SATA

串行ATA英語:,全称:)是一種電腦匯流排,負責主機板和大容量儲存裝置(如硬碟光碟機)之間的數據傳輸,主要用於個人電腦。串行ATA與串列SCSI(SAS: Serial Attached SCSI)的兩者排線相容,SATA硬碟可接上SAS介面。

主機板上的SATA 1.5Gb/s插口
SATA
英文全名Serial Advanced Technology Attachment
中文全名串行ATA
發明日期2003年1月7日
發明者国际序列式ATA组织
最多連接1
带宽半雙工
1.5Gb/s, 3Gb/s, 6Gb/s, 16 Gb/s
類別串行
熱插拔支持,需要其他系統組件配合
外置介面支持,eSATA

2000年11月由国际序列式ATA组织所制定,取代舊式PATA(Parallel ATA或舊稱IDE)接口的舊式硬盘,因采用串行方式传输数据而得名。在數據傳輸上這一方面,SATA的速度比以往更加快捷,並支持热插拔,使電腦運作時可以插上或拔除硬件。另一方面,SATA总线使用嵌入式時脈訊號,具备比以往更强的纠错能力,能对传输指令(不仅是数据)进行检查,如果发现错误会自动矫正,提高数据传输的可靠性。不過,SATA和以往最明顯的分別,是使用較细的排線,有利機箱內部的空氣流通,某程度上增加整個平台的穩定性。

現時,SATA分別有SATA 1.5Gbit/s、SATA 3Gb/s和SATA 6Gb/s三種規格。2013年推出更快速的SATA Express規格。

特色

頻寬速度換算

需要注意的是,在一些新的技术标准中,为了防止数据在高速传输中出错而加入校验码,比如PCI-E 2.0、USB 3.0和SATA 3.0中采用的是8/10编码,每10位编码中只有8位是真实数据,这时单位换算就不再是1:8而是1:10,USB 3.0的5Gbps速度实际上是理论500MB/s而非理论625MB/s,SATA 6Gbps的理论速度则是600MB/s而非750MB/s。

所謂3Gb/s的算法,3000MHz的頻率x每次發送一個數據x 80%(8b/10b的編碼) / 8 bits per byte = 300MBytes/s,同理1.5Gb/s也是這樣可算成150MB/s,也就是一般我們在買硬碟時,有時候會看到SATA 150MB/s / 300MB/s,有時候又會看到SATA 1.5Gb/s / 3Gb/s的緣故。

以USB 3.0而言,它擁有5Gbps的頻寬,每次發送一個數據x 80%(8b/10b的編碼) / 8 bits per byte = 500MBytes/s,所以USB 3.0的頻寬比SATA 3.0的600MB/s還來的小。

版本頻寬理論速度編碼
SATA Express16Gb/s1969MB/s128b/130b
SATA 3.06Gb/s600MB/s8b/10b
SATA 2.03Gb/s300MB/s8b/10b
SATA 1.01.5Gb/s150MB/s8b/10b

排線和電源線

Pin #功能
1 Ground
2 A+(發送)
3 A−(發送)
4 Ground
5 B−(接收)
6 B+(接收)
7 Ground
SATA排線

傳統的Parallel ATA使用單模信號放大系統「single-end-signal-amplified-system」。在這種系統中,雜訊會隨著正常信號一起傳輸、放大,不易被抑制;在高速時尤其嚴重,為了有效的減少雜訊的干擾,我們只好使用高達5V的電壓來傳送正常訊號,使大電壓的正常訊號蓋過小電壓的雜訊信號。雖然大的電壓可以有效的抑制雜訊,但是大的電壓同時也表示驅動電路的生產成本將因此上升,大電壓更不利於高速傳輸系統的設計和製造,高達5V的傳輸電壓限制追求高速和低成本的可能性。

和Parallel ATA相比,新的Serial ATA使用差分信號系統(differential-signal-amplified-system)。這種系統能有效的將雜訊從正常訊號中濾除,良好的雜訊濾除能力使得SATA只要使用低電壓操作即可,和Parallel ATA高達5V的傳輸電壓相比,SATA只要0.5V(500mv)的峰對峰值電壓即可操作於更高的速度之上。比較正確的說法是:峰對峰值『差模電壓』。

