SATA高速储存界面的特性与验证分析

作者：林世東

現職：財團法人台灣電子檢驗中心

一、前  言

隨著數位化的發展，電腦成為不可或缺的工具，相對地大量的資料處理變的相當重要。為了讓正確且快速的處理資料，提升訊號傳遞的速度以及縮短使用者的等待時間，除了改變訊號編碼方式外，更提供差模傳輸模式。以資料的傳輸速度而言，傳統的ATA﹝Advanced Technology Attachment﹞高技術配置【註1】與IDE﹝Integrated Device Electronics﹞整合裝置電路【註2】。從ATA33發展到ATA100其最大傳輸速度可達成100 MB/sec。到最近熱門的Serial ATA（Serial Advanced Technology Attachment）。其最大傳輸速度可達成 6 GB/sec。這些改良使數據傳輸速度大幅提升。除了速度的提升之外，小型化發展使得傳輸介面的外觀尺寸也越來越迷你，以ATA與IDE來看，其PIN腳約有40PIN，排線寬度較寬且無法縮窄。而SATA僅7 PIN，其排線寬度較小。其外觀尺寸已縮小許多。由此可知，連接器未來勢必朝向輕薄短小、且具有快速傳輸訊號的方向發展。

Serial ATA（Serial Advanced Technology Attachment）串列ATA，亦稱SATA。於2000年由Intel在IDF論壇上第一次提出技術的設計構想，隨即成立了制定與推廣Serial ATA標準的官方組織串行ATA工作組。主要功能是用作主機板和大量儲存裝置之間的數據傳輸之用。SATA的發展到現在已經可以說取代了，舊式Ultra ATA的硬碟介面，在資料傳輸上，SATA比以往的更快速，支援熱插拔，及電腦運作的同時也可以安裝或卸除SATA設備。SATA具備了比以往更強的除錯能力，能對傳送指令與資料進行檢查，如果發現錯誤會除錯，提高了資料傳輸的可靠性。SATA展到現今已經有SATA 1.5Gbit/s、SATA 3Gbit/s和SATA 6Gbps 三種規格。

圖一、SATA 6Gbps

二、SATA技術與發展

    SATA自推出以來，已成為主要的傳輸介面。據 IDC分析，SATA HDD出貨量從 2001年到2008年超過 11億。2009年，穫得的SATA HDD出貨量以超過百分之九十八以上，這說明SATA技術是目前應用個人電腦與筆記型電腦的主流。其他如ODD SSD 與multiuser storage採用 SATA介面的技術。許多入門級和中級伺服器以及外部存儲系統現在都採用這項技術。

*Source: IDC Doc #215614, "Economic Crisis Response: Worldwide 20082012 Forecast Update", December 2008 

    當今電腦傳輸資料越來越龐大，包含了高畫質照片與影片以及其他資料，SATA 6Gbs將發揮它的高速傳輸功能，持續在資料傳輸上提高傳輸更好的品質與低成本。因此，CPU 的速度就需要愈來愈快。再加上 DRAM 需要更新才能保存資料的特性，DRAM 很快就跟不上 CPU 的速度了。要如何善用快速緩衝貯存區(cache)就成了一個重要的問題。 SATA的儲存裝置用來解決傳輸速率增加的問題， SATA 3.0規範將提供更高的頻寬，在傳輸速率增加到SATA 6Gbs時，可以使SATA 3.0技術可以在很短的時間，在CPU與快速緩衝貯存區(cache)來傳輸資料，例如，視頻編輯時需要高性能存取速度，因此使用SATA 3.0的技術，可以使CPU與快速緩衝貯存區(cache)有更快的速度來反應。

SATA新規格引入了高達6Gbs 的傳送速度，以及支援多媒體應用的增強功能。主要在傳輸速率從SATA2.6版本的規格3 Gbs，提升了兩倍到SATA3.0版本6Gbs。SATA3.0新的功能包括先進的資料串列傳輸，更好的電流管理，以及較小界面可支援HDD/DVD/CD。提高SATA 6Gbs的功能與低成本的資料儲存傳輸介面，可以預期這一個技術可以被更多的消費者使用。

