串行高級技術附件:硬盤接口規範-中文百科頻道

簡介

串行高級技術附件的全稱是Serial Advanced Technology Attachment（串行高級技術附件，一種基于行業标準的串行硬件驅動器接口）就是我們現在經常所說的SATA，是由Intel、IBM、Dell、APT、Maxtor和Seagate公司共同提出的硬盤接口規範。2001年，由Intel、APT、Dell、IBM、希捷、邁拓這幾大廠商組成的Serial ATA委員會正式确立了Serial ATA1.0規範，在當年的IDF Fall 大會上，Seagate宣布了Serial ATA 1.0标準，正式宣告了SATA規範的确立。

2002年，雖然串行ATA的相關設備還未正式上市，但Serial ATA委員會已搶先确立了Serial ATA 2.0規範。SATA規範将硬盤的外部傳輸速率理論值提高到了150MB/s，比PATA标準ATA/100高出50%，比ATA/133也要高出約13%，而随着未來後續版本的發展，SATA接口的速率還可擴展到2X和4X（300Mb/s和600Mb/s）。從其發展計劃來看，未來的SATA也将通過提升時鐘頻率來提高接口傳輸速率，讓硬盤也能夠超頻。

SATA接口需要硬件芯片的支持，例如Intel ICH5(R)、VIA VT8237、nVIDIA的MCP RAID和SiS964，如果主闆南橋芯片不能直接支持的話，就需要選擇第三方的芯片，例如Silicon Image 3112A芯片等，不過這樣也就會産生一些硬件性能的差異，并且驅動程序也比較繁雜。

SATA的優勢：支持熱插拔，傳輸速度快，執行效率高使用SATA（Serial ATA）口的硬盤又叫串口硬盤，是未來PC機硬盤的趨勢。Serial ATA采用串行連接方式，串行ATA總線使用嵌入式時鐘信号，具備了更強的糾錯能力，與以往相比其最大的區别在于能對傳輸指令（不僅僅是數據）進行檢查，如果發現錯誤會自動矯正，這在很大程度上提高了數據傳輸的可靠性。串行接口還具有結構簡單、支持熱插拔的優點。

串口硬盤是一種完全不同于并行ATA的新型硬盤接口類型，由于采用串行方式傳輸數據而知名。相對于并行ATA來說，就具有很多的優勢。首先，Serial ATA以連續串行的方式傳送數據，一次隻會傳送1位數據。這樣能減少SATA接口的針腳數目，使連接電纜數目變少，效率也會更高。實際上，Serial ATA僅用四支針腳就能完成所有的工作，分别用于連接電纜、連接地線、發送數據和接收數據，同時這樣的架構還能降低系統能耗和減小系統複雜性。

其次，Serial ATA的起點更高、發展潛力更大，Serial ATA 1.0定義的數據傳輸率可達150Mb/s，這比最快的并行ATA（即ATA/133）所能達到133Mb/s的最高數據傳輸率還高，而在Serial ATA 2.0的數據傳輸率達到300Mb/s，最終SATA将實現600Mb/s的最高數據傳輸率。

SATA的物理設計，可說是以Fibre Channel(光纖通道)作為藍本，所以采用四芯接線；需求的電壓則大幅度減低至250mV(最高500mV)，較傳統并行ATA接口的5V少上20倍！因此，廠商可以給Serial ATA硬盤附加上高級的硬盤功能，如熱插拔(Hot Swapping)等。

更重要的是，在連接形式上，除了傳統的點對點(Point-to-Point)形式外，SATA還支持“星形”連接，這樣就可以給RAID這樣的高級應用提供設計上的便利；在實際的使用中，SATA的主機總線适配器(HBA，Host Bus Adapter)就好像網絡上的交換機一樣，可以實現以通道的形式和單獨的每個硬盤通訊，即每個SATA硬盤都獨占一個傳輸通道，所以不存在象并行ATA那樣的主/從控制的問題。

Serial ATA規範不僅立足于未來，而且還保留了多種向後兼容方式，在使用上不存在兼容性的問題。在硬件方面，Serial ATA标準中允許使用轉換器提供同并行ATA設備的兼容性，轉換器能把來自主闆的并行ATA信号轉換成Serial ATA硬盤能夠使用的串行信号，目前已經有多種此類轉接卡/轉接頭上市，這在某種程度上保護了我們的原有投資，減小了升級成本；在軟件方面，Serial ATA和并行ATA保持了軟件兼容性，這意味着廠商絲毫也不必為使用Serial ATA而重寫任何驅動程序和操作系統代碼。

