Интерфейс Serial ATA для клиентских систем

Объединение ведущих компаний, производящих настольные компьютеры, разработало интерфейс хранения данных Serial Advanced Technology Attachment (ATA) для жестких дисков и ATAPI устройств. Начиная с нынешнего года, отрасль переходит с традиционных интерфейсов Parallel ATA к Serial ATA.

Serial ATA - это основание для архитектуры нового интерфейса хранения данных, способного заменить parallel ATA, оставаясь при этом таким же недорогим, но обеспечивая больше возможностей увеличения производительности. По сравнению с Parallel ATA, Serial ATA - более быстрый и надежный интерфейс, обладает более низким напряжением сигнала (signaling voltage) и меньшим числом выводов (pin counts), а также использует более тонкий и длинный кабель. Serial ATA 1.0 также программно совместим с Parallel ATA.

В данной статье будет описана новая технология: в начале будет представлен краткий обзор технологии традиционного интерфейса parallel ATA и описаны ее слабые и сильные стороны, затем в статье будет описан интерфейс Serial ATA и последующее его развитие.

Обзор интерфейса ATA

Представленный в 1980 годах, интерфейс Parallel ATA (также известный как IDE) стал доминирующим PC протоколом хранения для настольных и портативных компьютеров. Сравнительная простота, высокая производительность и низкая стоимость Parallel ATA позволила ему построить и поддерживать хорошее соотношение цена/производительность, что является важным фактором на рынке широко распространенных настольных и портативных компьютерных систем.

Долговечность Parallel ATA можно объяснить достаточно частыми усовершенствованиями в общей производительности и скорости интерфейса. Например, скорость передачи данных ATA постоянно возрастала с первоначальной величины в менее, чем 3 Мб/сек до нынешней максимальной скорости в 133 Мб/сек. Более того, эволюционное развитие способствовало тому, что интерфейс по-прежнему удовлетворяет общим требованиям к скорости передачи данных внутренних систем.

Эволюционные улучшения

Несмотря на ряд ограничений, постоянные усовершенствования интерфейса ATA позволили ему оставаться конкурентоспособным по сравнению с другими технологиями интерфейсов хранения. Эти улучшения включают в себя:

• Расширения EIDE (Enhanced Integrated Drive Electronics - усовершенствованные электронные схемы управления встроенным дисководом) для более быстрого доступа к жесткому диску и логическая адресация блоков (LBA)
• ATAPI (пакетный интерфейс периферийных устройств для компьютеров, работающих с АТA) для поддержки других периферийных устройств, таких как дисководы CD-ROM, DVD-ROM, CD-RW и DVD+RW
• Многорежимная передача данных, включая программируемый ввод-вывод (PIO), прямой доступ к памяти (DMA) и Ultra DMA (UDMA)
• Обратная совместимость с предыдущими устройствами ATA
• Контроль при помощи циклического избыточного кода (CRC) для улучшения защиты данных и большей общей целостности данных.

Ограничения интерфейса Parallel ATA

Несмотря на такой успех, интерфейс Parallel ATA имеет долгую историю проблем дизайна. Большинство этих проблем было успешно разрешено, остальные же просто проигнорированы. Последние включают в себя:

• 5-вольтные требования к сигналу и большое число выводов (pin count) - кабельный соединитель в 40 пин
• Ограничение по длине кабеля в 18 дюймов, проблемы с шириной и трассировкой кабеля
• Проблемы целостности данных

5-вольтные требования к сигналу

5-вольтные требования к сигналу Parallel ATA становилось все труднее удовлетворить по мере того, как электрическое напряжение питания ядра чипа снижалось. Parallel ATA имеет 26, 5-вольтных сигналов на ATA канал, требующих использования больших физических контактных площадок чипа (chip pads), чтобы вместить большое число выводов (pin count). По мере снижения размеров чипа, большие контактные площадки, в конечном счете, будут доминировать в чипе. Уменьшенная конфигурация чипа также требует меньшего электрического напряжения, что затрудняет поддержку требований Parallel ATA к напряжению в 5V.

Проблемы с кабелем

Ограничение по длине кабеля в 18 дюймов может быть серьезной проблемой для существующего интерфейса Parallel ATA. В зависимости от размеров аппаратного блока PC, дизайна и расположения внутренних отсеков накопителей, ограниченная длина кабеля усложняет выбор расширения периферийного оборудования, что делает невозможным осуществление некоторых конфигураций встроенных дисководов.

Широкие и плоские ленточные кабели шины parallel ATA трудно прокладывать, и их форма и объем может воспрепятствовать вентиляции и создать "горячие точки" (hot spots) внутри аппаратного блока. Это особенно проблематично, принимая во внимание возросшие современные потребности в потребляемой мощности процессора и графической подсистемы.

Целостность данных

Целостность данных - уже давно существующая проблема Parallel ATA. При разработке интерфейса Parallel ATA не было предусмотрено какой-либо формы проверки данных. Однако, после введения первого режима UDMA, появилась форма защиты данных в виде CRC (контроля при помощи циклического избыточного кода), который впервые позволил осуществить проверку данных интерфейса. К сожалению, данные команд ATA все еще не проверяются, что представляет собой источник возможных ошибок.

