串行ATA總線應(yīng)用技術(shù)

　　串行ATA (SATA-Serial ATA)是Intel代表的存儲(chǔ)設(shè)備開發(fā)商開發(fā)的ATA-7串行版本SATA 1.0。目的是把基于ATA的存儲(chǔ)能夠更普遍應(yīng)用于桌面、移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備、低端服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)領(lǐng)域[1]。2004年4月，IDF再次對(duì)標(biāo)準(zhǔn)1.0版本的帶寬和物理層連接器進(jìn)行較大改進(jìn)，并發(fā)布了增強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)SATA I，以兼容SAS物理層，滿足數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)需要[1]。使基于ATA的存儲(chǔ)設(shè)備性能與中、低端企業(yè)級(jí)SCSI存儲(chǔ)設(shè)備性能重疊，適應(yīng)數(shù)據(jù)生命周期和企業(yè)存儲(chǔ)分層等應(yīng)用模式的開展。與ATA物理接口結(jié)構(gòu)改變對(duì)應(yīng)，SATA硬盤在機(jī)械系統(tǒng)、傳輸模式、信號(hào)方式、伺服系統(tǒng)、磁介質(zhì)等都有一定的改變或改進(jìn)，并大量借鑒SCSI技術(shù)，其基本帶寬達(dá)到1.5GMps，是一種典型的“后PC”技術(shù)[2]。

1 SATA技術(shù)要點(diǎn)

　　1.1 簡(jiǎn)化的模型

　　SATA串行鏈路接口協(xié)議借鑒了ISO/OSI和TCP/IP模型的組織方式和對(duì)象、服務(wù)、層次封裝等概念，沿用層次化的描述方法，從低向上分別為物理層、鏈路層、傳輸層和應(yīng)用層四層。由于通信是在主機(jī)和存儲(chǔ)設(shè)備非對(duì)等的雙方進(jìn)行的，所以傳統(tǒng)的peer-to-peer實(shí)體指代發(fā)生了變化。

　　1.2 協(xié)議狀態(tài)機(jī)機(jī)制

　　SATA協(xié)議操作主要通過(guò)通信實(shí)體協(xié)議棧的傳輸控制狀態(tài)機(jī)(Transport State Machine)和鏈路狀態(tài)機(jī)(Link State Machine)兩大核心子模塊完成，其中鏈路狀態(tài)機(jī)完成與串行線路相關(guān)的操作，傳輸控制狀態(tài)機(jī)通過(guò)把上層操作分解成可與鏈路狀態(tài)交換的一系列動(dòng)作，使用接口中的子模塊資源，完成與主機(jī)平臺(tái)相關(guān)的操作。兩狀態(tài)機(jī)在傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中相互協(xié)調(diào)工作行為，最優(yōu)化應(yīng)用資源。

　　1.3 精簡(jiǎn)高效的核心技術(shù)

　　SATA是高速串行總線技術(shù)，為了在區(qū)區(qū)4條數(shù)據(jù)線上得到比并行16條數(shù)據(jù)線還要高的數(shù)據(jù)傳輸率，結(jié)構(gòu)上減少協(xié)議層次，精簡(jiǎn)協(xié)議內(nèi)容和算法復(fù)雜性；技術(shù)上各層大量采用支持高速或有利于傳輸?shù)募夹g(shù)。這些技術(shù)主要有：

　　幀技術(shù) SATA采用幀作為基本傳輸單元，支持七種類型、最大長(zhǎng)度達(dá)8192字節(jié)的幀傳輸。在幀結(jié)構(gòu)中，HOLD、HOLDA(32位)原語(yǔ)用于流量控制，F(xiàn)IS Content是有效載荷。

　　本地命令隊(duì)列 NCQ[3](NCQ-Native Command Queuing)是在SATA I中引入的一個(gè)強(qiáng)大的磁盤接口技術(shù)，目的在于減少主機(jī)和設(shè)備的握手次數(shù)、聚合數(shù)據(jù)中斷，減少接口事務(wù)數(shù)量。達(dá)到減少驅(qū)動(dòng)器的尋道和旋轉(zhuǎn)的機(jī)械位置延遲，提高隊(duì)列負(fù)載性能的目的。NCQ是對(duì)SATA 1.0所做的諸多功能擴(kuò)展中唯一與性能密切相關(guān)的技術(shù)。NCQ采用RPO磁盤旋轉(zhuǎn)位置命令調(diào)度算法，支持線程和最大達(dá)32級(jí)深度的命令隊(duì)列管理，增加Race-free狀態(tài)返回機(jī)制、中斷聚合和First Parity DMA三個(gè)新的能力。

