串列高級技術附件

2001年，由Intel、APT、Dell、IBM、希捷、邁拓這幾大廠商組成的Serial ATA委員會正式確立了Serial ATA1.0規範，在當年的IDF Fall 大會上，Seagate宣布了Serial ATA 1.0標準，正式宣告了SATA規範的確立。2002年，雖然串列ATA的相關設備還未正式上市，但Serial ATA委員會已搶先確立了Serial ATA 2.0規範。SATA規範將硬碟的外部傳輸速率理論值提高到了150MB/s，比PATA標準ATA/100高出50%，比ATA/133也要高出約13%，而隨著未來後續版本的發展，SATA介面的速率還可擴展到2X和4X（300Mb/s和600Mb/s）。從其發展計劃來看，未來的SATA也將通過提升時鐘頻率來提高介面傳輸速率，讓硬碟也能夠超頻。

SATA介面需要硬體晶元的支持，例如Intel ICH5(R)、VIA VT8237、nVIDIA的MCP RAID和SiS964，如果主板南橋晶元不能直接支持的話，就需要選擇第三方的晶元，例如Silicon Image 3112A晶元等，不過這樣也就會產生一些硬體性能的差異，並且驅動程序也比較繁雜。

SATA的優勢：支持熱插拔，傳輸速度快，執行效率高 使用SATA（Serial ATA）口的硬碟又叫串口硬碟，是未來PC機硬碟的趨勢。Serial ATA採用串列連接方式，串列ATA匯流排使用嵌入式時鐘信號，具備了更強的糾錯能力，與以往相比其最大的區別在於能對傳輸指令（不僅僅是數據）進行檢查，如果發現錯誤會自動矯正，這在很大程度上提高了數據傳輸的可靠性。串列介面還具有結構簡單、支持熱插拔的優點。

串口硬碟是一種完全不同於并行ATA的新型硬碟介面類型，由於採用串列方式傳輸數據而知名。相對於并行ATA來說，就具有很多的優勢。首先，Serial ATA以連續串列的方式傳送數據，一次只會傳送1位數據。這樣能減少SATA介面的針腳數目，使連接電纜數目變少，效率也會更高。實際上，Serial ATA 僅用四支針腳就能完成所有的工作，分別用於連接電纜、連接地線、發送數據和接收數據，同時這樣的架構還能降低系統能耗和減小系統複雜性。其次，Serial ATA的起點更高、發展潛力更大，Serial ATA 1.0定義的數據傳輸率可達150Mb/s，這比最快的并行ATA（即ATA/133）所能達到133Mb/s的最高數據傳輸率還高，而在Serial ATA 2.0的數據傳輸率達到300Mb/s，最終SATA將實現600Mb/s的最高數據傳輸率。

SATA的物理設計，可說是以Fibre Channel(光纖通道)作為藍本，所以採用四芯接線；需求的電壓則大幅度減低至250mV(最高500mV)，較傳統并行ATA介面的5V少上20倍！因此，廠商可以給Serial ATA硬碟附加上高級的硬碟功能，如熱插拔(Hot Swapping)等。更重要的是，在連接形式上，除了傳統的點對點(Point-to-Point)形式外，SATA還支持“星形”連接，這樣就可以給RAID這樣的高級應用提供設計上的便利；在實際的使用中，SATA的主機匯流排適配器(HBA，Host Bus Adapter)就好像網路上的交換機一樣，可以實現以通道的形式和單獨的每個硬碟通訊，即每個SATA硬碟都獨佔一個傳輸通道，所以不存在象并行ATA那樣的主/從控制的問題。

Serial ATA規範不僅立足於未來，而且還保留了多種向後兼容方式，在使用上不存在兼容性的問題。在硬體方面，Serial ATA標準中允許使用轉換器提供同并行ATA設備的兼容性，轉換器能把來自主板的并行ATA信號轉換成Serial ATA硬碟能夠使用的串列信號，目前已經有多種此類轉接卡/轉接頭上市，這在某種程度上保護了我們的原有投資，減小了升級成本；在軟體方面，Serial ATA和并行ATA保持了軟體兼容性，這意味著廠商絲毫也不必為使用Serial ATA而重寫任何驅動程序和操作系統代碼。

另外，Serial ATA接線較傳統的并行ATA(Paralle ATA)接線要簡單得多，而且容易收放，對機箱內的氣流及散熱有明顯改善。而且，SATA硬碟與始終被困在機箱之內的并行ATA不同，擴充性很強，即可以外置，外置式的機櫃(JBOD)不單可提供更好的散熱及插拔功能，而且更可以多重連接來防止單點故障；由於SATA和光纖通道的設計如出一轍，所以傳輸速度可用不同的通道來做保證，這在伺服器和網路存儲上具有重要意義。

Serial ATA相較并行ATA可謂優點多多，將成為并行ATA的廉價替代方案。並且從并行ATA過渡到Serial ATA也是大勢所趨，應該只是時間問題。相關廠商也在大力推廣SATA介面，例如Intel的ICH6系列南橋晶元相較於ICH5系列南橋晶元，所支持的SATA介面從2個增加到了4個，而并行ATA介面則從2個減少到了1個；nVidia的nForce4系列晶元組已經支持SATA II即Serial ATA 2.0，而且三星已經採用Marvell 88i6525 SOC晶元開發新一代的SATA II介面硬碟，並在2005年初推出。

2007年制定了SATA2及SATA2.5標準，速度達到3000MB/s

友情提示：基於本人親身體會，發現SATA硬碟缺點明顯，在大多數主板上對超頻非常敏感，基本上一超頻主板就無法識別SATA硬碟，因此奉勸那些超頻玩家，買SATA硬碟時一定要確認你的主板支持鎖定PCI-E/SATA，否則很可能出現一超頻就無法識別硬碟的情況。

SATA拔插損壞的，一般都是不注意造成的，人為原因居多，當然也有用料太爛或者設計原因造成的，不過還是建議大家多看多細心，特別是拔有卡扣的SATA線時.

自2003年第二季度Intel推出支持SATA 1.5Gbps的南橋晶元(ICH5)后，SATA介面取代傳統PATA(并行ATA)的態勢日漸明顯。此外，SATA與現存於PC上的USB、IEEE1394相比，在性能和功能方面的表現也很突出。然而經過一年的市場洗禮，原有的SATA 1.0/1.0a (1.5Gbps)規格遇到了一些問題。2005年SATA硬碟步入了新的發展階段。性能更強、配置更高的SATA2.0產品已經出現在市場上，而這些高性能的SATA2.0硬碟的到來無疑加速了硬碟市場的轉變。

SATA規範發展歷程

SATA是Intel公司在IDF2000大會上推出的，該技術可以讓用戶擁有高效能的硬碟，卻不必犧牲資料的完整性。SATA最大的優勢是傳輸速率高。SATA的工作原理非常簡單：採用連續串列的方式來實現數據傳輸從而獲得較高傳輸速率。2003年發布SATA1.0規格提供的傳輸率就已經達到了150MB/s，不但已經高出普通IDE硬碟所提供的100MB/s(ATA100)甚至超過了133MB/s(ATA133)的最高傳輸速率。

SATA在數據可靠性方面也有了大幅度提高。SATA可同時對指令及數據封包進行循環冗餘校驗（CRC），不僅可檢測出所有單bit和雙bit的錯誤，而且根據統計學的原理，這樣還能夠檢測出99.998%可能出現的錯誤。相比之下，PATA只能對來回傳輸的數據進行校驗，而無法對指令進行校驗，加之高頻率下干擾甚大，因此數據傳輸穩定性很差。

除了傳輸速度、傳輸數據更可靠外，節省空間是SATA最具吸引力之處，更有利於機箱內部的散熱，線纜間的串擾也得到了有效控制。不過SATA 1.0規範存在不少缺點，特別是缺乏對於伺服器和網路存儲應用所需的一些先進特性的支持。比如在多任務、多請求的典型伺服器環境裡面SATA1.0硬碟的確會有性能大幅度下降、可維護性不強、可連接性不好等等缺點。這時，SATA2.0的出現在這方面卻得到了很好的補充。

SATA2.0強在哪裡

1.3Gb/s傳輸速率

在SATA2.0擴展規範中，3Gb/s被提到的頻率最高。由於SATA使用8bit/10bit編碼，所以3Gb/s等同於300MB/s的介面速率。不過，從性能角度看，3Gb/s並不能帶來多大的提升，即便是RAID應用的場合，性能提升也沒有想象的那麼大。因為硬碟內部傳輸速率還達不到與介面速率等同的程度，而且介面速率的影響也不是很大，在大多數應用中硬碟是將更多的時間花在尋道上，而不是傳輸上。介面速率的提高直接影響到的是從緩存進行讀寫的操作，所以理論上大緩存的產品會從3Gb/s上得到更大的好處。從現有情況來看，相信3Gb/s的普及速度會加快，不過市場仍會存在一個1.5Gb/s和3Gb/s的共存期。

PATA CRC原理，PATA只對數據部分進行CRC校驗

2.支持NCQ技術

在SATA2.0擴展規範所帶來的一系列新功能中，NCQ（Native Command Queuing，原生命令隊列）功能最令人關注。硬碟是機電設備，容易受內部機械部件慣性的影響，其中旋轉等待時間和尋道等待時間就大大限制了硬碟對數據訪問和檢索的效率。

具體來說，如果磁頭停在目標磁軌上方，卻錯過了起始LBA(Logical Block Addressing，邏輯塊定址)，就會產生旋轉等待時間。最糟糕的情況是，硬碟將經過旋轉一整圈的時間才能訪問起始LBA，然後再繼續從剩餘的目標LBA中讀取數據。如果以LBA相對於磁頭角度位置隨機分佈，那麼平均旋轉等待時間是最大旋轉等待時間的一半。而尋道等待時間是讀/寫磁頭準確定位於存儲目標LBA的磁軌上方所佔用的時間。例如，執行單一的讀命令時，磁頭只須訪問一條磁軌，但如果有多條待執行命令，硬碟就要訪問所有目標LBA，從而須花費大量時間。

如果對硬碟這個機械動作的執行過程實施智能化的內部管理，則可以大大提高整個工作流程的效率。即取出隊列中的命令，然後重新排序，以便有效地獲取和發送主機請求的數據，在硬碟執行某一命令的同時，隊列中可以加入新的命令並排在等待執行的作業中。如果新的命令恰好是處理起來機械效率最高的，那麼它就是隊列中要處理的下一個命令。但有效的排序演演算法既考慮目標數據的線性位置，也考慮其角度位置，並且還要對線性位置和角度位置進行優化，以使匯流排的服務時間最小，這個過程也稱作“基於尋道和旋轉優化的命令重新排序”。

台式PATA硬碟隊列一直被嚴格地限制為深度不得超過32級。如果增加隊列深度，可能會起到反作用——增加命令堆積風險。通常PATA硬碟接收命令時有兩種選擇：一是立即執行命令，二是延遲執行。對於后一種情況，硬碟必須通過設置注意標誌和Service位來通知主機何時開始執行命令，然而硬碟不能主動與主機通信，這就需要主機定期自動輪迴查詢所有硬碟扇區，發現Service位后將發一條Service命令，才能從硬碟獲得將執行哪一條待執行命令的信息。而且Service位不包含任何對即將執行命令的識別信息，所必需的命令識別信息則以標記值的形式與數據請求一同傳輸，並僅供主機用於設置DMA引擎和接收數據緩衝區。這樣主機就不能預先掌握硬碟所設置的輔助位是哪條命令設置的，數據傳輸周期開始前也無法設置DMA引擎。這最終導致PATA硬碟效率低下。

