串行硬盘技术.doc

1、第 一 页 ： 串 行 通 讯 与 并 行 通 讯前 言随 着 INTEL 的 915 平 台 的 发 布 ， 最 新 的 ICH6-M 也 进 入 了 我 们 的 视 野 。 而ICH6 除 了 在 一 些 电 源 管 理 特 性 方 面 有 所 增 强 外 ， 也 正 式 引 入 了 SATA（ 串 行ATA， 以 下 简 称 SATA） 和 PCI-E 概 念 。 对 于 笔 记 本 来 说 ， 从 它 诞 生 的 那 天 起 就 一直 使 用 着 PATA（ 并 行 ATA， 以 下 简 称 PATA） 来 连 接 硬 盘 ， SATA 的 出 现 无 疑是 一 项 硬 盘 接 口 的

2、 革 命 。 而 如 今 随 着 INTEL 的 积 极 推 动 ， 笔 记 本 也 开 始 迈 入SATA 的 阵 营 。关 于 SATA 的 优 势 ， 笔 者 相 信 诸 位 也 都 有 了 解 。 确 实 ， 比 起 PATA， SATA有 着 很 多 不 可 比 拟 的 优 势 ， 而 笔 者 将 在 本 文 中 透 过 技 术 细 节 来 多 其 进 行 分 析 。 相 信您 读 完 本 文 后 会 对 SATA 有 着 更 深 入 的 了 解 。 另 外 由 于 本 文 主 要 针 对 笔 记 本 和 台 式机 ， 所 以 诸 如 RAID 等 技 术 不 在 本 文 讨 论 范

3、 围 之 内 。串 行 通 信 和 并 行 通 信再 进 行 详 细 的 介 绍 之 前 ， 我 们 先 了 解 一 下 串 行 通 信 和 并 行 通 信 的 特 点 。一 般 来 说 ， 串 行 通 信 一 般 由 二 根 信 号 线 和 一 根 地 线 就 可 完 成 互 相 的 信 息 的 传 送 。如 下 图 ， 我 们 看 到 设 备 A 和 设 备 B 之 间 的 信 号 交 换 仅 用 了 两 根 信 号 线 和 一 根 地 线就 完 成 了 。 这 样 ， 在 一 个 时 钟 内 ， 二 个 bit 的 数 据 就 会 被 传 输 （ 每 个 方 向 一 个bit， 全 双

4、工 ） ， 如 果 能 时 钟 频 率 足 够 高 ， 那 么 数 据 的 传 输 速 度 就 会 足 够 快 。图 1： 全 双 工 串 行 传 输如 果 为 了 节 省 成 本 ， 我 们 也 可 以 只 用 一 根 信 号 线 和 一 根 地 线 连 接 。 这 样 在 一 个 时钟 内 只 有 一 个 bit 被 传 输 （ 半 双 工 ） ， 我 们 也 同 样 可 以 提 高 时 钟 频 率 来 提 升 其 速 度 。图 2： 半 双 工 串 行 传 输而 并 行 通 信 在 本 质 上 是 和 串 行 通 信 一 样 的 。 唯 一 的 区 别 是 并 行 通 信 依 靠 多 条

5、 数 据线 在 一 个 时 钟 周 期 里 传 送 更 多 的 bit。 下 图 中 ， 数 据 线 已 经 不 是 一 条 或 者 是 两 条 ，而 是 多 条 。 我 们 很 容 易 知 道 ， 如 果 有 8 根 数 据 线 的 话 ， 在 同 一 时 钟 周 期 内 传 送 的的 数 据 量 是 8bit。 如 果 我 们 的 数 据 线 足 够 多 的 话 ， 比 如 PCI 总 线 ， 那 一 个 周 期 内就 可 以 传 送 32bit 的 数 据 。图 3： 并 行 传 输在 这 里 ， 笔 者 想 提 醒 各 位 读 者 ， 对 于 一 款 产 品 来 说 ， 用 最 低 的

6、 成 本 来 满 足 带 宽 的需 要 ， 那 就 是 成 功 的 设 计 ， 而 不 会 在 意 你 是 串 行 通 信 还 是 并 行 通 信 ， 也 不 会 管 你 的传 输 技 术 是 先 进 还 是 落 后 。第 2 页 ： PATA 的 技 术 特 点 和 缺 陷PATA 接 口 的 速 度我 们 知 道 ， ATA-33 的 速 度 为 33MB/S， ATA-100 的 速 度 是 100MB/S。 那 这个 速 度 是 如 何 计 算 出 来 的 呢 ？首 先 ， 我 们 需 要 知 道 总 线 上 的 时 钟 频 率 ， 比 如 ATA-100 是 25MHz， PATA的

