ATA 和SATA

ATA 和SATA

一．ATA

ATA是AT Attachment的缩写，意思是AT计算机上的附加设备。ATA可以使用户方便地在PC机上连接硬盘。 ATA标准从1994年至今共经历了7代标准，现在简述如下：

 ATA-1（1994）：是最早的IDE标准。

 ATA-2（1996）：是EIDE的标准，支持PIO3,4和DMA 1,2传输方式，最大数据传输速度为16MB/s。

ATA-3（1997）：引入了SMART和安全特性，没有制定新的传输标准。

  s.m.a.r.t的全称为“self-monitoring，analysis and reporting technology”，即“自我监测、分析及报告技术”。支持s.m.a.r.t技术的硬盘可以通过硬盘上的监测指令和主机上的监测软件对磁头、盘片、 马达、电路的运行情况、历史记录及预设的安全值进行分析、比较。当出现安全值范围以外的情况时，就会自动向用户发出警告。
    该技术由compaq公司率先开发，ibm、希捷、富士通、昆腾等硬盘厂商参与修正，并融合了compaq公司的intellisafe诊断技术和ibm的pfa检测技术特点。
    1995年5月，compaq公司向small form factor(sff)委员会提交了intellisafe的技术标准报告(sff-8035i)；1996年1月进行1.0版的修正(sff- 8035r2)；1996年6月进行了1.3版的修正(sff-8055)，并联合ibm等公司向sff正式申请将intellisafe技术加入到 ata-3的行业标准中，正式更名为s.m.a.r.t。

作为行业标准，s.m.a.r.t规定了硬盘制造厂商应遵循的标准。满足 s.m.a.r.t标准的条件主要包括：在设备制造期间完成s.m.a.r.t需要的各项参数、属性的设定；在特定系统平台下，能够正常使用 s.m.a.r.t；通过bios检测，能够识别设备是否支持s.m.a.r.t并可显示相关信息，而且能辨别有效和失效的s.m.a.r.t信息；允许 用户自由开启和关闭s.m.a.r.t功能；在用户使用过程中，能提供s.m.a.r.t的各项有效信息，确定设备的工作状态，并能发出相应的修正指令或 警告。在硬盘以及操作系统都支持s.m.a.r.t.技术并且该技术默认开启的的情况下，在不良状态出现时s.m.a.r.t.技术能够在屏幕上显示英文 警告信息：“warning：immediatly backup your data and replace your hard disk drive，a failure may be imminent．” (警告：立刻备份你的数据同时更换硬盘驱动器，可能有错误出现。)

1、s.m.a.r.t在何处？如何工作？

    s.m.a.r.t信息保留在硬盘的系统保留区(service area)内，这个区域一般位于硬盘0物理面的最前面几十个物理磁道，由厂商写入相关内部管理程序。除了s.m.a.r.t信息表外还包括低级格式化程 序、加密解密程序、自监控程序、自动修复程序等。监测软件通过一个名为“smart return status”的命令(命令代码为：b0h)对s.m.a.r.t信息进行读取，且不允许最终用户对信息进行修改。

2、s.m.a.r.t信息表由什么组成？

    s.m.a.r.t标准中采用二进制代码作为s.m.a.r.t的基本指令，并规定写入标准的寄存器中，形成特定的s.m.a.r.t信息表，以供正常检 测和运行。s.m.a.r.t指令分主指令(command)和次指令(subcommands)。主指令主要提供设备是否支持s.m.a.r.t或忽略 某一次指令特征的信息。而次指令则提供支持s.m.a.r.t设备的检测信息。这些指令主要由设备厂商写入，一些专业硬盘维修软件可以通过这些代码进行设备的检测。

