Szybki IDE - Serial ATA

Wiele złączy i magistrali przestawianych jest obecnie na pracę seryjną - choćby PCI Express czy Hyper-Transport. Dotyczy to również interfejsu równoległego IDE, który dotychczas umożliwiał transfer danych z szybkością 133 MB/s, co ze względów technicznych stanowi górną granicę jego możliwości.

Wiele złączy i magistrali przestawianych jest obecnie na pracę seryjną - choćby PCI Express czy Hyper-Transport. Dotyczy to również interfejsu równoległego IDE, który dotychczas umożliwiał transfer danych z szybkością 133 MB/s, co ze względów technicznych stanowi górną granicę jego możliwości.

Wprowadzenie technologii Serial ATA umożliwia uzyskanie transferu do 150 MB/s. Do roku 2007 szybkość ta dwukrotnie ma być jeszcze podwojona. Nowa technologia obiecuje kompatybilność programową, mniejszy pobór mocy, większą szybkość, mniejsze (tańsze) wtyczki i gniazda oraz dłuższe i cieńsze kable. W ten sposób w obudowie komputera powstaną lepsze warunki do chłodzenia procesorów, pamięci i dysków.

Siedem firm, APT Technologies, Dell, IBM, Intel, Maxtor, Seagate i Quantum (obecnie Maxtor), postanowiło w roku 2000 opracować specyfikację standardu Serial ATA. W sierpniu 2001 zatwierdzono pierwszą dojrzałą specyfikację - Serial ATA 1.0, ale pierwsze produkty pojawiające się na rynku pod koniec 2002 roku należy traktować z pewną dozą nieufności, gdyż nie zapewniają obiecywanej wydajności.

1. Dlaczego Serial ATA?

Centralizacja - topoplgia gwiazdy w Serial-ATA z połączeniami punkt-punkt między kontrolerem/chipsetem a twardymi dyskami.

Centralizacja - topoplgia gwiazdy w Serial-ATA z połączeniami punkt-punkt między kontrolerem/chipsetem a twardymi dyskami.

Równoległa transmisja danych na poziomie uzyskanej do tej pory szybkości możliwa jest już tylko na krótkich odcinkach. Na większe odległości trzeba zmniejszać szybkość transferu, gdyż w przeciwnym razie bity docierają do miejsca przeznaczenia w różnym czasie i z różnymi poziomami. Różnice czasu przebiegu dają się skompensować wyłącznie zmniejszeniem częstotliwości taktowania. Liczne wzmacniacze sygnału zużywają dużo mocy, wtyki mają dużo drogich i zawodnych złączy. Do tego 40- i 80-żyłowe kable są mało elastyczne i uniemożliwiają swobodny obieg powietrza wewnątrz obudowy komputera.

W transmisji szeregowej nie ma problemu różnicy czasów przebiegu. Odpowiednie kodowanie (np. 8B/10B) powoduje, że linia sygnału taktującego i linia impulsów strobe są zbędne. Pojedynczy wzmacniacz sygnału pobiera mało mocy. Wtyki mają mniej złączy, a kable są tak cienkie, że nie blokują prądów powietrza. Do otrzymania szeregowych strumieni danych potrzebne są konwertery równoległo-szeregowe i szeregowo-równoległe, które przekształcają równoległe zorganizowane dane z twardego dysku. Ponieważ obecnie integracja i przepustowość wewnętrzna układów CMOS są zazwyczaj duże, takie przekształcenie odbywa się w czasie rzeczywistym. Układy konwerterów zwiększają, co prawda, koszty i złożoność, ale za to konieczne w technologii równoległej wzmacniacze buforowe stają się zbędne. Dopracowana już technologia LVDS pracuje przy tym z niższym napięciem, co pozwala na zmniejszenia zużycia mocy i skrócenie czasu przełączania.

Szczególnie ważna jest stuprocentowa kompatybilność programowa dotychczasowych rozwiązań równoległych z Serial ATA. Przekształcenia elektryczne i dopasowanie protokółów odbywa się tylko na najniższym poziomie logicznym, w układach, a nie dotyczy aplikacji i sterowników programowych. Programiści zatem nie muszą niczego zmieniać, uzupełniać ani od nowa kompilować.

2. Architektura

Diagram oka - tak wygląda jeden bit przesyłany szeregowo z szybkością 1,5 Gb/s.

Diagram oka - tak wygląda jeden bit przesyłany szeregowo z szybkością 1,5 Gb/s.

