详解串行总线中的SATA协议

书接上回-《串行总线技术（一）-串行总线结构（以PCIe为例）》《串行总线技术（二）-串行总线中的先进设计理念及SerDes/PMA介绍》，今天详解SATA协议。

简介SATA（Serial Advanced Technology Attachment，高级技术附加装置）是在2002年作为并行ATA（Parallel ATA，PATA）的替代技术而引人的。由于SATA是一种串行协议，与并行ATA相比，它所需要的引脚数少、连接器尺寸也小。第一代SATA（也被称为SATA1.0）以1.5Gbps速度运行。SATA2.0的运行速度翻倍至3.0Gbps，在SATA3.0中，运行速度进一步翻倍至6.0GbpS。

SATA架构SATA组成部分包括两种类型：SATA宿主（SATA host）和SATA设备（SATA device）。

SATA宿主通常位于个人计算机中。SATA宿主可以有一个或者多个端口。SATA宿主的每一个端口连接一个SATA设备。即使SATA宿主具有多个端口，各个端口的运行也是彼此独立的，同时每一个SATA设备的运行都独立于其他SATA设备。

SATA宿主集成在芯片组内部，在芯片组内部，SATA宿主的前端连接至芯片组内部的PCle总线或AHB/AXI总线上。SATA宿主采用寄存器接口层进行数据通信，该寄存器接口层被称为高级宿主控制器接口（Advanced Host Controller Interface，AHCI）。AHCI为DMA数据传送提供了基于寄存器的接口。在软件中有操作指令，软件存储在存储器中。然后，软件对宿主寄存器空间进行置位表示指令已就绪。SATA宿主从存储器中取出指令并将它们传送给SATA设备。

SATA设备接收到来自宿主的指令并加以执行。在SATA设备的后端，通常是硬盘控制器。SATA协议层将SATA指令传递给硬盘控制器，由它来执行指令（从硬盘中读出数据或者将数据写入硬盘）。SATA支持本地命令排序（Native Command Queuing，NCQ），即硬盘控制器通过SATA协议接收多条指令、并按照最佳顺序加以执行。

SATA协议分为三层（复杂协议都具有分层管理机制）：传输层、链路层和物理层。物理层最接近物理链路，具有8b/10b编解矶、扰码/解扰等功能。另外，它还关注链路训练和初始化。数据链路层是中间层次，关注链路对链路的通信。数据链路报文长度同定（4字节），称为原语（primitive）。SATA采用全双工通信协议，但与PCle类似，发送和接收线路不同时进行数据传送。当一方将数据发送到TX通道上时，另一方发送原语。原语用于传递控制信息，如R-OK（接收数据无差错）、R_ERR（接收数据有差错）、HOLD（发给发送方的流控信，让其暂停发送数据）。

最上面一层被称为传输层，它与应用层相连。它接收来自应用层的指令和数据，并以帧信息结构（Frame Information Structure，FIS）的形式传递给另一方。FIS中包括头部、净载荷数据和循环冗余检验码，其净载荷长度可变。

SATA的其他变种eSATA

eSATA代表外部SATA（External SATA）。它采用更好的连接器和更长的屏蔽线缆，最长可达2米。它针对的是外部硬盘。

mSATA

mSATA代表小型化SATA（mini-SATA）。它针对的是移动应用和小型固态电子存储设备。它有类似于mini-PCIe卡的外形尺寸，面向笔记本和上网本设备。

快速SATA

SATA Express代表快速SATA。它是将SATA协议和PCIe接口结合在一起的新协议。SATA Express连接器可以接插一个x2的PCIe设备或者两个SATA设备。

带宽最高可达16Gbps带宽（现在最快的SATA 3.2标准带宽为16Gbps），SATA Express标准将会如其名称所描述的，把SATA软件架构和PCI-Express高速界面结合在一起。SATA国际组织称SATA Express标准将会带来新一代更快的存储装置和对应的主板接口，并且还能兼容现有的SATA设备。SATA国际组织主席Mladen Luksic称该标准将使固态与混合硬盘受益于新一代PCI-Express 3.0的高带宽从而打破性能瓶颈，标准的具体细节将在年内制定完成。SATA国际组织同时表示除SATA Express外，还有针对集成在主板上的嵌入式单芯片SSD存储解决方案的SATA µSSD标准，面向移动设备如平板电脑等。

责任编辑：haq