另外，Serial ATA接線較傳統的并行ATA(Paralle ATA)接線要簡單得多，而且容易收放，對機箱内的氣流及散熱有明顯改善。而且，SATA硬盤與始終被困在機箱之内的并行ATA不同，擴充性很強，即可以外置，外置式的機櫃(JBOD)不單可提供更好的散熱及插拔功能，而且更可以多重連接來防止單點故障；由于SATA和光纖通道的設計如出一轍，所以傳輸速度可用不同的通道來做保證，這在服務器和網絡存儲上具有重要意義。

Serial ATA相較并行ATA可謂優點多多，将成為并行ATA的廉價替代方案。并且從并行ATA過渡到Serial ATA也是大勢所趨，應該隻是時間問題。相關廠商也在大力推廣SATA接口，例如Intel的ICH6系列南橋芯片相較于ICH5系列南橋芯片，所支持的SATA接口從2個增加到了4個，而并行ATA接口則從2個減少到了1個；nVidia的nForce4系列芯片組已經支持SATA II即Serial ATA 2.0，而且三星已經采用Marvell 88i6525 SOC芯片開發新一代的SATA II接口硬盤，并在2005年初推出。

2007年制定了SATA2及SATA2.5标準，速度達到3000MB/s。

友情提示：基于本人親身體會，發現SATA硬盤缺點明顯，在大多數主闆上對超頻非常敏感，基本上一超頻主闆就無法識别SATA硬盤，因此奉勸那些超頻玩家，買SATA硬盤時一定要确認你的主闆支持鎖定PCI-E/SATA，否則很可能出現一超頻就無法識别硬盤的情況。

SATA拔插損壞的，一般都是不注意造成的，人為原因居多，當然也有用料太爛或者設計原因造成的，不過還是建議大家多看多細心，特别是拔有卡扣的SATA線時。

SATA二代

3Gb/s傳輸速率

在SATA2.0擴展規範中，3Gb/s被提到的頻率最高。由于SATA使用8bit/10bit編碼，所以3Gb/s等同于300MB/s的接口速率。不過，從性能角度看，3Gb/s并不能帶來多大的提升，即便是RAID應用的場合，性能提升也沒有想象的那麼大。

因為硬盤内部傳輸速率還達不到與接口速率等同的程度，而且接口速率的影響也不是很大，在大多數應用中硬盤是将更多的時間花在尋道上，而不是傳輸上。接口速率的提高直接影響到的是從緩存進行讀寫的操作，所以理論上大緩存的産品會從3Gb/s上得到更大的好處。從現有情況來看，相信3Gb/s的普及速度會加快，不過市場仍會存在一個1.5Gb/s和3Gb/s的共存期。

PATA CRC原理，PATA隻對數據部分進行CRC校驗。

支持NCQ技術

在SATA2.0擴展規範所帶來的一系列新功能中，NCQ（Native Command Queuing，原生命令隊列）功能最令人關注。硬盤是機電設備，容易受内部機械部件慣性的影響，其中旋轉等待時間和尋道等待時間就大大限制了硬盤對數據訪問和檢索的效率。

具體來說，如果磁頭停在目标磁道上方，卻錯過了起始LBA(Logical Block Addressing，邏輯塊尋址)，就會産生旋轉等待時間。最糟糕的情況是，硬盤将經過旋轉一整圈的時間才能訪問起始LBA，然後再繼續從剩餘的目标LBA中讀取數據。如果以LBA相對于磁頭角度位置随機分布，那麼平均旋轉等待時間是最大旋轉等待時間的一半。而尋道等待時間是讀/寫磁頭準确定位于存儲目标LBA的磁道上方所占用的時間。例如，執行單一的讀命令時，磁頭隻須訪問一條磁道，但如果有多條待執行命令，硬盤就要訪問所有目标LBA，從而須花費大量時間。

如果對硬盤這個機械動作的執行過程實施智能化的内部管理，則可以大大提高整個工作流程的效率。即取出隊列中的命令，然後重新排序，以便有效地獲取和發送主機請求的數據，在硬盤執行某一命令的同時，隊列中可以加入新的命令并排在等待執行的作業中。如果新的命令恰好是處理起來機械效率最高的，那麼它就是隊列中要處理的下一個命令。但有效的排序算法既考慮目标數據的線性位置，也考慮其角度位置，并且還要對線性位置和角度位置進行優化，以使總線的服務時間最小，這個過程也稱作“基于尋道和旋轉優化的命令重新排序”。

