Serial-ATA (SATA) ersetzt die bisher parallele ATA-Schnittstelle durch eine serielle Verbindungstechnik auf der untersten Ebene, wobei Betriebssystem- und Anwenderebene gleich bleiben. Zu den Vorteilen der seriellen Technik zählen eine höhere Geschwindigkeit und die flexiblere Verkabelung.
von Hermann Strass
Mit der seriellen Übertragungstechnik werden Daten sehr viel schneller und weiter übertragen als mit der parallelen Technik. SATA begann mit 1,5 Gbit/s (entspricht etwa 150 MByte/s) Übertragungsrate. Derzeit wird drei Gbit/s eingeführt. Eine weitere Verdoppelung auf sechs Gbit/s ist geplant. Die sehr viel dünneren seriellen Kabel sind flexibler und weniger Hemmnis für die Kühlluftzufuhr zu den heißen Elektronikkomponenten und Laufwerken. Weitere Einzelheiten finden Sie
hier.
Die Anwendungs-Software bleibt unverändert gegenüber dem Einsatz unter ATA. Allerdings gibt es inzwischen kompatible Erweiterungen, mit denen die neue SATA-Technik noch besser genutzt wird. Die SATA-Technik beruht also auf der Software-Kompatibilität zur bisherigen ATA-Schnittstelle (IDE/EIDE) bei weniger Leistungsverbrauch, höheren Geschwindigkeiten, preisgünstigeren Steckverbindern, also mehr Leistung zu niedrigeren Preisen.
Warum und wofür wird SATA benötigt?
SATA ist nur für Massenspeicherschnittstellen (Festplatten, CD-ROM, DVD) vorgesehen, nicht für Scanner oder Drucker und nur für ganz kurze Kabel innerhalb des Rechnergehäuses. Die SATA-Technik ist auf niedrigste Kosten und einfachste Anwendung (daher praktisch identisch mit Parallel-ATA) ausgelegt. Sekundär- und Backup-Speicher wird zunehmend als SATA-Variante eingesetzt. Die früher eingesetzten Bandspeicher werden stark verdrängt, weil Festplatten erheblich schneller sind als die Tape-Technik. Die Preisdifferenz ist nur noch sehr gering. Bänder als Archivierungsmedium werden aber weiterhin benötigt. Bisher ist es nicht praktikabel, gefüllte Plattenspeicher mit dem Gabelstapler in ein gegen Wasser, Feuer und Diebstahl gepanzertes Gebäude in räumlicher Entfernung zum Rechenzentrum ein- oder mehrmals täglich zu transportieren.
Technische Beschreibung von SATA
Die Software-Kompatibilität ist bis zur Registerebene definiert. Das Übertragungsprotokoll für SATA ist symmetrisch mit Quittungsbetrieb, um die Übertragung abzusichern. Die Steuerung kann von beiden Seiten erfolgen. Der Quittungsbetrieb ist allerdings auf die physikalische Übertragungsebene beschränkt. Der Transfer zwischen der Anwendung und dem lokalen Sender-/Empfänger-Baustein ist nicht besonders abgesichert. Die verfügbare Übertragungsrate kann automatisch ermittelt werden.
Bei Parallel-ATA gibt es einen Master (Rechner) und zwei Slaves (Laufwerke), wobei heute in den meisten Rechnern zwei ATA-Busse eingesetzt werden, um vier Massenspeichergeräte zu verwalten. Bei SATA gibt es schon in der Grundausstattung vier direkte Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen einem Chip im Rechner und jeweils einem Gerät an jeder Verbindungsleitung, womit das Problem der Bus-Terminierung entfällt, weil jede Leitung immer an den beiden Enden im Chip terminiert ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein defektes Gerät nicht den ganzen Bus lahmgelegt.
