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重温硬盘接口知识(中)

  DMA(ATA) 100/133

  为了进一步提高IDE硬盘的外部传输速率,Intel、IBM、DELL、APT、Maxtor和Seagate公司共同提出了Serial
ATA(串行ATA)解决方案,由Seagate正式公布了Serial ATA
1.0版规范。该规范将硬盘的外部传输速率理论值提高到了150MB/s。但由于技术上的原因,Serial ATA要实现真正的实用化还需要经过一段时期。

  在Serial ATA尚处于培育期时,Maxtor联合VIA等厂商提出了ATA/133标准(传输速率理论值为133
MB/s),而且Maxtor的ATA/133硬盘产品也已经推向了市场。

  并行ATA的发展

  ATA( Advanced Technology Attachment)从最早的ATA-1开始,经历了从ATA-1(IDE)、ATA-2(EIDE
Enhanced IDE/Fast ATA)、ATA-3(FastATA-2)、Ultra ATA、Ultra ATA/33、Ultra
ATA/66到Ultra ATA/100的发展历程。大家比较熟悉的应该是Ultra ATA/33、Ultra ATA/66和Ultra
ATA/100这几种类型的产品。其中从Ultra
ATA/66开始,硬盘接口电缆便由原来的40线增加到了80线(增加了40根地线),其主要目的是为了减小电缆之间的电磁干扰(信号串扰),以增强数据在高速传输过程中的稳定性。

  ATA/100是当时市面上占据主流地位的IDE硬盘接口,它也是ATA/66的后续类型,其硬盘接口电缆与
ATA/66相同,也是80线的接口电缆。ATA/100支持的最大外部数据传输率的理论值为 100MB/s。

  从ATA-1到Ultra
ATA/100,一直以来采用的都是并行传输模式(并行ATA),但是在并行传输模式下线路之间存在着信号串扰,却是一个不可回避的问题,尤其是在高速数据传输过程中,信号间的互相干扰对系统的稳定性造成了很大的影响,会严重降低系统的运行效率。这也就是为什么在ATA/66推出时要将硬盘接口电缆从40线增加到80线的原因,实际上增加的是40根屏蔽地线,其主要目的就是为了减小信号间的互相干扰。

  ATA/133产生的背景

  前面说过,并行ATA存在着信号串扰的问题,因此在Serial
ATA(串行ATA)规范被提出后,不少人认为ATA/100将是并行ATA的最后版本,取而代之的将是Serial
ATA。但是由于技术和产品研发等方面的原因,Serial ATA的真正实用化经历了很长一段时间。

  在Serial
ATA尚需时日的时候,人们对更高性能和更快速度的追求却不会停止,在这一背景之下,ATA/133应运而生。2001年7月31日,作为Serial
ATA成员之一的Maxtor,推出了最新的ATA/133标准,并将其命名为“Fast
Drives”。它采用与ATA/100相同的80线硬盘接口电缆,并向前兼容包括ATA/100、ATA/66和ATA/33在内的所有传统并行ATA设备。

  剖析ATA/133

  ATA/133可以说是沿袭了并行ATA接口的技术特点,只是将接口传输速率的理论值提高到了133
MB/s。相对于ATA/100来说,ATA/133的接口传输速率提高了33%。另外,ATA/133兼容包括ATA/100、ATA/66、ATA/33在内的所有并行ATA设备。对于用户来说,新的ATA/133接口能够与现有的并行ATA设备兼容使用,很好地保护了以前的投资,这也是ATA/133的一个优势。

  其实ATA/133最显著的技术特点就是将接口传输速率的理论值提高到了133MB/s,从而能够充分利用PCI总线提供的133MB/s的总线速率,更好地发挥了PCI总线的效能。在之前ATA/100应用中,硬盘接口传输速率的理论值只有100MB/s,也就是说PCI总线处于不饱和的工作状态下,而ATA/133则能很好地利用PCI总线带宽,从而更加充分地发挥了系统的整体性能。

