Serial ATA
Что же такое Serial-ATA?
Говоря техническим языком, Serial-ATA - это новый интерфейс для подключения жесткого диска и другой периферии к компьютеру. Он эволюционно сменяет интерфейс Parallel ATA (PATA). Т.е. Serial-ATA -интерфейс устройств хранения данных для нового поколения компьютеров. С его помощью можно подключать такие устройства хранения данных, как жесткие диски, DVD и CD-R/W, к материнской плате.
Технология Serial-ATA должна снизить стоимость готовой платформы при повышении ее производительности. При этом переход на нее обещает быть бескровным. Решения Serial-ATA работают за счет своеобразного "вклинивания" сигнала и поэтому совместимы с существующими протоколами ATA, не требуют специфических драйверов или какого-либо другого программного обеспечения и без проблем работают на стандартных операционных системах. Системы с Serial-ATA легче проектировать и монтировать, т.к. они снабжаются узким и более длинным, чем у предшественника, кабелем и небольшими удобными разъемами
Более низкий вольтаж особенно важен при использовании автономного питания. Конфигурирование новых устройств стало намного проще из-за того, что отпала необходимость в переключении джамперов и поиска оптимального варианта подключения двух устройств к одному шлейфу.
Перемен требуют наши сердца
Чтобы понять, зачем необходимо переходить на Serial-ATA, давайте заглянем в недалекое прошлое. Интерфейс ATA (Advanced Technology Attachment) просуществовал долгие годы без изменений аж с 1989 г. Он являлся интерфейсом большинства выпускаемых жестких дисков. Maxtor, как владелец патента, продолжил непрерывное совершенствование ATA, увеличив полосу пропускания с 3,3 мегабайт в секунду (Мб/сек) до 100 (133) Мб/сек.
В связи с ростом производительности центральных процессоров, увеличение скорости чтения/записи данных на жесткие диски стала необходимостью (особенно важна высокая производительность обоих составляющих для игр и мультимедиа). Параллельные интерфейсы в прошлом шли нога в ногу с процессорами и другими компонентами компьютера, но несколько лет назад они достигли своего естественного предела около 100 Мб/сек, и стали узким звеном производительности компьютера. Serial-ATA обещает преодолеть этот барьер, начав со 150 Мб/сек в качестве стартового значения. Параллельный ATA (PATA) был довольно жестким интерфейсом и полностью утратил потенциал для дальнейшего роста. Serial-ATA не позволит производительности компьютеров остановиться на достигнутом, обещая, что она будет наращиваться предыдущими темпами.
Постоянное усовершенствование интерфейса ATA позволяло ему успешно конкурировать с другими технологиями интерфейса устройств хранения данных. К числу положительных его сторон можно отнести: ATAP- поддержка других периферийных устройств, таких как CD-ROM и ленточные накопители; обратная совместимость с устаревшими ATA-устройствами; циклический контроль избыточности (CRC) для улучшения защиты данных и сохранения их целостности; использование LBA для быстрого доступа к жесткому диску; множественные режимы передачи данных, включающие программируемый ввод/вывод (PIO), прямой доступ к памяти (DMA) и Ultra DMA (UDMA). Однако эволюционные изменения завели этот интерфейс в тупик, и выход из него состоит в необходимости ряда революционных изменений.
Ultra ATA-100 (133) стал последним представителем поколения параллельных ATA интерфейсов с максимальной, теоретически возможной, скоростью обмена данных в 100 Мб/сек. Этот протокол останется основным интерфейсом жестких дисков до тех пор, пока не будет полностью вытеснен Serial-ATA.
Несмотря на широкое распространение, обязанное сочетанием низкой стоимости и высокой производительности, протоколы Parallel ATA имеют ряд существенных недостатков:
- Необходимость в передаче 5-вольтового (в АТА 100 - 3,3 V) сигнала по большому числу близкорасположенных проводников. В то время как производители процессоров постоянно уменьшают напряжение питания ядра, становится все трудней и трудней поддерживать напряжение в 5 вольт для передачи данных по PATA. На один ATA-канал приходится 26 5-вольтовых проводников, и требуется применение относительно больших микросхем, обслуживающих большое количество высоковольтных проводников. В конечном счете, размер этих микросхем сдерживает общую тенденцию к миниатюризации.
