно привести хотя бы то, что стандарт не рекомендует перемещение и встряхивание интерфейсного кабеля во время работы. Сигнальный уровень, приемлемый для внутренних устройств, требования по экранированию кабеля не могут обеспечить требуемый уровень помехозащищенности при работе с внешним устройством, а относительно хлипкий разъем, применяемый совместно со внутренними устройствами, вовсе не выдерживает никакой критики, задумай кто-то эксплуатировать его со внешними накопителями.

Сама жизнь подталкивает к выводу о том, что для нормальной работы внешнего интерфейса SATA нужны другие уровни сигнала, плюс более длинный, более качественно экранированный интерфейсный кабель с совершенно новым надежным типом разъема.

Сигнальный уровень

Длина и характеристики внешнего кабеля

Судя по данным, уже представленным компанией Comax Technology — производителя кабельной продукции и по совместительству, одного из разработчиков стандарта, общие требования к кабелям Serial ATA выглядят так:

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector