Serial ATA

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Serial ATA (SATA, auch S-ATA/Serial Advanced Technology Attachment) ist ein hauptsächlich für den Datenaustausch zwischen Prozessor und Festplatte entwickelter Datenbus.

SATA-Anschluss auf einem Mainboard

Unterseite einer Serial-ATA-Festplatte von Samsung mit Daten- und Stromkabel

Serial ATA hat sich aus dem älteren ATA, auch IDE genannten, Standard entwickelt. Zu Gunsten der Leistungsfähigkeit entschied man sich, von einem parallelen Busdesign zu einem bit-seriellen Bus überzugehen, d. h., dass die Daten seriell übertragen werden (Bit für Bit) und nicht, wie bei den alten ATA-Standards, in 16-Bit-Worten. Gegenüber seinem Vorgänger besitzt SATA drei Hauptvorteile: höhere Datentransferrate, vereinfachte Kabelführung und die Fähigkeit zum Austausch von Datenträgern im laufenden Betrieb (Hot-Plug). Seit der Einführung von Serial ATA wird der bisherige ATA-Standard häufig als Parallel ATA (P-ATA) bezeichnet, um Verwechslungen zu vermeiden. Auf neueren Hauptplatinen findet man zu den üblichen P-ATA-Steckplätzen zusätzlich zwei bis acht S-ATA-Anschlüsse für Festplatten. SATA nutzt auf der Link-Layer-Schicht (Kabel) eine Punkt-zu-Punkt Verbindung. Jedes Gerät hat also seinen eigenen Anschluss. Serial ATA ist nicht auf Festplatten beschränkt, mittlerweile gibt es z. B. auch SATA-Bandlaufwerke, DVD-Laufwerke und -Brenner.

Inhaltsverzeichnis

1 Geschwindigkeit
2 Technik
- 2.1 Datenkabel
- 2.2 Stromkabel
3 Versionen des Serial-ATA-Standards
4 Kompatibilität
5 Weblinks

[Bearbeiten] Geschwindigkeit

Bei parallelen Bussen wird es bei höheren Übertragungsraten immer schwieriger, den Datenfluss auf allen Leitungen synchron zu halten, der beim IDE-Bus nicht spezifizierte Busabschluss und die massebezogenen Signale schränken zudem die verwendbare Kabellänge stark ein. Serial ATA nutzt das LVDS (Low voltage differential signaling) für die Signalgebung, ähnlich der seit langem bei SCSI bewährten LVD-Technik.

Die erste Serial ATA-Generation ist mit einer Datenrate von 150 Megabytes pro Sekunde spezifiziert und damit nur unwesentlich schneller als die aktuell schnellste parallele ATA-Schnittstelle (ATA/133). Die aktuelle Version Serial ATA II verdoppelt den Durchsatz auf 300 MB/s. Für das Jahr 2007 ist eine Serial-ATA-Version mit 600 MB/s vorgesehen.

Die nutzbare Transferrate liegt wegen der 8B/10B-Kodierung bei nur 80 % der realen Bitrate auf dem Kabel.

Berechnung:

$\begin{matrix} 1{,}5\,\mathrm{GBit/s} \cdot 0{,}8 &=& 1{,}2\,\mathrm{GBit/s} \\ 1{,}2\,\mathrm{GBit/s} \cdot 1\,\mathrm{Byte}/8\,\mathrm{Bit} &=& 150\,\mathrm{MByte/s} \end{matrix}$

Werden nur 80 % von 1,5 GBit/s real verwendet, ergibt dies 1,2 GBit/s, entsprechend einer effektiven Datenrate von 150 MByte/s.

In der Praxis ist es von der Geschwindigkeit her irrelevant, ob Festplatten mit IDE (P-ATA) oder S-ATA-Schnittstelle ausgerüstet sind, da es die Mechanik der Festplatten ist, die die Geschwindigkeit begrenzt, und nicht die Datenrate der Schnittstelle. Dies gilt ebenso für den Vergleich zwischen Festplatten mit SATA-150 und SATA-300-Anschluss. Wichtiger ist die Leistungsfähigkeit der Festplatte, die anhand der Zugriffszeit, Latenz (Drehzahl) und Datenrate festgestellt werden kann.