和Parallel ATA的5V驅動電壓相比,0.5V的SATA系統節省電力,其驅動IC的生產成本也較為便宜。

有種排線附有小金屬片可以卡住插座,比較不會發生不小心將排線拔出的問題。

進階主機控制器介面

SATA支援進階主機控制器介面功能,可讓SATA儲存裝置啟用進階SATA功能,例如NCQ熱插拔

版本

SATA 1.0

SATA 1.0於2003年1月7日推出,為第一代SATA介面,坊間的非官方名稱為SATA-1[1],传输速度为1.5Gbit/s。

SATA 2.0

SATA 2.0於2004年正式推出,坊間的非官方名稱為SATA-2(SATA-II),符合ATA-7規範,傳輸速度可達3.0Gbit/s。顯示SATA的速度提升是以幾何級數增長,這點和PATA的算術級數增長是不同的。

SATA 3Gb/s比SATA 1.5Gb/s進步的地方在於:

  • 3.0Gb/s的高傳輸速度
  • 支持真正的SATA指令排序(NCQ)
  • SATA 3Gb/s資料線長度最多2m。SATA 1.5Gb/s只是1m,PATA更短到50cm
  • 全新的圍擋式接口更穩固。

SATA 3.0

SATA 6Gb/s官方標誌

SATA 3.0於2009年5月26日完成最終規格發布,比上一代提升一倍速率至6Gb/s,此外增加多項新技術,包含新增NCQ指令以改良傳輸技術,並減低傳輸時所需耗電量。

依據Serial ATA Revison 3.0規格白皮書,AHCI底下改善(NCQ)串行指令NCQ的指令數目、NCQ的指令優先權及演算法SATA 3.0亦會增加,包括為即時性的資源提供優先處理,主要用於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,大大提升系統的執行效率。

為了降低耗電,SATA 3.0採用全新INCITS ATA8-ACS標準,不但可相容舊有的SATA裝置、改良傳輸訊號技術,亦大幅減低SATA2.0傳輸時所需功耗。

針對筆記型電腦(NB)市場對體積的需求,SATA 3.0提供較一般SATA2.0接口細小的LIF介面(Low Insertion Force Connector),專門針對1.8吋的儲存裝置,包括僅厚7mm光碟機。

2011年7月18日SATA-IO公佈SATA3.1規格,3.1版帶來諸多特性,例如節電測量,TRIM性能提升和一些雜項調整。

3.1版帶來一個新的mini SATA接口,主要用於為移動計算設備增強互操作性,Zero-Power Optical Disk Drive(ODD)的發明減少閒置光碟機的耗電量,用新的電源管理策略降低整個系統的電力需求。TRIM改進允許SATA固態硬碟在不影響性能的前提下自行修剪,改善SSD的性能,同時還帶來讓主機識別設備的硬件設備功能,提升SATA的兼容性。

另一個值得注意的是SATA通用存儲模塊(USM)和熱插拔SATA驅動器模塊,它讓SATA硬碟的熱插拔機制更為成熟,目前希捷GoFlex部分型號的硬碟已經開始支持。

SATA 3.1

於2011年7月發布。引入改變這些功能:[2][3]

  • mSATA,SATA在移動計算設備的固態硬碟,外型與 Mini PCI Express 相同(但兩者並不相容)。[4]
  • 零功耗光碟機,閒置時的SATA光碟機可以不消耗電力。
  • 排隊TRIM指令,提高固態硬碟的性能。
  • 所需的鏈接電源管理,減少整體的電力需求。
  • 硬件控制功能,使設備功能的主機標識。
  • 通用存儲模塊(USM),用於無纜插件(槽)供電存儲消費電子設備的新標準。[5][6]

SATA 3.2

為解決固態硬碟的資料傳送瓶頸,國際序列式ATA組織正著手制定下一代串列ATA的標準——SATA 3.2。SATA Express最大傳送速率為16Gb/s,使用兩條PCIe 3.0總線連接SSD。連接埠和制式向下相容前三代SATA的標準。[7][8][9][10][11]