台式PATA硬盤隊列一直被嚴格地限制為深度不得超過32級。如果增加隊列深度，可能會起到反作用——增加命令堆積風險。通常PATA硬盤接收命令時有兩種選擇：一是立即執行命令，二是延遲執行。對于後一種情況，硬盤必須通過設置注意标志和Service位來通知主機何時開始執行命令，然而硬盤不能主動與主機通信，這就需要主機定期自動輪回查詢所有硬盤扇區，發現Service位後将發一條Service命令，才能從硬盤獲得将執行哪一條待執行命令的信息。

而且Service位不包含任何對即将執行命令的識别信息，所必需的命令識别信息則以标記值的形式與數據請求一同傳輸，并僅供主機用于設置DMA引擎和接收數據緩沖區。這樣主機就不能預先掌握硬盤所設置的輔助位是哪條命令設置的，數據傳輸周期開始前也無法設置DMA引擎。這最終導緻PATA硬盤效率低下。

NCQ包含兩部分内容。一方面，硬盤本身必須有能力針對實體數據的扇區分布，對命令緩沖區中的讀寫命令進行排序，同時硬盤内部隊列中的命令可以随着必要的跟蹤機制動态地重新調整或排序，其中跟蹤機制用于掌握待執行和已完成作業的情況，而命令排隊功能還可以使主機在設備對命令進行排隊的時候，斷開與硬盤間的連接以釋放總線，一旦硬盤準備就緒，就重新連接到主機，盡可能以最快的速率傳輸數據，從而消除占用總線的現象。

另一方面，通訊協議的支持也相當重要，因為以前的PATA硬盤在傳輸數據時很容易造成中斷，這會降低主控器的效率，所以NCQ規格中定義了中斷聚集機制，相當于一次執行完畢數個命令之後，再對主控器回傳執行完畢的信息，改善處理隊列命令的效能。

從最早的希捷7200.7系列硬盤開始，NCQ技術應用于桌面産品至今已超過半年，不過NCQ對個人桌面應用并沒有帶來多大的性能提升，某些情況下還會引起副作用。而且不同硬盤廠商的NCQ方案存在差異，帶來的效果也不同。所以對NCQ要理智對待，硬盤支持固然多了一項可以提高性能的技術，但沒有也不必在意。

端口選擇器

SATA2.0擴展規範還具備了Port Selector（端口選擇器）功能。Port Selector 是一種數據冗餘保護方案，使用Port Selector可使Host（主）端口的兩個獨立SATA Port連接至同一設備，以建立連接設備端的備份路徑。

簡單來說，端口選擇器就是為一個硬盤提供兩條連線連接到控制器，其中一條是冗餘的（即多出來的意思）。這種設計的好處是萬一其中一條連線斷了，還有另一條可以連接。由此看來，不但可以用RAID防止硬盤損壞，還能用這個Port Selector來防止連接線損壞。

端口倍增器

SATA 1.0的一個缺點就是可連接性不好，即連接多個硬盤的擴展性不好。因為在SATA 1.0規範中，一個SATA接口隻能連接一個設備。SATA的制定者們顯然也意識到了這個問題，于是他們在SATA2.0中引入了Port Multiplier的概念。

Port Multiplier是一種可以在一個控制器上擴展多個SATA設備的技術，它采用4位（bit）寬度的Port Multiplier端口字段，其中控制端口占用一個地址，因此最多能輸出15個設備連接----與并行SCSI相當。Port Multiplier的上行端口隻有1個，在帶寬為150MB/s的時候容易成為瓶頸，但如果上行端口支持300MB/s的帶寬，就與Ultra320 SCSI十分接近了。Port Multiplier技術對需要多硬盤的用戶很有用，提供這種功能的芯片組極少。

服務器特性

在SATA2.0擴展規範中，還增加了大量的新功能，比如防止開機時多硬盤同時啟動帶來太大電流負荷的交錯啟動功能；強大的溫度控制、風扇控制、環境管理；背闆互聯和熱拔插功能等。這些功能更側重于低端服務器方面的擴展。

接口連線強化

作為一個還在不斷添加内容的标準集合，SATA2.0最新的熱點是eSATA，即外置設備的SATA接口标準，采用屏蔽性能更好的兩米長連接線，目标為最終取代USB和IEEE 1394。在内部接口方面，Click Connect加強了連接的可靠性，在接上時有提示聲，拔下時需要先按下卡口。這些細微的結構變化顯示出SATA接口更加成熟和可靠。

寫在最後

SATA2.0不是特指3Gb/s或NCQ，也不是特指上述其他擴展特性。SATA2.0可以指擴展特性中的任何一個，也就是說具備上述任一個特性或組合的産品都可稱為SATA2.0硬盤。由于此前SATA規範非常混亂，SATA-IO組織在2005年秋季IDF上正式發布了SATA2.5規範。

