SATA Ⅲ重炮逆袭下.docx
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SATAⅢ重炮逆袭下
SATAⅢ重炮逆袭(下)
SATA从1.5Gbps升级到3Gbps,低价的优势在内接储存市场无敌称霸王;如今,SATAⅢ的6Gbps,飞上了更高的云端。
其诱人的庞大带宽,不仅威胁到高阶企业市场。
也是拉拔USB3.0的催化剂;SATAⅢ加上了USB3.0的光环,无论在HDD还是SSD市场。
始终还是要纵横天下。
SATA的技术观点:
SATA的确好用,几乎即插即用;完全沿用了过去PATA上所累积的所有软件资产,丢弃了PATA的包袱,改用点对点的连接方式,又有芯片组的内建与驱动程序的充分支持。
这点不难确认,从设备管理器画面上,就可以看的一清二楚。
若是来俯瞰SATA的架构,它如同PCIExpress一般,多是阶层式的架构iSATA共有四层架构,由上而下分别是“应用层(Applicationbayer)”、“传载层(Transportlayer)”、“连结层(Linklayer)”与“物理层(PHY)”:
底下两层容易理解,比较容易陷入迷惑的地方在于上层。
应用层是担当了所有ATA命令的执行,而传载层的任务就是双端数据封包框的传送,SATA采用了一种数据结构,称之为FIS(FrameInformationStructure)。
主机与应用层之间的互动,其实就是成群的缓存器,与PATA相同;这就是为何SATA可以沿用所有PATA软件资产的主要原因所在。
SATA野心庞大,除了取代PATA的内接式市场,还垂涎于背板(backplane)以及外接市场。
不过,看起来还是以内接应用为大宗。
背板市场可是企业专用的领域。
至于SAS,就是重重地依赖着SATA的底下三层,同时赚到低价又快速的优势。
SATA的连接器与连接线,算是简单明了;信号线与电源线各自分离,好处是减少不必要的干扰,缺点是需要两条线,不像USB的简单一条鞭。
如果就信号线来说,就是一对传送一对接收,用地线的隔离,得以让连接线的成本降到最低。
而内部连接线的最大长度,定在一米。
不难得知,传送系采用了全双工(FullDuplex)的方式。
再怎么说,一旦跑到3Gbps、6Gbps的高水平领域;对于线材的要求还是必要的,就好像玩音响一般,欲获得优越的音质,除了机器本身的慎重选择之外,线材的适当运用也是必要的。
从技术面来说,要考虑的因素,不外乎有底下这些基本参数:
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连接器与连接线的差动阻抗与共模阻抗:
前者约100奥姆。
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差入损失(Insertionloss)。
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串音(crosstaIk(NEXT)。
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(s)(Inter-symbolInterference)参数。
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信号线对的时滞(Intra-PairSkew)。
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满足EMS需求。
所谓的“好线”,就是上述电气特性卓越的线材。
至于“发烧线”,骗钱者多;想一想一个简单的逻辑,有哪一条线会将其差动特性阻抗与时滞数据,秀给您看。
在SATA2.6中还追加入了MicroSATA(1.8装置)与MiniSATA。
USB的连接器种类已经搞得七晕八素,SATA也是一样,内外连接器定了一堆,很容易令人搞混。
搞PC的人就是有这种通病,彻底败给苹果。
若从物理层来观看,最为前端的模拟部分,除了传送与接收驱动线路之外:
SATA还规划一种称之为“OOB(Out-of-band)信号”。
差动传输的理想,当然就是要将传送信号的时滞(skew)降到最低,毕竟这个时滞会引起高频的抖动以及令人困扰的共模噪声(也就是EMI来源之一)。
原本SATA1.5Gbps的内接,在连结上允许AC耦合或是DC耦合;SATAⅡ以上就必须采用AC耦合。
OOB信号在SATA接口上的用途,扮演着非常吃重的任务:
与USB3.0的LFPS有点类似。
基本上来说,主要的用意有:
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初始化(inltlaIizatlon)。
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传送速度的协商。
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重置(Reset)。
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从省电状态的唤醒。
规格中有展示了一张PHY的功能方块图,可以揣摩出所需约略的功能。
OOB信号的实践,实际上是仰赖着COMRESET/COMINIT与COMWAKE等三个PHY信号线。
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COMRESET,主机对装置的硬件重置。
?