  不过,从技术上看ATA/133并不完美。因为并行ATA在数据传输过程中存在信号串扰的问题,而且随着频率的增加,串扰问题会愈发突出。而ATA/133仍然使用80线接口电缆,只是依靠提升工作频率来获得更高的数据传输速率,因此ATA/133面临着一个难题,就是如何解决高频工作状态下的信号串扰问题。然而,在这方面ATA/133却没有什么实质性的技术突破,它只是简单地采用了CRC(循环冗余校验)数据校验来校正传输过程中的错误数据,当数据出现过多错误而无法校正时,则需要系统重新传输数据。这种方法的确能够增加系统的稳定性,但是采用这种方式也会对系统的工作效率造成不小的影响。

  虽然Maxtor给了ATA/133一个新的称谓——“Fast
Drives”,但实际上它应该算是ATA/100的后继产品。ATA/133基本上可以理解为是在ATA/100的基础上通过进一步调高工作频率,从而提高数据传输速率的一个硬盘接口标准。其接口类型和接口电缆都与ATA/100没有什么区别,只是工作频率更高一些而已。当然,它也有明显的优势:正是由于ATA/133具有这样的特点,因此从ATA/100到ATA/133的过渡,基本上没有什么技术难点,硬盘厂商和芯片组厂商都不必对现有系统作非常大的改动,实现起来相对比较容易,所以ATA/133规范能够很快地得以实用化,其产品也迅速地进入了市场。

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  Fast Drives的标志

  所以说,严格来讲,DMA 100/133并不是新的接口规范,它们只是对EIDE接口的增强。传统的IDE数据传输仅仅利用了单边带的数据脉冲。DMA
100/133则在数据传输时使用了双边带的数据脉冲。因此,使用该技术的硬盘并配合相应的芯片组,最大传输速度可以提高到133MS/s,向下兼容采用
80芯的线40针的接口,支持 CRC
错误检测修正技术。它们最大的优点在于把CPU从大量的数据传输中解放出来了,可以把数据从HDD直接传输到主存而不占用更多的CPU资源,从而在一定程度上提高了整个系统的性能。DMA
100/133已成为E-IDE硬盘接口事实上的标准。

  当然ATA 100/133的数据传输率只是一个理论值,实际使用中是无法达到最大值的,而当时硬盘的最大内部传输率也就在50M/s左右,无法充分发挥ATA
100/133接口的能力。

  SATA接口

  >>>>Serial ATA历史背景

  一直以来IDE硬盘都采用并行传输模式(并行ATA),但是并行传输过程中存在一个不可避免的问题:线路间的信号会互相干扰。在传输速率比较低的情况下,存在一定的信号串扰并不会带来多大的影响,但是在高速数据传输过程中,信号串扰问题就显得非常突出,严重的影响着系统的稳定性。因此,在人们对硬盘传输速率要求越来越高的同时,并行ATA却显得越来越力不从心了。另外,并行ATA也存在着一些显而易见的缺点:首先,并行ATA每次传输多位数据,因此数据通道要求的数据线的数量比较多,在ATA/66以前连接硬盘的数据排线就是40线的,而ATA/66、ATA/100和最新的ATA/133的接口数据电缆则都是80线的,这样不仅接口线缆的成本提高了,而且也造成了机箱内连线复杂凌乱,空气流通受阻,散热受到影响。其次,并行ATA设计采用5V电压供电,在当今不断降低电压、减小功耗的趋势下,这也是需要改进的。

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  Serial ATA的标志

  在并行ATA性能提升后劲不足的情况下,2000年2月Intel在IDF(Intel Developer
Forum——Intel开发者论坛)上,首次提出了串行ATA(Serial ATA)的技术构想,并专门成立了Serial ATA标准的官方工作组(Serial
ATA Working
Group)。除了Intel之外,该工作组还包括了业内众多有影响的公司,如IBM、Dell、APT、Maxtor、Quantum(其硬盘部门已与Maxtor公司合并)和Seagate公司。2000年12月18日,Serial
ATA工作组公布了Serial ATA草案1.0版。

  2001年8月,Seagate在IDF Fall 2001大会上宣布了Serial ATA 1.0标准,Serial
ATA规范正式确立。在1.0版规范中规定的Serial
ATA数据传输速度为150MB/s,比目前主流的并行ATA标准ATA/100高出50%,比最新的ATA/133还要高出约13%。而且随着未来后续版本的发展,其接口速率还可扩展到2X和4X(300MB/s和600MB/s)。从其发展计划来看,未来Serial
ATA的也将通过提升时钟频率来提高接口传输速率。

