串行 ata技術
前言
數(shù)字內容已經滲入到當今社會的方方面面,從MP3文件、數(shù)碼相片到家庭電影,更不用說典型用戶在其PC上保存的大量財務金融信息、電子郵件以及家庭或者商業(yè)資料。數(shù)字內容已經是無處不在,而用戶則仍然希望多多益善。這種數(shù)字信息爆炸已經迅速消耗掉了可用的硬盤驅動器(HDD)空間,而且還帶來了極為嚴重的存儲挑戰(zhàn)。美國加州大學伯克利分校(UC Berkeley)近期的一項研究表明,僅在2002年就產生了5千兆(或者50億GB)的原始信息,而這個數(shù)字是此前三年的兩倍。這些信息90%以上存儲在磁介質上,同時它們還保存了大量的拷貝數(shù)據(jù)。在典型的壓縮模式下,一張數(shù)碼相片大約需要2MB空間,一首歌曲要占用4MB空間,而一個小時的標準清晰度視頻內容則需要2GB存儲空間。顯然,持續(xù)“爆炸”的信息量需要增加更多的存儲容量,而一個方便靈活的存儲解決方案則變得比以前更為關鍵。
這種用戶想要保存的數(shù)字信
目前的外部存儲解決方案
目前,這些外部驅動器通常使用一個USB或者1394(FireWire)接口連接到大多數(shù)PC上。這是因為內部磁盤驅動器設計使用并行ATA接口(也就是大家所知道的IDE接口),它不能通過外部連接擴展到PC外面。并行ATA接口不是為使用外部電纜而設計的,它不能進行熱插拔操作(在PC上電與運行時插上或者拔掉),而且,它還需要一個較為繁瑣的連接器。相反,USB與1394可以提供一個簡易的連接器,配有設計用于外部使用的電纜與連接器,而且它們還允許在計算機運行時添加或者刪除設備。
不過,那些使用USB或者1394的外部驅動器,實際上還是同原來那些IDE驅動器一樣,不同的是它們帶有一個轉換芯片,用作從磁盤驅動器上的ATA接口協(xié)議到用于連接的USB或者1394協(xié)議之間的翻譯轉換。在PC之內則進行一個類似的逆向轉換,讓計算機僅僅像對待一個內部驅動器那樣識別外部驅動器并與之對話。此外,驅動器還需要電源來運行,它通常使用一個插入墻壁并且連接到驅動器外殼的外部交流適配器來供電。
為什么選用串行ATA?
Gartner調研部門副總裁John Monroe指出:“到2005年年底,SATA將成為具有絕對優(yōu)勢的標準HDD接口,而且到2007年年底,SATA應該完全占領所有的臺式機與筆記本HDD市場。”
表1提供了關于USB 2.0、1394a與串行ATA這三種接口的原始接口速度與數(shù)據(jù)傳輸速率的比較結果。雖然有更高的1394速度計劃,但大多數(shù)上市的普通磁盤驅動器接口速度仍為400 Mbps。另外,新的串行AT
在原始接口速度方面,很顯然,串行ATA帶寬超出USB或者1394三倍,其性能遠遠優(yōu)于USB或者1394。在包括向驅動器讀取、寫入數(shù)據(jù)在內的傳輸測試中,限制因素通常來自驅動器本身,也就是磁盤驅動機構能夠從旋轉磁記錄盤片中讀取或者寫入數(shù)據(jù)的速度。使用串行ATA,持續(xù)讀取與寫入速度大約為40-50 MB/sec。因為驅動器能夠使用內存來緩沖存儲一些待寫數(shù)據(jù),所以寫入速度可以更高一些。如果將驅動器連接到內部,并行ATA接口也可以獲得類似的性能數(shù)據(jù)。不過,非常清楚,目前通常使用的USB與1394這兩個外部接口,實際上是降低了數(shù)據(jù)傳輸速率,在某些情況下數(shù)據(jù)傳輸速率僅僅是串行ATA接口速率的一半。這不僅是因為低速接口,而且還在于需要將ATA命令的驅動器語言數(shù)據(jù)翻譯成一個
對于那些經常在外部驅動器上訪問數(shù)據(jù)文件,或者在一個基本配置上大量備份的用戶來說,這種性能差異非常重要。舉例來說,串行ATA連接以這樣的速率傳輸一個2 GB的視頻文件將花費35秒左右的時間,而使用一個標準USB或者1394驅動器的時間則需要超過一分鐘。