Technische Daten für SATA (1,5 Gbit/s)
|
 |
| Parameter | Wert |
| Datenrate | 1,5 Gbit/s |
| Spannungshub für LVDS (mV) | +150/-150 |
| Bitdauer (ps) | 666,6... |
| Kabellänge (m) | <1 |
SATA-Hardware: Schnittstelle
Stern-Topologie
bei Serial-ATA
Quelle: Intel
Die SATA-Schnittstelle ist für sehr hohe Datenraten ausgelegt. Bei einer Datenrate von 1,5 Gbit/s (150 MByte/s) ergibt sich eine Bitdauer von nur noch 666 ps. Die Übertragungsrate soll innerhalb von zehn Jahren auf 600 MByte/s (6 Gbit/s) erhöht werden. Daraus ergibt sich dann eine Bitdauer von 166,5 ps. Für die physikalische Datenübertragung wurde die LVDS-Technik mit NRZ-Kodierung bei einem Spannungshub zwischen +150 mV und -150 mV um eine gemeinsame Mitte festgelegt. LVDS wird bei allen neuen, schnellen SCSI-Varianten schon seit einigen Jahren eingesetzt. EMV-Probleme sind weitgehend unbekannt, weil mit wenig Leistung bei einem sehr geringen Spannungshub übertragen wird. Um eine einseitige Aufladung des Übertragungskabels zu vermeiden werden ständige Flankenwechsel benötigt, auch bei langen NULL-Sequenzen. Dazu wird die 8B/10B-Kodierung genutzt (wie bei Fibre-Channel oder Gbit-Ethernet). Jedes Byte (8 Bits) wird vor der Übertragung in eine 10-Bit-Einheit umgewandelt, damit immer Flankenwechsel in kurzen Abständen erzeugt werden können. Am Ende der Übertragung wird dann wieder in das ursprüngliche Byte (8 Bit) zurückgewandelt. Außerdem werden im Betrieb die Leitungsparameter dynamisch angeglichen, um einen stabilen Betrieb ohne Anwendereingriffe zu gewährleisten. Wegen der höheren Datenraten und damit höheren Fehlerwahrscheinlichkeiten wurde eine Fehlerprüfung und -korrektur auf der seriellen Übertragungsstrecke eingeführt.
Für mobile PCs mit Batteriebetrieb ist die Leistung in Stufen abschaltbar, damit der Strombedarf sehr niedrig gehalten werden kann. Die parallele Übertragung benötigt im Vergleich mehr als das zwanzigfache an Energie, nur für die Übertragung.
SATA-Kabel und Steckverbinder
Der Steckverbinder ist zweiteilig. Er besteht aus einem 7-poligen Signal- und aus einem 15-poligen Stromversorgungsteil. Parallel-ATA-Systeme haben heute meist 80-polige Steckverbinder mit entsprechend breiten Flachbandkabeln. Jedes SATA-Laufwerk hat sein eigenes Kabel zur rechnerseitigen Schnittstelle (Punkt-zu-Punkt-Verbindung), wobei die Sende- und Empfangsübertragung getrennt auf je einem Drahtpaar geführt werden (voll-duplex).
Erweiterungen
Port-Multiplier
Werden mehr als vier Laufwerke in einem Rechner oder Server benötigt, reduziert ein Port-Multiplier die Menge der benötigten Kabel. Dieser erzeugt aus einem Kabel zum Rechner auf der Seite zu den Laufwerken vier oder mehr (bis zu 15) Anschlüsse für kurze Kabel. Die Laufwerke teilen sich die verfügbare Übertragungsbandbreite. Bei 50 MByte/s je Laufwerk können schon drei Laufwerke eine 1,5 Gbit/s-Strecke (150 MByte/s) auslasten. Es wird jedoch eher selten vorkommen, dass drei Laufwerke mit voller Bandbreite übertragen wollen. Bei einer Schnittstelle mit 3 Gbit/s (300 MByte/s) ist aber genügend Bandbreite für die vier Laufwerke vorhanden.
Laufwerke arbeiten unverändert mit einem Port Multiplier zusammen. Der Controller im Rechner muss entweder Command-based Switching (CbS) oder FIS (Frame Information Structure) einsetzen, um einen Port-Multiplier zu nutzen. Mit CbS lässt sich immer nur ein Laufwerk zu einer Zeit bedienen. Hohe Übertragungsraten sind nicht nutzbar. FIS bedient alle Laufwerke am Port-Multiplier (fast) gleichzeitig. Hohe Übertragungsraten und NCQ können voll genutzt werden, wenn genügend Laufwerke Daten übertragen.
Port-Selector
Mit dem Port-Selector kann zwischen zwei redundanten Übertragungsstrecken geschaltet werden. Damit wird das Problem Single-Point-of-Failure (SPoF) umgangen. Zwei Rechner können auf ein Laufwerk zugreifen. Die beiden Rechner müssen selbst bestimmen wer aktiv ist (immer nur einer). Diese Auswahl/Umschaltung kann durch nicht-spezifizierte Mechanismen erfolgen.
