| 出版日期：2002-03-04 总期号：1097 本年期号：14 |
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硬盘接口新标准
对Serial ATA和ATA/133的理解与认识 罗涛 为了进一步提高IDE硬盘的外部传输速率，Intel、IBM、DELL、APT、Maxtor和Seagate公司共同提出了Serial ATA（串行ATA）解决方案，由Seagate正式公布了Serial ATA 1.0版规范。该规范将硬盘的外部传输速率理论值提高到了150MB/s。但由于技术上的原因，Serial ATA要实现真正的实用化还需要经过一段时期。 在Serial ATA尚处于培育期时，Maxtor联合VIA等厂商提出了ATA/133标准（传输速率理论值为133 MB/s），而且Maxtor的ATA/133硬盘产品也已经推向了市场。但由于没有获得Intel的支持，且没有实质性的解决信号串扰问题，因此ATA133能否获得广泛认同还是未知数。 并行ATA的发展 ATA（ Advanced Technology Attachment）从最早的ATA-1开始，已经经历了从ATA-1（IDE）、ATA-2（EIDE Enhanced IDE/Fast ATA）、ATA-3（FastATA-2）、Ultra ATA、Ultra ATA/33、Ultra ATA/66到Ultra ATA/100的发展历程。就目前的产品状况来看，前面的几种类型已经基本上被淘汰了，用户比较熟悉的应该是Ultra ATA/33、Ultra ATA/66和Ultra ATA/100这几种类型的产品。其中从Ultra ATA/66开始，硬盘接口电缆便由原来的40线增加到了80线（增加了40根地线），其主要目的是为了减小电缆之间的电磁干扰（信号串扰），以增强数据在高速传输过程中的稳定性。 ATA/100是目前市面上占据主流地位的IDE硬盘接口，它也是ATA/66的后续类型，其硬盘接口电缆与 ATA/66相同，也是80线的接口电缆。ATA/100支持的最大外部数据传输率的理论值为 100MB/s。 从ATA-1到Ultra ATA/100，一直以来采用的都是并行传输模式（并行ATA），但是在并行传输模式下线路之间存在着信号串扰，却是一个不可回避的问题，尤其是在高速数据传输过程中，信号间的互相干扰对系统的稳定性造成了很大的影响，会严重降低系统的运行效率。这也就是为什么在ATA/66推出时要将硬盘接口电缆从40线增加到80线的原因，实际上增加的是40根屏蔽地线，其主要目的就是为了减小信号间的互相干扰。 ATA/133产生的背景 前面说过，并行ATA存在着信号串扰的问题，因此在Serial ATA（串行ATA）规范被提出后，不少人认为ATA/100将是并行ATA的最后版本，取而代之的将是Serial ATA。但是由于技术和产品研发等方面的原因，Serial ATA的真正实用化还需要一段时间。虽然Seagate已经宣布，将在今年推出Serial ATA 1.0标准的酷鱼系列硬盘，标志着Serial ATA硬盘产品已经离我们不远了，但是支持Serial ATA的芯片组和主板却都还处于设计和完善阶段，据估计，Serial ATA真正走向市场应该是在2003年，甚至更晚些时候。 
Fast Drives的标志 在Serial ATA尚需时日的时候，人们对更高性能和更快速度的追求却不会停止，在这一背景之下，ATA/133应运而生。2001年7月31日，作为Serial ATA成员之一的Maxtor，推出了最新的ATA/133标准，并将其命名为“Fast Drives”。它采用与ATA/100相同的80线硬盘接口电缆，并向前兼容包括ATA/100、ATA/66和ATA/33在内的所有传统并行ATA设备。 剖析ATA/133 ATA/133可以说是沿袭了并行ATA接口的技术特点，只是将接口传输速率的理论值提高到了133 MB/s。相对于ATA/100来说，ATA/133的接口传输速率提高了33%。另外，ATA/133兼容包括ATA/100、ATA/66、ATA/33在内的所有并行ATA设备。对于用户来说，新的ATA/133接口能够与现有的并行ATA设备兼容使用，很好地保护了以前的投资，这也是ATA/133的一个优势。 其实ATA/133最显著的技术特点就是将接口传输速率的理论值提高到了133MB/s，从而能够充分利用PCI总线提供的133MB/s的总线速率，更好地发挥了PCI总线的效能。在目前主流的ATA/100应用中，硬盘接口传输速率的理论值只有100MB/s，也就是说PCI总线处于不饱和的工作状态下，而ATA/133则能很好地利用PCI总线带宽，从而更加充分地发挥了系统的整体性能。 