3、通过软件查看硬盘的健康状况

    s.m.a.r.t技术的原理是通过侦测硬盘各属性，如数据吞吐性能、马达起动时间、寻道错误率等属性值和标准值进行比较分析，推断硬盘的故障情况并给出 提示信息，帮助用户避免数据损失。s.m.a.r.t因此规定了专门的检测参数，由于硬盘结构、性能和定位上的不同，除了ata-3标准规定的参数外，厂 商可以根据自己产品的特性提供不同的s.m.a.r.t检测参数。普通用户则可以通过常用的系统工具(如aida32)来查看，并通过这些参数了解硬盘的 “健康”状况。

ATA-4（1998）：著名的“UDMA 33” 标准。引入了新的ATA命令和协议，最大数据传输速度为33MB/s。ATA4就是现在常用的UltraATA/UltraDMA/UltraDMA33/ UltraDMA66 /UltraDMA100/UltraDMA 133。

二．PATA和SATA

PATA就是Parallel ATA:并行ATA 也就是IDE。Ultra ATA/133之前(包括Ultra ATA/133)都是PATA

SATA是Serial ATA的缩写，即串行ATA。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。

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，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。

SATA是一种完全不同于并行ATA的新型硬盘接口类型，由于采用串行方式传输数据而得名。SATA总线使用嵌入式时钟信号，具备 了更强的纠错能力，与以往相比其最大的区别在于能对传输指令（不仅仅是数据）进行检查，如果发现错误会自动矫正，这在很大程度上提高了数据传输的可靠性。 串行接口还具有结构简单、支持热插拔的优点。

支持Serial-ATA技术的标志

主板上的Serial-ATA接口

Serial ATA剖析

   　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。

　　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

　Serial ATA优点

 

    与并行ATA相比，SATA具有比较大的优势。首先，Serial ATA以连续串行的方式传送数据，可以在较少的位宽下使用较高的工作频率来提高数据传输的带宽。Serial ATA一次只会传送1位数据，这样能减少SATA接口的针脚数目，使连接电缆数目变少，效率也会更高。实际上，Serial ATA 仅用四支针脚就能完成所有的工作，分别用于连接电缆、连接地线、发送数据和接收数据，同时这样的架构还能降低系统能耗和减小系统复杂性。其次， Serial ATA的起点更高、发展潜力更大，Serial ATA 1.0定义的数据传输率可达150MB/sec，这比目前最块的并行ATA(即ATA/133)所能达到133MB/sec的最高数据传输率还高，而目前 SATA II的数据传输率则已经高达300MB/sec。

    Serial ATA规范不仅立足于未来，而且还保留了多种向后兼容方式，在使用上不存在兼容性的问题。在硬件方面，Serial ATA标准中允许使用转换器提供同并行ATA设备的兼容性，转换器能把来自主板的并行ATA信号转换成Serial ATA硬盘能够使用的串行信号，目前已经有多种此类转接卡/转接头上市，这在某种程度上保护了我们的原有投资，减小了升级成本；在软件方面，Serial ATA和并行ATA保持了软件兼容性，这意味着厂商丝毫也不必为使用Serial ATA而重写任何驱动程序和操作系统代码。

    另外，Serial ATA接线较传统的并行ATA(Paralle ATA)接线要简单得多，而且容易收放，对机箱内的气流及散热有明显改善。而且，SATA硬盘与始终被困在机箱之内的并行ATA不同，扩充性很强，即可以 外置，外置式的机柜(JBOD)不单可提供更好的散热及插拔功能，而且更可以多重连接来防止单点故障；由于SATA和光纤通道的设计如出一辙，所以传输速 度可用不同的通道来做保证，这在服务器和网络存储上具有重要意义。

    而SATA II是在SATA的基础上发展起来的，其主要特征是外部传输率从SATA的1.5Gbps(150MB/sec)进一步提高到了3Gbps (300MB/sec)，此外还包括NCQ(Native Command Queuing，原生命令队列)、端口多路器(Port Multiplier)、交错启动(Staggered Spin-up)等一系列的技术特征。单纯的外部传输率达到3Gbps并不是真正的SATA II。

