由於先前整理eSATA的傳輸速度,所以也一併閱讀了SATA相關技術資料,故整理成篇以便查閱。

SATASerial ATA(Serial Advanced Technology Attachment)的縮寫,亦稱串行ATA。它是一種電腦總線,主要功能是用作主機板和大量儲存裝置(如硬碟光盤驅動器)之間的數據傳輸之用。

SATA是一種可足以完全取代舊式PATA(Parallel ATA)的新型硬盤接口,因採用串行方式傳輸數據而得名。在數據傳輸上這一方面,SATA的速度比以往更加快捷,並支持熱插拔,使電腦運作時可以插上或拔除硬件。另一方面,SATA總線使用了嵌入式時脈訊號,具備了比以往更強的糾錯能力,能對傳輸指令(不僅是數據)進行檢查,如果發現錯誤會自動矯正,提高了數據傳輸的可靠性。不過,SATA和以往最明顯的分別,是用上了較幼的排線,有利機箱內部的空氣流通,某程度上增加了整個平台的穩定性。

現時,SATA分別有SATA 1.5Gbit/sSATA 3Gbit/s即將推出的SATA 6Gbit/s三種規格。

排線和電源線

SATA排線

傳統的 Parallel ATA 使用 單模信號放大系統「single-end-signal-amplified-system」。在這種系統中,雜訊會隨著正常信號一起傳輸、放大,不易被抑制;在高速時尤其嚴重,為了有效的減少雜訊的干擾,我們只好使用高達5V的電壓來傳送正-常訊號,使大電壓的正常訊號蓋過小電壓的雜訊信號。雖然大的電壓可以有效的抑制雜訊,但是大的電壓同時也表示驅動電路的生產成本將因此上升,大電壓更不利於高速傳輸系統的設計和製造,高達5V的傳輸電壓限制了追求高速和低成本的可能性。

和 Parallel ATA 相比,新的SATA 使用了差動信號系統「differential-signal-amplified-system」。這種系統能有效的將雜訊從正常訊號中濾除,良好的雜訊濾除能力使得SATA只要使用低電壓操作即可,和 Parallel ATA 高達5V的傳輸電壓相比,SATA 只要0.5V(500mv) 的峰對峰值電壓即可操作於更高的速度之上。「比較正確的說法是:峰對峰值『差模電壓』」。

和 Parallel ATA 的 5V 驅動電壓相比,0.5V的SATA系統節省電力,其驅動IC的生產成本也較為便宜。

SATA支援進階主機控制器介面(AHCI)功能,可讓SATA儲存裝置啟用進階SATA功能,例如NCQ熱插拔

SATA 1.5Gb/s為第一代SATA介面,坊間的非官方名稱為SATA-1[1],傳輸速度為1.5Gbit/s。

SATA 3Gb/s2004年正式推出,坊間的非官方名稱為SATA-2[1],符合ATA-7規範,傳輸速度可達3.0Gbit/s。這顯示SATA的速度提升是以幾何級數增長,這點和PATA的一級級算術級數增長是不同的。

SATA 3Gb/s比SATA 1.5Gb/s進步的地方在於:

  1. 3.0Gb/s的高傳輸速度;
  2. 支持真正的SATA指令排序(NCQ);
  3. SATA 3Gb/s資料線長度最多2m。SATA 1.5Gb/s只是1m,PATA更短到50cm;
  4. 全新的圍擋式接口更穩固。

SATA 6Gb/s2009年9月推出,傳輸速度達到6.0Gb/s。

eSATA是External Serial ATA的略稱,是為面向外接驅動器而制定的Serial ATA 1.0a的擴展規格。雖然規模比較小,但已經有相對應的產品在市面流通。

  • 為了防止誤接,eSATA的接口形狀與SATA的接口形狀是不一樣的。
  • 連接線的最大長度為2m。
  • 支持熱插拔。
  • 傳輸速度可以達到現在主流的USB2.0的傳輸速度的2倍以上。
  • 提高接頭的插拔耐用度

eSATA與其他規格的比較

名稱  ↓ 理論頻寬 (Mbit/s)  ↓ 實際速度 (MB/s)  ↓ 接線最大長度 (m)  ↓ 電源供應  ↓ 每頻道最多可接設備  ↓
eSATA 3000 300 2 with eSATA HBA (1 with passive adapter) [2] 1(15 with port multiplier
串列SCSI 3000 375 8 4
SATA 3.0Gb/s 3000 300 2 1(15 with port multiplier
SATA 1.5Gb/s 1500 150 1 1 per line
PATA 133 1064 133 0.46(18 英寸 2
FireWire 3200 3144 393 100; alternate cables available for 100 m+ 15 W, 12–25 V 63 (with hub)
FireWire 800 786 98.25 100[3] 15 W, 12–25 V 63 (with hub)
FireWire 400 393 49.13 4.5[3][4] 15 W, 12–25 V 63 (with hub)
USB 2.0 480 60 5[5] 2.5 W, 5 V 127 (with hub)
Ultra-320 SCSI 2560 320 12 15 (plus the HBA)
Fibre Channel
透過銅線
4000 400 12 126
(16777216 with switches
Fibre Channel
透過光纖
10520 2000 2–50000 126
(16777216 with switches
Infiniband
12X Quad-rate
120000 12000 5 (銅線)[6][7]

<10000 (光纖)

1 with Point to point
Many with switched fabric

 

 

 

AHCI(Advanced Host Controller Interface 進階主機控制器介面),是一種允許軟體與SATA儲存裝置溝通的硬體機制,可讓SATA儲存裝置啟用進階SATA功能,例如原生指令佇列(NCQ, Native Command Queuing)及熱插拔。AHCI詳細定義了一個記憶體架構規範給予硬體製造商,規範如何在系統記憶體與SATA儲存裝置間傳輸資料,目前(2008年6月)最新AHCI規範為1.3版。

