深入了解ATA標準新成員---Serial ATA的發展史

    在過去15年中的絕大部分時間，最為流行的桌面工作站硬碟標準就是ATA標準。直到IBM發布第一個PS/2之前，你打開過計算機機箱查看都會面對的是基於ATA的設備。ATA標準一直以歷史悠久且非常可靠著稱，但現在，這一領域裡有了新的成員?D?DSerial ATA（串行ATA）。在本文中，你將了解到這一新的標準。

    什麼是SATA？
  
    邁拓是ATA標準的專利所有者。Maxtor不斷推動這一硬碟標準的進步，成果包括從峰值傳輸速率分別可達100mbps和133 mbps 的ATA以及Ultra ATA。ATA這一術語可以同IDE互換，ATA標準有時也被稱為並行ATA（Parallel ATA，PATA），因為PATA按照並行的方式來傳輸數據。 
  
    然而，由於PATA的峰值傳輸速率有限，隨著硬碟驅動器廠商推出的產品數據傳輸速率提高、磁碟轉速更快，PATA技術很快成為了數據傳輸過程中的瓶頸。SATA，因一開始出現時速度就可以達到150 mbps的峰值傳輸速率，立刻讓PATA黯然失色。SATA的進步不僅僅在傳輸性能上，還包括了可擴展性、更為簡單的安裝過程，以及更好的散熱性能。SATA主要瞄準高端PC市場以及低端伺服器市場（或者換句話說，不負責非緊急事務的伺服器?D?D儘管這樣的市場狀況會很快有所改變）。 
  
    串行ATA工作組（Serial ATA Working Group）是業界負責設計、開發和發布SATA接口標準的組織。工作組又分成兩個部分。在2000年，首先設立了開發針對桌面應用SATA標準的第一部分。在2002年2月分，為了滿足伺服器器和網絡存儲市場的需求又成立了工作組第二部分。
  
    為了全面的了解SATA為存儲技術所帶來的進步，我們需要簡單回顧一下並行ATA的發展及其弱點。當PATA問世的時候，它僅僅能夠達到3.3 mbps的傳輸速率，若干年後逐漸增長到了100 mbps。在這段時間裡，PATA還獲得了以下方面的改進：

開發了ATAPI以支持其他存儲設備，例如磁帶驅動器，以及CD-ROM；向後兼容早期版本的ATA設備；為確保數據完整性進行循環冗餘校驗；為更為快速的訪問驅動器提供EIDE擴展；多種傳輸模式，包括DMA和UDMA。

    儘管PATA技術不斷在發展，但無可避免的受到了固有的設計缺陷影響，從而使得它成為了禁錮硬碟速度和數據傳輸速度的首要因素。以下是PATA三個主要的弱點：

    由於信號衰減，PATA的線纜長度被限制在了18英寸（45釐米）。這使得在大型計算機設備中連接距離很長的兩個連接點成了一個問題，導致特定的物理驅動器配置模式無法執行。而且，連接PATA設備所使用的更寬的40針帶狀線纜非常不方便，並且容易阻擋計算機內部的空氣流動。在某些的計算機中，還可能造成局部區域溫度過高。由於這些線纜很寬，因此很難被捲起來。在任何情況下，這樣類似的因素都使得富於創造性的配線方式變得無法實現。
  
    PATA設備需要5伏特的信號。晶片設計目前的發展方向電壓更低，尺寸更小。大的晶片板（chip pads）需要為每個ATA信道提供26×5伏特的信號，這意味著晶片板將決定晶片的尺寸。更高的電壓同樣意味著系統的總功耗會變得很高。
  
    PATA的確提供了循環冗餘校驗來保障數據完整性，但校驗範圍並沒有擴展到普通的數據。SATA則提供了對普通數據端到端的完整性檢查。
  
    SATA的優點
  
    現在來看看SATA和這種新的總線接口技術所具備的優點。其中主要的是數據傳輸速率。在文章前一部分，我提到了目前SATA可以提供150 mbps的高峰傳輸速率。到2004年5月和2007年8月，預計SATA的數據傳輸速率將分別達到300 mbps和600 mbps。最終，我們可能看到比今天的PATA設備快上近10倍的傳輸速率。
  
