作為PC、服務(wù)器和消費(fèi)電子產(chǎn)品中重要的硬盤驅(qū)動(dòng)器接口，串行ATA(SATA)發(fā)展迅猛并日益盛行。隨著基于磁盤的存儲(chǔ)在所有電子市場(chǎng)領(lǐng)域中變得越來越重要，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師需要知道采用第一代SATA(1.5Gbps)和第二代SATA(3.0Gbps)協(xié)議的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的獨(dú)特挑戰(zhàn)。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師還需要了解新的SATA特性，以使其用途更廣，功能更強(qiáng)，而不僅僅是簡(jiǎn)單地代替并行ATA。充分利用這些新特性并克服設(shè)計(jì)中存在的障礙，對(duì)成功推出采用SATA接口的產(chǎn)品非常關(guān)鍵。

    PCB設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和建議

    日趨復(fù)雜的PCB布局布線設(shè)計(jì)對(duì)保證高速信號(hào)(如SATA)的正常工作至關(guān)重要。由于第一代和第二代SATA的速度分別高達(dá)1.5Gbps和3.0Gbps，因此銅箔蝕刻線布局的微小改動(dòng)都會(huì)對(duì)電路性能造成很大的影響。SATA信號(hào)的上升時(shí)間約為100ps，如此快的上升時(shí)間，再加上有限的電信號(hào)傳輸速度，所以即使很短的走線也必須當(dāng)成傳輸線來對(duì)待，因?yàn)檫@些走線上有很大部分的上升(或下降)電壓。

    高頻效應(yīng)處理不好，將會(huì)導(dǎo)致PCB無法工作或者工作起來時(shí)好時(shí)壞。為保證采用FR4 PCB板的SATA設(shè)計(jì)正常工作，必須遵守下面列出的FR4 PCB布局布線規(guī)則。這些規(guī)則可分為兩大類:設(shè)計(jì)使用差分信號(hào)和避免阻抗不匹配。

    高速差分信號(hào)設(shè)計(jì)規(guī)則包括:

    1.SATA是高速差分信號(hào)，一個(gè)SATA連接包含一個(gè)發(fā)送信號(hào)對(duì)和一個(gè)接收信號(hào)對(duì)，這些差分信號(hào)的走線長(zhǎng)度差別應(yīng)小于5mil。使差分對(duì)的走線長(zhǎng)度保持一致非常重要，不匹配的走線長(zhǎng)度會(huì)減小信令之間的差值，增加誤碼率，而且還會(huì)產(chǎn)生共模噪聲，從而增加EMI輻射。差分信號(hào)線對(duì)應(yīng)該在電路板表層并排走線(微帶線)，如果差分信號(hào)線對(duì)必須在不同的層走線，那么過孔兩側(cè)的走線長(zhǎng)度必須保持一致。

    2.差分信號(hào)線對(duì)的走線不能太靠近，建議走線間距是走線相對(duì)于參考平面高度的6至10倍(最好是10倍)。

    3.為減少EMI，差分對(duì)的走線間距不要超過150mil。

    4.SATA差分對(duì)的差分阻抗必須為100歐姆。

    5.為減少串?dāng)_，同一層其它信號(hào)與差分信號(hào)線對(duì)之間的間距至少為走線相對(duì)于參考平面高度的10至15倍。

    6.在千兆位傳輸速度的差分信號(hào)上不要使用測(cè)試點(diǎn)。

    避免阻抗不匹配的設(shè)計(jì)規(guī)則包括:

    1.注意避免不正確的走線寬度和走線相對(duì)于參考平面的高度，走線寬度和走線相對(duì)于參考平面的高度決定走線阻抗。

    2.保持完整的參考平面。在高速信號(hào)走線兩側(cè)，走線相對(duì)于參考平面高度10倍距離范圍內(nèi)，參考平面不應(yīng)被切斷或有挖空的區(qū)域。

