串行ATA：将ATA技术引入企业级应用

SATA在性能上的提高

热插拔能力

并行ATA在支持设备热插拔方面能力有限。在基于并行ATA技术的RAID解决方案中，当需要更换阵列中一块失效硬盘时，要么断开其RAID控制器所使用的主机总线的电源，要么维持使用旧的阵列，使数据吞吐能力大大降低。很明显，这两种选择对于需要每天24小时不间断运行的企业级高性能应用都是无法接受的。这就是为什么具有热插拔支持功能的SCSI和光纤通道占据了企业级应用的几乎全部市场，并行ATA空有价格优势而不能获得一席之地。SATA 正因为其对设备热插拔的支持，弥补了这一不足。

电缆线的宽度降低而长度增加

并行ATA的ATA/ATAPI-4标准引入了以40根导线为地线的80连接线缆，降低了邻近信号线之间的交叉干扰，提高了数据精确率。虽然导线数量的增加因为采用了更细规格的电线而没有加宽现有40连接线缆的宽度，但这类线缆都不可避免地影响空气流通，使服务器降温性能得不到改善，限制了服务器底盘的设计。

另外，并行ATA继续使用有限的18英寸线缆长度，无法在底盘为其安排更有效的路线以减少线缆混乱，影响了对系统内其它部件的管理。

SATA 解除了并行ATA的这一局限，其线缆长度可达1米。数据线仅由7根导线组成，其中一对微分信号线用于信号发送，另一对用于接收，在发送和接收线之间及两端各有一根地线。这种细而灵活的线缆（接头仅8毫米宽）虽然弯曲半径有些须局限，但能够方便地在多个设备间绕行以实现最佳路线。该性能对使用内置RAID的高设备密度服务器尤其有吸引力。

SATA用于数据发送的导线数量很小，因而出现了为外部RAID使用而部署的底板。该底板是一块物理线路板，通常集成到机架的后面板上，上面嵌入了通过刻在线路板上的导线连接到中心控制器插件的多个设备接头。值得注意的是，中心控制器与主机的接口可以按任意一种协议来设计，可以是SCSI、光纤通道或iSCSI。底板的使用可使设备咬住接头并紧密结合。当然，受到FR4材质信号衰减的限制，中心控制器和SATA设备接头之间蚀刻线路的最大长度必须限制在18英寸以内。虽然这种限制表面上局限了底板端子和SATA机架的设计，而事实上，标准机架为19英寸宽，因此，在一个1U到3U的机架内，为SATA而蚀刻的最大导线长度足以从一个位置适中的中心控制器连接到所有设备接头。 请看图1。

带宽的增加

第一代SATA可提供每秒1.5 Gbit的带宽， 即每个数据字节使用10位的信号，相当于150 MB/秒的数据带宽。按照SATA的发展预想，将以每3年为间隔产生后续的两代– SATA II 和 III –每一代将比上一代提速一倍。（注意，SATA II有两个阶段，第一阶段已经于2002年11月18日发布）。但是，并行ATA 设备即使使用了“dongles”-即通过串行/并行适配器实现SATA接口 -也不可能立即实现150MB/秒的带宽。而SATA的带宽是按照光纤通道和iSCSI此类成熟的高端接口的要求来设计的。光纤通道和iSCSI早已定位于在3到4年内上升到10 Gbit/秒的带宽水平，而SATA也将大约在那一时间达到离这一带宽水平不太远的6 Gbit/秒。因此，我们可以令人信服地认为， SATA的更高带宽将会为基于SATA的入门级外部RAID子系统的主机接入带来影响。

增强的接入精确度

Ultra DMA引入了基于CRC的数据包出错检测，该技术是ATA-3标准的组成部分。但是，没有任何一种并行ATA标准提供命令和状态包的出错检测。尽管命令和状态包出错的范围和几率都小，但它们出错的可能性也不容忽略。SATA提高了CRC对数据、命令和状态包错误检查的能力，因此和并行ATA相比提高了接入的整体精确度，使串行ATA在企业RAID和外部存储应用中具有更大的吸引力。

