Interfejs IDE

Serial ATA ma zastąpić równoległe złącze IDE. Zalety tej technologii to większa szybkość transmisji danych i bardziej elastyczne okablowanie.

Serial ATA ma zastąpić równoległe złącze IDE. Zalety tej technologii to większa szybkość transmisji danych i bardziej elastyczne okablowanie.

Omówimy szczegółowo szeregowe złącze ATA i powiemy o jego perspektywach rozwoju.

Wiele złączy i systemów magistralnych przestawia się obecnie na pracę szeregową - choćby PCI Express czy HyperTransport. Dotyczy to również równoległego złącza IDE, które do tej pory pozwalało uzyskać maksymalnie 133 MB/s (1000). Ze względów technicznych została w ten sposób osiągnięta górna granica tej technologii.

Technologia Serial ATA umożliwia uzyskanie transferu danych do 150 MB/s (1000). W dalszych planach jest podwojenie tej szybkości do roku 2007. Siedem firm, APT Technologies, Dell, IBM, Intel, Maxtor, Seagate i Quan-tum (obecnie Maxtor) zawiązało w roku 2000 konsorcjum w celu opracowania specyfikacji Serial ATA.

Nowa technologia obiecuje kompatybilność programową, mniejszy pobór mocy, większą szybkość transmisji, mniejsze (tańsze) wtyki oraz dłuższe i cieńsze kable. Te ostatnie zapewniają lepsze warunki chłodzenia procesorów, pamięci i twardych dysków w obudowach komputerów.

W sierpniu 2001 zatwierdzono wersję 1.0 specyfikacji ATA. Od początku 2003 dostępne są pierwsze twarde dyski i kontrolery. Opiszemy w szczegółach funkcjonowanie złącza szeregowego.

Dlaczego Serial ATA?

Scentralizowany - rysunek przedstawia połączenia punkt-punkt w Serial ATA.

Scentralizowany - rysunek przedstawia połączenia punkt-punkt w Serial ATA.

Technika równoległej transmisji danych, przy obecnie uzyskiwanych szybkościach, uniemożliwia zastosowanie względnie długich kabli. W przypadku większych odległości konieczne jest zmniejszenie szybkości transmisji, gdyż poszczególne bity docierają do punktu przeznaczenia w różnym czasie i z różnym poziomem sygnału. Różnice czasowe można skompensować jedynie zmniejszeniem częstotliwości taktowania. Liczne nadajniki sygnału zużywają bardzo wiele mocy, a duże wtyki mają wiele drogich i podatnych na awarie styków. W dodatku stosowane dotąd kable 40- i 80-żyłowe są mało elastyczne i blokują ruch powietrza wewnątrz obudowy komputera, tak ważny dla chłodzenia podzespołów.

W transmisji szeregowej nie ma różnic przebiegów czasowych, gdyż jest tylko jeden przewód sygnałowy. Przy odpowiednim doborze kodowania (na przykład 8B/10B) nie jest nawet potrzebny przewód taktujący ani bramkujący. Jedyny nadajnik sygnału pobiera niewiele energii. Wtyki są małe i mają mało styków, a kable są tak cienkie, że nie blokują przepływu powietrza.

Diagram oka - podczas transmisji szeregowej z szybkością 1,5 Gb/s  przesłanie jednego bitu trwa 666 ps (źródło - Intel).

Diagram oka - podczas transmisji szeregowej z szybkością 1,5 Gb/s przesłanie jednego bitu trwa 666 ps (źródło - Intel).

Do uzyskania szeregowego strumienia danych konieczne jest zastosowanie konwerterów równoległo-szeregowych, które przekształcają równoległy strumień danych z twardego dysku na format szeregowy. Biorąc pod uwagę wysoki stopień integracji i wysoką wewnętrzną przepustowość nowoczesnych układów CMOS, taka konwersja w czasie rzeczywistym nie nastręcza problemów. Układy konwerterów podnoszą wprawdzie koszty i złożoność, w zamian za to odpadają niezbędne w technice równoległej wzmacniacze buforowe. Dobrze już dopracowana technika LVDS zadowala się ponadto niskimi napięciami. Daje to oszczędność mocy i pozwala skrócić czas przełączania.

Szczególnie ważna jest stuprocentowa kompatybilność programowa między dotychczasowym złączem równoległym a Serial ATA. Przekształcenie elektryczne i dostosowanie protokołów odbywa się na najniższym, układowym poziomie logicznym. Nie wpływa to w żaden sposób na aplikacje i sterowniki programowe. Programiści nie muszą więc nic zmieniać, uzupełniać czy od nowa kompilować.

Architektura

Kodowanie NRZ - w celu uzyskania regularnej zmiany zboczy strumienie 8-bitowe strumienie danych kodowane są do postaci 10-bitowej.

Kodowanie NRZ - w celu uzyskania regularnej zmiany zboczy strumienie 8-bitowe strumienie danych kodowane są do postaci 10-bitowej.

Równoległe złącze ATA charakteryzuje się strukturą magistrali z jednym urządzeniem nadrzędnym (komputer, master) i dwoma urządzeniami podrzędnymi (twarde dyski, slaves). Współczesne chipsety zawierają zwykle dwie magistrale ATA do sterowania czterema urządzeniami. Natomiast Serial ATA wykorzystuje do czterech połączeń punkt-punkt między chipsetem interfejsu na płycie głównej lub karcie i pojedynczym urządzeniem na każdym z kabli. W ten sposób odpadają problemy ze zworkami i terminacja magistrali, gdyż każdy kabel terminowany jest na zakończeniu w układzie. W ten sposób wykluczony jest też wpływ uszkodzonego urządzenia na inne.