    3.采用寬度過窄以致無法可靠蝕刻的走線，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致走線的寬度或高度發(fā)生變化，從而產(chǎn)生問題。最小的走線寬度和走線相對(duì)于參考平面的高度應(yīng)為4mil。

    4.采用0402封裝的10nF電容，盡量減少走線寬度與電容焊盤寬度的差別。

    5.盡可能在同一層走線，如果一定要改變走線層，則必須保證走線層改變后仍有合適的回流路徑。

    6.注意避免與線路阻抗不匹配的連接器阻抗設(shè)計(jì)。千兆位信號(hào)需要經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)、與受控阻抗相匹配的連接器。

    7.盡可能用表面安裝元件來替代通孔插裝元件。使元件引腳長(zhǎng)度盡量短，切短過長(zhǎng)的引腳應(yīng)作為PCB制作工藝的一部分。

    8.盡量保證高速信號(hào)走線與同一層其它走線或電路板組成部分(如板邊緣、安裝孔等)之間的間距不小于走線相對(duì)參考平面高度的10倍。

    9.不要在高速信號(hào)走線上放置測(cè)試點(diǎn)(小焊盤或過孔)。

    10.確保PCB制作過程中不在高速信號(hào)走線相對(duì)于參考平面10倍距離內(nèi)增加取樣點(diǎn)(Thieving)。

    遵循上述通用規(guī)則有助于確保設(shè)計(jì)獲得成功。

    SATA的新特性及使用模型

    前面介紹了如何進(jìn)行SATA應(yīng)用的PCB設(shè)計(jì)，下面將討論最新的SATA特性以及這些特性新的使用模型。

    1. 第1i/2i代和第1m/2m代SATA物理層規(guī)范和外部SATAi

    到目前為止，有關(guān)第一代SATA的物理層(PHY)速度(1.5Gbps)和第二代SATA的物理層速度(3.0Gbps)的著述和討論很多，然而，關(guān)于物理層規(guī)范中的“i”和 “m”部分則關(guān)注較少。

    第1i代和第2i代串行 ATA 中的“i”代表應(yīng)用于桌面和移動(dòng)PC的這兩代SATA的速度，分別為1.5Gbps和3.0Gbps。SATA 1.0a規(guī)范中定義的一米電纜和連接器都適用于這兩種速度，大多數(shù)SATA半導(dǎo)體器件都是針對(duì)第1i代或第2i代規(guī)范而設(shè)計(jì)的。

    大多數(shù)人不知道還有第1m代和第2m代SATA規(guī)范，這些規(guī)范針對(duì)外部SATA應(yīng)用定義，支持兩米電纜。從設(shè)計(jì)角度來看，第1m/2m代應(yīng)用與第1i/2i代規(guī)范是兼容的，但也有些不同。為適應(yīng)此類應(yīng)用中信號(hào)衰減的增加，它們提高了最小發(fā)射信號(hào)電平幅度，降低了最小接收幅度。為實(shí)現(xiàn)外部ATA應(yīng)用，主控制器必須兼容第1m代或第2m代SATA。Silicon Image公司的SATA芯片設(shè)計(jì)考慮了外部SATA應(yīng)用，所有芯片都包含有可滿足第1m代和/或第2m代規(guī)范要求的物理層技術(shù)。

    2. 外部SATA

    用于外部SATA的電纜和連接器已有詳細(xì)定義，可從SATA國(guó)際組織的網(wǎng)站(http://www.sata-io.org)下載有關(guān)規(guī)范。需要著重指出的是，遵循第1m/2m代規(guī)范的外部SATA電纜和連接器，與用于主板和內(nèi)部硬盤驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部SATA連接器是不同的。針對(duì)外部應(yīng)用的電纜和連接器必須有電磁干擾(EMI)和靜電釋放(ESD)保護(hù)，并且要足夠結(jié)實(shí)，能夠經(jīng)受大量的插/拔操作。因此，外部SATA連接器被刻意設(shè)計(jì)成與內(nèi)部SATA連接器不相兼容，以防使用者在外部應(yīng)用時(shí)不小心使用無屏蔽的內(nèi)部SATA電纜。