　　· 點(diǎn)到點(diǎn)的連接 SATA存儲(chǔ)設(shè)備與主機(jī)的連接采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接和星型拓?fù)?，連接帶寬專用，降低了共享仲裁和配置的復(fù)雜性，避免了單點(diǎn)故障，改善了可擴(kuò)展性和并發(fā)操作能力。

　　· 全層次錯(cuò)誤檢測(cè)支持 在SATA協(xié)議棧中，錯(cuò)誤的檢測(cè)從低層一直延伸到頂層[4]。層之間的錯(cuò)誤通過(guò)接口狀態(tài)寄存器和接口錯(cuò)誤寄存器進(jìn)行傳遞，每層都有錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)、錯(cuò)誤控制和錯(cuò)誤報(bào)告恢復(fù)能力。根據(jù)錯(cuò)誤性質(zhì)和可恢復(fù)程度，有Freeze、Abort、Retry和Track/Ignore四種處理策略。

　　·改進(jìn)的線纜連接器和熱插[5] SATA的信號(hào)線和電源線獨(dú)立配置，各信號(hào)線或電源線之間使用地線分隔。盲匹配設(shè)計(jì)，頭部有額外的用于插拔定位和保護(hù)的凸出；支持帶外硬盤檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了完整的熱插拔支持。

　　·其他技術(shù) SATA使用字母標(biāo)記來(lái)描述數(shù)據(jù)位和控制變量，使用8B/10B編碼方案把SATA未編碼的數(shù)據(jù)和控制字節(jié)翻譯成字符串。傳輸?shù)男盘?hào)采用與現(xiàn)有SCSI電路兼容的(偏移值為250mv)的低電壓差動(dòng)(LVD)技術(shù)。電源管理細(xì)粒度化，它不僅能對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備的電源進(jìn)行管理，還具有自我管理功能，能把不運(yùn)行的部分置于低功耗模式。

2 SATA應(yīng)用方案

　　2.1 橋

　　串行存儲(chǔ)設(shè)備定位于桌面和中低端網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)，為了能夠在這些并行接口主導(dǎo)的領(lǐng)域開展應(yīng)用，業(yè)界沿用了傳統(tǒng)的“并串兼容共存、逐漸過(guò)渡到純串行”的策略。目前實(shí)現(xiàn)這種策略的主流方案是橋。SATA/PATA橋是基于現(xiàn)有系統(tǒng)總線，通過(guò)附加SATA/PATA轉(zhuǎn)換卡，實(shí)現(xiàn)串行/并行轉(zhuǎn)換，把先進(jìn)的串行設(shè)備集成到并行結(jié)構(gòu)環(huán)境中。

　　橋是目前解決SATA和PATA在系統(tǒng)中共存的一個(gè)理想、便捷的方案，具有不影響原有的系統(tǒng)、開發(fā)周期短等優(yōu)勢(shì)，不足在于橋芯片沒(méi)有提高性能，卻增加了成本、板空間和功耗，同時(shí)還增加驅(qū)動(dòng)器印刷電路板設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的復(fù)雜性，所以只能作為一個(gè)過(guò)渡的解決方案。

　　2.2 本地設(shè)備

　　該策略是直接把SATA硬盤連入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，省缺了橋方式中大量的轉(zhuǎn)換和策略延遲，最大限度發(fā)揮SATA功能特性。AHCI[6](Advanced Host Controller Interface)是一種理想的實(shí)現(xiàn)本地設(shè)備策略的方案，它通過(guò)PCI BAR(Base Address Register)實(shí)現(xiàn)原生的SATA功能。

　　AHCI本質(zhì)是一種PCI類設(shè)備，在系統(tǒng)內(nèi)存總線和串行ATA設(shè)備內(nèi)部邏輯之間扮演一種通用接口的角色。這個(gè)類設(shè)備描述了一個(gè)含控制和狀態(tài)區(qū)域、命令序列入口表的通用系統(tǒng)內(nèi)存結(jié)構(gòu)；每個(gè)命令表入口包含SATA設(shè)備編程信息，和一個(gè)指向(用于在設(shè)備和主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的)描述表的指針。

　　本地設(shè)備方案通過(guò)集成SATA到芯片組實(shí)現(xiàn)，它可以充分利用SATA減少信號(hào)數(shù)量的優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)SATA的高速度，節(jié)省了板空間，增加了可靠性，減少了功耗，實(shí)施更簡(jiǎn)單容易。不足是由于SATA接口是高速信號(hào)，給讀取信道帶來(lái)干擾，所以在設(shè)計(jì)芯片和主板時(shí)必須考慮采取適當(dāng)?shù)男盘?hào)完整性保護(hù)措施。由于AHCI統(tǒng)一接口的研發(fā)成功，使得支持串行ATA產(chǎn)品的開發(fā)工作大為簡(jiǎn)化，操作系統(tǒng)和設(shè)備制造商省去了單獨(dú)開發(fā)接口的工作，取而代之的是直接在統(tǒng)一接口上進(jìn)行操作，就能實(shí)現(xiàn)包括NCQ在內(nèi)的諸多功能。