7、 并 行 数 据 线 有 16 根 ， 一 次 能 传 送 16bit 的 数 据 。 而 ATA-66 以 上 的 规 范 为 了 降低 总 线 本 身 的 频 率 ， PATA 被 设 计 成 在 时 钟 的 上 下 沿 都 能 传 输 数 据 （ 类 似 DDR的 原 理 ） ， 使 得 在 一 个 时 钟 周 期 内 能 传 送 32bit。这 样 ， 我 们 很 容 易 得 出 ATA-100 的 速 度 为 ：25M*16bit*2=800Mbps=100MByte/s。PATA 的 局 限 性在 相 同 频 率 下 ， 并 行 总 线 优 于 串 行 总 线 。 随 着 当 前

8、硬 盘 的 数 据 传 输 率 越 来 越 高 ，传 统 的 并 行 ATA 接 口 日 益 逐 渐 暴 露 出 一 些 设 计 上 的 缺 陷 ， 其 中 最 致 命 的 莫 过 于 并行 线 路 的 信 号 干 扰 问 题 。那 各 信 号 线 之 间 是 如 何 干 扰 的 呢 ？1， 首 先 是 信 号 的 反 射 现 象 。 从 南 桥 发 出 的 PATA 信 号 ， 通 过 扁 长 的 信 号 线 到达 硬 盘 （ 在 笔 记 本 上 对 应 的 也 有 从 南 桥 引 出 PATA 接 口 ， 一 直 布 线 到 硬 盘 的 接 口 ）。 学 过 微 波 通 信 的 读 者 肯

9、 定 知 道 ， 信 号 在 到 达 PATA 硬 盘 后 不 可 避 免 的 会 发 生 反弹 ， 而 反 弹 的 信 号 必 将 叠 加 到 当 前 正 在 被 传 输 的 信 号 上 ， 导 致 传 输 中 数 据 的 完 整 性被 破 坏 ， 引 起 接 受 端 误 判 。所 以 在 实 际 的 设 计 中 ， 都 必 须 要 设 计 相 应 的 电 路 来 保 证 信 号 的 完 整 性 。图 4： 信 号 反 射 问 题 的 解 决我 们 看 到 ， 从 南 桥 发 出 的 PATA 信 号 一 般 都 需 要 经 过 一 个 排 阻 才 发 送 到PATA 的 设 备 。 我 们

10、 必 须 加 上 至 少 30 个 电 阻 （ 除 了 16 根 数 据 线 ， 还 有 一 些 控 制信 号 ） 才 能 有 效 的 防 止 信 号 的 反 弹 。 而 在 硬 盘 内 部 ， 硬 盘 厂 商 会 在 里 面 接 上 终 端 电阻 以 防 止 引 号 反 弹 。 这 不 仅 对 成 本 有 所 上 升 ， 也 对 PCB 的 布 局 也 造 成 了 困 扰 。当 然 ， 信 号 反 弹 在 任 何 高 速 电 路 里 都 会 发 生 ， 在 SATA 里 我 们 也 会 看 到 终 端电 阻 ， 但 因 为 SATA 的 数 据 线 比 PATA 少 很 多 ， 并 且 采

11、用 了 差 分 信 号 传 输 ， 所 以这 个 问 题 并 不 突 出 。2， 其 次 是 信 号 的 偏 移 问 题理 论 上 ， 并 行 总 线 的 数 据 线 的 长 度 应 该 是 一 致 的 。 而 在 实 际 上 ， 这 点 很 难 得 到 保 证 。信 号 线 长 度 的 不 一 致 性 会 导 致 某 个 信 号 过 快 /过 慢 到 达 接 受 端 ， 导 致 逻 辑 误 判 。 不仅 如 此 ， 导 致 信 号 延 迟 的 原 因 还 有 很 多 ， 比 如 线 路 板 上 的 分 布 电 容 、 信 号 线 在 高 频时 产 生 的 感 抗 等 都 会 引 起 信 号