COMINIT装置送往主机。
?
COMWAKE:
主机或是装置,可以激发该信号来将PHY从省电状态抽离。
这些OOB信号有其信号与时序法则,也是SATA测试中很重要的一个环节。
它的构成方式,即是由接口上的猝发(Burst)信号与闲置(1dle)信号来建构的。
一个完整的OOB信号,系由6个猝发/闲置的周期构成。
其中的空闲时间长短,可以判定出是COMRESET/COMINIT或是COMWAKE信号。
先从COMRESET来说起。
该信号是主机端激发,对装置做硬件重置。
每一个猝发的时间1067ns,闲置(Idle)时间320ns。
装置对于COMRESET会响应COMINIT,然后主机与装置经由COMWAKE之后自行校准传送器。
接着下来就是速度的协商了。
装置会以所支持的最高速度比特率送出“校准序列(ALIGNsequence)”,若是没有接到主机来的响应,表示主机未能采用这个速度。
若是还有支持更低的速度,再度确认。
如果连最低速度的沟通,都未能成立,就表示有错误发生。
COMINIT始终由装置送往主机端,要求通信的初始化。
就电气观点来说,作用颇类似COMRESET,只是需由装置来激发。
SATA规格中使用的数据结构,有几个名词必须要先厘清,否则看了会很累。
第一个就是“基元(Primitive)”,它是一个四元组的信息,顺序上系由一个控制字符加上三个数据字符,用于链接层的传载控制。
譬如说,OOB信号就会使用到“校准基元(ALIGNPrimitive)”。
其次,来谈及FIS(FrameInformationStructure):
这是在SATA中一个极为重要的数据结构:
毕竟,主机与装置之间的数据交换单位,即是一个数据框封包的形式。
规格中定义了多种FIS,各有其用途。
就列举最为主要的FIS来解释。
请掌握住一个观念,SATA的访问方法,系使用了FIS的数据结构i从装置读取的状态,会更新所谓的“影子缓存器(shadowRegister)”。
其一,Register-HosttoDevice(RegHD);乃是由主机送往装置,比如说对装置发行命令的场合。
其二,Register-DevicetoHost(RegDH):
从装置送往主机端,比如说传送装置的状态变化。
其三,数据FIS,方向可能是主机送往装置或是装置传送给主机;通常是传送诸如扇区的数据等。
兹举一例“IdentifyDevice”命令来观察其细节上的流程。
在SATA连结层方面,系使用了众多采用采用的8b/10b编码方式,这是18M在80年代初期所开发的编码机制,“直流平衡”特性相当卓越,才会受到不少接口的采用,比如说,PCIExpress、SATA、DisplayPort、USB3.0等等。
而8b/10b编码机制,除了数据码之外,还特意规划了句柄。
而SATA用来载送句柄的方式,就是前面所提到的“基元(Primitive)”。
基元(PrlmltlVe)系由四个字节的数据来构成,最前头就是句柄,也就是所谓的K-Code或者是K字符。
FIS的尾端会有CRC位来保护。
ALIGN基元的最主要用意,乃是用来补偿主机端与装置端之间频率的偏移:
具体的做法是在每256DW插入,当如果接收端的频率较迟的场合,就会舍弃这些基元。
SOF与EOF分别是在FIS前头与后头所加入的数据框。
R_OK与R_ERR的使用法是这样子的;当数据框正常接收之后,响应R-OK。
如果发生了诸如CRC等错误,则是响应R_ERR。
如果FIFO发生溢出不能够送收数据的场合,送出HOLD:
接收到HOLD的接收端则是回应20DW以内的HOLDA:
暂时停止数据传送。
(Scramble)的主要目的,就是降低EMI。
