مروري بر تکنولوژي Serial ATA

 مروري بر تکنولوژي Serial ATA

کارشناسان و طراحان سيستم اعتقاد دارند اسفاده از تکنولوژي PATA براي هاردها به پايان رسيده و براي شکستن مرز سرعت انتفال اطلاعات در هارد ها که سال ها است که در 133MB/S محدود شده است فرا رسيده است .آنها اعتقاد دارند که با قابليت هاي SATA مي توانند در آينده اي نزديک سرعت انتقال اطلاعات را از مرز 1GB/S نيز عبور دهند. در ادامه به معرفي تکنولوژي SATA ، مشكلات PATA ، فوايد SATA و كابل SATA آن مي پردازيم . سريال ATA و خداحافظي با كابل هاي پهن: اينترفيس Parallel ATA (PATA )  براي سال هاست كه در وسايلي هم چون هارد ، CD Drive ،  رايتر و وسايلي از اين  قبيل مورد استفاده قرار مي گيرد .
در نگاه اول احتياجي به تغيير در اين Interface ديده نمي شود، بطوريکه همواره درايوهاي جديدتري كه از PATA استفاده مي كنند نيز روانه بازار مي شوند.اما اگر درِ Case كامپيوتر را باز كنيد مشاهده مي كنيد كابل هاي PATA چه فضاي زيادي از محوطه كيس را اشغال كرده و در نتيجه باعث توليد گرماي زيادي در داخل كيس مي شوند ، اين مسئله براي متخصصان كمپاني ها بزرگ که همواره به دنبال بالاتر بردن سرعت قطعات و  همچنين افزايش كارايي آنها هستند ايجاد مشكل مي كند. بخصوص اينكه كارت هاي گرافيكي و پردازنده هاي جديد نيز گرماي زيادي توليد مي كنند که در نتيجه محيط بسيارگرم كيس جاي مناسبي براي فعاليت آنها نخواهد بود و اينجاست كه PATA ها مشكل ساز مي شوند.
كابل PATA معمولا بايد داراي اندازه كوتاهي باشند و همين مورد ، استفاده از آنها را دركيس هاي بزرگ  با مشكل مواجه مي كند.
متخصصين براي فائق آمدن به اين مشكل ، سريال ATA و يا SATA را پيشنهاد كردند كه مي تواند علاوه بر حل مشكلات PATA يك سري امكانات بيشتر را براي استفاده عرضه كند. از جمله فوايد استفاده از SATA كم كردن ميزان اشغال فضاي داخل کيس توسط کابل ها مي باشد زيرا كابل  SATA ها به ميزان زيادي كوچك تر از كابل  PATA ها هستند و در نتيجه فضاي كمتري اشغال مي كنند .

كابل هاي SATA حداكثر داراي 7 رشته سيم مي باشند و در نتيجه فضاي كمتري را به نسبت كابل هاي PATA اشغال مي كنند و مسلماً تاثير منفي كمتري بر روي جريان هوا نيز دارند . كابل هاي SATA مي توانند داراي طولي معادل 2 برابر طول يكي كابل PATA باشد در نتيجه در كيس هاي بزرگ هم دچار مشكل نمي شوند. همچنين در كابل SATA با مشكل و پيچيدگي تنظيمات Master و Slave نيز مواجه نمي شويم زيرا اين هارد ها  اصلاً داراي Master يا Slave نيست در واقع يك رابط Point – to – Point (‌نقطه به نقطه )‌ بوده كه كار با آن را بسيار آسان مي كند. با ورود SATA ، دوره  تنظيم Jumper ها و نگراني در مورد تنظيم درست آنها و بالا نيامدن کامپيوتر به پايان رسيد.
تکنولوژي  SATA بسيار منعطف مي باشد و اين امكان را فراهم مي سازد كه درايو مورد نظررا بدون نياز به خاموش كردن كامپيوتر به سيستم اضافه كرد.

 مشكلات PATA
با وجود آنكه SATA با توجه با اينکه نحوه انتقال اطلاعات در آن بصورت سريال مي باشد و در هر پالس تنها يك بيت اطلاعات را انتقال مي دهد و با توجه به اين نكته كه اين رقم در PATA (‌به دليل انتقال اطلاعات بصورت موازي )‌16 بيت ( 2 بايت )  مي باشد باز هم SATA داراي سرعت و كارايي بيشتري مي باشد!! 