    這種外部ATA電纜和連接器的意義在于SATA硬盤驅(qū)動(dòng)器現(xiàn)在可以直接用于外部應(yīng)用。一般來說，并行ATA被視為機(jī)箱內(nèi)部接口，作為并行ATA的繼任者，大多數(shù)使用者期望SATA也是機(jī)箱內(nèi)部接口，如果需要外部存儲(chǔ)，也可能采用其它諸如USB、Firewire/1394或SCSI的接口。

    然而，使用采用第1m代(1.5Gbps)或第2m代(3.0Gbps)物理層兼容解決方案的外部SATA電纜和連接器，現(xiàn)已可實(shí)現(xiàn)比USB(480 Mbps)或Firewire(400Mbps)速度快得多的外部存儲(chǔ)。目前，使用者定期備份80GB硬盤以及將數(shù)千兆文件拷貝到外部硬盤的情況并不少見，接口速度成為這類應(yīng)用的瓶頸。SATA是目前可供普通使用者使用的成本效益最好的高速接口技術(shù)之一。

    3. 端口多路器
  
  

圖1: 帶4個(gè)SATA硬盤驅(qū)動(dòng)器的端口多路器

圖2: 連接一個(gè)主機(jī)的四個(gè)端口多路器的連接示意圖

  
    
    
    端口多路器(PM, port multiplier)是活動(dòng)主機(jī)與多個(gè)設(shè)備連接并進(jìn)行通訊的一種設(shè)備。它可看成簡(jiǎn)單的多路復(fù)用器，將一個(gè)活動(dòng)主機(jī)的連接復(fù)用到多個(gè)設(shè)備連接上。端口多路器只支持一個(gè)活動(dòng)主機(jī)連接，但它可以擴(kuò)展設(shè)計(jì)到支持多達(dá)15個(gè)設(shè)備連接，從而利用到主機(jī)連接的全帶寬。

    第二代SATA規(guī)范的速度為3.0Gbps，大約相當(dāng)于300MBps的吞吐能力。當(dāng)順序讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，SATA硬盤驅(qū)動(dòng)器目前可支持大約50-60MBps的吞吐能力。因此，利用速度為3.0Gbps的第二代SATA接口的最有效方法，是允許多個(gè)設(shè)備共享同一電纜所提供的帶寬。

    為使這種工作能正常進(jìn)行，需要一個(gè)支持端口多路器規(guī)范的主機(jī)控制器和一個(gè)充當(dāng)多個(gè)設(shè)備復(fù)用器的端口多路器。端口多路器在所有類型的幀信息結(jié)構(gòu)(FIS)中使用4位，即所謂的PM端口字段，來路由主機(jī)和相應(yīng)設(shè)備之間的FIS。利用PM端口字段，端口多路器可以將FIS從一個(gè)主機(jī)路由到多達(dá)15個(gè)SATA設(shè)備。對(duì)于從主機(jī)端到設(shè)備端的FIS，PM端口字段由主機(jī)設(shè)置為FIS將被路由到的最終設(shè)備的端口地址。對(duì)于從設(shè)備端到主機(jī)端的 FIS，PM端口字段由端口多路器設(shè)置為發(fā)送FIS設(shè)備的端口地址。為能使用所有連接到端口多路器上的設(shè)備，主機(jī)必須擁有用來設(shè)置所有發(fā)送的FIS中PM端口字段的機(jī)制。

    圖1中，四個(gè)SATA硬盤驅(qū)動(dòng)器連接到同一個(gè)端口多路器，Silicon Image公司的測(cè)試顯示，當(dāng)主機(jī)同時(shí)訪問所有四塊硬盤，順序讀寫速度超過220MBps。