- Ограничение длины кабеля (около 0,5 м) и его ширина. В существующем PATA-интерфейсе полуметровое ограничение длины кабеля часто приводит к возникновению ряда проблем. Короткий шлейф усложняет подключение дисковых накопителей, делая некоторые комбинации вовсе невозможными (особенно актуальна эта проблема в больших просторных корпусах). Широкие и плоские шлейфы трудно провести в необходимом направлении, а их нагромождение может привести к затруднению вентиляции и созданию "горячих" мест.
- Проблема помехоустойчивости. Помехоустойчивость данных в PATA является набившей оскомину темой. В самом начале развития протокола не было разработано никакой формы проверки. Однако с введением UDMA сделан шаг в сторону обеспечения защиты данных в виде CRC (циклического контроля избыточности). К сожалению, при этом данные об АТА-командах не проверяются, что может служить источником серьезных проблем.
Как уже говорилось, Serial-ATA призван снять ограничения, характерные для PATA. Теоретически переход на него не должен вызвать никаких проблем. Serial-ATA имеет программную совместимость со своим предшественником и не требует каких-либо конструктивных особенностей корпуса для установки, в нем изменена только архитектура канала передачи данных. Он прозрачен для современных BIOS и операционных систем.
Перечислим основные преимущества Serial-ATA над предшественником:
- Высокая производительность: Serial-ATA быстрее, чем параллельный ATA. Если бы всего несколько лет назад кто-нибудь сказал, что последовательная передача данных имеет неоспоримые преимущества перед параллельной, его бы высмеяли. COM-порт всегда был известен как довольно неповоротливый. Однако давайте вспомним, какую архитектуру имеют все современные быстрые интерфейсы (USB 2.0, Firewire, Ethernet, V-Link, MuTIOL, HyperTransport, RapidIO) - все они последовательные, и, как это ни удивительно, быстрые и эффективные. Из-за последовательной организации Serial-ATA нуждается только в двух проводниках - один для посылки, другой для получения данных. При передаче множественных сигналов, синхронизированных по фазе, происходит их взаимовлияние, отрицательно сказывающееся на качестве связи. Когда же два сигнала передаются в противофазе, необходимость в экранировании проводников отпадает.
- Снижение напряжения сигнала. Serial-ATA не требует высокого напряжения на сигнальных проводниках (амплитуда 500 милливольт), что снимает проблему согласования различных уровней напряжений на шлейфе и материнской плате. Снижение напряжения означает улучшенное энергосбережение, а это особенно актуально в мобильных устройствах (где важно не только экономное потребление энергии, но и миниатюрность и гибкость кабеля).
- Маленькие в поперечнике, легкие для монтажа, более длинные кабели. Serial-ATA меняет широкий PATA-шлейф на тонкий гибкий шнур, длина которого может достигать 1 м. Новый кабель легко направить по любому маршруту в системном блоке. Его маленький поперечник способствует улучшению отвода тепла от "горячих" мест. Кроме того, дизайн этих кабелей согласуется с общей тенденцией изменений в архитектуре системного блока. Маленькое число проводников делает ненужной широкую и громоздкую контактную площадку, облегчая инсталляцию дисков. Увеличенная длина кабеля делает возможным применение внешних Serial-ATA-дисков.
- Повышенная ошибкоустойчивость данных. Serial-ATA предлагает более полную проверку ошибок и методы их исправления, в сравнениии с PATA. Новая шина гарантирует непрерывную и безошибочную передачу данных и команд.
