本文介紹了SATA的新特性及其新的應(yīng)用模型，包括第1i/2i代和第1m/2m代SATA實(shí)體層規(guī)格、外部SATA特性以及使用埠多工器的連接模式。作者詳細(xì)分析了SATA的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)以及高速差分訊號(hào)和避免阻抗不匹配的PCB設(shè)計(jì)規(guī)則。

 

作為PC、伺服器和消費(fèi)電子產(chǎn)品中重要的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器介面，串列ATA(SATA)發(fā)展迅速并日益盛行。隨著基于磁碟的儲(chǔ)存在所有電子市場(chǎng)領(lǐng)域中變得越來(lái)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)單地代替平行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介面的產(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)保證高速訊號(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訊號(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(lái)對(duì)待，因?yàn)檫@些走線上有很大部份的上升(或下降)電壓。

 

高頻效應(yīng)處理不好，將會(huì)導(dǎo)致PCB無(wú)法工作或者工作起來(lái)時(shí)好時(shí)壞。為保證采用FR4 PCB板的SATA設(shè)計(jì)能正常工作，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(lèi)：設(shè)計(jì)使用差分訊號(hào)和避免阻抗不匹配。

 

高速差分訊號(hào)設(shè)計(jì)規(guī)則包括：

圖1: 帶4個(gè)SATA硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的埠多工器

 

1．SATA是高速差分訊號(hào)，一個(gè)SATA連接包含一個(gè)發(fā)送訊號(hào)對(duì)和一個(gè)接收訊號(hào)對(duì)，這些差分訊號(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)減少信號(hào)之間的差值，增加誤碼率，而且還會(huì)產(chǎn)生共模噪音，因而增加EMI輻射。差分訊號(hào)線對(duì)應(yīng)該在電路板表層并排走線(微帶線)，如果差分訊號(hào)線對(duì)必須在不同的層走線，那么過(guò)孔兩側(cè)的走線長(zhǎng)度必須保持一致。

2．差分訊號(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(guò)150mil。

4．SATA差分對(duì)的差分阻抗必須為100歐姆。

5．為減少串?dāng)_，同一層其它訊號(hào)與差分訊號(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Gb位元傳輸速度的差分訊號(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。在高速訊號(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(guò)窄以致無(wú)法可靠蝕刻的走線，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致走線的寬度或高度產(chǎn)生變化，因而產(chǎn)生問(wèn)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電容器，盡量減少走線寬度與電容器焊盤(pán)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)。Gb位元訊號(hào)需要經(jīng)過(guò)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(lái)替代穿孔插裝元件。使元件接腳長(zhǎng)度盡量短，切短過(guò)長(zhǎng)的接腳應(yīng)作為PCB制作制程的一部份。

8．盡量保證高速訊號(hào)走線與同一層其它走線或電路板組成部份(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．不要在高速訊號(hào)走線上放置測(cè)試點(diǎn)(小焊盤(pán)或過(guò)孔)。

10．確保PCB制作過(guò)程中不在高速訊號(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實(shí)體層規(guī)格和外部SATAi

到目前為止，有關(guān)第一代SATA的實(shí)體層(PHY)速度(1.5Gbps)和第二代SATA的實(shí)體層速度(3.0Gbps)的著述和討論很多，然而，關(guān)于實(shí)體層規(guī)格中的“i”和 “m”部份則關(guān)注較少。

 

第1i代和第2i代串列 ATA 中的“i”代表應(yīng)用于桌面和行動(dòng)PC的這兩代SATA的速度，分別為1.5Gbps和3.0Gbps。SATA 1.0a規(guī)格中定義的一公尺電纜和連接器都適用于這兩種速度，大多數(shù)SATA半導(dǎo)體元件都是針對(duì)第1i代或第2i代規(guī)格而設(shè)計(jì)。

 