    在圖2，一個(gè)支持端口多路器的控制器(如Silicon Image公司的SiI 3124-2 PCI-X到4端口SATA II主控制器)通過四個(gè)端口多路器連接16個(gè)硬盤驅(qū)動(dòng)器。Silicon Image公司展示了一種既簡(jiǎn)單又具成本效益的方法，即通過服務(wù)器或NAS頭端的單個(gè)PCI-X插槽直接連接16塊硬盤。這種采用SATA協(xié)議連接SATA硬盤驅(qū)動(dòng)器的直接連接存儲(chǔ)方式，能夠以盡可能低的價(jià)格點(diǎn)為使用者提供易于使用的高速存儲(chǔ)。

    本文小結(jié)

    采用SATA接口的設(shè)計(jì)，要求開發(fā)團(tuán)隊(duì)中每位成員有新的思考方式。為設(shè)計(jì)出創(chuàng)新的應(yīng)用，產(chǎn)品規(guī)劃師和架構(gòu)師必須了解SATA的功能特性。設(shè)計(jì)工程師則必須知道，在進(jìn)行千兆位串行接口設(shè)計(jì)時(shí)遵循設(shè)計(jì)規(guī)則是至關(guān)重要的。盡管設(shè)計(jì)工程師還要經(jīng)歷一段曲折的學(xué)習(xí)過程，但最終結(jié)果是將帶來振奮人心的嶄新應(yīng)用。這些應(yīng)用將使存儲(chǔ)變得更加容易使用并更加具有成本效益，從而廣泛地應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、辦公室和家庭中。

    串行ATA已成主流存儲(chǔ)接口技術(shù)

    互聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)了新一代數(shù)據(jù)密集型存儲(chǔ)應(yīng)用，這些應(yīng)用要求存儲(chǔ)架構(gòu)必須是一種可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)資源，能快速提供容量和數(shù)據(jù)，串行ATA便是適合此類應(yīng)用的一種高速連接方式。它采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)架構(gòu)，每臺(tái)設(shè)備可以獨(dú)享整個(gè)帶寬，消除了并行ATA的主/從之分，可以和總線上的任何設(shè)備直接通訊。

    作為并行ATA物理存儲(chǔ)接口的替代技術(shù)，串行ATA技術(shù)能解決如數(shù)據(jù)傳輸、散熱、可靠性和可管理性等諸多問題。它在性能上的提升主要表現(xiàn)在:1)數(shù)據(jù)傳輸速度高，第一代串行ATA的傳輸速度已達(dá)150MBps，而第二代、第三代串行ATA速度將分別達(dá)到300MBps和600MBps，徹底消除了并行ATA的速度瓶頸。2)采用8b/10b串行傳輸編碼在串行電纜上傳輸數(shù)據(jù)，消除了并行ATA數(shù)據(jù)傳輸可能產(chǎn)生的串?dāng)_及其它一些問題。3)具備更強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，能對(duì)傳輸指令(不僅僅是數(shù)據(jù))進(jìn)行檢查，如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤會(huì)自動(dòng)矯正，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?)串行ATA的電纜很細(xì)，并可以延伸至1米，使得在大型系統(tǒng)上安裝設(shè)備和布線變得非常容易。5)支持熱插拔，功耗低。

    雖然串行ATA與并行ATA在軟件上是兼容的，但串行ATA缺乏與已有ATA設(shè)備的無縫兼容。當(dāng)用戶從并行ATA移植到串行ATA系統(tǒng)時(shí)，需要對(duì)硬件驅(qū)動(dòng)器、電纜和接口進(jìn)行硬件改造。此外，隨著光纖通道(FC)磁盤、SAS(Serial Attached SCSI)等技術(shù)的發(fā)展，串行ATA在分級(jí)存儲(chǔ)業(yè)務(wù)面臨競(jìng)爭(zhēng)和選擇。但它仍將攜其經(jīng)濟(jì)的成本效益、不遜的性能表現(xiàn)和廣泛的應(yīng)用范圍，在網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)應(yīng)用中大有所為。

多易