　　2.3 橋與本地設(shè)備方案的比較

　　橋和本地設(shè)備方案除了具有上述的技術(shù)實(shí)質(zhì)差別外，還有如表1給出的多個(gè)不同之處。從比較中也可以看出橋?qū)ATA支持的局限性，從一個(gè)側(cè)面表現(xiàn)了技術(shù)對(duì)現(xiàn)狀的妥協(xié)，也注定了橋?qū)儆诩夹g(shù)發(fā)展過(guò)渡階段的產(chǎn)物。

3 SATA設(shè)備編程

　　3.1 SATA的數(shù)據(jù)流

　　在SATA系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)操作對(duì)象按粒度大小分為Primitive、FIS和Command三種。數(shù)據(jù)在(主機(jī))適配器和存儲(chǔ)設(shè)備之間交換，參與交換的對(duì)象和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系[7]如圖1所示。在圖中，箭頭從父對(duì)象指向子對(duì)象，數(shù)字1和n代表父對(duì)象擁有子對(duì)象的數(shù)目。適配器對(duì)象代表控制板或HBA，它有一個(gè)與適配器相關(guān)的適配器信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。適配器可以擁有多個(gè)控制器，每個(gè)控制器有自己獨(dú)立的控制器信息，內(nèi)含控制器公共寄存器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和其他控制信息。而每個(gè)控制器又有多個(gè)供連接目標(biāo)設(shè)備的端口。每個(gè)端口連接一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備，每個(gè)設(shè)備有一個(gè)深度為1或更大的命令隊(duì)列，而每條命令由與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和DMA對(duì)象相關(guān)的命令對(duì)象代表。另外，對(duì)于一些含有多口的存儲(chǔ)設(shè)備，允許它連到其他控制器的端口上，以提高設(shè)備的可用性和可靠性。

 　　3.2 SATA的編程結(jié)構(gòu)

　　SATA的編程結(jié)構(gòu)如圖2(其中右部是各層次API關(guān)系)，特定操作系統(tǒng)模塊(圖2中①)完成把不同操作系統(tǒng)對(duì)低層驅(qū)動(dòng)器件的請(qǐng)求翻譯成低層器件能夠識(shí)別的格式。SATA庫(kù)模塊(圖2中②)包括通用SATA邏輯和SATA控制邏輯兩個(gè)組件，為不同操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器模塊提供獨(dú)立于操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)API。其中，通用SATA邏輯模塊是獨(dú)立于控制器、操作系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的，主要實(shí)現(xiàn)所有的算法和例程。SATA控制邏輯描述的是所有專用控制器代碼，具體內(nèi)容依賴于控制器的主控制芯片。操作系統(tǒng)服務(wù)層(圖2中③)提供一個(gè)獨(dú)立于操作系統(tǒng)的與SATA庫(kù)層的接口。它與具體的操作系統(tǒng)相關(guān)，能把上層操作系統(tǒng)類的請(qǐng)求翻譯成目標(biāo)操作系統(tǒng)能夠識(shí)別的請(qǐng)求格式。

　　3.3 操作系統(tǒng)對(duì)SATA應(yīng)用支持

　　3.3.1 Windows平臺(tái)
　　Windows平臺(tái)中，橋是通過(guò)仿真Windows支持的PATA模式控制器，加載和使用PATA控制器實(shí)現(xiàn)。為了提供對(duì)SATA兩種模式的支持，微軟開發(fā)了支持最新ATA/ATAPI命令集的Ataport，該命令集支持PATA、SATA混合應(yīng)用環(huán)境。應(yīng)用Ataport開發(fā)的SATA控制器，一般提供兩個(gè)微口(Miniport)，其中一個(gè)是支持現(xiàn)PATA控制器的默認(rèn)微口驅(qū)動(dòng)器，替換現(xiàn)有的PATA和SATA仿真PATA的驅(qū)動(dòng)棧功能實(shí)體；另一個(gè)是支持AHCI SATA的微口驅(qū)動(dòng)器，在未來(lái)的Windows系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)本地設(shè)備模式。在Ataport中，每個(gè)設(shè)備的工作模式通過(guò)PCI規(guī)范中基類01(塊存儲(chǔ)器)的子類代碼設(shè)置，當(dāng)SATA設(shè)備運(yùn)行在仿真并行模式時(shí)，子類代碼設(shè)置為01h；運(yùn)行在本地SATA模式時(shí)，應(yīng)設(shè)置為06h。要說(shuō)明的是，Windows 2003 Server及以前的所有版本都不提供對(duì)本地設(shè)備的支持。