大多數(shù)人不知道還有第1m代和第2m代SATA規(guī)格，這些規(guī)格針對(duì)外部SATA應(yīng)用定義，支援兩公尺電纜。從設(shè)計(jì)角度來(lái)看，第1m/2m代應(yīng)用與第1i/2i代規(guī)格是相容的，但也有些不同。為適應(yīng)此類(lèi)應(yīng)用中訊號(hào)衰減的增加，它們提高了最小發(fā)射訊號(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，主控制器必須相容第1m代或第2m代SATA。Silicon Image公司的SATA晶片設(shè)計(jì)考慮了外部SATA應(yīng)用，所有晶片都包含有可滿足第1m代和/或第2m代規(guī)格要求的實(shí)體層技術(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)格。需要著重指出的是，遵循第1m/2m代規(guī)格的外部SATA電纜和連接器，與用于主板和內(nèi)部硬盤(pán)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/拔作業(yè)。因此，外部SATA連接器被刻意設(shè)計(jì)成與內(nèi)部SATA連接器不相相容，以防使用者在外部應(yīng)用時(shí)不小心使用無(wú)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(pán)驅(qū)動(dòng)器現(xiàn)在可以直接用于外部應(yīng)用。一般來(lái)說(shuō)，平行ATA被視為機(jī)箱內(nèi)部介面，作為平行ATA的繼任者，大多數(shù)使用者期望SATA也是機(jī)箱內(nèi)部介面，如果需要外部?jī)?chǔ)存，也可能采用其它諸如USB、Firewire/1394或SCSI的介面。

 

圖2: 連接一個(gè)主機(jī)的四個(gè)埠多工器的連接示意圖

 

然而，使用采用第1m代(1.5Gbps)或第2m代(3.0Gbps)實(shí)體層相容解決方案的外部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?jī)?chǔ)存。目前，使用者定期備份80GB硬盤(pán)以及將數(shù)千兆文件拷貝到外部硬盤(pán)的情況并不少見(jiàn)，介面速度成為這類(lèi)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介面技術(shù)之一。

 

3. 埠多工器

埠多工器(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)單的多工器，將一個(gè)活動(dòng)主機(jī)的連接再使用到多個(gè)設(shè)備連接上。埠多工器只支援一個(gè)活動(dòng)主機(jī)連接，但它可以擴(kuò)展設(shè)計(jì)到支援多達(dá)15個(gè)設(shè)備連接，因而利用到主機(jī)連接的全頻寬。

 

第二代SATA規(guī)格的速度為3.0Gbps，大約相當(dāng)于300MBps的吞吐能力。當(dāng)順序讀寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，SATA硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器目前可支援大約50－60MBps的吞吐能力。因此，利用速度為3.0Gbps的第二代SATA介面的最有效方法，是允許多個(gè)設(shè)備共享同一電纜所提供的頻寬。

 

為使這種工作能正常進(jìn)行，需要一個(gè)支援埠多工器規(guī)格的主機(jī)控制器和一個(gè)充當(dāng)多個(gè)設(shè)備再使用器的埠多工器。埠多工器在所有類(lèi)型的訊框資訊結(jié)構(gòu)(FIS)中使用4位元，即所謂的PM埠字段，來(lái)路由主機(jī)和相應(yīng)設(shè)備之間的FIS。利用PM埠字段，埠多工器可以將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埠字段由主機(jī)設(shè)置為FIS將被路由到的最終設(shè)備的埠地址。對(duì)于從設(shè)備端到主機(jī)端的 FIS，PM埠字段由埠多工器設(shè)置為發(fā)送FIS設(shè)備的埠地址。為能使用所有連接到埠多工器上的設(shè)備，主機(jī)必須擁用來(lái)設(shè)置所有發(fā)送的FIS中PM埠字段的機(jī)制。

 

圖1中，四個(gè)SATA硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器連接到同一個(gè)埠多工器，Silicon Image公司的測(cè)試顯示，當(dāng)主機(jī)同時(shí)存取所有四塊硬盤(pán)，順序讀寫(xiě)速度超過(guò)220MBps。

 

在圖2，一個(gè)支援埠多工器的控制器(如Silicon Image公司的SiI 3124-2 PCI-X到4埠SATA II主控制器)通過(guò)四個(gè)埠多工器連接16個(gè)硬盤(pán)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(guò)伺服器或NAS頭端的單個(gè)PCI-X插槽直接連接16塊硬盤(pán)。這種采用SATA協(xié)議連接SATA硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的直接連接儲(chǔ)存方式，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儲(chǔ)存。

 

本文小結(jié)

采用SATA介面的設(shè)計(jì)，要求開(kāi)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Gb位元串列介面設(shè)計(jì)時(shí)遵循設(shè)計(jì)規(guī)則是至關(guān)重要的。儘管設(shè)計(jì)工程師還要經(jīng)歷一段曲折的學(xué)習(xí)過(guò)程，但最終結(jié)果是將帶來(lái)振奮人心的嶄新應(yīng)用。這些應(yīng)用將使儲(chǔ)存變得更加容易使用并更加具有成本效益，因而廣泛地應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、辦公室和家庭中。