英特尔自从ICH6R/ICH6-M之后便开始支持AHCI模式。
然而,ICH9、ICH8,1CH7和ICH6芯片组,以及ICH5和ICH5R芯片组,并不使用AHCI。
蛮令人困惑的。
AHCI(AdvancedHostControllerInterface)是完全独立于SATA规范的另一份标准,系由英特尔所制定;窗ElVista之后才有完全支持,否则还需要驱动程序的支持。
最大的特征之一,就是支持了所谓NCQ(nativeCommandQueuing)命令队列的机能,这是SCSI时代的特点之一。
NCQ可以说是针对硬盘的属性来进行优化的一种技巧,简单地说就是将读写的命令做分析,然后以最优的次序来执行。
SATA重炮效应-全面威胁Fibrechannel储存接口
串行式ATA,简称为SATA接口,起初是规划用来取代老旧的并列式磁盘接口,提供一个价格大众化的替代方案。
如今,SATA接口却逐渐威胁到大型企业所使用磁盘阵列的SCSI接口以及FibreChannel光纤信道接口,藉由普及商用化的SATA硬盘装置,一些专门从事低价的制造商可以在快速成长的企业储存市场中,藉由低价产品方案的迅速推出,挑战传统的企业供货商。
SATAⅡ之后是关键所在、SATA6Gbps是江湖大杀手
之所以能够替低价制造商带来商业机会的最主要关键,是在于SATA第二代规范SATAⅡ的出现。
其数据传输速率是当初第一代规范的两倍,达到每秒300MB的高速境界。
该新规格同时也支持命令队列(CommandQueuing)的功能,允许主机端的控制器在前一个命令未完成之前,可以再送另一个新的命令到磁盘端,提升整个系统的性能表现。
命令队列(commandQueuing)功能对于磁盘韧体的撰写可以说是一项挑战。
一旦工程就绪完成经过检证之后,价格不贵的SATAⅡ硬盘机的性能就可以直逼价格昂贵的SCSI硬盘甚至FibreChannel硬盘。
虽然SATA的硬盘在2003年就已经开始出货,SATAⅡ的硬盘也在2004年晚期出现在市面上。
然而,直到2005年中,英特尔公司的新一代芯片组完全支持SATAⅡ规范Glenwood以及Lakeport,才会正式出货。
因此,SATAⅡ在多数的个人计算机已经具备有SATAⅡ接口,而且变成大众化的产品,而将价格压低到普及化的程度。
SATA与SAS(setialattachedSCSl)两者皆是串行式的储存接口标准,但两者毕竟是不同的。
如果说SATA是传统ATA的升级规范,那么SAS即是原本传统SCSI标准的串行式版本。
SAS接口采用双端口接口,系采用SATA连接器,也就是说同样的连接器与连接线,都可以使用在SATA与SAS硬盘上。
SAS硬盘的定位是针对高性能与高扩充性的需求环境而来。
具体来说,一般大众化SATA硬盘的MTBF(meantimebetweenfailures)平均失效时间大约是600,000小时,而SAS硬盘的要求可是这个时间的两倍以上。
同时,SAS硬盘的转速也比较快速,可以降低等待时间。
由于这些额外性能的追加,又并非大量生产的特征。
因此,SAS硬盘的价格理所当然远高于SATA硬盘。
SATA接口碰撞FC接口
正如同SAS硬盘一样,FibreChannel硬盘也是针对企业市场所需求的高性能以及高度的信赖性而设计的。
由于生产数量少,控制器的设计又更加复杂。
FC硬盘的价格又高过于SAS硬盘。
由于需要更长时间的设计工夫与验证时间,在容量上追加的速度也就跟不上大众化竞争产品的改朝换代速度。
因此,SATA硬盘在企业市场的兴起就有迹可循了。
起初,SATA硬盘的应用,价格因素远重于可靠度。
比如说,有不少的企业就将主要硬盘上的数据备份到次要的硬盘,取代掉以磁带备份的传统方式。