另外SATA 6Gbs的高頻寬技術，所以支援了多工器技術(Port Multipliers)，再早期一埠就只能連接一埠的SATA裝置，因多工器技術(Port Multipliers)的出現，它允許一個SATA埠可以同時與多個設備溝通。多工器技術(Port Multipliers)提供成本效益和可擴展性，擴展傳輸設備到存儲系統。Silicon Image已有支援多工器技術(Port Multipliers)，讓每一個SATA接口分享超過一個SATA裝置的6Gbs傳輸頻寬，透過一條傳輸線最高1埠可接15個SATA裝置。先前在SATA 6Gbs因頻寬有限，無法對多工器技術(Port Multipliers)可以充分利用，但是SATA 6Gbs頻寬的增加多工器技術(Port Multipliers)可以充分利用。隨著Port Multipliers技術應用，讓SATA埠不再只能一次連接一埠的裝置，可以共同分享SATA 6Gbs傳輸頻寬，SATA 6Gbs針對RAID控制器連接到多個HDD，可以提升最大的總處理能力，主要也是利用SATA 6Gbs的高頻寬。

SATA 3.0規範除了速度增加一倍以外還有增加新的功能:

1.【註3】Native Command Queuing(NCQ)透過硬碟韌體、主機板控制器以及作業系統三者的相互配合，在硬碟讀寫前會先重排列，優化讀寫次序，這不單令讀寫的時間能更有效率，而且亦可以減低讀頭的損耗，延長硬碟的壽命。

2.開發出新的連接器具有，與較小的尺寸進一步可以使7mm光碟機，更方便應用在筆記型電腦。

3.更佳的電源管理功能，節約能源和減少成本

在目前現有的SATA傳輸線適用於SATA 1.0和SATA 2.0規格，相同的SATA 3.0也是使用相同傳輸線， SATA-IO也建議選擇特性比較好的傳輸線與連接器，以確保數據傳輸的完整性和與資料傳輸速率可以更好，舉例來說在信號從IC傳到Device在傳回IC的時脈訊號，它用來判斷0與1，在整個系統中能達到時脈訊號、電壓大小、和連續性都可以達到IC的信號完整性，如果無法配合也就是信號完整性出了問題，嚴重會影響IC的誤判以及遺失傳送資料，為了確保傳輸線在資料完整性方面不會有問題，SATA-IO也制定了針對傳輸線以及連接器的測試規範。

圖一、SATA Cable / Connector連接示意圖

本章節將介紹SATA傳輸線驗證項目與分析、為了使讀者可以認識初步的基本知識使用基本公式來介紹，也可以讓讀者更快了解測試意義。 

1.傳輸線與連接器差模阻抗(Cable and Connector Differential Impedance)：

傳輸線主要是由R、L、C、G所組成的元件，在導線上的位子不同，所產生的其電壓與電流的大小相位也不同，導線內各點電容與電感的特性比如下公式：

         圖一、傳輸線等效電路

…………式一

R = 單位長度之串聯電阻，Ω/ m。    G = 單位長度之並聯電導，S / m。

L = 單位長度之串聯電感，H / m。    C = 單位長度之串聯電容，F / m。

特性阻抗是微波工程裡的基礎，一個微波信號發射到負載，阻抗不匹配會造成能量的反射，不只線材衰減量會變大，也會有串音的效應存在，所以為了保持信號完整性，連接器所產生的信號反射越少越好。因為端子結構比較複雜，有彎角寬度的變化，長短的不同，這些問題都有可能造成阻抗不匹配，所以需要對連接器設定規範。在SATA連接器阻抗定義上升時間70Ps下量測，讀值須為85ohm~115ohm範圍內。下圖用簡單的實驗比較兩個連接器的差異，從下圖可以去了解到端子的長短形狀對於特型阻抗的變化。

圖四、同軸電纜基本公式

2.共模模式阻抗(Common mode impedance)

在資料傳輸裡面需要考慮到兩種模式的傳輸方式，差動模式阻抗(Differential mode impedance)與共模模式阻抗(Common mode impedance)，用下圖來表示電場在不同模式所流動的方向，在差動模式阻抗電壓是一個正電位一個負電位，因電流方向不同，所產生的電場也不同在。共模模式阻抗都是正電位，電流方向都相同，所產生的電場方向也相同。