  串行ATA比并行ATA快

  并行ATA一次可传输4个字节(4×8位)的数据,而串行ATA每次传输的数据只有一位,那么为什么在高速传输过程中却要使用串行ATA呢?其实主要原因还是并行传输存在着信号串扰的问题。而串行传输就没有这个问题了,从理论上说串行传输的工作频率可以无限提高,Serial
ATA就是通过提高工作频率来提升接口传输速率的。因此Serial
ATA可以实现更高的传输速率,而并行ATA在没有有效地解决信号串扰问题之前,则很难达到这样高的传输速率,这也是为什么新的硬盘接口标准会采用串行传输的原因。

  Serial ATA剖析

  Serial
ATA实现数据传输的原理相对而言是比较简单的。顾名思义,它采用的是串行数据传输方式,每一个时钟周期只传输一位二进制数据。因此,Serial
ATA的接口连接线就变得非常简洁了——只需要4根线就可以实现数据传输(第1根发数据,第2根接收数据,第3根供电,第4根地线)。目前并行ATA采用80线的接口连接线,而Serial
ATA的硬盘接口线则明显地要简洁得多,所以,在实际应用中,使用Serial ATA设备的机箱会更整洁一些,散热效果也相对要好一点。而且,Serial
ATA传输线的成本低。

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  另外,由于串行传输方式不会遇到信号串扰问题,所以Serial ATA要想提高传输速度的话,只需要提高控制芯片的工作频率即可。

  Serial ATA采用的是点对点传输协议,每一个硬盘与主机通信时都独占一个通道,系统中所有的硬盘都是对等的,因此,在Serial
ATA中将不存在“主/从”盘的区别,用户也不用再费事去设置硬盘的相关跳线了。Serial
ATA的点对点传输模式的另一个好处是,每一个硬盘都可以独享通道带宽,这对于提高性能是有好处的。不过点对点传输模式也存在一定的缺陷:首先,由于面向桌面应用的Serial
ATA适配卡或支持Serial ATA的芯片组只能支持两个通道,而Serial
ATA的每个通道只能连接一个设备,这就意味着用户在一般情况下只能使用两个设备,当用户需要同时使用多个Serial ATA设备时,唯一的方法是安装多块Serial
ATA适配卡,这对于用户来说是很不经济的。其次,虽然从理论上说每一个硬盘都可以独享通道带宽,但实际情况却并非如此。由于PCI总线的带宽为133MB/s,而单个Serial
ATA控制器的带宽就已经达到了150MB/s。如果系统要支持两个Serial ATA设备的话,芯片组的南桥(或ICH)就必须集成两个Serial
ATA控制器,才能提供300MB/s的带宽。我们知道,Intel南北桥之间的Hub-Link总线和VIA的V-Link总线的带宽都只有266MB/s,而此时两个Serial
ATA控制器提供的300MB/s带宽已经超过了芯片组南北桥之间的传输速率,很显然此时Serial
ATA与整机系统速度是不匹配的。在实际应用中,硬盘与控制器之间的数据传输速率是不可能超过南北桥之间的数据传输速率的,因此Serial
ATA的这种独占通道的方式就显得扩展性不足。SiS 645的MuTIOL已经达到了533MB/s的传输速率,其单芯片的SiS
735更是达到了1.06GB/s。

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  由于串行ATA与传统的并行ATA是不兼容的,对于这个问题,Serial ATA在设计的时候也着重加以考虑。Serial
ATA可以通过转换器与并行ATA系统兼容使用。转换器能够将主板的并行ATA信号转换成串行ATA信号供Serial ATA硬盘所用,或者将主板的Serial
ATA信号转换成普通并行ATA硬盘能够接收的并行ATA信号,而且这种转换器的使用方式也非常灵活。

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  Serial ATA转换器应用方式

  从软件方面来说,Serial ATA的兼容性不存在任何问题。Serial
ATA与当前所有的操作系统都能很好地兼容,不需要对操作系统或是驱动程序做任何修改就可以正常的使用。因此在兼容性方面Serial ATA不会存在问题。

  Serial ATA的另一个优势是它的低电压设计。Serial
ATA采用±250mV供电,能够有效地减小系统的功耗。这一点非常符合当今IT产品降低电压、节约能耗的发展趋势。

  未完待续

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