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本文介紹了SATA的新特性及其新的應用模型，包括第1i/2i代和第1m/2m代SATA實體層規格、外部SATA特性以及使用埠多工器的連接模式。作者詳細分析了SATA的設計挑戰以及高速差分訊號和避免阻抗不匹配的PCB設計規則。

 

作為PC、伺服器和消費電子產品中重要的硬盤驅動器介面，串列ATA(SATA)發展迅速并日益盛行。隨著基于磁碟的儲存在所有電子市場領域中變得越來越重要，系統設計工程師需要知道采用第一代SATA(1.5Gbps)和第二代SATA(3.0Gbps)協議的產品設計中的獨特挑戰。此外，系統設計工程師還需要了解新的SATA特性，以使其用途更廣，功能更強，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計中存在的障礙，對成功推出采用SATA介面的產品非常關鍵。

 

PCB設計挑戰和建議

日趨復雜的PCB布局布線設計對保證高速訊號(如SATA)的正常工作至關重要。由于第一代和第二代SATA的速度分別高達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訊號的上升時間約為100ps，如此快的上升時間，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成傳輸線來對待，因為這些走線上有很大部份的上升(或下降)電壓。

 

高頻效應處理不好，將會導致PCB無法工作或者工作起來時好時壞。為保證采用FR4 PCB板的SATA設計能正常工作，必須遵守下面列出的FR4 PCB布局布線規則。這些規則可分為兩大類：設計使用差分訊號和避免阻抗不匹配。

 

高速差分訊號設計規則包括：

圖1: 帶4個SATA硬盤驅動器的埠多工器

 

1．SATA是高速差分訊號，一個SATA連接包含一個發送訊號對和一個接收訊號對，這些差分訊號的走線長度差別應小于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，而且還會產生共模噪音，因而增加EMI輻射。差分訊號線對應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．為減少串擾，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。

 

避免阻抗不匹配的設計規則包括：

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，走線相對于參考平面高度10倍距離范圍內，參考平面不應被切斷或有挖空的區域。

3．采用寬度過窄以致無法可靠蝕刻的走線，經常會導致走線的寬度或高度產生變化，因而產生問題。最小的走線寬度和走線相對于參考平面的高度應為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計。Gb位元訊號需要經過特殊設計、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(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倍距離內增加取樣點(Thieving)。

遵循上述通用規則有助于確保設計獲得成功。

 

SATA的新特性及使用模型

前面介紹了如何進行SATA應用的PCB設計，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實體層規格和外部SATAi

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

 

第1i代和第2i代串列 ATA 中的“i”代表應用于桌面和行動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SATA半導體元件都是針對第1i代或第2i代規格而設計。

 

大多數人不知道還有第1m代和第2m代SATA規格，這些規格針對外部SATA應用定義，支援兩公尺電纜。從設計角度來看，第1m/2m代應用與第1i/2i代規格是相容的，但也有些不同。為適應此類應用中訊號衰減的增加，它們提高了最小發射訊號電平幅度，降低了最小接收幅度。為實現外部ATA應用，主控制器必須相容第1m代或第2m代SATA。Silicon Image公司的SATA晶片設計考慮了外部SATA應用，所有晶片都包含有可滿足第1m代和/或第2m代規格要求的實體層技術。

 

2. 外部SATA

用于外部SATA的電纜和連接器已有詳細定義，可從SATA國際組織的網站(http://www.sata-io.org)下載有關規格。需要著重指出的是，遵循第1m/2m代規格的外部SATA電纜和連接器，與用于主板和內部硬盤驅動器的內部SATA連接器是不同的。針對外部應用的電纜和連接器必須有電磁干擾(EMI)和靜電釋放(ESD)保護，并且要足夠結實，能夠經受大量的插/拔作業。因此，外部SATA連接器被刻意設計成與內部SATA連接器不相相容，以防使用者在外部應用時不小心使用無屏蔽的內部SATA電纜。

 

這種外部ATA電纜和連接器的意義在于SATA硬盤驅動器現在可以直接用于外部應用。一般來說，平行ATA被視為機箱內部介面，作為平行ATA的繼任者，大多數使用者期望SATA也是機箱內部介面，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: 連接一個主機的四個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)實體層相容解決方案的外部SATA電纜和連接器，現已可實現比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之一。

 

3. 埠多工器

埠多工器(PM, port multiplier)是活動主機與多個設備連接并進行通訊的一種設備。它可看成簡單的多工器，將一個活動主機的連接再使用到多個設備連接上。埠多工器只支援一個活動主機連接，但它可以擴展設計到支援多達15個設備連接，因而利用到主機連接的全頻寬。

 

第二代SATA規格的速度為3.0Gbps，大約相當于300MBps的吞吐能力。當順序讀寫數據時，SATA硬盤驅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，是允許多個設備共享同一電纜所提供的頻寬。

 

為使這種工作能正常進行，需要一個支援埠多工器規格的主機控制器和一個充當多個設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構(FIS)中使用4位元，即所謂的PM埠字段，來路由主機和相應設備之間的FIS。利用PM埠字段，埠多工器可以將FIS從一個主機路由到多達15個SATA設備。對于從主機端到設備端的FIS，PM埠字段由主機設置為FIS將被路由到的最終設備的埠地址。對于從設備端到主機端的 FIS，PM埠字段由埠多工器設置為發送FIS設備的埠地址。為能使用所有連接到埠多工器上的設備，主機必須擁用來設置所有發送的FIS中PM埠字段的機制。

 

圖1中，四個SATA硬盤驅動器連接到同一個埠多工器，Silicon Image公司的測試顯示，當主機同時存取所有四塊硬盤，順序讀寫速度超過220MBps。

 

在圖2，一個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)通過四個埠多工器連接16個硬盤驅動器。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PCI-X插槽直接連接16塊硬盤。這種采用SATA協議連接SATA硬盤驅動器的直接連接儲存方式，能夠以盡可能低的價格點為使用者提供易于使用的高速儲存。

 

本文小結

采用SATA介面的設計，要求開發團隊中每位成員有新的思考方式。為設計出創新的應用，產品規劃師和架構師必須了解SATA的功能特性。設計工程師則必須知道，在進行Gb位元串列介面設計時遵循設計規則是至關重要的。儘管設計工程師還要經歷一段曲折的學習過程，但最終結果是將帶來振奮人心的嶄新應用。這些應用將使儲存變得更加容易使用并更加具有成本效益，因而廣泛地應用于數據中心、辦公室和家庭中。