但從實際情況來看，新的SATA2.5規範是SATA 1.0a規範和6個SATA 2.0擴展規範的統一體，它的推出隻是方便了系統商或者硬盤生産商，因為大家可以用一個規範來代替現有的一切标準。其實，對于普通消費者來說，大家從SATA2.0或SATA2.5之類的名稱中并不能得到太多有用的信息，真正應當關心的是新硬盤具備哪些功能、優勢，以确定是否值得為它買單。

SATA三代

SATA 3.0最終規格相比SATA 2.0版本除了頻寬提升一倍至6Gb/s。同時亦多入了多項全新技術，包括新增NCQ指令以改良傳輸技術，并減低傳輸時所需功耗。根據Serial ATA Revison 3.0規格白皮書，除了頻寬提升至最高6Gb/s外SATA 3.0亦會增加NCQ的指令數目，包括為實時性的資源提供優先處理，主要用于影像及音像傳輸方面。此外SATA 3.0同時會為正被系統處理中的資源作優先安排，大大提升了系統的執行效率。

為了提升電池續航力，SATA 3.0采用全新INCITS ATA8-ACS标準，并可兼容舊有SATA裝置，不僅進一步改良傳輸訊号技術，亦大幅減低了SATA傳輸時所需功耗。針對現時NB市場對縮減産品體積的需求，SATA 3.0提供了較一般SATA接口細小的LIF接口(Low Insertion Force Connector)，專門針對1.8吋的儲存裝置，包括即将上市的僅厚7mm光驅。

新舊對比

SATA硬盤采用新的設計結構，數據傳輸快，節省空間，相對于IDE硬盤具有很多優勢：

1．SATA硬盤比IDE硬盤傳輸速度高。SATA可以提供150MB/s的高峰傳輸速率。今後将達到300 MB/s和600 MB/s。到時我們将得到比IDE硬盤快近10倍的傳輸速率。

2．相對于IDE硬盤的PATA40針的數據線，SATA的線纜少而細，傳輸距離遠，可延伸至1米，使得安裝設備和機内布線更加容易。連接器的體積小，這種線纜有效的改進了計算機内部的空氣流動，也改善了機箱内的散熱。

3．相對于IDE硬盤系統功耗有所減少。SATA硬盤使用500毫伏的電壓就可以工作。

4．SATA可以通過使用多用途的芯片組或串行——并行轉換器來向後兼容PATA設備。由于SATA和PATA可使用同樣的驅動器，不需要對操作系統進行升級或其他改變。

5．SATA不需要設置主從盤跳線。BIOS會為它按照1、2、3順序編号。這取決于驅動器接在哪個SATA連接器上（安裝方便）。而IDE硬盤需要設置通過跳線來設置主從盤。

6．SATA還支持熱插拔，可以像U盤一樣使用。而IDE硬盤不支持熱插拔。

速度答疑

問：一台電腦配置如下：CPU是P4 2.4C、技嘉I865PE1000-G、金士頓DDR400 256MB×2、影馳GF6600GT、希捷SATA 80GB硬盤。出現了兩個問題：我用軟件檢測硬盤速度是133MB/s，為什麼不是150MB/s，這怎麼能體現SATA的速度呢？另外我看到一些文章說SATA硬盤在裝Windows XP操作系統時要插入SATA硬盤驅動程序的磁盤，請問sata硬盤速度到底要怎麼才能體現出來呢？

答：DOS/Win98/WinMe系統隻能支持4個IDE設備，而Win2000/XP/2003系統可支持6個設備，為了讓SATA和PATA“融洽相處”，Intel 865PE芯片組的ICH5南橋提供了IDE通道映射的辦法。在BIOS中，找到IDE Configuration Menu這個選項，在Onboard IDE Operate Mode下面可以選擇兩種IDE操作模式：兼容模式和增強模式（Compatible Mode和Enhanced Mode）。

其中Compatible Mode，可以理解為把SATA硬盤端口映射到PATA通道的相應端口。你檢測到的133MB/s正是因為在這裡硬盤的模式被設為兼容模式了。硬盤的速度瓶頸在于内部傳輸速率，并不在于接口的傳輸速率，所以這樣設置并不會降低性能，也并不存在體現SATA速度這麼一說。

安裝Windows XP操作系統時并不是一定要插入驅動。一般由主闆南橋芯片（如Intel的ICH5/R，VIA的VT8237等）提供的SATA控制器，在沒有内置或在BIOS設置中屏蔽了RAID功能時，也不需要加載驅動即可找到硬盤；在開啟RAID時，才需要加載驅動（這其中和廠商的設計有很大關系）。而使用第三方芯片的SATA控制器，則必須加載驅動。你的配置，關閉RAID選項，就不用加載驅動了。