此种方式对于企业来说极具有吸引力,无论是容量还是费用成本,SATA硬盘的方式皆不输于磁带的备份方式。
‘备份硬盘的性能,不再是首要的考虑因素,毕竟使用的时机还是有限,不是始终在动作。
若是再利用硬盘数组RAID的架构,SATA可靠度的问题就有解了。
此外,大众化的硬盘也被广泛运用在打印机服务器或文件服务器的应用上。
硬盘数组RAID架构,运用大众化的硬盘逐渐受到中型企业的厚爱,可以作为lP储存的应用。
这些企业不愿意采用复杂又昂贵的FibreChannel方案,来作为网络储存的方式。
对于大型的企业来说,对于数据交易安全性的要求很高,昂贵的FibreChannel方案,依然是他们的首要选择。
比如说在线处理的数据交易OLTP(on-linetranaactionprocess’lng)以及公司内部应用等。
然而,已经有些公司开始转向导入SAS硬盘方案,提供与FibreChannel方案相同的可靠度,可是费用却是更为节省。
这些企业藉由开关装置与连接缆线建立了SAS的系统架构。
由于SATA硬盘可以连接SAS接口的开关装置与连接器。
因此,一个SAS系统架构可以藉由SATA硬盘来降低系统费用。
有些厂商推出了二对一的多任务芯片,允许两个SATA硬盘插进单一的SAS连接器,模拟成SAS双端口的连接型态。
虽然,SATA硬盘的寿命不及SAS硬盘。
但是,可以藉由RAID磁迭数组的方式来弥补这些缺点。
磁盘驱动器等待时间也是一个重要的课题。
然而,商机敏锐度高的厂商也意识到这方面的问题。
也推出了企业需求等级的SATA硬盘,无论转速还是等待时间,都可以和SAS硬盘或FC硬盘互相匹敌。
虽然,企业等级的SATA硬盘,比大众化的SATA产品有更高的价格,由于涵盖了SATA的简易设计方式,比起SAS硬盘或FC硬盘,成本还是比较低廉。
因此,这种方案可能是世界上最好的方式之一。
总而言之,以SAS方案来取代FC磁盘,替企业打开了SAS与SATA交互运用的大门,无论是性能、费用成本以及容量,都可以满足当前的主流应用。
一段时间之后,SATA硬盘有相当的机会窜出,成为经济效益最高且具有大容量储存系统的最佳方式。
尤其是6Gbps的SATA,简直就是刀无虚发的江湖大杀手。
“6GbpsSATA+SSD”,毫无疑问地将会是企业期待下的新宠儿。
来看一个数据吧。
Micron于2010推出的6GbpsSSD,顺序读出速度超越350MB/sec。
依据Engadget的测试报导,6GbpsSSD的读取效能远比6Gbps硬盘快上175%。
这种飞快的感觉,对于云计算企业来说,可说是老天送来的福音。
结语:
起初,SATA硬盘的运用,价格的重要性胜于可靠性。
随着技术的成熟与足够的经验累积,SATA硬盘的可靠度已经有一定的水平。
反而有趣的却是SSD的兴起,会是革命性的运动。
只要价格开始落体式的滑落,SATA更加巩固,可是硬盘的市场却必须让出几分;此其一也。
另外还有一个有趣的话题,那就是iPod,iPhone与iPad的光环效应。
苹果并不是技术特别利害的企业,而是懂得减法哲学与工业设计美学加上软硬件兼功的战略运用,当然,贾伯斯的个人魅力不容忽视,如同宗教粉斯的膜拜英雄。
其实,Apple的东西并不是高竿到无人能及,可是台湾地区公司就是产不出令人爱不释手的热销产品。
有些公司更好笑,以为工业设计是万能丹,得了一堆的iF、红点等工业设计大奖;可是仔细来观察,却生不出来畅销的产品。
看看不少主板背后的一堆端子,再与苹果产品做个比较,也许就会有点感受了。
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