許多SATA裝置控制器可個別啟用AHCI功能或與RAID功能合併使用,英特爾就建議如果在其支援AHCI晶片組上使用RAID功能,採取AHCI模式組建RAID可以獲得最大彈性,因為AHCI可在完成安裝的作業系統中切換RAID組建模式。

在一般硬碟上Fujitsu、HITACHI、Seagate、WD...等均在3.5英吋及2.5英吋提供相關支援技術

在固態硬碟方面目前僅英特爾控制晶片支援AHCI功能(並無單一販售)。


Windows Vista核心已完全支援AHCI,Linux系統核心2.6.19版起支援,其他較舊作業系統則需要相關硬體製造商提供驅動程式才可以支援。

原生指令排序(Native Command Queuing,簡稱NCQ),原先是改善伺服器硬碟存取控制技術,應用在[[SCSI介面][SATA1.0/2.0/3.0介面]][SAS介面] 硬碟讀寫的加速技術,其介面開啟磁碟陣列RAID亦有所提升。透過硬碟韌體、硬碟控制器以及作業系統三者的互相配合,改善硬碟內部磁區的讀取順序,可以提高硬碟效能約30%,亦能夠輕微減輕硬碟損耗的速率。NCQ對用於伺服器上的硬碟的效率提昇尤為明顯。

本圖闡述一顆硬碟在沒有NCQ及有了NCQ的存取順序分別。兩顆硬碟所要求的內容順序均為1、2、3、4,但NCQ硬碟可以透過改變讀寫次序而增加效率。
 

原理

一般硬碟使用的硬碟格式通常為Windows 98核心所使用的FAT32系列,或是Windows NT所使用的NTFS,此種硬碟格式在存取資料時,時常會出現散亂的情況,導致一個檔案被不規則的分散成許多的區塊存放於磁盤上面,時間一久,檔案散亂的程度會日趨嚴重,由於傳統的硬碟讀取方式,會從檔案的開頭依序讀取到結尾,若檔案散亂的程度愈嚴重,則讀取頭需要來回移動的距離就越長,導致硬碟讀寫效能逐漸下降。一旦發生這樣的問題,解決方案便是使用磁碟重組軟體來進行硬碟重組,將散亂的檔案重新排列為連續的區塊,但由於執行磁碟重組可能會需要搬動大量的磁碟區塊,如果太常執行磁碟重組,除了會提高系統負載,亦將會縮短磁碟機的使用壽命,NCQ即為了解決此種情況而誕生。 NCQ的概念原本是應用在伺服器上常見的SCSI介面上,在SCSI的規格中即包含此項技術,只是不叫做NCQ,將此項技術經過些許修改後稱為NCQ,並將其應用在SATA介面上,後來的SAS介面也支援此項技術。 啟用NCQ技術的硬碟,在讀取檔案時,會依照檔案在硬碟上的分佈,將存取的順序作最有效率的排序,以減少機械臂移動的距離,進而達到省時以及延長硬碟壽命的效果。

優勢

於 SATA II NCQ 協定中,新增3個功能,分別是:

  • Race-free status return mechanism:
    硬碟在完成任一指令後,可以無須再進行Handshake即可繼續另一個指令,以便讓多個指令快速接序或同時執行。
  • Interrupt aggregation:
    硬碟由於以NCQ模式執行多個指令,所以原本每一個指令完成後必須中斷(interrupt) 以便讓系統接續處理的模式,轉成可以在多個指令完成後再一次提出(interrupt) ,故介面控制器(host controller) 對於多個指令只須處理一次中斷即可。
  • First party DMA(FPDMA):
    硬碟完成資料讀取後,無須靠 host controller 的DMA動作取得特定記憶體位置,而是由硬碟本身建立 DMA setup FIS(Frame Information Block)直接對 host controller 送出記憶體存取通知,如此無須驅動程式的運作,可以有效提升存取效率。

條件

開啟NCQ,除硬碟本身必須支援NCQ外,作業系統(OS) 與介面控制器(controller) 的支援也是不可或缺的條件。舉例說,在Microsoft Windows平台上,從Windows Vista開始才支援NCQ,而Windows XP若要使用NCQ,則要額外安裝支援軟件。

支援NCQ技術的晶片組

支援NCQ的硬碟控制器(部分):

  • JMicron
    • JMB360
    • JMB361
    • JMB362
    • JMB363
    • JMB365
    • JMB366
  • Silicon Image
    • SiI 3124
    • SiI 3132
    • SiI 3531
  • nVIDIA
    • nForce 4 Ultra, nForce 4 SLI
    • nForce 410
    • nForce 430
    • nForce 550
    • nForce 570 Ultra, nForce 570 SLI
    • nForce 590 SLI
    • nForce 650i Ultra, nForce 650i SLI
    • nForce 680i SLI
    • nForce 780i SLI
  • Intel [1]
    • ICH6M, ICH6R
    • ICH7DH, ICH7M, ICH7MDH, ICH7R
    • ICH8DH, ICH8DO, ICH8M, ICH8M-E, ICH8R
    • ICH9DO, ICH9M, ICH9M-E, ICH9R
    • ICH10D, ICH10DO, ICH10R
  • VIA
    • VT 8237S
    • VT 8251
  • ATI
    • SB 600
    • SB 700
    • SB 750
  • ALiULi
    • M1573
    • M1575
    • M1567
    • M1697
  • SiS
    • SiS966/SiS966L
    • SiS968

資料來源:http://zh.wikipedia.org/wiki/SATA

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