　　3.3.2 Linux平臺(tái)
　　Linux平臺(tái)對(duì)SATA設(shè)備的支持是通過(guò)借鑒成熟的PATA，并對(duì)PATA與SATA相異部分加以改進(jìn)，擴(kuò)充一些SATA支持的新功能實(shí)現(xiàn)。

　　IDE設(shè)備驅(qū)動(dòng)器模塊(ide.c)含有一些特定的設(shè)備子驅(qū)動(dòng)器如ide-pci.c、ide-probe.c、ide-pnp.c、ide-dma.c、ide-proc等。根據(jù)SATA的新特性，對(duì)SATA設(shè)備的物理發(fā)現(xiàn)和傳輸進(jìn)行完善和改進(jìn)，即對(duì)原有的PATA的ide-probe.c、ide-dma.c子驅(qū)動(dòng)器等進(jìn)行修訂，其他子驅(qū)動(dòng)器可以直接借鑒PATA。用戶只需通過(guò)驅(qū)動(dòng)器層的可選擇配置，即實(shí)現(xiàn)對(duì)橋和本地兩種模式的支持。

4 發(fā)展趨勢(shì)

　　SATA是一種新興的總線技術(shù)，是PATA的理想的替代技術(shù)，對(duì)它的研究和應(yīng)用已成為一種趨勢(shì)。這種趨勢(shì)表現(xiàn)在：

　　(1) 標(biāo)準(zhǔn)化工作將進(jìn)一步加快 主導(dǎo)SATA標(biāo)準(zhǔn)化工作的SATA工作組、Intel、Seagate、Maxtor、IBM等在不斷完善SATA標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已有SATA1.0(a,b,c,d,等多個(gè)版本)、SATA I (Extensions to Serial ATA 1.0a, revision 1.1)等多個(gè)版本。2004年5月6日，Serial ATA工作組把原本在第二代推出的物理層帶寬3Gbps編入Serial ATA Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)中。與新標(biāo)準(zhǔn)迅速地進(jìn)展相對(duì)比，工業(yè)化步伐也急需快速跟上。關(guān)鍵工作急需統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)器、主板和PC供應(yīng)商，特別是芯片廠商等對(duì)SATA通信和功能的理解，創(chuàng)造一個(gè)真正的即插即用和相互共存環(huán)境。

　　(2) 協(xié)議硬件化 硬件化是減少協(xié)議的復(fù)雜性和運(yùn)行效率的有效途徑，為了高效實(shí)現(xiàn)SATA功能，第二和第三層的部分或全部協(xié)議功能硬件化(集成到芯片組)將是SATA功能實(shí)現(xiàn)的主要途徑。

　　(3) SATA的應(yīng)用將逐步過(guò)渡到本地模式 橋應(yīng)用模式是PATA向SATA遷移過(guò)程存在的一種廉價(jià)、全兼容PATA環(huán)境的方案。但隨著SATA、AHCI標(biāo)準(zhǔn)化和工業(yè)化的發(fā)展，現(xiàn)在PATA和SATA共存的現(xiàn)狀將逐步過(guò)渡到以SATA主導(dǎo)。

　　(4) SATA將應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)領(lǐng)域 SATA具有高帶寬、拓?fù)湟讛U(kuò)展、數(shù)據(jù)完整性、可靠性、盤體MTBF與SCSI相當(dāng)、支持熱插拔網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)等特點(diǎn)，具備組成低廉的RAID進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)領(lǐng)域的條件。加之SAS(Serial Attached SCSI)支持SATA，提供STP(SATA Tunnel Protocol)最大限度地兼容SATA等等內(nèi)容，都為SATA進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)領(lǐng)域提供了技術(shù)條件。

　　隨著ATA-100/133的引入，PATA的發(fā)展已經(jīng)到了盡頭，引入SATA代替PATA是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。SATA引入了大量的新技術(shù)，并保持與PATA兼容。Windows和Linux操作系統(tǒng)都提供應(yīng)用支持，開展應(yīng)用簡(jiǎn)單快捷。以相對(duì)較低的成本獲得比PATA高得多的性能，并為中、低端企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)和其他外存應(yīng)用拓展空間，將是未來(lái)存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展的主流技術(shù)之一。

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