Native-Command-Queuing
Mit NCQ (Native Command Queuing) lassen sich zu 32 Befehle nacheinander an ein Laufwerk senden. Die Laufwerkselektronik kann dann die kürzesten mechanischen Kopfbewegungen errechnen, um die gewünschten Daten zu lesen oder zu schreiben. So wird der Betrieb optimiert und die Übertragungsstrecke besser genutzt. Allerdings ist NCQ auf Lese- und Schreibbefehle begrenzt. Tritt ein Fehler auf, werden alle ausstehenden Befehle verworfen. Zur effektiven Nutzung von NCQ wird ein spezielles Advanced-Host-Controller-Interface (AHCI) benötigt.
Für Parallel-ATA gab es schon das TCQ (Tagged Command Queuing), das sich aber nicht durchgesetzt hat, weil es sehr ineffektiv war. Bei SCSI gibt es Queuing für alle Befehle schon sehr lange und für beliebig viele auszuführende Befehle. Diese Funktion wird auch in SAS-Anwendungen genutzt. Fehler im SCSI-Queuing beeinflussen nur den betroffenen Task.
Logo für externe SATA-Anschlusstechnik
Quelle: SATA-IO
SATA und ATA sind für den Anschluss von Laufwerken im Rechnerschrank mit sehr kurzen Kabeln ausgelegt. In der eSATA-Spezifikation (external SATA) werden verbesserte (geschirmte) Kabel und Steckverbinder definiert, die eine Datenübertragung auf eine Entfernung bis zu zwei Meter zulassen. So lassen sich auch Laufwerke außerhalb eines Rechnerschrankes (extern) anschließen. eSATA ersetzt damit USB- oder FireWire (IEEE 1394) mit einer deutlich höheren Datenraten (bis zu 37-fach). Außerdem werden die Übertragungsraten durch den Wegfall der Brücken-Chips (z.B. SATA-USB) noch weiter verbessert. Bei eSATA sind die Steckkontakte unterschiedlich lang. Damit ist Stecken und Ziehen der Kabel im laufenden Betrieb (hot swap) möglich.
xSATA
Mit xSATA können die Laufwerke weiter entfernt (bis zu 8 m, wie bei SAS) vom Rechner sein als mit eSATA (bis zu 2 m). Dazu werden andere Kabel und Steckverbinder benötigt.
Marktpositionierung
SATA und SAS werden komplementär genutzt. SATA wird für hohe Kapazitäten bei geringeren Leistungsdaten und technischen Anforderungen als preisgünstiger Massenspeicher für Online-Backup und als Hintergrundspeicher eingesetzt. SAS wird bei höchsten Leistungsanforderungen im ausfallgesicherten Cluster- und RAID-Verbund eingesetzt. Beide nutzen die gleichen Speicherschränke, Stromversorgungen und Infrastruktur zur Kostenoptimierung. Weitere Einzelheiten finden Sie hier.
Abgrenzung zu anderen seriellen Techniken
Die SATA-Technik ist auf das Anwendungsgebiet der bisherigen parallelen ATA-Schnittstelle optimiert und wird diese ablösen. SATA hat kaum Auswirkungen auf USB, IEEE 1394 (FireWire, iLink) oder SCSI (mit Ausnahme SAS). Die hier erwähnten seriellen Schnittstellen wurden für Geräte außerhalb des Rechnergehäuses oder für andere Einsatzschwerpunkte entwickelt.
Ausblick
Die zukünftige Entwicklung wird weiterhin auf niedrige Kosten und einfache Anwendung nach dem jeweiligen Stand der Technik optimiert.
Geplante technische Entwicklung für SATA
|
|
| Parameter | Generation 1 | Generation 2 | Generation 3 |
| Serielle Datenrate (Gbit/s) | 1,5 | 3,0 | 6,0 |
| Datenrate bei 8B/10B (MByte/s) | 150 | 300 | 600 |
| Einführungszeitpunkt (geschätzt) | 2001 | 2004 | (2007) |
SATA II ist nicht gleich 3 Gbit/s
Sehr häufig wird die Bezeichnung SATA II mit einer Übertragungsrate von 300 MByte/s (3 Gbit/s) gleichgesetzt. Das ist falsch! SATA II ist die Bezeichnung für eine Arbeitsgruppe von Experten in der SATA-IO-Organisation, die Erweiterungen für zukünftige Generationen von SATA entwickelt. Eine dieser Erweiterungen ist die schnellere Übertragungsrate mit drei Gbit/s und zukünftig mit sechs Gbit/s. Andere Erweiterungen sind NCQ, Staggered Spin-Up oder eSATA. Die Spezifikation heißt immer SATA. Die implementierten Erweiterungen müssen in den Datenblättern genannt werden.
