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)品中重要的硬盤驅(qū)動器介面，串列ATA(SATA)發(fā)展迅速并日益盛行。隨著基于磁碟的儲存在所有電子市場領(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)對保證高速訊號(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都會對電路性能造成很大的影響。SATA訊號的上升時(shí)間約為100ps，如此快的上升時(shí)間，再加上有限的電信號傳輸速度，所以即使很短的走線也必須當(dāng)成傳輸線來對待，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)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：設(shè)計(jì)使用差分訊號和避免阻抗不匹配。

 

高速差分訊號設(shè)計(jì)規(guī)則包括：

圖1: 帶4個(gè)SATA硬盤驅(qū)動器的埠多工器

 

1．SATA是高速差分訊號，一個(gè)SATA連接包含一個(gè)發(fā)送訊號對和一個(gè)接收訊號對，這些差分訊號的走線長度差別應(yīng)小于5mil。使差分對的走線長度保持一致非常重要，不匹配的走線長度會減少信號之間的差值，增加誤碼率，而且還會產(chǎn)生共模噪音，因而增加EMI輻射。差分訊號線對應(yīng)該在電路板表層并排走線(微帶線)，如果差分訊號線對必須在不同的層走線，那么過孔兩側(cè)的走線長度必須保持一致。

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

3．為減少EMI，差分對的走線間距不要超過150mil。

4．SATA差分對的差分阻抗必須為100歐姆。

5．為減少串?dāng)_，同一層其它訊號與差分訊號線對之間的間距至少為走線相對于參考平面高度的10至15倍。

6．在Gb位元傳輸速度的差分訊號上不要使用測試點(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于參考平面的高度，走線寬度和走線相對于參考平面的高度決定走線阻抗。

2．保持完整的參考平面。在高速訊號走線兩側(cè)，走線相對于參考平面高度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)常會導(dǎo)致走線的寬度或高度產(chǎn)生變化，因而產(chǎn)生問題。最小的走線寬度和走線相對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穿孔插裝元件。使元件接腳長度盡量短，切短過長的接腳應(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參考平面高度的10倍。

9．不要在高速訊號走線上放置測試點(diǎn)(小焊盤或過孔)。

10．確保PCB制作過程中不在高速訊號走線相對于參考平面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)格針對外部SATA應(yīng)用定義，支援兩公尺電纜。從設(shè)計(jì)角度來看，第1m/2m代應(yīng)用與第1i/2i代規(guī)格是相容的，但也有些不同。為適應(yīng)此類應(yīng)用中訊號衰減的增加，它們提高了最小發(fā)射訊號電平幅度，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)部硬盤驅(qū)動器的內(nèi)部SATA連接器是不同的。針對外部應(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)動器現(xiàn)在可以直接用于外部應(yīng)用。一般來說，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，如果需要外部儲存，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)速度快得多的外部儲存。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，介面速度成為這類應(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介面技術(shù)之一。

 

3. 埠多工器

埠多工器(PM, port multiplier)是活動主機(jī)與多個(gè)設(shè)備連接并進(jìn)行通訊的一種設(shè)備。它可看成簡單的多工器，將一個(gè)活動主機(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)順序讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，SATA硬盤驅(qū)動器目前可支援大約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硬盤驅(qū)動器連接到同一個(gè)埠多工器，Silicon Image公司的測試顯示，當(dāng)主機(jī)同時(shí)存取所有四塊硬盤，順序讀寫速度超過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)通過四個(gè)埠多工器連接16個(gè)硬盤驅(qū)動器。Silicon Image公司展示了一種既簡單又具成本效益的方法，即通過伺服器或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)動器的直接連接儲存方式，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存。

 

本文小結(jié)

采用SATA介面的設(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)用將使儲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。