Złącze Serial ATA przewidziane jest do stosowania wyłącznie z pamięciami masowymi (twarde dyski, CD-ROM-y, DVD itd.), z krótkimi kablami wewnątrz obudowy komputera. Nie nadaje się do zewnętrznych urządzeń peryferyjnych, jak skanery czy drukarki. W specyfikacji Serial ATA przewidziano sterowanie mocą (kilka poziomów) na potrzeby urządzeń przenośnych, zasilanych z baterii.

Przewiduje się, że użyteczny czas życia Serial ATA wyniesie około 10 lat, a w tym czasie nastąpią dwa skoki wydajności. Do pracy z dotychczasowymi urządzeniami przewidziano po obu stronach (komputer, urządzenie) odpowiednie adaptery do konwersji równoległo-szeregowej. Szybkość toru transmisyjnego zwiększy się dopiero wówczas, gdy odpowiednio zmodyfikowane zostaną twarde dyski. Potrzebna jest tylko niewielka i tania pamięć buforowa do dopasowania szybkości. Aby przy dużej szybkości transmisji utrzymać stopę błędów na niskim poziomie, przewidziano funkcje wykrywania i korekcji błędów.

W specyfikacji nie zapomniano też o funkcji hot plug, czyli podłączaniu i odłączaniu napędu podczas pracy komputera. Konieczne jest tylko, aby również system operacyjny obsługiwał tę funkcję. W przypadku Windows dotyczy to wersji 98/Me, 2000 i XP. Także Linux obsługuje tę funkcję.

Specyfikacja elektryczna

Wyciąg ze specyfikacji Serial ATA 1.0 przedstawia przykłady wtyków sygnałowych i zasilających (źródło - Serial ATA Working Group).

Wyciąg ze specyfikacji Serial ATA 1.0 przedstawia przykłady wtyków sygnałowych i zasilających (źródło - Serial ATA Working Group).

Przy szybkości 150 MB/s nominalny czas trwania bitu wynosi 666 ps. Długofalowe plany zakładają, że w trakcie przewidywanego okresu życia interfejsu prędkość ta zwiększy się najpierw do 300, a potem do 600 MB/s.

Do fizycznej transmisji danych zastosowano dokowanie NRZ z amplitudą napięcia między +250 mV oraz -250 mV wokół wspólnego środka. Jest to zgodne z szeroko rozpowszechnioną techniką LVDS, będącą standardem we wszystkich nowych, szybkich wariantach SCSI. W tej technice praktycznie nie powstają problemy EMV, ponieważ przesyłana jest niewielka moc przy małych amplitudach napięcia.

W celu uniknięcia jednostronnego naładowania kabla przesyłowego konieczne są zmiany zbocza w krótkich okresach. Można to na przykład uzyskać poprzez kodowanie 8B/10B na łączu transmisyjnym. Wówczas jeden bajt zamieniany jest na jednostkę 10-bitową. Tak wstawione bity gwarantują, że również w obrębie tej jednostki zawsze wystąpią zmiany zbocza, które przeładują kabel.

Już w swojej pierwszej specyfikacji 1.0 Serial ATA uwzględnia potrzeby użytkowników sprzętu przenośnego i stara się utrzymać pobór energii na możliwie niskim poziomie. Do celów porównawczych wprowadzono tu nową jednostkę miary.

W tradycyjnym systemie ATA jeden bajt wymaga około 1,85 x 10-9 dżula energii, natomiast w Serial ATA jest to już tylko około 8,6 x 10-11. Wynika stąd, że transmisja równoległa wymaga ponad dwadzieścia razy więcej energii. Porównanie nie uwzględnia poboru mocy elektroniki sterującej.

Kable i wtyki

Przebieg protokołu - strumienie danych między komputerem a urządzeniem w szeregowym połączeniu ATA (źródło - Intel).

Przebieg protokołu - strumienie danych między komputerem a urządzeniem w szeregowym połączeniu ATA (źródło - Intel).

Stosowane obecnie systemy Ultra ATA/100/133 korzystają z 80-stykowych wtyków, które zastąpiły wysłużone wtyki 40-stykowe z pierwotnej specyfikacji ATA. Wadą kabli z tymi wtykami jest wysoki koszt i duże zapotrzebowanie na miejsce w obudowie komputera. Serial ATA zadowala się kablem o sześciu lub ośmiu żyłach. Każdy napęd połączony jest z kontrolerem własnym kablem.

Serial ATA nie jest magistralą, lecz charakteryzuje się topologią gwiazdy, są więc tylko połączenia punkt-punkt, bez wyboru magistrali (arbitraż/negocjacja). Transmisja nadawcza i odbiorcza odbywa się oddzielnie, każda na parze przewodów. Transmisja LVDS korzysta z techniki różnicowej (transmisja symetryczna). Dlatego też każdy sygnał wymaga pary przewodów.

W równoległej wersji ATA są oddzielne kable sygnałowe i zasilające z własnymi wtykami. Specyfikacja Serial ATA przewiduje kilka konfiguracji. Sygnały i zasilanie mogą korzystać z tego samego złącza, mogą też być poprowadzone oddzielnie. Możliwe jest nawet połączenie wtyku sygnałowego Serial ATA ze stosowanym dotychczas w równoległej wersji ATA wtykiem zasilającym.


Zobacz również