不过，从技术上看ATA/133并不完美。前面我们说过，并行ATA在数据传输过程中存在信号串扰的问题，而且随着频率的增加，串扰问题会愈发突出。而ATA/133仍然使用80线接口电缆，只是依靠提升工作频率来获得更高的数据传输速率，因此ATA/133面临着一个难题，就是如何解决高频工作状态下的信号串扰问题。然而，在这方面ATA/133却没有什么实质性的技术突破，它只是简单地采用了CRC（循环冗余校验）数据校验来校正传输过程中的错误数据，当数据出现过多错误而无法校正时，则需要系统重新传输数据。这种方法的确能够增加系统的稳定性，但是采用这种方式也会对系统的工作效率造成不小的影响。 虽然Maxtor给了ATA/133一个新的称谓——“Fast Drives”，但实际上它应该算是ATA/100的后继产品。ATA/133基本上可以理解为是在ATA/100的基础上通过进一步跳高工作频率，从而提高数据传输速率的一个硬盘接口标准。其接口类型和接口电缆都与ATA/100没有什么区别，只是工作频率更高一些而已。当然，它也有明显的优势：正是由于ATA/133具有这样的特点，因此从ATA/100到ATA/133的过渡，基本上没有什么技术难点，硬盘厂商和芯片组厂商都不必对现有系统作非常大的改动，实现起来相对比较容易，所以ATA/133规范能够很快地得以实用化，其产品也迅速地进入了市场。目前ATA/133已经得到了VIA、SiS、Ali、HighPoint、Adaptec等公司的支持，ATA/133规范的芯片组和适配卡也已经上市，不少的主板也已经开始支持ATA/133了，Maxtor也推出了支持ATA/133的硬盘产品，并且已经上市。 从现在的形势来看，ATA/133虽然在技术上并不具备成为未来硬盘接口技术领导者的实力，但在Serial ATA还未真正进入实用阶段的时候，ATA/133似乎是最理想的过渡性接口类型。很多人也认为ATA/133仅仅只是一个过渡，最终将是Serial ATA的一统天下。但Maxtor在《Fast Drives》的白皮书中却指出：“在这一段过渡时期内，Serial ATA系统的成本明显地要高于传统的并行ATA，ATA/133将不是最后一代并行ATA标准”。从中我们不难看出，Maxtor并不希望ATA/133仅仅只是并行ATA走向Serial ATA过程中的一个过渡标准，它仍然希望继续推动并行ATA的发展。理论上说，目前80线的硬盘接口可以支持到200MB/s的传输速率，但是从实际应用情况来看，随着频率的提高，其信号串扰问题会越发突出。因此，阻碍并行ATA发展的最主要因素就是信号串扰问题！其实对于并行ATA的发展来说，解决这一问题也不是没有可能。例如可以通过增加接口电缆的排线数量，来进一步减小信号干扰的程度（当初的ATA/66就是这样做的）。目前已经有人设想在并行ATA上采用160线接口电缆，这样不仅可以有效地降低信号干扰，也有利于进一步提高并行ATA的传输速率。不过作为普通用户和计算机厂商来说，目前80线的接口电缆已经显得有些复杂凌乱了，如果是160线的电缆，则更加难以接受。 目前如果断言说ATA/133就是并行ATA的最后版本，并行ATA一定会被串行ATA所取代，似乎都为时过早。如果Maxtor能在较短的时间内有效地解决信号串扰问题，并行ATA的发展还是有很大潜力的。从“Fast Drives” 的白皮书中我们也不难感觉到Maxtor希望继续借助并行ATA标准领导群雄（ATA/66和ATA/100标准都是由Quantum制定的，后Quantum被Maxtor收购，因此目前Maxtor是并行ATA标准的领导厂商）。因此，如果“Fast Drives”出现新的版本或改进版本也不意外。 Serial ATA历史背景 一直以来IDE硬盘都采用并行传输模式（并行ATA），但是并行传输过程中存在一个不可避免的问题：线路间的信号会互相干扰。在传输速率比较低的情况下，存在一定的信号串扰并不会带来多大的影响，但是在高速数据传输过程中，信号串扰问题就显得非常突出，严重的影响着系统的稳定性。因此，在人们对硬盘传输速率要求越来越高的同时，并行ATA却显得越来越力不从心了。另外，并行ATA也存在着一些显而易见的缺点：首先，并行ATA每次传输多位数据，因此数据通道要求的数据线的数量比较多，在ATA/66以前连接硬盘的数据排线就是40线的，而ATA/66、ATA/100和最新的ATA/133的接口数据电缆则都是80线的，这样不仅接口线缆的成本提高了，而且也造成了机箱内连线复杂凌乱，空气流通受阻，散热受到影响。其次，并行ATA设计采用5V电压供电，在当今不断降低电压、减小功耗的趋势下，这也是需要改进的。 
