1.2 Интерфейс Serial ata

Рассмотрим работу параллельного шлейфа.

Сигнал передается по нескольким параллельным линиям, в каждой линии - свой, означающий "0" или "1" передаваемой информации в этой линии.

Допустим, планируется передавать по 8 параллельным линиям одно двоичное число в секунду.

Тогда получается, что для того, чтобы передать двоичное число "00100000", надо изначально на всех линиях иметь 00000000 (то есть на всех физических жилах иметь 0 В), потом на 1 с на третьей линии поднять сигнал в 1, подержать его 1 с, а потом снова вернуть на все линии нули. То есть, физически, изначально имеем на всех линиях 0 В, потом подать на третью по счету линию 1 В (на остальных - остается ноль), подержать его целую секунду, и потом снова вернуть на все линии 0 В.

Если необходимо передавать больше, чем одно двоичное число в секунду. Тогда нужно увеличивать скорость в каждой линии (миллион переключений из нуля в единицу и обратно). Однако на практике существует предел увеличения скорости для проводника длиной 40 см. Из-за того, что скорость переключения в нем сильно возрастёт, то длина волны в каждом проводнике начнет приближаться к длине самого проводника, возникают следующие радиоэффекты:

а) отражения сигнала от конца проводника (стоячая волна), которые искажают сигнал вплоть до его полного исчезновения;

б) потери на излучение (каждый проводник в шлейфе становится настоящей антенной через которую энергия уходит в окружающее пространство;

В результате чего будет ограничение в миллион переключений в секунду по каждой жиле, а для восьми жил в параллельном шлейфе - в миллион двоичных чисел в секунду (реально в PIO4 MW-0). Однако этого в скором времени перестало хватать. И разработчики пошли на хитрость. В выше изложенном примере не станем возвращать "единицу" в "ноль" в конце секунды. Примем, что для второй секунды "нулевым" состоянием в шлейфе является состояние 00100000 и сразу подадим нужное двоичное число, например, 00000010, но откорректировав его соответственно "исходному для второй секунды" "нулю". То есть в шлейфе окажется состояние линий 00100010.

В результате за две секунды передали два двоичных числа, однако усложнили задачу с расчетом состояния для второй секунды, т.е. добились того, что перешли из "физических" переключений в "логические". Состояние третьей линии за две секунды не изменилось, то есть не существует миллиона физических переключений в секунду в этой (в каждой из остальных) линии и как следствие нет радиоэффектов.

Ввиду того, что из положения 0 В в положение 1 В (и обратно) линия переходит с небольшой задержкой, то необходимо время на фиксацию состояния линии. Задержка обусловлена паразитными параметрами сигнальной линии (емкостями и индуктивностями не только самой линии, но и передающего транзистора и принимающего транзистора). То есть при переходе из "нуля" в "единицу" сигнал изменяется сначала быстро, а потом всё медленней и медленней. При переходе из "единицы" в "ноль" сигнал сначала быстро влетает, а потом всё больше и больше тормозится (полезный сигнал "вязнет" в паразитных параметрах). Можно пытаться снизить паразитные параметры транзисторов, однако снова столкнемся с состоянием превращения проводников в антенны друг для друга. Если сделать не 40-жильный провод с рядом расположенными проводниками, а 80-жильный, где каждый проводник отделен от соседнего проводником с «землей» - это снизит влияние соседних проводников друг на друга. Всеми этими ухищрениями можно перейти с АТА-33 на АТА-133.

Для дальнейшего наращивания возможностей необходимо изменять технологию – переходить на последовательную шину.

Параллельная передача данных подразумевает использование нескольких проводов, к тому же высокочастотный сигнал подвержен электромагнитным помехам. Serial ATA базирующихся на принципе последовательной передачи данных. Среди них можно упомянуть Ethernet, USB, FireWire.

Serial ATA призван быть быстрым, самонастраивающимся, легким в эксплуатации и обратно совместимым с Parallel ATA (что достигается с помощью специальных адаптеров).

Кабель нового интерфейса принципиально отличается от 40- или 80-жильного широкого и плоского; количество сигнальных проводов кабеля сокращено до четырех (есть еще и земля), до метра увеличена его допустимая длина. Это способствует более компактной упаковке и лучшим условиям охлаждения внутри корпуса компьютера. Компактные семиконтактные разъемы соединяются узким уплощенным кабелем шириной примерно 8 мм и толщиной около 2 мм. Внутри кабеля находятся 2 пары сигнальных проводов (одна на прием, другая - на передачу), отделенные тремя жилами общего провода (земли). На разъеме, расположенном на дисках и материнских платах, три контакта земли, которые выступают дальше сигнальных, чтобы упростить горячее подключение (горячее подключение накопителей по Serial ATA предусмотрено без специальных адаптеров).