12、的 延 迟 。图 5： 信 号 偏 移如 图 ， 在 左 侧 南 桥 端 我 们 发 送 的 数 据 为 1， 1， 1， 0， 在 发 送 到 硬 盘 的 过 程中 ， 第 四 个 信 号 由 于 某 种 原 因 出 现 延 迟 ， 在 判 断 时 刻 还 没 到 达 接 受 端 。 这 样 ， 接 受端 判 断 接 受 到 的 信 号 为 1， 1， 1， 1， 出 现 错 误 。 由 此 也 可 看 出 ， 并 行 数 据 线 越 多 ，出 现 错 误 的 概 率 也 越 大 。下 图 是 SONY Z1 的 硬 盘 转 接 线 ， 我 们 看 到 ， 设 计 师 做 了 不 少 蛇 行

13、 走 线 以 满 足PATA 数 据 线 的 长 度 一 致 性 要 求 。图 6： 硬 盘 转 接 线 上 的 蛇 行 走 线第 3 页：PATA 的解决方案我 们 可 以 很 容 易 想 像 ， 信 号 的 时 钟 越 快 ， 被 判 断 信 号 判 断 的 时 间 就 越 短 ， 出 现 误判 的 可 能 性 就 越 大 。 见 下 图 ：图 7： 总 线 频 率 和 误 判 概 率 的 关 系在 较 慢 的 总 线 上 （ 上 ） ， 允 许 数 据 信 号 和 判 断 信 号 的 时 间 误 差 为 a， 而 在 高速 的 总 线 上 （ 下 ） ， 允 许 误 差 为 b。 速 度

14、 越 快 ， 允 许 的 误 差 越 小 。 这 也 是 PATA的 总 线 频 率 提 升 的 局 限 性 ， 而 总 线 频 率 直 接 影 响 着 硬 盘 传 输 速 度 。 。 。3， 还 有 是 信 号 线 间 的 干 扰 （ 串 音 干 扰 ）这 种 干 扰 几 乎 存 在 与 任 何 电 路 。 和 信 号 偏 移 一 样 ， 串 音 干 扰 也 是 并 行 通 信 的 通 病 。由 于 并 行 通 信 需 要 多 条 信 号 线 并 行 走 线 （ 以 满 足 长 度 、 分 布 电 容 等 参 数 的 一 致 性 ） ，而 串 音 干 扰 就 是 在 这 时 候 导 致 的

15、。 由 于 信 号 线 在 传 输 数 据 的 过 程 中 不 停 的 以0， 1 间 变 换 ， 导 致 其 周 边 的 磁 场 变 化 甚 快 。 通 过 法 拉 第 定 律 我 们 知 道 ， 磁 场 变 化 越快 ， 切 割 磁 力 线 的 导 线 上 的 电 压 越 大 。 这 个 电 压 将 导 致 信 号 的 变 形 ， 信 号 频 率 越 高 ，干 扰 愈 加 严 重 ， 直 至 完 全 无 法 工 作 。 串 音 干 扰 可 以 说 这 是 对 并 行 的 PATA 线 路影 响 最 大 的 不 利 因 素 ， 并 且 大 大 限 制 了 线 路 的 长 度 。图 8： 信

16、号 串 扰 问 题如 图 ， 从 南 桥 发 出 的 信 号 在 被 串 音 干 扰 后 ， 第 二 位 已 经 出 错 ， 而 第 四 位 则 处 于 判断 准 位 的 临 界 状 态 ， 已 经 无 法 识 别 。事 实 上 ， 除 了 信 号 干 扰 这 一 根 本 原 因 之 外 ， PATA 还 有 许 多 不 尽 如 人 意 的 地 方 ，譬 如 不 支 持 热 插 拔 、 容 错 性 差 、 功 耗 高 、 影 响 散 热 及 连 接 线 长 度 有 限 等 等 。 也 因 此 ，推 动 了 Serial ATA 技 术 的 快 速 发 展 。PATA 的 解 决 方 案上 文

17、中 ， 我 们 看 到 了 PATA 在 传 输 中 面 临 的 问 题 。 在 ATA 从 ATA-33 到 目前 最 高 的 ATA-133 的 发 展 过 程 中 ， 设 计 者 也 针 对 上 面 的 问 题 提 出 了 种 种 解 决 方 案 。而 其 中 变 化 最 大 的 无 疑 是 从 ATA-33（ 总 线 频 率 8.33MHz） 到 ATA-66（ 总 线 频率 16.67MHz） 的 时 候 ， 40Pin 的 排 线 升 级 现 在 的 80Pin。 而 后 ， Maxtor 也 推 出了 速 度 更 快 的 ATA-133 规 范 ， 使 传 输 速 度 达 到 了