- Совместимость сверху вниз. Serial-ATA обеспечивает обратную совместимость со своими предками PATA и ATAPI, что достигается двумя различными способами. Во-первых, вы можете использовать чипсетную поддержку SATA-устройств или установить отдельные компоненты, обеспечивающие поддержку Serial-ATA-дисков. Эти отдельные компоненты легкодоступны и могут быть приобретены либо отдельно, либо в составе материнской платы. Во-вторых, можно использовать последовательные или параллельные переходники, которые осуществляют трансляцию сигнала с SATA в РATA или наоборот.
- Увеличенная скорость передачи данных между диском и другими компонентами. Известно, что сегодня скорость передачи данных с жестких дисков не может достигнуть даже уровня ATA100, так почему же надо переходить на Serial-ATA? Максимальная внутренняя скорость передачи данных в большинстве IDE - дисков сегодня не превышает ~72 Мб/сек. Т.е. предел ATA/100 еще не достигнут. Но основная причина того, что скорость передачи данных с IDE - устройств находится на низком уровне, состоит в том, что единственный путь (шлейф) должен быть разделен между двумя устройствами. Serial-ATA позволит дискам продолжать повышение своей производительности, сохраняя ценовой паритет с PATA.
- Не увеличивает общую стоимость системы. Решение на Serial-ATA будет более дорогим, чем на Parallel-ATA? Поначалу Serial-ATA несколько увеличит затраты на приобретение системы. Так происходит со всеми новинками. Но со временем ценовые различия полностью исчезнут. Так, еще несколько месяцев назад мы вынуждены были приобретать отдельные контроллеры или переходники. Сегодня таких затрат можно с легкостью избежать.
Приобщаемся к Serial-ATA
Итак, чего нам не хватает для использования Serial-ATA? Необходимо приобрести Serial-АТА-диск и найти контроллер шины Serial-ATA. Сегодня отпала необходимость в приобретении отдельной платы - контроллера Serial-ATA или поиска материнской платы с интегрированным контроллером от сторонних производителей. Такие контроллеры держат связь с процессором по шине PCI, а значит, их пиковая производительность не может превышать 133 МГц. Этим способом мы не достигнем тех скоростей, которые поддерживает Serial-ATA. Многие современные чипсеты имеют интегрированные контроллеры Serial-ATA, что снимает ограничения, накладываемые морально устаревающим PCI. Одно из главных требований, выдвинутых рабочей группой Serial-ATA, - никаких изменений в программном обеспечении. Serial-ATA практически на 100% программно совместим со своими предшественниками. Поэтому нет никакой необходимости в смене операционной системы или прикладных программ. Все, что необходимо, это Serial-ATA-диск, контроллер Serial, и Serial-ATA-сигнальный и силовой кабели.
Используя master/slave соглашения, PATA обеспечивает подключение до двух устройств к одному порту. Оба устройства подключаются с помощью кабеля, являющегося незаконченной многопроводниковой шиной. Стандартное РATA программное обеспечение и драйвера устройств обращаются к подсистеме Serial-ATA точно таким же способом, как и к РATA, и при этом функционируют корректно. Однако они рассматривают два Serial-ATA-устройства, как два master на двух различных портах. Интерфейс диска преобразует РАТА-команды в команды, понятные Serial-ATA - приводу. Согласно стандарту Serial-ATA, два устройства подключаются с помощью отдельных кабелей, имеющих только два окончания.
Разные подходы к реализации Serial-ATA у производителей жестких дисков
Существует два способа обеспечить поддержку диском протокола Serial-ATA: "внутренний" и "мостовой". Метод, который мы назвали "внутренним", должен обеспечить максимальную производительность в реальных операциях с файлами, т.к. он не будет сдерживаться порогом в 133 Мб/сек, унаследованным от Ultra DMA Mode 6, и максимум скорости обмена данными достигнет150 Мб/сек для первого поколения Serial-ATA - устройств.
"Мостовое" решение заключается в установке Serial-ATA-адаптера на обычный РАТА-диск. Сегодня так поступают большинство производителей. По нескольким причинам этот подход не позволит достичь максимальной для Serial-ATA скорости и является ущербным.