[Bearbeiten] Technik

[Bearbeiten] Datenkabel

Innerer Aufbau eines SATA-Datenkabels

Aus physikalischer Sicht sind die verwendeten Kabel die größte Änderung zu P-ATA. Die Daten werden mittels eines leichten, flexiblen Kabels durch 7 Leitungen mit flachen 8 Millimeter breiten Steckern auf jeder Seite übertragen. Das Kabel kann bis zu einem Meter lang sein, eSATA-Kabel bis zu zwei Metern. Im Vergleich zu dem kurzen (45 cm) 40- oder 80-adrigen Übertragungskabel des parallelen ATA wird dadurch die Konstruktion von Komplettsystemen vereinfacht, da der Luftfluss nicht durch breite Kabel behindert wird. Das Konzept von Master/Slave-Beziehungen zwischen den Geräten wurde abgeschafft. Serial ATA hat nur ein Gerät pro Kabel. Die Stecker sind kodiert, dadurch ist es nicht mehr möglich, die Kabel verkehrt aufzustecken. Ein Kritikpunkt der SATA-Stecker war ihre fehlende Verriegelung; dies wurde mit Erscheinen von SATA II korrigiert. Unabhängig von SATA I oder II können die gleichen Kabel verwendet werden.

[Bearbeiten] Stromkabel

Der Standard sieht für reine Serial-ATA-Festplatten außerdem andere Stecker für die Spannungsversorgung vor. Sie sind auch flach, aber breiter als das Datenkabel, wodurch eine Verwechslung zwischen beiden ausgeschlossen sein sollte. Fünfzehn Pins werden benutzt, um drei verschiedene Spannungen liefern zu können: 3,3 V, 5 V und 12 V. Diese Stecker werden sowohl für 2½-Zoll-Notebook- als auch für 3½-Zoll-Festplatten verwendet.

Serial-ATA-1.0-Kabel

SATA-Stecker, links SATA-2 mit Verriegelungsclip

Serial-ATA-Stromstecker

Die ATA-Kabeltypen im Vergleich

[Bearbeiten] Versionen des Serial-ATA-Standards

[Bearbeiten] Serial ATA 150 MByte/s (2002)

Serial ATA wird von den Firmen APT, Dell, IBM, Intel, Seagate und Maxtor entwickelt. Die Leistungsfähigkeit von SATA/150 liegt bei 150 MB/s. Durch Serial ATA soll die Verbindung zwischen Laufwerken und das Austauschen von Komponenten – unter anderem im laufenden Betrieb – vereinfacht werden.

[Bearbeiten] Serial ATA 300 MByte/s (2005)

Firmen wie Western Digital, Samsung und Hitachi sowie Seagate vertreiben SATA/300-Festplatten bis zu einer Größe von 750 GB. SATA/300 wurde Anfang 2005 eingeführt. Der Leistungsdurchsatz von SATA/300 liegt bei maximalen 300 MB/s, also theoretisch doppelt so schnell wie bei der 1. SATA-Generation.

Die Features von SATA2:

NCQ: Native Command Queuing. Mit diesem Standard wird die Verwaltung der Schreib- und Lesevorgänge optimiert und beschleunigt. NCQ muss von Festplatte, Controller und Treiber unterstützt werden.
eSATA: external SATA für externe Laufwerke, maximale Kabellänge: 2 Meter
Datenrate von 3 Gbit/s, häufig auch als 300 MB/s bezeichnet
HotPlug: Austausch des Laufwerks im laufenden Betrieb, ohne dass das System heruntergefahren werden muss
Staggered Spinup: zeitverzögertes Einschalten mehrerer Laufwerke, um zum Beispiel das Netzteil nicht zu überlasten
Port Multiplier: Werden mehr als vier Laufwerke in einem Rechner oder Server benötigt, kann ein Port-Multiplier die Menge der benötigten Kabel reduzieren. Dieser bietet mit 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 zum Beispiel 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 gleichzeitig mit voller Bandbreite übertragen wollen. Bei einer Schnittstelle mit 3 Gbit/s (300 MByte/s) sollte aber genügend Bandbreite vorhanden sein.
Port-Selector: Mit einem Port-Selector kann zwischen zwei redundanten Übertragungsstrecken geschaltet werden. So kann man das Problem Single-Point-of-Failure (SPoF) umgehen: Zwei Rechner können auf ein Laufwerk zugreifen. Die beiden Rechner müssen allerdings selbst bestimmen wer aktiv ist (immer nur einer). Diese Auswahl/Umschaltung kann durch nicht-spezifizierte Mechanismen erfolgen.
xSATA: Mit xSATA können die Laufwerke weiter entfernt (max. 8 m, wie bei Serial Attached SCSI) vom Rechner platziert sein als mit eSATA. Dazu benötigt man allerdings andere Kabel und Steckverbinder.

