作者：Andy Turudic，杰尔系统公司高级技术经理
在整个行业降低芯片引脚数量、减少 EMI 及消除 5V 容限信令的呼声中，串行 ATA (sATA) 磁盘驱动器接口应用最近在企业及台式机系统中明显增多。sATA 接口在硬盘驱动器、DVD/CDR 播放器/刻录机、主板和 RAID 控制器中的应用给大容量存储设备的连接及使用方式带来了挑战。其优势在于降低电源功耗，减少电源线缆和接头数量，提高系统的通风性能，增强芯片电压兼容性，新增热插拔功能，而且还大大简化了电源管理，提高了抗电磁干扰能力，而最大的优势是降低了成本。交货量的增加使得价格大幅降低，据市场分析师预测，如果发展顺利，最快到 2007 年，并行ATA (pATA) 驱动器接口就将寿终正寝， 完全被sATA驱动器接口取代。
尽管sATA最初的主要目标是面向台式机及笔记型电脑市场的低成本接口，但是其在台式机高端应用及企业低端应用中都找到了意料之外的收获。尤其是，高性能主板除了保留两个过渡性的传统 pATA 之外，新增了对多个 sATA 接口的支持功能。在这些 sATA 接口中，一般有两个接口配置成简单磁盘捆绑（JBOD），包括一个系统“引导”驱动器及一个扩展驱动器，同时仍然可支持 RAID 0和RAID 1配置。
利用 sATA，RAID（独立磁盘冗余阵列）中的“独立”叫法正逐渐被“低成本”一词所取代——因其与采用光纤通道 (FC)、SCSI 及串行连接 SCSI (SAS) 接口的传统企业 RAID 驱动器相比更低廉。
在企业存储中，通常通过接口、FC 或 SCSI 来识别高可靠性驱动器。利用“台式机”sATA 接口，硬盘驱动器制造商能够在通过精确的马达控制，优异的散热性能，良好的存储介质及机械设计，构建出具有低误码率(BER) 的驱动器。
因此，我们可以采用相同物理层平台的通用主机及硬盘驱动器控制器，使存储系统用户能够利用相同的互联（背板或线缆）、软件以及主机硬件权衡驱动设备的可靠性和成本。
为此，随着台式机、移动应用及企业级驱动器对内部传输速率以及BER的要求不断提高，我们已相应调整了物理层 (PHY) 宏单元策略，以适应上述技术的提高。如图 1 所示，极高的内部传输速率以及出色的误码率需要在存储片上系统 (SoC) 中采用极其复杂的模拟前端 (AFE) 和读取通道技术。使用 130nm 或 90nm CMOS 工艺能够在一定程度上满足低功耗以及面积/成本效率需求。
对于近期的sATA及SAS应用而言，该CMOS工艺技术还可实现新的PHY宏单元以超低功耗在 1.5Gbps（sATA-150）及3.0Gpbs（sATA-300与SAS）速率下运行；而对于近期推出的sATA和SAS应用，速率可达6.5Gpbs，未来的光纤通道应用，速率更可达到8.5Gpbs。去年推出、现已开始供货的 90nm 信号处理PHY宏单元为SoC 设计人员解决因数据速率不断提高而带来的连线问题提供了低成本、低功耗的解决方案。通过采用先进的信号处理技术打开接收机的信号眼图，我们已经证实：通过传统 RF4 背板及原有 sATA 连线，NRZ信令的串行数据传输速率可高达6.0Gbs 以上。
图 1：内部数据传输速率
利用这些PHY功能，sATA 通过全新的系统配置就有机会进军台式机高端或企业低端应用市场。值得特别注意的是，sATA 驱动器可以配置成 RAID 0模式，其通过 n 个驱动器传输数据，只要相应的驱动器接口速度匹配，就可以将猝发数据传输速率提高 n 倍。另外还可以实现 RAID 冗余、镜像以及热待机模式等其他组合，不过与接口速度需求关系不大。用于驱动器热插拔的sATA功能可以提升速度和容量，并在毋需停止系统或中断正在运行应用程序的情况下更换故障部件或写入备份镜像。
RAID 0 配置中的 n 倍驱动器数据猝发速率潜力使高传输速率驱动器能够达到更高的汇聚速度，其中包括远远超过 PCI-X 总线的 133MHz 的速度。为此，主板可以集成 PCI-Express ——一种条带化后可达到高汇聚带宽的串行链路。图 2 分别显示了台式机与服务器架构采用 PCI-Express 的最佳 sATA 系统配置。
图 2：台式机与企业计算机架构
随着条带化 RAID 0驱动器有效速度的不断提高，PCI 接口自身会成为接口传输速度的限制因素，因为南桥上的其他器件及接口会与北桥器件争用带宽。如图 2 客户机架构所示，我们通过如下方法可解决上述潜在瓶颈：为接口分配适当数量的 PCI-Express 串行通道来提高南/北桥接口速度，每组PCI-Express均以2.0Gbs的速率运行，不久的将来会达到 5.0Gbs。然后，每个 sATA、千兆以太网以及 PCI插槽卡都会占用北桥器件的带宽，不过其足以满足大多数台式机应用的需求。
不过，对于企业服务器应用来说，大型硬盘驱动器阵列可以最大化 RAID 内外的有效猝发存取速度。在此方面，最佳方案是直接为北桥器件提供 RAID 0 sATA 接口，以最小化在 sATA 阵列之间传输数据的窗口。这样，搜寻柱面的时间、旋转时延以及接口速度较为突出，需要进行负载平衡。为保持同步，sATA 支持 3.0Gbs（未编码时数据速率为2.4Gbs）双速接口模式，是 pATA 最高传输速率的两倍多，在未来两年内有望使PHY的速度再翻一番。
此外，借助为降低主机负载而设计的协议叠加，sATA 还可进一步提高其在企业 RAID 应用中的适应性。sATA 同时支持本机命令队列 (NCQ) 和第一方 DMA。不用等待磁盘旋转到正确位置或者等待磁头寻找远处的磁道，主机处理器即可以利用 NCQ 发出一个数据存取命令序列，即驱动器控制器排队等候，首先存取最靠近当前磁头位置的数据，然后使用耗时最少的算法逐个完成命令队列。最后数据利用第一方 DMA 自动从驱动器控制器传输到主机存储器而完全无需主机干预。
NCQ、第一方 DMA、高速 3.0Gbs 驱动器接口、高速内部磁盘传输速率以及 sATA接口从南桥向北桥的转移预示了台式机/客户机以及企业/服务器硬盘驱动器应用的汇聚。随着处理器、存储器以及网络接口速度的提升，硬盘驱动器PHY接口的速度也不可避免地需要提高，目前标准机构正在探讨将 6.0Gbs 接口用作新一代高速接口。在高性能台式机应用中部署基于 sATA 的 RAID 将显著提高设备容量并大幅降低成本，从而使企业系统构架师能够重视 aATA 硬盘驱动器在企业应用中的成本优势及优异性能。
