串行ATA总线应用技术

串行ATA (SATA-Serial ATA)是Intel代表的存储设备开发商开发的ATA-7串行版本SATA 1.0。目的是把基于ATA的存储能够更普遍应用于桌面、移动存储设备、低端服务器和网络存储领域[1]。2004年4月，IDF再次对标准1.0版本的带宽和物理层连接器进行较大改进，并发布了增强的标准SATA I，以兼容SAS物理层，满足数据中心存储需要[1]。使基于ATA的存储设备性能与中、低端企业级SCSI存储设备性能重叠，适应数据生命周期和企业存储分层等应用模式的开展。与ATA物理接口结构改变对应，SATA硬盘在机械系统、传输模式、信号方式、伺服系统、磁介质等都有一定的改变或改进，并大量借鉴SCSI技术，其基本带宽达到1.5GMps，是一种典型的“后PC”技术[2]。

1 SATA技术要点

　　1.1 简化的模型

SATA串行链路接口协议借鉴了ISO/OSI和TCP/IP模型的组织方式和对象、服务、层次封装等概念，沿用层次化的描述方法，从低向上分别为物理层、链路层、传输层和应用层四层。由于通信是在主机和存储设备非对等的双方进行的，所以传统的peer-to-peer实体指代发生了变化。

　　1.2 协议状态机机制

SATA协议操作主要通过通信实体协议栈的传输控制状态机(Transport State Machine)和链路状态机(Link State Machine)两大核心子模块完成，其中链路状态机完成与串行线路相关的操作，传输控制状态机通过把上层操作分解成可与链路状态交换的一系列动作，使用接口中的子模块资源，完成与主机平台相关的操作。两状态机在传输数据过程中相互协调工作行为，最优化应用资源。

　　1.3 精简高效的核心技术

SATA是高速串行总线技术，为了在区区4条数据线上得到比并行16条数据线还要高的数据传输率，结构上减少协议层次，精简协议内容和算法复杂性；技术上各层大量采用支持高速或有利于传输的技术。这些技术主要有：

帧技术 SATA采用帧作为基本传输单元，支持七种类型、最大长度达8192字节的帧传输。在帧结构中，HOLD、HOLDA(32位)原语用于流量控制，FIS Content是有效载荷。

本地命令队列 NCQ[3](NCQ-Native Command Queuing)是在SATA I中引入的一个强大的磁盘接口技术，目的在于减少主机和设备的握手次数、聚合数据中断，减少接口事务数量。达到减少驱动器的寻道和旋转的机械位置延迟，提高队列负载性能的目的。NCQ是对SATA 1.0所做的诸多功能扩展中唯一与性能密切相关的技术。NCQ采用RPO磁盘旋转位置命令调度算法，支持线程和最大达32级深度的命令队列管理，增加Race-free状态返回机制、中断聚合和First Parity DMA三个新的能力。

· 点到点的连接 SATA存储设备与主机的连接采用点对点连接和星型拓扑，连接带宽专用，降低了共享仲裁和配置的复杂性，避免了单点故障，改善了可扩展性和并发操作能力。

· 全层次错误检测支持 在SATA协议栈中，错误的检测从低层一直延伸到顶层[4]。层之间的错误通过接口状态寄存器和接口错误寄存器进行传递，每层都有错误发现、错误控制和错误报告恢复能力。根据错误性质和可恢复程度，有Freeze、Abort、Retry和Track/Ignore四种处理策略。

·改进的线缆连接器和热插[5] SATA的信号线和电源线独立配置，各信号线或电源线之间使用地线分隔。盲匹配设计，头部有额外的用于插拔定位和保护的凸出；支持带外硬盘检测，实现了完整的热插拔支持。

·其他技术 SATA使用字母标记来描述数据位和控制变量，使用8B/10B编码方案把SATA未编码的数据和控制字节翻译成字符串。传输的信号采用与现有SCSI电路兼容的(偏移值为250mv)的低电压差动(LVD)技术。电源管理细粒度化，它不仅能对存储设备的电源进行管理，还具有自我管理功能，能把不运行的部分置于低功耗模式。

2 SATA应用方案

　　2.1 桥

串行存储设备定位于桌面和中低端网络存储，为了能够在这些并行接口主导的领域开展应用，业界沿用了传统的“并串兼容共存、逐渐过渡到纯串行”的策略。目前实现这种策略的主流方案是桥。SATA/PATA桥是基于现有系统总线，通过附加SATA/PATA转换卡，实现串行/并行转换，把先进的串行设备集成到并行结构环境中。

桥是目前解决SATA和PATA在系统中共存的一个理想、便捷的方案，具有不影响原有的系统、开发周期短等优势，不足在于桥芯片没有提高性能，却增加了成本、板空间和功耗，同时还增加驱动器印刷电路板设计和生产的复杂性，所以只能作为一个过渡的解决方案。

　　2.2 本地设备

该策略是直接把SATA硬盘连入系统结构中，省缺了桥方式中大量的转换和策略延迟，最大限度发挥SATA功能特