Diese Eigenschaften müssen nicht zwingend alle gleichzeitig bei einer SATA2-Festplatte vorhanden sein. Eine SATA-Festplatte kann also 150 MB/s, NCQ und HotPlug bieten und ist damit eine SATA2-Festplatte. Bis jetzt unterstützen nur wenige neue Intel- und Nvidia-nForce-4/5-Hauptplatinen die Eigenschaften von SATA II, ältere Hauptplatinen kommen deswegen nur auf 150 MB/s. Dies ist für die Leistungsfähigkeit der Platten allerdings nicht entscheidend, da der Durchsatz einer heutigen Festplatte aufgrund der Mechanik weniger als 100 MB/s beträgt. Manche Firmen beziehen sich bei dem Produktnamen auch auf die Datenübertragungsrate und verwenden auch Formulierungen wie „SATA 3.0 Gbps“.

[Bearbeiten] External Serial ATA (eSATA)

SATA wurde für den Anschluss von Geräten innerhalb eines Rechners geschaffen. Deswegen verfügen die Kabel und Stecker nicht über die nötige Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen und die Stecker nicht über die nötigen mechanischen Eigenschaften für den Betrieb außerhalb eines (geschirmten) Gehäuses. Der Wunsch, auch z. B. externe Festplatten mittels des schnellen SATA anschließen zu können, kam aber sehr bald auf und so wurden mit SATA II auch Kabel und Stecker für den externen Betrieb standardisiert: „External Serial ATA“, kurz „eSATA“.

eSATA definiert abgeschirmte Kabel bis zu 2 m Länge und neue Stecker/Buchsen mit folgenden Eigenschaften:

Neue Stecker/Buchsengeometrie ohne die L-Form der SATA-Stecker/Buchsen, die verhindern soll, dass versehentlich Kabel für den internen Betrieb extern verwendet werden.
Stecker und Buchse sind wie die Kabel geschirmt, um elektromagnetische Störungen zu verhindern.
Die Kontakte liegen tiefer in den Stecker/Buchsen, damit die Abschirmung sicher Kontakt hat und statische Aufladung abfließen kann, bevor sich die Signalkontakte berühren.
die Buchsen haben kleine Federn, um die mechanische Stabilität zu verbessern und versehentliches Herausziehen zu verhindern.
Stecker und Buchsen sollen 5000 Steckzyklen überstehen (SATA: 50).

Durch Verschärfung der elektrischen Anforderung soll die sichere Übertragung über 2 m erreicht werden. Eine Stromversorgung des externen Gerätes über das eSATA-Kabel ist, wie bei SATA, nicht möglich.

[Bearbeiten] Kompatibilität

Adapter für den Anschluss einer Festplatte mit paralleler Schnittstelle an SATA-Ports

Es ist möglich modernere SATA-II-Festplatten mit höheren Kapazitäten an vorhandene SATA-I-Schnittstellen anzuschließen. Sie laufen dann aber ohne die SATA-II-Festplatten-Features. Es können auch die SATA-I-Datenkabel ohne Schnappverschluss angesteckt werden.

SATA-Geräte lassen sich über ein SCSI/ATA Translation Layer (SATL) auch an Serial Attached SCSI (SAS) nutzen, jedoch nicht umgekehrt.

In der Übergangszeit zwischen parallelem und seriellem ATA gibt es verschiedenste Adapter zur Umwandlung der IDE-Signale für eine SATA-Festplatte. Für die Umwandlung von seriell zu parallel oder umgekehrt wird eine Bridge (Brücke) benutzt. Einigen Tests zufolge soll der Datendurchsatz um wenige Prozent sinken. Diese Beschränkung wird erst dann komplett verschwinden, wenn Controller und Festplatten Serial ATA direkt (native SATA) unterstützen. Erste Festplatten mit nativem SATA 2 sind etwa seit dem 2. Quartal 2005 im Handel erhältlich, z. B. die Maxtor DiamondMax10- und MaxLineIII-Serien.

Um manchen DOS-Programmen – z. B. Symantec Norton Ghost – direkten Zugriff auf die Daten auf einer SATA-Festplatte zu erlauben, ist das Einstellen des Kompatibilitätsmodus im BIOS-Setup erforderlich.