Решение Serial ATA

Serial ATA устраняет ограничения традиционного интерфейса Parallel ATA. Поскольку первоначальная архитектура Serial ATA изменяет только физический уровень интерфейса, он сохраняет совместимость программного обеспечения и регистра с Parallel ATA. Нет необходимости изменять драйверы устройств и архитектура Serial ATA прозрачна для BIOS и операционной системы. (см. раздел "Будущее развитие", описывающий расширения базовой спецификации Serial ATA 1.0, обеспечивающие новые характеристики, которые могут требовать дополнительной поддержки драйверов устройств).

Преимущества Serial ATA
Serial ATA предлагает ряд улучшений по сравнению с parallel ATA, включая:

• Снижение электрического напряжения и числа выводов (pin count)
• Кабели меньшего размера, которые легче прокладывать, а также устранение ограничения по длине кабеля
• Усовершенствованная целостность данных

Снижение электрического напряжения

Низкие требования к электрическому напряжению Serial ATA - удвоенная амплитуда 500 милливольт (мв) - эффективно снимают увеличивающуюся сложность использования 5-вольтных требований к сигналу, которые затрудняют работу интерфейса Parallel ATA.

Кабель

Архитектура Serial ATA заменяет широкий и плоский ленточный кабель Parallel ATA тонким и гибким кабелем последовательной связи, длина которого может достигать 1 метра. Такая заметно увеличенная длина позволяет более гибко размещать устройства хранения в аппаратном блоке. Меньший размер кабеля упрощает прокладку внутри аппаратного блока, улучшается вентиляция и появляется возможность создавать компьютерные системы меньшего размера.

Рисунок 1 сравнивает плоский кабель parallel ATA с последовательным кабелем Serial ATA.

Меньшее число выводов соединителя Serial ATA заменяет большие и громоздкие соединители в 40 пин, необходимые для Parallel ATA.
Источник: Seagate Technology LLC

Усовершенствованная целостность данных

Serial ATA предлагает более основательную проверку ошибок и возможности их исправления, чем Parallel ATA. Сквозная целостность передаваемых через последовательную шину команд и данных гарантируется.

Современные решения Serial ATA

Современным стандартом в настоящее время является Serial ATA 1.0, выпущенный в августе 2001 года. Он определяет коммуникации между хостом и диском Serial ATA. Он также определяет максимальную скорость передачи данных в 1.5 Гб/сек или 150 Мб/сек - умеренный рост по сравнению с максимальной скоростью передачи данных традиционного интерфейса parallel ATA - 133 Мб/сек. Современные жесткие диски на рынке соответствуют стандарту 1.0.

Поскольку отрасль еще только начинает движение к Serial ATA, большинство первоначальных жестких дисков являются переходными: это жесткие диски ATA с чипом преобразования Serial ATA. Ожидается, что полноценные диски Serial ATA станут более распространенными к концу 2003 года - началу 2004. Большие объемы производства таких дисков помогут уравнять стоимость Serial ATA с ценами дисков Parallel ATA.

Intel представил набор микросхем, поддерживающих Serial ATA в новом контроллере ввода-вывода 5 (ICH5), который поддерживает два устройства Serial ATA. ICH5 включен в новые чипсеты Intel® 875P и 865G/865PE/865P.

Будущее развитие

Сравнительно недавно началась работа над последующим стандартом - Serial ATA II,1 который определяет расширения Serial ATA 1.0. Они включают в себя большую скорость передачи данных - 3 Гб/сек (или 300 Мб/сек). Ожидается, что последующие спецификации будут определять скорости передачи данных до 6 Гб/сек (или 600 Мб/сек). Разрабатываются также и такие характеристики, как организация очереди команд, направленная в основном на корпоративные приложения хранения. Эти новые характеристики направлены на то, чтобы отвечать потребностям сред хранения данных, нуждающихся в простоте конфигурации и оптимальном соотношении цена/емкость.

По аналогии с ATA, также происходит развитие последовательного варианта технологии Parallel SCSI. Serial-Attached SCSI (SAS) создан для тех сред хранения данных, которые требуют высокой производительности, масштабируемости и надежности. Кроме того, системы SAS будут поддерживать как диски SAS, так и диски Serial ATA.

Основной целью рабочей группы Serial ATA II является сохранение небольшой стоимости дисков Serial ATA, сходной с нынешними ценами Parallel ATA. По этой причине, ни одна из новых характеристик не будет изменять спецификации Serial ATA 1.0 или требовать внесения изменений в жесткие диски Serial ATA 1.0.

Заключение

Serial ATA позволит в будущем увеличить производительность клиентских систем, необходимых для того, чтобы не отставать от требований и усовершенствований других систем. Этот переход также облегчит внедрение, потребляемую мощность и вопросы дизайна для компаний, производящих компьютерные системы.

Более подробную информацию о Serial ATA можно получить на сайте рабочей группы Serial ATA: www.serialata.org

Примечания

Стандарт Serial ATA 1.0 был разработан рабочей группой Serial ATA. На момент опубликования спецификации рабочая группа включала в себя следующие компании: Dell, Intel, Maxtor, Seagate и APT Technologies. Данная рабочая группа расформировалась после публикации спецификации. Последующая группа - рабочая группа Serial ATA II сформировалась с целью разработки расширений к спецификации 1.0. По причинам юридического характера, данные расширения не могут быть названы Serial ATA 2.0. Поэтому официальное название - Serial ATA II. Участниками новой рабочей группы Serial ATA II являются по сути те же компании, что и в предыдущей, включая Dell, Intel, Maxtor, Seagate и Vitesse (компания, которая приобрела APT Technologies).