串行ATA磁盤驅動器解決方案的另一個重要的有利因素就是成本。隨著串行ATA成為具有絕對優(yōu)勢的內部磁盤驅動器接口,這些驅動器的成本將等于而且最終將低于它們所取代的并行ATA驅動器的成本。這些驅動器實際上能以“原樣不變”的方式在外部應用中使用,而不需要一個昂貴的協(xié)議 轉換芯片。一個“1394-to-ATA”或者“USB-to-ATA”芯片的典型成本范圍是從5美元到10美元,這個成本必須被考慮到外部磁盤驅動器解決方案的最終成本之中。如果一個ATA驅動器能夠以“原樣不變”的方式使用,或者是用一個僅僅放大信號電平的簡易緩沖器芯片,這種解決方案的成本將會更低。
串行ATA轉換
2002年,隨著基于PCI的串行ATA主機控制器與串行ATA磁盤驅動器的實用化,從并行ATA到串行ATA的轉換初現(xiàn)端倪。在2003年,推出了首款集成了串行ATA的PC芯片組,而且在隨后的一年里,串行ATA將繼續(xù)取代芯片組上的并行ATA端口,直到硬盤驅動器與光盤驅動器二者均已轉換到串行ATA上來為止。分析數(shù)據(jù)(如圖1中的組合圖表所示)顯示,2003年串行ATA磁盤驅動器的市場份額大概為5 %,預計2004年晚些時候市場份額將達到50 %左右。到2005年,串行ATA的產量將會占到驅動器總產量的85 %左右,并且,并行ATA將會在2006年基本消失。
在大的方面,來自Intel、VIA、SIS、ATI與NVIDIA等供應商的芯片組發(fā)展進程計劃正在推動這種轉換。芯片組上的并行ATA接口需要若干引腳,要求5V容許誤差,同時還需要一個較大的主板空間來進行配線。使用串行ATA,信號電壓(標稱為500-600 mV) 將會更符合當前的工藝處理技術要求,每個通道只需要四個信號針腳,而且,它所需要的連接器、配線與線路板空間都小于并行ATA。串行ATA的其他優(yōu)點還包括用于驅動器連接的專用主機、未來的速度提升空間( 3 Gbps規(guī)格現(xiàn)已可用,而且3 Gbps接口已有展示產品),以及通過原生命令隊列等功能增加的性能優(yōu)勢。
光盤驅動器將緊隨硬盤驅動器之后轉用串行ATA接口。少數(shù)光盤驅動器現(xiàn)在已經提供一個串行ATA接口,而且在明年或者后年更多的光驅將會做出轉換,因為芯片組將不再支持并行ATA。概括來說,光盤驅動器將在硬盤驅動器市場采用串行ATA大約一年之后進行轉換。
新的連接器與電纜需求
在最初的技術規(guī)格說明書中,串行ATA主要是用作PC機箱內部硬盤驅動器的替代品。最初的電纜技術規(guī)格說明書描述了一個設計用于內部使用的1米電纜,它不具有關于電磁干擾(EMI)、靜電放電(ESD)方面的任何特殊功能或者是外部互連所需要的其他屬性。由于對外部串行ATA驅動器的需求趨勢日益明朗,串行ATA工作組開始調查對更適合外部驅動器的新電纜與連接器的需求,并制訂出一個新的技術規(guī)格說明書來滿
與標準內部連接器相比,插座中的信號觸點凹進插座盒凹得更深,這將有助于預防接近高速信號觸點的任何靜電放電。使用金屬屏蔽罩可以提供一個良好的接地回路,它將在插入或者拔掉電纜的時候釋放掉任何靜電放電電荷。
這里提供的接地通路將有助于來自外部驅動器的任何電磁干擾(EMI)輻射的最小化,但是還需要采取額外步驟,通過增加一個包裹電纜不同信號對的特別屏蔽層來改裝電纜。在一個標準內部電纜內,每一對信號線都被分別屏蔽。這種屏蔽用于外部電纜,但是還要進行額外的包裹。