SATA 3.3

於2016年2月22號提出,主要為優化SMR技術,將硬碟儲存密度提升到25%,還可將SATA遠程斷電(Power Disable)。

eSATA

External Serial ATA的略称,是为面向外接驱动器而制定的Serial ATA 1.0a的扩展规格。虽然规模比较小,但已经有相对应的产品在市面流通。它最大的缺點是沒有電力供應,競爭對手USB, FireWire, Thunderbolt都能傳輸數據電力。這使得eSATA硬碟需要連接一個獨立變壓器才可運作。

  • 为了防止误接,eSATA的接口形状与SATA的接口形状是不一样的
  • 连接线的最大长度为2m
  • 支持热插拔
  • 传输速度可以达到现在主流的USB 2.0的传输速度的2倍以上,但依然比USB 3.0為慢
  • 提高接頭的插拔耐用度

為了解決供電問題,SATA-IO於2008年推出了eSATAp (Power over eSATA),它結合了eSATA的七個針腳及USB 2.0的四個針腳,利用USB針腳提供5V及12V(可選)電壓。此插座主要在硬碟外接盒中使用,既可以插入eSATA,也可以插入USB。


mSATA

上: mSATA固态硬盘
下: 2.5" SATA硬盘

mSATA (mini-SATA)是迷你版本SATA接口,外型和電子與mini PCI-E完全相同,但電子信號不同,兩者互不相容。mSATA接口多用于固态硬盘,适用于需要尺寸较小的存储器的场合(例如Ultrabook)。

mSATA固态硬盘形似mini PCI-E扩展卡,尺寸很小,有助于节省机器内部空间。官方標準為MO-300 mSATA,也有自定长度的mSATA固态硬盘。

SATA与其他规格的比较

Name 原始頻寬 傳輸速度 排線最長長度 電源 連結的裝置數量
eSATA 6 Gbit/s 600 MB/s 2 m with eSATA HBA (1 m with a passive adapter) 1 個 (15 with a port multiplier)
eSATAp 3 Gbit/s 300 MB/s 2 m with eSATA HBA (1 m with a passive adapter) 5 V/12 V[12] 1 個 (15 with a port multiplier)
M.2 最快4GB/s(PCI Express 3.0 x4) 最快4GB/s ? 每插座 1 個
SATA Express 16 Gbit/s 1.97 GB/s[lower-alpha 1] 1 m 每條線 1 個
SATA revision 3.2 16 Gbit/s 1.97 GB/s[lower-alpha 2] 1 m 1 個 (15 with a port multiplier)
SATA revision 3.0 6 Gbit/s 600 MB/s[13] 1 m 1 個 (15 with a port multiplier)
SATA revision 2.0 3 Gbit/s 300 MB/s 1 m 1 個 (15 with a port multiplier)
SATA revision 1.0 1.5 Gbit/s 150 MB/s[14] 1 m 每條線 1 個
PATA (IDE) 133 1.064 Gbit/s 133.3 MB/s[lower-alpha 3] 0.46 m (18 in) 5 V (44-pin for 2.5" drives only) 2 個
SAS-3 12 Gbit/s 1.2 GB/s 10 m 1 - 8 個 (> 65k with expanders)
SAS-2 6 Gbit/s 600 MB/s 10 m 1 個 (> 65k with expanders)
SAS 300 3 Gbit/s 300 MB/s 10 m 1 個 (> 65k with expanders)
SAS 150 1.5 Gbit/s 150 MB/s 10 m 1 個 (> 65k with expanders)
IEEE 1394 (FireWire) 3200 3.144 Gbit/s 393 MB/s 100 m (more with special cables) 15 W, 12–25 V 63 (with a hub)
IEEE 1394 (FireWire) 800 786 Mbit/s 98.25 MB/s 100 m[15] 15 W, 12–25 V 63 (with a hub)
IEEE 1394 (FireWire) 400 393 Mbit/s 49.13 MB/s 4.5 m[15][16] 15 W, 12–25 V 63 (with a hub)
USB 3.1 10 Gbit/s 1.21 GB/s[lower-alpha 4] 3 m 100 W, 5, 12 or 20 V[17] 127 (with a hub)
USB 3.0[lower-alpha 5] 5 Gbit/s 400 MB/s or more (protocol overhead, flow control, framing excluded)[18] 3 m[19] 4.5 W, 5 V 127 (with a hub)[19]
USB 2.0 480 Mbit/s 35 MB/s 5 m[20] 2.5 W, 5 V 127 (with a hub)[19]
USB 1.1 12 Mbit/s 1.5 MB/s 3 m 127 (with a hub)[19]
SCSI Ultra-320 2.56 Gbit/s 320 MB/s 12 m 15 (plus the Host Bus Adapter/Host)
10GFC Fibre Channel 10.52 Gbit/s 1.195 GB/s 2 m – 50 km 126 (16,777,216 with switches)
4GFC Fibre Channel 4.25 Gbit/s 398 MB/s 12 m 126 (16,777,216 with switches)
InfiniBand
Quad Rate
10 Gbit/s 0.98 GB/s 5 m (copper)[21][22]