NCQ包含兩部分內容。一方面，硬碟本身必須有能力針對實體數據的扇區分佈，對命令緩衝區中的讀寫命令進行排序，同時硬碟內部隊列中的命令可以隨著必要的跟蹤機制動態地重新調整或排序，其中跟蹤機制用於掌握待執行和已完成作業的情況，而命令排隊功能還可以使主機在設備對命令進行排隊的時候，斷開與硬碟間的連接以釋放匯流排，一旦硬碟準備就緒，就重新連接到主機，儘可能以最快的速率傳輸數據，從而消除佔用匯流排的現象。另一方面，通訊協議的支持也相當重要，因為以前的PATA硬碟在傳輸數據時很容易造成中斷，這會降低主控器的效率，所以NCQ規格中定義了中斷聚集機制，相當於一次執行完畢數個命令之後，再對主控器回傳執行完畢的信息，改善處理隊列命令的效能。

從最早的希捷7200.7系列硬碟開始，NCQ技術應用於桌面產品至今已超過半年，不過目前NCQ對個人桌面應用並沒有帶來多大的性能提升，某些情況下還會引起副作用。而且不同硬碟廠商的NCQ方案存在差異，帶來的效果也不同。所以對NCQ我們要理智對待，硬碟支持固然多了一項可以提高性能的技術，但沒有也不必在意。

3.埠選擇器（Port Selector）

目前的SATA2.0擴展規範還具備了Port Selector（埠選擇器）功能。Port Selector 是一種數據冗餘保護方案，使用Port Selector可使Host（主）埠的兩個獨立SATA Port連接至同一設備，以建立連接設備端的備份路徑。

Port Selector技術原理圖　簡單來說，埠選擇器就是為一個硬碟提供兩條連線連接到控制器，其中一條是冗餘的（即多出來的意思）。這種設計的好處是萬一其中一條連線斷了，還有另一條可以連接。由此看來，我們不但可以用RAID防止硬碟損壞，還能用這個Port Selector來防止連接線損壞。

4.埠倍增器（Port Multiplier）

SATA 1.0的一個缺點就是可連接性不好，即連接多個硬碟的擴展性不好。因為在SATA 1.0規範中，一個SATA介面只能連接一個設備。SATA的制定者們顯然也意識到了這個問題，於是他們在SATA2.0中引入了Port Multiplier的概念。Port Multiplier是一種可以在一個控制器上擴展多個SATA設備的技術，它採用4位（bit）寬度的Port Multiplier埠欄位，其中控制埠佔用一個地址，因此最多能輸出15個設備連接----與并行SCSI相當。Port Multiplier的上行埠只有1個，在帶寬為150MB/s的時候容易成為瓶頸，但如果上行埠支持300MB/s的帶寬，就與Ultra320 SCSI十分接近了。Port Multiplier技術對需要多硬碟的用戶很有用，不過目前提供這種功能的晶元組極少。

Port Multiplier技術原理圖

5.伺服器特性

在SATA2.0擴展規範中，還增加了大量的新功能，比如防止開機時多硬碟同時啟動帶來太大電流負荷的交錯啟動功能；強大的溫度控制、風扇控制、環境管理；背板互聯和熱拔插功能等。這些功能更側重於低端伺服器方面的擴展。

6.介面和連線的強化

作為一個還在不斷添加內容的標準集合，SATA2.0最新的熱點是eSATA，即外置設備的SATA介面標準，採用屏蔽性能更好的兩米長連接線，目標為最終取代USB和IEEE 1394。在內部介面方面，Click Connect加強了連接的可靠性，在接上時有提示聲，拔下時需要先按下卡口。這些細微的結構變化顯示出SATA介面更加成熟和可靠。

寫在最後

SATA2.0不是特指3Gb/s或NCQ，也不是特指上述其他擴展特性。SATA2.0可以指擴展特性中的任何一個，也就是說具備上述任一個特性或組合的產品都可稱為SATA2.0硬碟。由於此前SATA規範非常混亂，SATA-IO組織在2005年秋季IDF上正式發布了SATA2.5規範。但從實際情況來看，新的SATA2.5規範是SATA 1.0a規範和6個SATA 2.0擴展規範的統一體，它的推出只是方便了系統商或者硬碟生產商，因為大家現在可以用一個規範來代替現有的一切標準。其實，對於普通消費者來說，大家從SATA2.0或SATA2.5之類的名稱中並不能得到太多有用的信息，我們真正應當關心的是新硬碟具備哪些功能、優勢，以確定是否值得我們為它買單。