SATA / Serial-ATA
Serial-ATA, kurz SATA oder S-ATA, ist eine Schnittstelle für Massenspeicher, wie Festplatten und Wechselspeicher-Laufwerke. Schnittstellen für Massenspeicher waren ursprünglich immer Bussysteme mit parallel geführten Signalleitungen in Leiterbahnen und Anschlusskabel. Mit zunehmender Übertragungsgeschwindigkeit ergaben sich technische Schwierigkeiten, die für die Übertragungsrate eine obere Grenze setzten. So blieb auch die ATA (EIDE)-Schnittstelle nicht davon verschont, dass sie auf den seriellen Betrieb umgestellt wurde.
Im Jahr 2000 setzten sich mehrere Firmen aus dem IT-Sektor zusammen, um eine Spezifikation über Serial-ATA (Serielles ATA) zu erstellen. Im Jahr 2001 wurde die erste Version von Serial-ATA vorgestellt. Anfang 2003 waren bereits die ersten Controller und Festplatten erhältlich. Bis zur vollständigen Marktdurchdringung hat es noch bis zum Jahr 2004 gedauert.
Mit 150 MByte/s hat SATA direkt an die parallele ATA-Schnittstelle (P-ATA) mit 133 MByte/s angeknüpft.
Die Serial-ATA-Schnittstelle unterstützt 1,5 GBit/s bei einer Nettodatenrate von ca. 150 MByte/s. Festplatten mit 10.000 Umdrehungen in der Minute (U/m) liefern rund 75 MByte/s an Daten. Die Schnittstellengeschwindigkeit reicht also auch für die Zukunft locker aus.
Bei den Festplatten hat sich die SATA-Schnittstelle sehr schnell durchgesetzt. Bei den optischen Laufwerken, wie CD-ROM und DVD blieb SATA lange Zeit uninteressant. Ein Umschwenken im Markt fand erst statt, als Intel bei seinen Chipsätzen auf die IDE/ATA-Schnittstelle verzichtete. Die Computer-Hersteller mussten sich entscheiden, ob sie einen zusätzlichen IDE-Controller oder SATA-Laufwerke einbauten. Da sowieso ein optisches Laufwerk eingebaut werden musste, setzte sich die SATA-Schnittstelle auch bei optischen Laufwerken durch.
Übersicht: SATA
| Schnittstelle | Bandbreite | Reichweite | Geräteanzahl | Einführung |
|---|---|---|---|---|
| Serial-ATA (SATA) | 150 MByte/s | 1 m | 4 | 2003 |
| Serial-ATA-II (SATA-2 / SATA-300) | 300 MByte/s | 1 m | 16 | 2005 |
| Serial-ATA-III (SATA 6G/ SATA-600) | 600 MByte/s | 1 m | 16 | 2007 |
| Serial Attached SCSI (SAS) | 300 MByte/s | 1 m | 16.384 | 2004 |
| Serial Attached SCSI 2 (SAS 2) | 600 MByte/s | 1 m | 16.384 | 2007 |
| Serial Attached SCSI 3 (SAS 3) | 1200 MByte/s | 1 m | 16.384 | 2010 |
SATA-Nachfolger
Serial-ATA-Architektur
Serial ATA verwendet bis zu vier geschaltete Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Das heißt, jedes Laufwerk bekommt seinen eigenen Kanal, das es nicht mit einem anderen Gerät teilen muss. Somit beschränkt sich der Installationsaufwand auf den Einbau der Laufwerke und das Anschließen der Kabel. Alte EIDE-/ATA-Geräte lassen sich über Adapter an den SATA-Controller anschließen.
Technik
Serial ATA verhält sich vollständig kompatibel zum Parallel-ATA (P-ATA). Alle Kommandos, Register, PIO- und DMA-Transfers, Interrupts und auch das Master-Slave-Verhalten werden emuliert. Ausschließlich die Link Layer Schicht verpackt und entpackt den seriellen Datenstrom.
Um die Kompatibilität zu gewährleisten werden die parallel vorliegenden Daten mit Wandlern in serielle Datenströme konvertiert. Die hohe Integrationsdichte und die extrem schnelle interne Verarbeitungsgeschwindigkeit in integrierten Schaltungen erlauben die Wandlung nahezu in Echtzeit.
Die elektrische Wandlung und Protokollanpassung findet nur auf der untersten Hardware-Ebene statt. Die Wandlung von parallel auf seriell wird mit einer NRZ-Kodierung (8b/10b) vorgenommen. Dazu wird auf der Übertragungsstrecke 1 Byte in eine 10er-Einheit verpackt. Die zwei zusätzlichen Bits sorgen für die ausreichend häufigen Flankenwechsel, die die einseitige Aufladung des Kabels verhindert.