Serial ATA的标志 在并行ATA性能提升后劲不足的情况下，2000年2月Intel在IDF（Intel Developer Forum——Intel开发者论坛）上，首次提出了串行ATA（Serial ATA）的技术构想，并专门成立了Serial ATA标准的官方工作组(Serial ATA Working Group)。除了Intel之外，该工作组还包括了业内众多有影响的公司，如IBM、Dell、APT、Maxtor、Quantum(其硬盘部门已与Maxtor公司合并)和Seagate公司。2000年12月18日，Serial ATA工作组公布了Serial ATA草案1.0版。 2001年8月，Seagate在IDF Fall 2001大会上宣布了Serial ATA 1.0标准，Serial ATA规范正式确立。在1.0版规范中规定的Serial ATA数据传输速度为150MB/s，比目前主流的并行ATA标准ATA/100高出50%，比最新的ATA/133还要高出约13%。而且随着未来后续版本的发展，其接口速率还可扩展到2X和4X(300MB/s和600MB/s)。从其发展计划来看，未来Serial ATA的也将通过提升时钟频率来提高接口传输速率。 串行ATA比并行ATA快 目前的并行ATA一次可传输4个字节(4×8位)的数据，而串行ATA每次传输的数据只有一位，那么为什么在高速传输过程中却要使用串行ATA呢？其实主要原因还是并行传输存在着信号串扰的问题。而串行传输就没有这个问题了，从理论上说串行传输的工作频率可以无限提高，Serial ATA就是通过提高工作频率来提升接口传输速率的。因此Serial ATA可以实现更高的传输速率，而并行ATA在没有有效地解决信号串扰问题之前，则很难达到这样高的传输速率，这也是为什么新的硬盘接口标准会采用串行传输的原因。 Serial ATA剖析 Serial ATA实现数据传输的原理相对而言是比较简单的。顾名思义，它采用的是串行数据传输方式，每一个时钟周期只传输一位二进制数据。因此，Serial ATA的接口连接线就变得非常简洁了——只需要4根线就可以实现数据传输（第1根发数据，第2根接收数据，第3根供电，第4根地线）。目前并行ATA采用80线的接口连接线，而Serial ATA的硬盘接口线则明显地要简洁得多，所以，在实际应用中，使用Serial ATA设备的机箱会更整洁一些，散热效果也相对要好一点。而且，Serial ATA传输线的成本低。 另外，由于串行传输方式不会遇到信号串扰问题，所以Serial ATA要想提高传输速度的话，只需要提高控制芯片的工作频率即可。 Serial ATA采用的是点对点传输协议，每一个硬盘与主机通信时都独占一个通道，系统中所有的硬盘都是对等的，因此，在Serial ATA中将不存在“主/从”盘的区别，用户也不用再费事去设置硬盘的相关跳线了。Serial ATA的点对点传输模式的另一个好处是，每一个硬盘都可以独享通道带宽，这对于提高性能是有好处的。不过点对点传输模式也存在一定的缺陷：首先，由于目前面向桌面应用的Serial ATA适配卡或支持Serial ATA的芯片组只能支持两个通道，而Serial ATA的每个通道只能连接一个设备，这就意味着用户在一般情况下只能使用两个设备，当用户需要同时使用多个Serial ATA设备时，唯一的方法是安装多块Serial ATA适配卡，这对于用户来说是很不经济的。其次，虽然从理论上说每一个硬盘都可以独享通道带宽，但实际情况却并非如此。目前PCI总线的带宽为133MB/s，而单个Serial ATA控制器的带宽就已经达到了150MB/s。如果系统要支持两个Serial ATA设备的话，芯片组的南桥（或ICH）就必须集成两个Serial ATA控制器，才能提供300MB/s的带宽。我们知道，目前Intel南北桥之间的Hub-Link总线和VIA的V-Link总线的带宽都只有266MB/s，而此时两个Serial ATA控制器提供的300MB/s带宽已经超过了芯片组南北桥之间的传输速率，很显然此时Serial ATA与整机系统速度是不匹配的。在实际应用中，硬盘与控制器之间的数据传输速率是不可能超过南北桥之间的数据传输速率的，因此Serial ATA的这种独占通道的方式就显得扩展性不足。目前SiS 645的MuTIOL已经达到了533MB/s的传输速率，其单芯片的SiS 735更是达到了1.06GB/s。另外据资料显示，今年Intel和VIA支持Serial ATA的芯片组中Hub-Link和V-Link的带宽都将达到532MB/s。这样看来，Serial ATA的扩展性问题应该能够很快得到解决。 由于串行ATA与传统的并行ATA是不兼容的，对于这个问题，Serial ATA在设计的时候也着重加以考虑。目前的Serial ATA可以通过转换器与现有的并行ATA系统兼容使用。转换器能够将主板的并行ATA信号转换成串行ATA信号供Serial ATA硬盘所用，或者将主板的Serial ATA信号转换成普通并行ATA硬盘能够接收的并行ATA信号，而且这种转换器的使用方式也非常灵活。 