Главное преимущество Serial ATA - большая полоса пропускания, по сравнению с Parallel ATA. Первая версия интерфейса обладает пропускной способностью до 1,5 Гбит/с (около 150 Мбайт/с для полезных данных, против 100-130 Мбайт/с у параллельного интерфейса). Однако во втором и третьем поколение Serial ATA планируется увеличить скорость до 3 и 6 Гбит/с соответственно.

Кроме того, поскольку к каждому кабелю интерфейса может быть подключен только один накопитель (к параллельным можно подключать два накопителя одновременно), то запас скорости очень большой. Действительно, IDE-винчестеры со скоростью чтения полезных данных с пластин до 50 Мбайт/с практически исчерпали интерфейс UltraATA/100 и подступили к пределу интерфейса UltraATA/133, однако 150 Мбайт/с с одиночным диском Serial ATA еще на долго хватит. Два таких диска на одном IDE-шлейфе уже не могут работать без теоретической потери скорости, поскольку реально UltraATA/100 обеспечивает примерно 90 Мбайт/с потоковой пропускной способности.

Улучшено электрическая составляющая интерфейса: теперь вместо более 20 пятивольтовых линий (пятивольтовые сигналы в современных системах требуют усложнения и удорожания схемотехники, поскольку большинство нынешних цифровых микросхем работают при более низких напряжениях питания) используются всего две дифференциальные линии с перепадом уровня всего 0,5 В, а это отлично согласуется с современными интегрированными решениями.

Так же на данный момент ведутся разработки Serial ATA II. В спецификации Serial ATA II предусматриваются и другие усовершенствования и технологии, улучшающие производительность:

-внеочередное исполнение команд и разбивка/сборка потока данных;

-полное управление окружением, включая управление вентилятором, индикаторами активности, температурным контролем и уведомлением о подключении новых устройств;

-подключение через соединительную плату, что позволяет преодолеть ограничения, связанные с длиной шлейфа стандарта Serial ATA 1.0, и использовать съемные устройства с возможностью горячей замены;

-возможность эффективного подключения большого количества дисковых накопителей.

Разработка усовершенствованной спецификации Serial ATA II проходит в два этапа. На первом уточняются технические характеристики функций для серверных и сетевых устройств хранения данных, включая новые возможности нивелирования нагрузки на серверы, а также способы модернизации инфраструктуры путем оснащения корпусов устройств хранения данных средствами подключения через интерфейс Serial ATA. К таким средствам относятся функции диспетчерского обслуживания корпусов и поддержка объединительных плат. Завершением этого этапа разработки является спецификация Serial ATA II, призванная обеспечить прохождение сигналов на скоростях 300 Мбайт/с.

Кроме того, введена поддержка технологии очередности команд (Native Command Queuing), которая позволяет использовать новые интеллектуальные алгоритмы и улучшить работу серверов начального уровня, сетевых систем хранения данных и высокопроизводительных компьютерах. Она позволяет дисковому накопителю одновременно принимать несколько запросов ввода/вывода от процессора и самостоятельно формировать очередность исполнения команд для достижения максимальной скорости обмена данными. Накопители с поддержкой интерфейса Serial ATA II смогут расставлять запросы в очередь и выполнять их самостоятельно, без участия центрального процессора или чипсета материнской платы.

С интерфейсом Serial ATA установка новых дисковых накопителей и модернизация системы становится удобной. Serial ATA использует простые разъемы типа socket вместо традиционных 40-штырьковых разъемов - подключить новый дисковый накопитель к системе теперь намного проще. Более тонкие и длинные кабели удобны в обращении, а возможность горячего подключения значительно упрощает переконфигурацию системы. С появлением Serial ATA исчезает необходимость переставлять джамперы master/slave на каждом дисковом накопителе. Накопители с интерфейсом Serial ATA повышают общую надежность системы, а технология "32-битной циклической избыточной проверки" (32-bit Cyclic Redundancy Checking) обеспечивает сохранность данных, команд и статусной информации. Более надежные кабельные соединения снижают вероятность наведенных помех, а небольшие размеры кабеля способствуют лучшей вентиляции системного блока.