Wenn ein Hersteller SATA II in sein Datenblatt schreibt, dann ist das höchstens ein Hinweis, dass einige Erweiterungen vorhanden sind. Es bedeutet nicht automatisch eine höhere Übertragungsrate oder dass die NCQ-Option verfügbar ist. NCQ gibt es beispielsweise auch für Laufwerke mit 150 MByte/s Übertragungsrate. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass ein einzelnes SATA-Laufwerk weder 150 MByte/s noch 300 MByte/s auch nur annähernd nutzen kann. Natürlich müssen beide Teilnehmer (Rechner und Laufwerk) eine bestimmte Datenrate oder Erweiterungsfunktion beherrschen, damit diese auch genutzt werden kann. Mit zusätzlicher NCQ-Funktion kann zumindest die Ausnutzung der Bandbreite verbessert werden.
Geschichtliche Entwicklung
Die ATA-Schnittstelle (Advanced Technology Attachment) wurde von den drei Firmen Imprimis/CDC (heute Seagate), Western Digital und Compaq als integrierte Schnittstelle (IDE) vor langer Zeit entwickelt und später zur EIDE erweitert. Das SFF-Komitee hat EIDE als ATA-Spezifikation dokumentiert und dem ANSI-Komitee T13 zur Normung eingereicht. Später wurde dann ATAPI als Ergänzung für CD-ROMs und Bandgeräte vom SFF definiert.
Im Jahre 1999 begannen sieben Firmen unter Leitung von Intel mit der Entwicklung von Spezifikation für SATA als Erweiterung von Parallel-ATA. Die SATA International Organisation (SATA-IO) ist seit September 2004 als Nachfolger der ursprünglichen SATA Working Group für die Standardisierung und Förderung der SATA-Technik zuständig. Seit 2002 arbeitet die SATA II Working Group innerhalb von SATA und jetzt SATA-IO an den Erweiterungen zur Basis-Spezifikation.
Spezifikationen
Die logische ATA-Schnittstelle bleibt unverändert. Die bisher physikalisch parallele ATA-Schnittstelle (Bus mit 2 Geräten oder 2 x 2 Geräten) wird durch eine serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindung (Stern mit 1 x 4 Geräten) ersetzt. Die Grundspezifikation SATA 1.0 wird laufend erweitert und ergänzt. Seit August 2005 ist die Version SATA 2.5 aktuell. Darin sind alle bisherigen Grund- und Teilspezifikationen zusammengeschlossen. Dazu gehören:
 | SATA 1.0 |
| 3.0 Gbit/s Bitrate |
| eSATA |
| Hot Plug |
| Slimline Connector |
| 4-lane Cable |
| und alle in der Tabelle einzeln aufgeführten Spezifikationen |
SATA-Spezifikationen (Auswahl)
|
|
| Datum | Spezifikationen und Erweiterungen |
| Q3/2001 | SATA 1.0 Grundspezifikation |
| Q4/2002 | Native Command QueuingEnclosure ServicesStaggered spin-up |
| Q1/2003 | Cables & Connectors Volume 1 |
| Q2/2003 | Port Multiplier |
| Q3/2003 | Port Selector |
| Q2/2004 | 3 Gbit/sCables & Connectors Volume 2 |
| Q3/2005 | SATA 2.5 (Zusammenfassung aller bisherigen Einzelspezifikationen) |
Abkürzungen
|
|
| ATA | Advanced Technology Attachment |
| ATAPI | ATA Packet Interface |
| CD-ROM | Compact Disk - Read-Only Memory |
| EIDE | Enhanced IDE |
| EMV | Elektromagnetische Verträglichkeit |
| FC | Fibre Channel |
| Gb | Gigabit |
| GB | Gigabyte |
| IDE | Integrated Drive Electronics |
| IEEE | Institute of Electrical and Electronics Engineers |
| LVDS | Low Vortage Differential Signalling |
| Mb | Megabit |
| MB | Megabyte |
| NRZ | Non-Return-to-Zero |
| SATA | Serial ATA |
| SATA-IO | SATA - International Organization |
| SAS | Serial Attached SCSI |
| SCSI | Small Computer System Interface |
| SFF | Small Form Factor committee |
| USB | Universal Serial Bus |