Serial ATA转换器应用方式 从软件方面来说，Serial ATA的兼容性不存在任何问题。Serial ATA与目前所有的操作系统都能很好地兼容，不需要对操作系统或是驱动程序做任何修改就可以正常的使用。因此在兼容性方面Serial ATA不会存在问题。 Serial ATA的另一个优势是它的低电压设计。Serial ATA采用±250mV供电，能够有效地减小系统的功耗。这一点非常符合当今IT产品降低电压、节约能耗的发展趋势。 谁是未来霸主 目前多数人都认为，Serial ATA最终将取代传统的并行ATA而成为未来硬盘接口之王，ATA/133只是一个过渡性的接口标准。 从技术角度来看，Serial ATA的确具有先进性，但是从很多方面来看，Serial ATA则似乎只是一个新的标准，而不是一个需求的产物，市场上也缺乏相关的产品。其实在硬盘接口方面，除了ATA/66、ATA/100之外，还有SCSI和FireWire等类型的接口。就目前的情况来看，并行ATA的扩展能力要比Serial ATA好，SCSI的速度比Serial ATA快，而FireWire的灵活性也是Serial ATA无法比拟的。 目前，在服务器和网络存储领域是由SCSI一统天下的，在这一领域中ATA设备还很难对SCSI造成冲击。而FireWire的情况就有些特殊了。虽然它的灵活性和功能都比Serial ATA要好，而且IEEE-1394也已经进入到了实用阶段，但是由于很多其它的原因，却阻碍了它成为未来统一的接口标准。Intel一直都支持USB 2.0，而且目前IEEE-1394的许可费用也是比较高的，所以很多公司都反对FireWire成为未来的桌面ATA标准。由此来看，Serial ATA成为未来新的主流ATA接口标准的可能性的确非常大。 其实，目前Serial ATA面临的最大问题就是进入市场的动作太迟缓了，在硬盘容量和系统性能都加速发展的时候，Serial ATA的前进节奏显得有些落后了。 而ATA/133则不同，它并不是对以前的并行ATA标准的革命，从ATA/100到 ATA/133的过渡也是无缝的，厂商在技术上并不需要做太多调整就可以实现。因此，ATA/133标准能够很快获得厂商的支持，ATA/133产品也能很快上市。在某种程度上，ATA/133更像是一个顺应目前需求的标准。所以，我们也就不难理解为什么ATA/133存在着一定的缺陷，但却也得到了很多厂商的支持，产品也很快走向了市场。 客观地说，Serial ATA的确具有成为下一代硬盘接口标准之王的条件，但目前来看还不成熟，并行ATA不可能马上退出市场。ATA/133也的确像是一个过渡性接口标准，但作为并行ATA厂商的Maxtor，仍然希望能在并行ATA领域走得更远，这一点从《Fast Drives》白皮书中是可以感觉到的。所以，我们不排除在未来会有《Fast Drives》的新版本出现,并且能够比较好地解决信号串扰等技术问题。如果是这样的话，并行ATA继续焕发青春也不是没有可能。毕竟，对于厂商来说，无需太大的投入就可以获得理想的收益，这是很有吸引力的；对于用户来说，新的接口能够无缝地与老设备兼容，有效地保护了投资，这也是他们很感兴趣的。 对于Serial ATA来说，最大的问题应该是如何尽快地将产品推向市场，我们也相信，在Serial ATA发展的过程中，支持它的厂商还会越来越多，而且随着芯片组技术的进一步发展，Serial ATA与整机系统速度不匹配的问题也会得到解决，这对Serial ATA来说是非常有利的。Serial ATA目前还处在逐步成熟的过程中，但从其技术特点来看，我们有理由相信，它的前程会更美好一些。 在目前的情况下，对比Serial ATA和ATA/133这两个新的标准，似乎ATA/133更符合我们现在的需求。但从技术角度来看，Serial ATA无疑更有潜力。 那么，Serial ATA和ATA/133最终谁会成为未来的霸主呢？这一点仅从技术方面来分析是不全面的。一个新的标准想要成为未来的领先者，除了技术上的先进性之外，厂商的支持、用户的选择、制造成本的高低等因素也同样重要，所以让我们一起拭目以待吧！ |
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