    相對於PATA又短又寬的笨重線纜而言，SATA技術採用的線纜則幾乎可以說是PATA用戶們所夢寐以求的。串行線纜又小又細，並可以延伸至1米，使得在大型系統上安裝設備和布線變得非常容易。更少的線數使得連接器的體積也減小了，因此你可以跟那些40針的龐然大物說再見了。採用這種線纜有效的改進了計算機內部的空氣流動。圖A中可以看看串行線纜有多細。圖B和圖C則顯示了如何將串行線纜連接到SATA驅動器上。

圖A：SATA線纜比傳統的ATA線纜更細

圖B：SATA設備有一個可插入的連接器

圖C：這是SATA硬碟驅動器的背面

    在電壓方面，SATA使用兩條數據信道分別發送和接收數據，500毫伏的電壓就可以運行SATA了。這使得系統功耗有所減少。
  
    SATA可以通過使用多用途的晶片組或串行?D?D並行轉換器（反之亦然）來向後兼容PATA設備。在軟體方面也有類似的進步，由於SATA和PATA都使用同樣的驅動器，因此不需要對作業系統進行升級或其他任何的改變

圖D：你可以通過類似的轉換器將PATA轉換為SATA

    串行ATA驅動器和適配器採用「原（native）」或者「橋接（bridge）」控制晶片。前者可以提供最大的吞吐量（150 mbps），後者則允許信號進行並行到串行的轉換。使用橋接控制器的問題在於它會影響帶寬，而且還比較嚴重：在150 mbps的設備上，橋接控制器可能只會為你提供70到80 mbps的帶寬。對於適配器生產商而言這現在或許還不是一個問題，因為最快的IDE硬碟的高峰傳輸速率也可以達到50到70mbps，但在SATA發展到中期的時候很可能成為一個重要的問題。
  
    那麼怎樣把SATA驅動器同系統剩下的部分連接起來呢？現在，較為普遍的方法是使用SATA主機適配器。這種方法已經收到了多家不同生產廠商的歡迎，例如Promise、3Ware以及Highpoint。這些適配器通常和IDE連接器一同出售，因為假設你希望使用一堆各種各樣的硬碟，當然還有額外電源線以及串行線纜。如果需要，你可以為8個單獨的驅動器購買具有8SATA信道的適配器。一些生產商提供了包含適配器和驅動器的商品套裝。你可以仔細在市場裡看看能找到些什麼。
  
    現在可以在市場上看到第一片直接將SATA集成到主板晶片組的主板。到2003年下半年，這很有可能成為一種標準配置。如圖E，你可以看到PATA（IDE）連接器和SATA連接器（用黃色表明）的對比圖。顯然，使用SATA線纜可以大量節省空間。

圖E：現在你可以購買具有SATA連接器的主板

    另一項激動人心的功能是SATA不再需要設置主從盤配置跳線。的確，當驅動器連接好之後，BIOS立即將為它按照1、2、3順序編號。這些序號將取決於驅動器接在哪個SATA連接器上。
  
    在標準的SATA系統中，採用平均4信道的SATA主適配器時平均磁碟訪問時間是14.5毫秒。磁碟讀取平均最大值是47 mbps，寫平均最大值是36.6 mbps。平均高峰傳輸速率為79.4 mbps?D?D或許還無法同人們所期望的理論值150 mbps相提並論。
  
    這是一個有意思的問題，因為PATA驅動器可以提供的平均峰值也在70到75mbps之間。這就是說，不同的SATA硬體組合起來將會提供更高的峰值速率?D?D但請不要忘了帶寬性能在使用橋接控制器的時候會受到影響。橋接控制器的確是導致性能下降的一個問題，如果打算SATA硬體設備，那麼你需要進一步深入研究不同產品的差別。
  