正如上面總結的變化所展示的那樣,在用于內部與外部串行ATA應用的電纜與連接器結構之間存在有重要差異,以適用于特定的使用需求。因為存在著這些差異,連接器就可以被鎖住以防止在外部應用中誤用未經屏蔽的內部電纜,它將是不合適的。為了實現(xiàn)這個目標,插座內的內部信號連接器被做的更寬,而電纜末端連接器的總寬度更窄,因此內部電纜不能被插到外部連接器當中。另一種區(qū)分兩個連接器的簡便方式就是內部電纜有一個L型舌片,作為簡單的盲配(blind mate)鑰匙。對于外部連接器來說,通過將連接器內的信號觸點從中心移開來完成盲配(blind mating)定位。
早期的外部串行ATA產品
電氣信號需求
上面得出的功能需求之一就是配有一根長達2米的較長電纜,用于外部應用。由于最初的串行ATA技術規(guī)格說明書是為內部1米電纜而設計的,它沒有提供充分的設計裕量來驅動更長的電纜。串行ATA技術規(guī)格說明書規(guī)定了必須從一個串行ATA主機或者設備發(fā)送出的最小與最大發(fā)送電壓,而且還規(guī)定了一個接收器能夠正確地解碼所必需的最小電壓。對于速率為1.5 Gbps的內部電纜來說,從主機發(fā)送至驅動器的發(fā)送電壓,或者反向發(fā)送,其電壓范圍都是從400到600 mV。考慮到電纜與連接器的信號損失,接收器必須能夠對325與600 mV之間的電壓進行解碼。
考慮到電纜上任何額外的損失,使用2米電纜的最小發(fā)送電壓將從400提高到500 mV,同時,最小的接收器靈敏度則進一步降低到240 mV。這些改變用以適應在信號通路內較長的電纜或者額外的連接器之內的任何額外衰減。應該指出,當信號傳輸速
串行ATA主機連接
想象一個設計用于支持串行ATA接口的定制外部磁盤驅動器非常簡單,而如何將一個外部串行ATA與主機連接的問題就更為容易。如上所述,許多最初的芯片組與分散的控制器設計沒有能力直接支持一個外部驅動器附加裝置,盡管第二代設計很可能增加這些能力。因此,對于外部互連,將需要使用一個分立的控制器(典型地是基于PCI的控制器)。
使用一個基于PCI卡的解決方案,可以在PCI托架之上提供外部互連(如圖3所示)。它提供了一種簡單而且可靠的方法來使用一個外部連接與一臺PC配用,或者是訂購這樣的一個已安裝卡,或者是通過用戶安裝一個PCI卡配件。
對于使用一個設計支持外部串行ATA連通性控制器的母板,無論是在芯片組內或者是通過一個添加的基于PCI的控制器,可以選擇在母板上安裝一個外部串行ATA連接器,或者是使用一根從內部連接器連到PCI托架上的一個插座的電纜,來進行連接(如圖4所示)。在這種情況下,應當指出,內部電纜to 托架應該僅連接到一個串行ATA設備上,它能夠滿足上面強調的電氣兼容需求。
許多母板使用預先定義的連接器占地面積(連通)以適合標準PC機箱。在這個連接器外殼之內,將需要一個外部串行ATA連接器,而且將很可能需要取代現(xiàn)有的連接器—無論是一個不再常用的老式連接器,或者可能一個USB或者1394連接器將通過一個外部串行ATA連接器更好地服務。其他PC設計在它們的連接器需求方面更為方便靈活,范圍從服務器平臺到XPC規(guī)格。同時,我們預計在不久的將來可以看到有更多的這些設備使用外部串行ATA連接器。
在筆記本應用中,一種實現(xiàn)外部串行ATA連通的簡便方式就是使用一個基于PCMCIA的控制器。由于基于PCI的控制器能夠方便地設計去使用這個接口,盡管是使用早先說明的內部連接器,其中一些產品已經推出。圖5所示為這種互連類型的一個例子。外部串行ATA應用的連接器使用合適的設計。隨著將PCI-Express引入到下一代筆記本設計當中,PCMCIA卡將會被PCI-Express卡所取代,PCI-Express卡將會通過內部連接到驅動器來提供更高的性能。
外部存儲設備通過獨立方式供電,這超出了本技術規(guī)格說明書的范圍。這種獨立供電方式預期與USB或者1394外部驅動器供電方式類似,后者通常使用墻式安裝型交流電源變壓器供電。對于只需要5V連接的2.5”磁盤驅動器(或者更小型),一些解決方案使用USB或者PS-2連接器等其他外設連接,來為串行ATA驅動器供電(如圖6所示)數(shù)字視頻錄像機外部存儲的一個新興應用領域