机架管理

机架管理长期以来是SCSI和光纤通道的产品，而并行ATA 缺少这一类。SES（SCSI机架服务）和SAF-TE（SCSI访问容错机架）协议为系统管理员提供了一种机制来管理机架及其构成部件，如电源供应、硬盘、门锁、风扇和温度传感器。这在实施和管理容错存储子系统时具有非常高的价值 ，因为关键部件的运作不在标定状态时能被立即发现并得到修理（或更换）。系统管理员能总体上决定一个周期，按照这个周期选择某一机架，并使存储机架处理器（SEP）对适当的通知作出响应。串行ATA使用SAF-TE和SES协议对机架实施管理，提高了它们作为与大型、可靠的外部子RAID系统的互连协议的存在价值。

命令队列与重新排序

命令队列允许向一个或多个总线上的设备同时发出多条请求并允许这些设备在执行这些命令时对它们重新排序，以减少命令潜伏时间，提高数据吞吐量。该功能分别由ATA/ATAPI-4 和SCSI-2技术指标引入到并行ATA和SCSI 。虽然这些功能在SCSI领域已经非常普遍，而在ATA中由于经济上的原因限制了它的发展。首先，并行ATA设备对成本很敏感，具有命令队列功能将使价格不菲。制造商必须在其设备中开发固件或集成更大的内存模块来实现该功能，这将导致成本的提高。其次， ATA很大程度上局限于在桌面机上使用，对其性能也无此强调的要求。

串行ATA将命令队列重新引入ATA领域，但带来不一样的变化。由于串行ATA希望成为企业级应用的选择，前面提到的在性能上的增加相比并行ATA而言已经非常重要。包含命令队列进一步从性能的标准上加强了串行ATA的侯选资格。

工作电压降低

处理器核心从几个方面要求向低电压过渡。较低电压允许更快的信号陡变，这对提高速度、降低热耗至关重要。高端处理器核心电压典型值小于2伏。然而，为保持与系统主板上其它芯片的互操作性，它们通常要使用一种分离式的结构，使用3.3伏的外部电压输入。到本文写作时为止，大部分目前的 ATA/ATAPI-6标准为并行ATA设备指定的直流电压供应为3.3V （± 8%），而对一些模式的接收器则大于4伏。因此，为保证与基于前述ATA/ATAPI-6标准的解决方案的兼容性， 现代处理器必须有5V耐压力。但是，如此一来，实现向下兼容的难度就加大了，因为处理器的趋势是朝着更低的工作电压进化。SATA指定的峰峰工作电压为500毫伏，解决了这一问题。显而易见，SATA是为与现在和未来的处理器实现互操作而设计的。

对原有系统的支持 

SATA技术在被采纳时具有吸引力的功能之一是其与现有并行ATA 软件的兼容。任何支持某一系列并行ATA设备的操作系统或应用都能够支持同一系列里具有SATA接口功能的设备。另外一个功能是与原有并行ATA设备的兼容。该兼容性是通过使用集成芯片组达到并行与串行ATA 通道共存的目的，或使用所谓“dongles”来实现的。

发展前景 

SATA正被所有主要并行ATA设备厂商采用（尽管光学设备厂商对它的采用要比预期慢些）。因此，对SATA的用户来讲，这种设备的可选性将得到大大的扩展。进一步而言，此类设备的成本也有望不高于其并行ATA的同档产品。

点对点技术对比总线结构 

SATA点对点结构对比总线结构（如SCSI）的优点之一是为每个设备的连接提供独立的电缆。因此，对基于SATA的阵列而言，一根线缆的连接失效等同于阵列中一块硬盘的失效，这在RAID的适当使用中是可以容忍的。相反，对多目标的总线结构而言，有多少硬盘接在一根失效的线缆上就会有多少阵列中的硬盘是失效的，这无异于一场灾难。

结论 

SATA不仅只是一个新的标准，而且身负将企业级支持带入桌面应用并为重要的服务器应用提供经济可行的存储替代方案的使命。

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