18、 133MB/S， 但 因 为 其 传 输 效 率问 题 而 不 了 了 之 。图 9： 80 芯 和 40 芯 的 台 式 机 PATA 硬 盘 线信 号 反 射 问 题 、 信 号 偏 移 问 题 、 信 号 串 扰 问 题 是 PATA 技 术 在 实 际 运 用 中 面临 的 问 题 ， 特 别 是 后 两 者 的 问 题 。 速 度 越 高 ， 解 决 他 们 的 难 度 就 越 大 ， 导 致 的 成 本也 就 越 大 。试 想 一 下 ， 如 果 我 们 要 提 升 PATA 的 传 输 速 度 ， 那 么 我 们 要 么 提 升 它 的 总 线 频率 ， 要 么 提 高 一 个

19、 时 钟 周 期 里 传 输 的 bit（ 增 加 数 据 宽 度 ） 。 但 无 论 是 提 高 频 率 或是 增 加 PATA 的 数 据 带 宽 度 都 将 导 致 成 本 的 上 升 并 引 起 信 号 偏 移 和 串 扰 更 加 严 重 。虽 然 在 PATA 上 也 有 简 单 的 CRC 校 验 ， 但 它 仅 是 丢 弃 错 误 数 据 并 请 求 重 发 ， 严 重影 响 了 数 据 的 传 输 效 率 。在 笔 记 本 的 设 计 上 ， 由 于 不 需 要 考 虑 DIYER 的 自 己 升 级 （ 有 也 只 是 更 换 硬 盘 ，不 涉 及 到 线 缆 的 连 接 ）

20、 ， 设 计 者 只 需 要 把 PCB 上 的 布 线 按 照 ATA 和 南 桥 的 设 计指 南 做 好 ， 一 般 而 言 是 不 会 出 现 什 么 问 题 的 。SATA 的 基 本 通 信 方 法在 Maxtor 推 出 的 ATA-133 规 范 未 果 后 ， Seagate 和 Intel 所 倡 导 的 SATA接 口 几 乎 成 为 更 高 速 度 硬 盘 的 唯 一 可 行 的 解 决 方 案 。从 SATA 的 诞 生 之 日 起 ， 它 的 新 特 性 就 决 定 了 它 的 不 平 凡 。 SATA 使 用 串 行技 术 ， 具 有 极 少 的 数 据 线 ，

21、在 台 式 机 上 我 们 可 以 看 到 有 7 根 信 号 线 ， 但 实 际 上 他仅 有 4 根 （ 2 对 ） 差 分 信 号 的 信 号 钱 。 由 于 采 用 了 差 分 信 号 线 ， 所 以 SATA 在传 输 数 据 时 几 乎 不 会 因 为 受 到 干 扰 而 出 错 。那 什 么 是 差 分 信 号 呢 ？ 我 们 来 看 下 面 的 图 ：图 10： 差 分 信 号 的 原 理图 中 左 边 的 是 一 般 信 号 的 传 输 ， 右 边 则 是 差 分 信 号 的 传 输 。我 们 先 看 左 边 ， 原 始 信 号 发 出 后 ， 通 过 引 线 发 送 到 接

22、 受 端 。 中 间 不 可 避 免 的 会 受到 其 他 信 号 的 干 扰 ， 接 受 端 得 到 的 信 号 必 将 是 原 始 信 号 和 干 扰 信 号 的 叠 加 。 图 中 接受 端 拿 到 的 最 终 信 号 由 于 受 到 干 扰 ， 在 第 二 个 时 钟 那 里 的 信 号 准 位 已 经 无 法 判 断 ，于 是 出 现 误 判 。再 来 看 右 边 ， 我 们 把 原 始 信 号 经 过 处 理 后 ， 变 成 两 个 低 电 压 信 号 （ A+和 A-） ， 两 者 相 减 （ A+） -（ A-） 等 于 原 始 信 号 。 在 经 过 干 扰 后 ， 得 到

23、B+和 B-。由 于 差 分 信 号 走 线 的 一 致 性 ， 所 以 他 们 受 到 的 干 扰 是 一 致 的 ， 也 就 是 说 ， 干 扰 对 A+和 A-的 叠 加 是 一 样 的 。 接 受 端 拿 到 B+和 B-后 ， 把 他 们 相 减 以 抵 消 干 扰 ， 得 到 原始 信 号 。 我 们 看 到 ， 最 终 信 号 和 原 始 信 号 是 一 样 的 。如 果 用 数 字 模 型 来 表 示 可 能 会 更 加 清 楚 ， 大 家 可 以 想 像 将 原 始 数 据 2 拆 解 成5（ A+） 和 3（ A-） ， 在 传 输 过 程 中 受 到 的 干 扰 假 设