Signalübertragung
Die Signalpegel bei SATA betragen nur +-250 mV. Diese Spannung ist an die übliche Halbleitergeneration angepasst. So ist keine aufwendige Pegelwandlung zwischen Übertragungsstrecke und Controllerlogik notwendig.
Wie jedes andere moderne serielle Übertragungsverfahren arbeitet SATA mit differenziellen Signalen auf getrennten Sende- und Empfangsleitungen (TX-/TX+/RX-/RX+). Bei differenziellen Signalen ändern beide Leitungen bei einem Signalwechsel gleichzeitig aber gegenphasig ihre Pegel. Die Störanfälligkeit wird dadurch wesentlich vermindert. Störungen wirken in der Regel auf beide Leitungen, so dass diese Störungen bei der Differenzbildung nahezu vollständig entfernt werden können. Üblicherweise werden die Signalleitungen verdrillt. Die Verdrillung führt aber bei hohen Datenraten zu größeren Laufzeitunterschieden. Deshalb laufen bei SATA die Signalleitungen parallel zu den Masseleitungen in einer Schutzhülle. Daher hat der SATA-Stecker auch drei Masseanschlüsse.
Trotz getrennter Empfangs- und Sendeleitungen erlaubt SATA nur den Halbduplex-Betrieb.
Stecker und Anschlüsse
PATA-Stecker (links) und SATA-Stecker (rechts) im Vergleich
PATA-Anschluss (oben) und zwei SATA-Anschlüsse (unten)
SATA-Stecker
SATA-Strom- und Daten-Anschluss-Stecker
Für den Anschluss von SATA-Geräten wird ein dünnes Kabel mit einem kleinen Stecker verwendet. Von ATA war bisher das breite Flachbandkabel bekannt.
Der Stromanschluss ist 15-polig, mit je drei Anschlüssen für 3,3V, 5V und 12V, sowie 6 Masseleitungen. Die Stromkabel können die Spannungen zusammenfassen und sich darauf beschränken, welche Spannungen die Geräte benötigen. Um Verlustleistung und damit die Wärmeentwicklung zu reduzieren wird die Laufwerkselektronik mit 3,3V betrieben.
Der eigentliche Grund für die vielen Kontakte ist die Hotplug-Fähigkeit. Jede der drei Spannungen hat einen "Pre-Charge-Anschluss", der eine längere Kontaktzunge hat, die beim Anschließen zuerst den Kontakt herstellen. Selbiges gilt für die Daten-Kontakte (7-polig), die räumlich von der Spannungsversorgung getrennt sind.
mSATA / mini-SATA
mSATA ist ein Standard des Normungsgremiums JEDEC, dass für Mini-SSDs statt SATA ein PCIe-Interface vorsieht. Mini-SSDs werden vorwiegend in Notebooks an Mini-PCIe-Steckplätzen angeschlossen und Dank mSATA als herkömmliche SATA-Festplatten erkannt. Das Betriebssystem kann dabei auf Standard-Treiber zurückgreifen.
SATAe - SATA Express
Wegen immer schnellerer Flash-Speicher und -Controller nimmt die Geschwindigkeit von SSDs unaufhörlich zu. Da SSDs als Festplatten-Ersatz dienen, ist die SATA- bzw. SAS-Schnittstelle als Massenspeicher-Schnittstelle hier maßgeblich im Einsatz. Im Vergleich zur Weiterentwicklung von SSDs bleibt die Weiterentwicklung von SATA leider zurück. Während es schon SSDs gibt, die Daten mit 2 GByte/s schaufeln können, hängt SATA 6G bei 600 MByte/s bzw. SAS bei 1,2 GByte/s fest. Mit der bisherigen Übertragungstechnik und den dazugehörigen Steckverbindern ist es leider nicht möglich, die Datenrate von SATA zu steigern.
SSDs zwingen deshalb zum Umstieg von SATA bzw. SAS auf PCI Express (PCIe). PCIe verfügt über eine höhere Datentransferrate und kürzere Latenzzeiten. PCIe 3.0 schafft pro Lane 8 GT/s bzw. 1 GByte/s. SATA 6G erreicht nur 6 GT/s bzw. 600 MByte/s. Zudem lassen sich PCIe-Lanes bündeln. Man ist somit bei der Entwicklung schnellerer SSDs nicht auf die Weiterentwicklung von PCIe angewiesen.
Weil PCI Express nicht für den Einsatz von Massenspeicher gemacht ist benötigt man eine Zwischenstufe, die die Übertragungstechnik von PCI Express benutzt und das Protokoll für die Datenübertragung und den Datenzugriff mitbringt. Herausgekommen ist dabei SATA Express (SATAe).