硬盤驅動器消耗的增長領域之一就是消費電子設備—特別是,數(shù)字視頻錄像機(DVR),比如TiVo與類似設備等。電纜機頂盒與衛(wèi)星接收器系統(tǒng)設計使用硬盤驅動器來允許用戶錄制視頻節(jié)目,這種應用正在不斷增長。一個硬盤驅動器比早期用于VCR的磁帶方法,不僅在同時記錄或者重放多個數(shù)據(jù)流的能力方面,而且在單個磁盤上記錄數(shù)百小時節(jié)目容量方面,都具有顯著優(yōu)勢。額外的用戶增強服務,比如直覺的節(jié)目指南與基于電視觀眾喜好的可定制記錄,使得這些系統(tǒng)成為它們的所有者電視體驗的一個主要部分。
相反,在這些設備上使用一個外部串行ATA連接器,將能夠提供一個簡便的方式來增加容量。一家機頂盒(STB) 供應商,Scientific Atlanta公司,已經接受了這種理念,并在力推具有外部串行ATA連接的下一代STB產品。
外部串行ATA還能夠使得STB制造商采用一種新的業(yè)務模型。在視頻攝像設備中,磁盤驅動器通常是系統(tǒng)中最為昂貴的設備。結果是,它能夠成為更為廣泛地采用這些設備的一種障礙。例如,使用一個外部串行ATA連接的能力能夠允許一個電纜提供商提供一個“PVR可用”的盒子,但是為最終用戶留下成本以及一個用戶所需要的驅動器尺寸的選擇權。
光盤驅動器作為外部設備使用也在不斷增長。無論是需要為起初未配置可記錄驅動器的系統(tǒng)添加一個可記錄驅動器,還是僅僅需要一個速度更高的設備,目前,外部光盤驅動器確實比外部硬盤驅動器銷量更好。在PVR市場對DVD錄像機的需求也在不斷增長,一個用戶使用磁盤驅動器錄下節(jié)目用于常規(guī)使用與重放,但是能夠將它們存檔于一個DVD之上用于永久存儲。
家庭網絡的另一個新興應用
外部串行ATA還將應用于家庭網絡,這種網絡由于與一個家庭之內的多個PC與用戶共享存儲容量與內容的用戶需求而日益流行。新的串行ATA功能 例如一個端口倍增器,它允許一個單個主機連接訪問多個磁盤驅動器,能夠提供一個容易的方式,使用一個外部串行ATA連接為一個主機系統(tǒng)增加1000GB存儲容量。這個容量能夠被多個用戶共享,分割成不同的布置,而且還可以用于用于網絡上其他設備的自動備份.
隨著數(shù)字內容的日益增長,添加一個外部驅動器不可能總是足以滿足要求,而在它們的需要擴展時,一個基于端口倍增器的設備能夠允許用戶方便地持續(xù)增加存儲。這個新的使用模型可以使用串行ATA實現(xiàn),而且這也是轉向這個新的接口技術的另一個好處。
結束語
外部串行ATA技術規(guī)格說明書的完成為成本效益型高性能便攜式外部存儲設備的擴展鋪平了道路。串行ATA提供了比USB或者1394更高的數(shù)據(jù)傳輸速率,這對于那些經常訪問其外部驅動器數(shù)據(jù)的用戶來說將最為明顯。此外,外部串行ATA驅動器還具有比USB或者1394驅動器成本更低的潛力,USB或者1394驅動器必須包含一個轉換芯片,這就增加了驅動器的成本。
近期,外部串行ATA市場將主要由下列用戶驅動:一些用戶從更為昂貴的與較低性能的外部USB與1394設備轉到外部串行ATA上來,將其作為一種為現(xiàn)有PC擴充更多存儲容量的手段。日益增長的HD內容容量還推動了外部串行ATA在家庭娛樂領域的應用,在這個領域當中,外部串行ATA驅動器能夠方便地為PVR與STB提供額外的存儲容量。外部串行ATA還將用于家庭網絡,事實將會證明,串行ATA從該網絡的單臺主機連接訪問多個驅動器的能力將大有裨益。
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