24、为 1， 得 到 的 结 果 为6（ B+） 和 4（ B-） ， 则 最 终 得 到 的 数 据 仍 旧 为 为 6-4=2。差 分 信 号 的 使 用 是 高 速 数 据 传 输 的 基 础 ， 在 我 们 常 用 的 USB， 1394 等 都 是通 过 差 分 信 号 来 实 现 高 速 信 号 互 联 的 。 而 且 由 于 差 分 信 号 的 每 一 条 信 号 线 可 以 采 用较 低 的 电 压 传 送 信 号 （ PATA 是 5V， SATA 是 0.5V） ， 其 本 身 发 出 的 电 磁 干 扰 就显 得 很 小 。 另 外 ， 因 为 差 分 信 号 对 产 生 的

25、 电 磁 干 扰 能 被 他 们 自 己 互 相 抵 消 一 部 分 ，于 是 对 外 界 的 干 扰 就 更 小 了 。由 于 差 分 信 号 良 好 的 抗 干 扰 性 能 以 及 Pin 数 少 的 优 势 ， 在 差 分 信 号 上 面 传 输 的数 据 可 以 用 很 高 的 时 钟 频 率 。 SATA 的 理 论 传 输 速 度 达 到 了 150MB/S， 因 为 它 采用 了 8b/10b 的 编 码 ， 150MB/S 这 个 速 度 已 经 是 损 耗 后 的 数 据 了 。 SATA 实 际 的传 输 速 度 （ 包 含 20%的 控 制 编 码 ） 是 150MB*1

26、0/8=187.5MB/s。 如 此 算 来 ， 在SATA 的 传 输 线 上 的 频 率 可 达 187.5M*8=1500MHz。再 来 看 PATA， 它 在 频 率 达 到 16M 的 时 候 就 需 要 大 量 的 地 来 做 信 号 的 隔 离 以 满足 总 线 的 抗 干 扰 性 能 。 相 对 而 言 ， SATA 的 优 势 太 明 显 了 。实 际 上 ， 在 将 来 的 SATA-II 和 SATA-III 上 ， 其 传 输 速 度 更 将 达 到 惊 人 的300MB/S 和 600MB/S， 届 时 ， 其 总 线 频 率 也 将 高 达 3GHz 和 6GHz。

27、SATA 的 传 输 通 道SATA 和 PATA 的 另 一 个 不 同 点 是 传 输 方 式 由 共 享 总 线 变 成 了 点 到 点 的 传 输 模式 。以 INTEL 为 例 ， 在 ICH4 上 INTEL 提 供 了 2 个 PATA 的 接 口 。 也 就 是 说 你 直接 能 接 2 个 PATA 设 备 ， 而 如 果 你 需 要 接 第 三 个 设 备 的 时 候 ， 就 必 须 和 其 中 的 某 一个 设 备 共 享 一 个 PATA 通 道 ， 并 且 需 要 设 定 Master 和 Slave。 Slave 在 与 主 机 通信 的 时 候 必 须 借 助 于

28、 Master 发 送 中 断 信 息 ， 这 将 对 系 统 的 传 输 性 能 造 成 一 定 的 减弱 。图 11： PATA 的 Master/Slave 模 式而 SATA 抛 弃 了 所 谓 的 Master/Slave 模 式 ， 一 个 SATA 通 道 仅 允 许 接 入 一 个设 备 。 在 最 新 的 ICH6 上 ， INTEL 提 供 了 4 组 SATA 和 一 组 PATA。 相 应 的 在ICH6-M 上 提 供 了 3 组 SATA 和 一 组 PATA 接 口 。 这 样 传 输 模 式 的 好 处 是 ， 一 个硬 盘 能 独 享 一 条 总 线 ， 而 且 不 存 在 Master 和 Slave 的 问 题 ， 配 制 起 来 更 加 简 便 。图 12： SATA 点 到 点 传 输上 文 中 我 们 谈 到 了 SATA 的 数 据 线 有 2 对 。 分 别 用 以 发 送 和 接 收 。 我 们 看 下图 ：