<10 km (fiber)

One with point-to-point, many with switched fabric
Thunderbolt 10 Gbit/s 1.22 GB/s 3 m (copper)
100 m (fiber)
10 W (copper only) 7 個
Thunderbolt 2 20 Gbit/s 2.44 GB/s 3 m (copper)
100 m (fiber)
10 W (copper only) 7 個
Thunderbolt 3 40 Gbit/s 4.88 GB/s 3 m (copper)
100 m (fiber)
100 W (copper only) 7 個

與 PATA 不同,SATA 和 eSATA 都支援熱插拔,但此功能需要主機、裝置和操作系统的支援。基本上所有 SATA 裝置(硬碟)都支援熱插拔(基於裝置的需要),絕大部分的 SATA 主機適配器都支援此指令。[23]

註解

  1. 16 Gbit/s raw bit rate, with 128b/130b encoding.
  2. 16 Gbit/s raw bit rate, with 128b/130b encoding.
  3. 15 ns cycles, 16-bit transfers.
  4. 10 Gbit/s raw bit rate, with 128b/132b encoding.
  5. USB 3.0 specification was released to hardware vendors on 17 November 2008.

參考資料

  1. . SATA-IO. [2008-12-24]. (原始内容存档于2009-01-31).
  2. (PDF). SATA-IO. 2011-07-18 [2013-07-22]. (原始内容存档 (PDF)于2014-02-22).
  3. Hilbert Hagedoorn. . guru3d.com. 2011-07-20 [2012-09-26]. (原始内容存档于2013-05-17).
  4. . forum.notebookreview.com. [2011-10-30]. (原始内容存档于2012-02-10).
  5. . sata-io.org. [2011-10-30]. (原始内容存档于2011-11-01).
  6. Perenson, Melissa J. . PCWorld. [2014-02-12]. (原始内容存档于2014-02-21).
  7. SATA3也落后了? SATA新接口标准将到来 页面存档备份,存于 - zol.com.cn
  8. 打破传输瓶颈SATA Express接口标准即将登场 页面存档备份,存于 - mydrivers.com
  9. SATA的下一代「SATA Express」 页面存档备份,存于 - coolaler.com
  10. Speedy 8Gbit, 16Gbit SATA Express systems coming this year 页面存档备份,存于 - computerworld.com
  11. 页面存档备份,存于 - Serial ATA國際組織
  12. . delock.de. [2010-01-26]. (原始内容存档于2012-02-10).
  13. (PDF). sata-io.org. May 27, 2009 [2011-10-25]. (原始内容存档 (PDF)于2013-05-28).
  14. (PDF). sata-io.org. [2011-10-25].
  15. . Apple Developer Connection. [2009-07-13].
  16. 16 cables can be daisy chained up to 72 m
  17. Howse, Brett. . AnandTech. September 17, 2014 [2015-01-15]. (原始内容存档于2015-01-24).
  18. . 20 December 2012: 75 (4–4.11) [14 April 2011]. (原始内容存档于2011-05-14).
  19. Frenzel, Louis E. . Electronic Design. September 25, 2008 [2009-07-03]. (原始内容存档于2012-05-03).
  20. USB hubs can be daisy chained up to 25 m
  21. Minich, Makia. (PDF). 25 June 2007 [11 February 2008]. (原始内容 (PDF)存档于2012-02-10).
  22. Feldman, Michael. . HPCwire (Tabor Publications & Events). 17 July 2007: 1 [2008-02-11]. (原始内容存档于2012-03-29).
  23. . ata.wiki.kernel.org. 2008-08-17 [2010-01-26]. (原始内容存档于2009-01-24).

外部链接

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