Równoległe złącze ATA pracuje jako magistrala w układzie: master/ 2 slaves, gdzie master to host, a slaves to twarde dyski. Współczesne chipsety oferują zwykle dwie magistrale ATA, mogące obsłużyć do czterech urządzeń, natomiast Serial ATA stosuje do czterech bezpośrednich połączeń punkt-punkt na kabel między układem interfejsu na płycie głównej lub na karcie rozszerzeń a urządzeniem. Nie ma więc problemu ze zworkami i terminatorami, gdyż każdy kabel na końcu od strony układu ma terminator wbudowany w układ. Uszkodzenie urządzenia nie wpływa na pracę innych urządzeń.

Serial ATA nadaje się tylko do pamięci masowych i krótkich połączeń wewnątrz komputera, a nie do podłączania urządzeń peryferyjnych. Specyfikacja Serial ATA uwzględnia sterowanie wydajnością (poziom niski i kolejne stopnie aż do wyłączenia) urządzeń przenośnych, zasilanych z baterii.

Przewiduje się, że magistrala Serial ATA będzie używana przez mniej więcej 10 lat, z dwoma skokami wydajności w tym okresie. Zastosowanie jej z tradycyjnymi urządzeniami umożliwią, przewidziane do obu stron (procesor, urządzenie), odpowiednie adaptery (dongle) do przekształceń równoległo-szeregowych. Szybkość magistrali ma być zwiększona dopiero wtedy, gdy odpowiednio szybsze staną się napędy dyskowe. Wystarczy wówczas niewielka i niedroga pamięć buforowa, żeby dopasować szybkość. Aby przy dużych szybkościach transferu danych utrzymać poziom błędów na niskim poziomie, Serial ATA będzie dysponować funkcjami wykrywania i korekcji błędów.

3. Specyfikacja elektryczna

Kodowanie NRZ - dla zapewnienia regularnej zmiany polaryzacji 8-bitowe strumienie danych przekształcane są do postaci 10-bitowej.

Kodowanie NRZ - dla zapewnienia regularnej zmiany polaryzacji 8-bitowe strumienie danych przekształcane są do postaci 10-bitowej.

Szybkość transferu 150 MB/s określa nominalny czas trwania jednego bitu 666 PS. Długoterminowe plany przewidują, że w ciągu dziesięciu lat "życia" magistrali jej szybkość wzrośnie najpierw do 300, a docelowo do 600 MB/s.

Fizyczny transfer danych wykorzystuje kodowanie NRZ przy rozpiętości napięcia +250/-250 mV wokół wspólnego środka. Jest to zgodne z szeroko rozpowszechnioną techniką SCSI-LVDS, a także minimalizuje potencjalne problemy ze zgodnością elektromagnetyczną (EMV), ponieważ przy niewielkiej różnicy napięć przenoszona jest niewielka moc.

Zmiany polaryzacji w krótkich odstępach czasu zapobiegają jednostronnej polaryzacji kabla. Uzyskuje się to dzięki kodowaniu 8B/10B na odcinku przesyłowym. W tym celu jeden bajt przekształcany jest na jednostkę 10-bitową. Dodane bity gwarantują, że w obrębie tej jednostki zmiany polaryzacji spowodują ciągłą zmianę potencjału kabla. Dodatkowo logika zmienia dynamicznie napięcie, aby zagwarantować ciągły przepływ.

Już Serial ATA uwzględnia uwarunkowania komputerów przenośnych i stara się utrzymywać zapotrzebowanie na energię na możliwie niskim poziomie. Tradycyjne systemy ATA zużywają 1,85 x 10-9 J/B, w przypadku Serial ATA ma to być tylko 8,6 x 10-11 J/B. Z punktu widzenia Serial ATA transmisja równoległa wymaga ponad dwudziestokrotnie więcej energii. Nie uwzględnia się w tym porównaniu zużycia energii przez układy sterujące.

4. Kable i połączenia wtykowe

Obecne systemy Ultra ATA/100/133 wykorzystują 80-stykowe połączenia wtykowe, które zastąpiły przestarzałe 40-stykowe połączenia pierwotnej specyfikacji ATA. Wadą tych kabli jest wysoka cena i to, że zajmują dużo miejsca w obudowie komputera. Do Serial ATA wystarczy kabel z sześcioma lub ośmioma żyłami. Każdy napęd łączy się własnym kablem ze złączem od strony procesora.

Serial ATA nie jest w istocie magistralą, lecz działa w topologii gwiazdy z połączeniami punkt-punkt. Ruch nadawczy i odbiorczy odbywa się oddzielnie, każdy na jednej parze przewodów. Przesyłanie w technologii LVDS wykorzystuje technikę różnicową i dlatego każdy sygnał wymaga pary przewodów.


Zobacz również