    SATA II的关键技术就是3Gbps的外部传输率和NCQ技术。NCQ技术可以对硬盘的指令执行顺序进行优化，避免像传统硬盘那样机械地按照接收指令的先后顺序 移动磁头读写硬盘的不同位置，与此相反，它会在接收命令后对其进行排序，排序后的磁头将以高效率的顺序进行寻址，从而避免磁头反复移动带来的损耗，延长硬 盘寿命。另外并非所有的SATA硬盘都可以使用NCQ技术，除了硬盘本身要支持 NCQ之外，也要求主板芯片组的SATA控制器支持NCQ。此外，NCQ技术不支持FAT文件系统，只支持NTFS文件系统。

    由于SATA设备市场比较混乱，不少SATA设备提供商在市场宣传中滥用“SATA II”的现象愈演愈烈，例如某些号称“SATA II”的硬盘却仅支持3Gbps而不支持NCQ，而某些只具有1.5Gbps的硬盘却又支持NCQ，所以，由希捷(Seagate)所主导的SATA- IO(Serial ATA International Organization，SATA国际组织，原SATA工作组)又宣布了SATA 2.5规范，收录了原先SATA II所具有的大部分功能——从3Gbps和NCQ到交错启动(Staggered Spin-up)、热插拔(Hot Plug)、端口多路器(Port Multiplier)以及比较新的eSATA(External SATA，外置式SATA接口)等等。

    值得注意的是，部分采用较早的仅支持1.5Gbps的南桥芯片(例如VIA VT8237和NVIDIA nForce2 MCP-R/MCP-Gb)的主板在使用SATA II硬盘时，可能会出现找不到硬盘或蓝屏的情况。不过大部分硬盘厂商都在硬盘上设置了一个速度选择跳线，以便强制选择1.5Gbps或3Gbps的工作模 式(少数硬盘厂商则是通过相应的工具软件来设置)，只要把硬盘强制设置为1.5Gbps，SATA II硬盘照样可以在老主板上正常使用。

    SATA硬盘在设置RAID模式时，一般都需要安装主板芯片组厂商所提供的驱动，但也有少数较老的SATA RAID控制器在打了最新补丁的某些集成了SATA RAID驱动的版本的Windows XP系统里不需要加载驱动就可以组建RAID。  

    SATA相较并行ATA可谓优点多多，将成为并行ATA的廉价替代方案。并且从并行ATA完全过渡到SATA也是大势所趋，应该只是时间问题。相关厂商也 在大力推广SATA接口，例如Intel的ICH6系列南桥芯片相较于ICH5系列南桥芯片，所支持的SATA接口从2个增加到了4个，而并行ATA接口 则从2个减少到了1个；而ICH7系列南桥则进一步支持了4个SATA II接口；下一代的ICH8系列南桥则将支持6个SATA II接口并将完全抛弃并行ATA接口；其它主板芯片组厂商也已经开始支持SATA II接口；目前SATA II接口的硬盘也逐渐成为了主流；其它采用SATA接口的设备例如SATA光驱也已经出现。

    值得注意的是，无论是SATA还是SATA II，其实对硬盘性能的影响都不大。因为目前硬盘性能的瓶颈集中在由硬盘内部机械机构和硬盘存储技术、磁盘转速所决定的硬盘内部数据传输率上面，就算是目 前最顶级的15000转SCSI硬盘其内部数据传输率也不过才80MB/sec左右，更何况普通的7200转桌面级硬盘了。除非硬盘的数据记录技术产生革 命性的变化，例如垂直记录技术等等，目前硬盘的内部数据传输率也难以得到飞跃性的提高。说得不好听的话，目前的硬盘采用ATA 100都已经完全够用了，之所以采用更先进的接口技术，是可以获得更高的突发传输率、支持更多的特性、更加方便易用以及更具有发展潜力罢了。