圖七、差動、共模電場圖

3.嵌入損失(Insertion Loss)

無損的狀況下訊號在導体傳輸時是沒有損耗的，衰減是指訊號由傳輸線的輸入端到輸出端的損耗稱衰減，它反映了電磁能量沿導體傳輸時損耗的大小.衰減是指導體在工作時傳輸功率或電壓的損耗程度。其因素大約有：1.導体損失、2.反射損失、3.介電損失、4.輻射損失。

一般在傳輸線衰減是依照線材的長短而呈現線性方式變化，線材越長頻率越高衰減也就越大，然而在越來越高頻的狀況下，在連接器的影響也會越來越大，除了有連接器匹配性的問題，在傳輸線與連接器接合處，如果有阻抗不匹配的狀況，對衰減也會越來越大。在固定頻底下其衰減公式如下：

……………………式三 

(資料來源：Universal Serial Bus 3.0 Specification Revision 1.0)

4.串音Crosstalk (NEXT)

串音的產生是因為電壓電流所產生的電磁波對其他信號線照成的干擾，當訊號速度持續加快時，因為多對訊號同時高速傳輸的影響，串音程度也逐步隨頻率增加，如何降低雜訊干擾成了重要議題。有些串音產生受連接器本身影響很大，端子與端子間的距離、形狀、線材加工也會受到其影響。

如下圖用簡單的圖型讓讀者了解串音形成的原因。

            圖七、串音形成圖型

------------式四

------------式五

5.上升時間Rise Time

訊號通過待測物時波形上升時間衰退的情形，上升時間越長，高頻衰退越嚴重，可使用的頻寬範圍也就越小。式六可以計算出導體的傳播速度，依照不同的發泡程度、材料控制介電係數，可以知道每一總材料的傳播速度，再配合式七可以大約估算不同長度下，傳輸線的上升時間。

------------式六

         ------------式七

如下圖，當一個脈衝訊號輸入到傳輸線後，低電壓到高電壓會出現緩慢的爬坡的曲線，此現象稱上升時間，在SATA-IO所定義出來的規範，在測試時我們需要擷取上升曲線20%到80%來定義我們的上升時間。上升時間過大主要也是傳輸訊號中沒有連續所照成的，這包含了連接器、傳輸線、以及加工結合處。

            圖八、上升時間特性

6.Intra-Pair Skew

在傳輸線裡信號的傳輸速度主要是決定在導線周圍的介系數，在相同長度的傳輸線，介電係數越大訊號傳輸時間越長，在這一項測試裡面主要是測試兩條導體的個別傳波速度，來比對兩條線的時間差就是Intra-Pair Skew，如下圖訊號在經過待測物前Skew是零在經過傳輸線後出現了Intra-Pair Skew過大的情況，這樣會照成IC在資料判讀發生錯誤或是IC等待時間過長，影響到整個資料傳輸的速度。

式六可計算傳播的速度，當傳輸線介電係數越大傳播速度也會下降，反之介電係數越小傳播速度也就越快。

7.交互符號間干擾(Inter-Symbol Interference)

數位傳輸中，傳輸線是否有達到規格必須透過標準的數位訊號來量測，此數位信號必須有固定的訊號數率及穩定的脈衝訊號。ISI是數位通訊系統中主要的干擾源，造成ISI的原因一般是傳輸時的衰減、訊號的延遲、反射干擾、串音干擾以及雜訊的干擾等，這些訊號波形產生重疊，會照成接收端的判斷錯誤。一般來講只要前面敘述的測試項目可以通過測試基本上在ISI要通過測試也就不是難題。

四、總結

註1：ATA﹝Advanced Technology Attachment﹞高技術配置。主要配合IDE硬碟及光碟機使用。是一個花費低而性能適中的介面，主要是針對桌上型電腦而設計的。

註2：IDE﹝Integrated Drive Electronics﹞整合驅動電子裝置。IDE是一個應用在磁碟機或光碟機的界面技術。需搭配ATA排線使用。

註3：NCQ﹝Native Command Queuing﹞原生指令排序。透過硬碟韌體、硬碟控制器以及作業系統三者的互相配合，改善硬碟內部磁區的讀取順序，可以提高硬碟效能約30%，亦能夠輕微減輕硬碟損耗的速率。