    什麼是SCSI？
  
    有人說SCSI接口將一統天下，而另一些人則認為SCSI活不了多久了。我傾向於後者，原因如下：
  
    串行ATA II 規範中添加了一項智能命令隊列功能。這一功能之前則是SCSI主要的買點。使用SCSI協議的設備可以在無需CPU或晶片組的幫助下組成序列並執行請求。
  
    實際上，SATA設備並不需要分配ID編號，也可以像SCSI設備也一樣。這是另一優勢，因為這會使得即插即用更為方便。
  
    如果給予了SATA和SCSI相比相同甚至更多的高級功能，那麼二者的價格差異將意味著SCSI將開始逐步丟失其佔有的市場份額。但在高端企業系統上，SCSI佔據著絕對的優勢，並且這樣的日子還將持續一段時間。
  
    我需要花費多少錢？
  
    自然，SATA設備的價格將會出現一定差別。Ballpark提供的數據表明，類似於Seagate Baracuda V 120 GB這樣的驅動器的價格將下降到200美元以內。相同型號80GB的產品則價格在160美元左右。我在這裡提到了Seagate的產品是因為目前就價格而言，Seagate處於市場的領先地位，並且Seagate還開發了SoftSonic技術。其新的驅動器馬達就是用這一技術命名，該馬達採用了流體動力軸承（fluid dynamic bearing，FDB）。有報導說採用這一技術的驅動器是目前市場上運行時噪音最小的。如果在家裡或辦公室使用多個驅動器，那麼噪聲的確是需要考慮的問題。
  
    SCSI驅動器的平均價格則在100美元以上，但通常而言你只能夠獲得18到36GB的容量。因此就單位字節的價格來看，SCSI驅動器顯得非常昂貴。並且還需要記住SATA是新的技術，因此驅動器價格還要下跌，因此必將變得非常廉價。諸如3ware公司這樣廠家生產的一個8信道的主機適配器在北美市場的價格大約是550到580美元。購買4信道的適配器則要花大約400美元。顯然，採用串行ATA組成RAID5系統將會比選擇SCSI技術顯得更加便宜，當然不同的技術需求和條件將會產生不同的解決方案。
  
    需要記住的另一件事情如果你需要「JBOD模式（just a bunch of disks，一堆獨立磁碟驅動器）」，即以網絡附加存儲（network-attached storage，NAS）或直接連結存儲（direct-attached storage ，DAS）的方式來獲得更多的磁碟空間，那麼SATA很可能是最佳選擇，尤其是在需要考慮價格因素的情況下。市場上已經出現了NAS設備，其中一些提供了諸如熱拔插（hot-swap）SATA設備的功能。當驅動器設備出現問題時這一功能就顯得非常重要。在這樣的情況下SATA帶來的便利就在於使得執行更為簡單，而無需考慮價格昂貴的SCSI和光纖信道。
  
    如果你希望組建JBODs，但在NAS設備中又無法提供命令和控制系統（如CPU，內存，基本作業系統），你同樣可以使用SATA驅動器。方法是把SATA驅動器放在通過SATA hub跟系統直接相連的硬碟箱裡面。SCSI同樣具有這樣的功能，但其價格因素成為了應用的障礙。
  
    未來就在眼前
  
    PATA標準還不會立即消亡。絕大部分的PC系統（不同於伺服器）都在運行並行ATA設備，並且這樣的狀況還要維持一段時間。如果市場PC購買量有較大增長，那麼這將是快速推進串行ATA的良機。就性能而言，在兩項技術的性能測試評分沒有太大差別，因此等待SATA技術提供更高的數據傳輸速率在現在來看是正確的。 
  
    然而，SATA的確可以在功耗、安裝簡便性、線纜、內部散熱以及驅動器配置方面帶來很多的好處。這些因素可能會比數據傳輸速率更為重要，尤其是對於那些需要節省時間和金錢，且缺乏處理故障經驗的計算機組裝用戶而言。