三、硬盘接口类型

    硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件，作用是在硬盘缓存和主机内存之间传输数据。不同的硬盘接口决定着硬盘与计算机之间的连接速度，在整个系统中，硬盘接口的优劣直接影响着程序运行快慢和系统性能好坏。从整体的角度上，硬盘接口分为IDE（PATA）、SATA、SCSI和光纤通道四种，IDE接口硬盘多用于家用产品中，也部分应用于服务器，SCSI接口的硬盘则主要应用于服务器市场，而光纤通道只在高端服务器上，价格昂贵。 SATA是种新生的硬盘接口类型，还正出于市场普及阶段，在家用市场中有着广泛的前景。在IDE和SCSI的大类别下，又可以分出多种具体的接口类型，又各自拥有不同的技术规范，具备不同的传输速度，比如ATA100和SATA；Ultra160 SCSI和Ultra320 SCSI都代表着一种具体的硬盘接口，各自的速度差异也较大。

IDE

    IDE的英文全称为“Integrated Drive Electronics”，即“电子集成驱动器”，它的本意是指把“硬盘控制器”与“盘体”集成在一起的硬盘驱动器。把盘体与控制器集成在一起的做法减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性得到了增强，硬盘制造起来变得更容易，因为硬盘生产厂商不需要再担心自己的硬盘是否与其它厂商生产的控制器兼容。对用户而言，硬盘安装起来也更为方便。IDE这一接口技术从诞生至今就一直在不断发展，性能也不断的提高，其拥有的价格低廉、兼容性强的特点，为其造就了其它类型硬盘无法替代的地位。

主板IDE接口

    IDE代表着硬盘的一种类型，但在实际的应用中，人们也习惯用IDE来称呼最早出现IDE类型硬盘ATA-1，这种类型的接口随着接口技术的发展已经被淘汰了，而其后发展分支出更多类型的硬盘接口，比如ATA、Ultra ATA、DMA、Ultra DMA等接口都属于IDE硬盘。

SCSI

    SCSI的英文全称为“Small Computer System Interface”（小型计算机系统接口），是同IDE（ATA）完全不同的接口，IDE接口是普通PC的标准接口，而SCSI并不是专门为硬盘设计的接口，是一种广泛应用于小型机上的高速数据传输技术。SCSI接口具有应用范围广、多任务、带宽大、CPU占用率低，以及热插拔等优点，但较高的价格使得它很难如IDE硬盘般普及，因此SCSI硬盘主要应用于中、高端服务器和高档工作站中。

 

光纤通道(FC)

    光纤通道的英文拼写是Fibre Channel，和SCIS接口一样光纤通道最初也不是为硬盘设计开发的接口技术，是专门为网络系统设计的，但随着存储系统对速度的需求，才逐渐应用到硬盘系统中。光纤通道硬盘是为提高多硬盘存储系统的速度和灵活性才开发的，它的出现大大提高了多硬盘系统的通信速度。光纤通道的主要特性有：热插拔性、高速带宽、远程连接、连接设备数量大等。

    光纤通道是为在像服务器这样的多硬盘系统环境而设计，能满足高端工作站、服务器、海量存储子网络、外设间通过集线器、交换机和点对点连接进行双向、串行数据通讯等系统对高数据传输率的要求。

SATA

    使用SATA（Serial ATA）口的硬盘又叫串口硬盘，是未来PC机硬盘的趋势。2001年，由Intel、APT、Dell、IBM、希捷、迈拓这几大厂商组成的Serial ATA委员会正式确立了Serial ATA 1.0规范，2002年，虽然串行ATA的相关设备还未正式上市，但Serial ATA委员会已抢先确立了Serial ATA 2.0规范。Serial ATA采用串行连接方式，串行ATA总线使用嵌入式时钟信号，具备了更强的纠错能力，与以往相比其最大的区别在于能对传输指令（不仅仅是数据）进行检查，如果发现错误会自动矫正，这在很大程度上提高了数据传输的可靠性。串行接口还具有结构简单、支持热插拔的优点。