دانستن چگونگي اين مسئله خالي از لطف نيست ؛
همانطور که مي دانيد حركت الكترون در داخل سيم ايجاد ميدان مغناطيسي در حول آن مي كند. اين ميدان مغناطيسي توسط تمامي سيم ها توليد مي شود. ميدان مغناطيسي ايجاد شده توسط هر سيم بر روي سيم ديگر تاثير منفي ايجاد مي کند که اين مسئله به دليل زياد بودن تعداد سيم ها و تاثير آنها بر روي هم تشديد مي شود.يکي ديگر از دلايل محدوديت در افزايش سرعت هاردهاي PATA نيز در همين نکته نهفته است «‌ افزايش سرعت الکترون ها باعث افزايش شدت ميدان مغناطيسي مي گرد ». 


علاوه بر اين مشكل ، مسئله تامين انرژي نيز وجود دارد. زيرا هر يك از اين سيم ها براي انتقال اطلاعات احتياج ولتاژ دارند كه اين ولتاژ را بايد از منبع تغذيه يعني Power تامين كنند و در نتيجه در هنگام افت توان پاور انتقال اطلاعات دچار مشكل جدي مي شود. 
مشكل ديگر در كابل PATA ، بازگشت Signal مي باشد يعني ولتاژ اضافي باعث بازگشت سيگنال از مقصد به منبع و دوباره رفتن از منبع به مقصد مي شود و آن قدر اين عمل انجام مي شود تا سيگنال به كلي مستهلك گردد. اين مسئله باعث درگير شدن خط انتقال دهنده اطلاعات مي شود. در كل با وجود آنكه PATA در هربار انتقال اطلاعات 16 بيت يا 2 بايت اطلاعات انتقال مي دهد ، به طور كلي كارايي كمتري نسبت به SATA دارد.

 فوايد SATA : 
هدف طراحي SATA ، جلوگيري از انتقال نويز و تداخل سيگنال ها در هنگام انتقال اطلاعات مي باشد. SATA براي فرستادن سيگنال ها از تكنيكي كه در ديگر استانداردهاي Bus هاي سريع نظير HyperTransport و SCSI استفاده مي شود، بهره مي برد. در اين تكنيك خطوط ارتباطي از دو سيم مجزا تشكيل شده كه هر دوی آنها  Identical Signal هايي با طول موج و دامنه يكسان اما با Polarity  هاي مخالف مي فرستند.
وجود سيم هاي زمين در يك كابل كمك مي كند تا مشكلات الكتريكي بسيار كم شود و اين همان دليلي است كه موجب شد تعداد سيم در كابل هاي PATA از 40 عدد به 80 عدد در ATA-66 ارتقاء پيدا كند. اين مسئله باعث شد كه به صورت جايگزيني از سيم هاي Signal و Ground استفاده شود. اما باز هم مشكل تداخل ميدان هاي مغناطيسي  در هارد هاي PATA وجود داشت و اطلاعات با نويز همراه مي شد.
SATA اين مشكل را با استفاده از 4 سيم سيگنال و 3 سيم زمين حل كرده و به طور تقريبي اين كابل ها بدون نويز بوده در نتيجه مي توانند بلندتر و حتي تا يك متر طول داشته باشند. ولتاژ مورد نياز براي فرستادن يك سيگنال 0.25 ولت بوده اين رقم در كابل هاي PATA ،5  ولت مي باشد در نتيجه به علت مصرف پايين توان ،  هارد هاي SATA  انتخاب بسيار مناسبي براي نوت بوك ها مي باشند.

 هماهنگي با نرم افزار : 
درست مانند استاندارهاي ارتباطي با سرعت بالا ، قسمت Software/Firmware هارد هاي سريال به دو لايه متفاوت تقسيم مي شود كه در مجموع 4 لايه مي باشند. در پايين ترين سطح ، لايه فيزيكي قرار دارد اين لايه وظيفه هماهنگ سازي  هارد و كنترلر را در هنگام روشن شدن سيستم بر عهده دارد . اين لايه همچنين بيت هاي دريافتي را به كاراكتر تبديل كرده و اطلاعات وضعيت هارد را تهيه مي كند.
لايه بعدي Link Layer مي باشد.اين لايه كمي باهوش تر مي باشد و مسئول فرستادن و دريافت اطلاعات به صورت فريم مي باشد همچنين مسئول كد گذاري و ديكود كردن اطلاعات است.
لايه انتقال يا Transport layer ، فريم هاي ايجاد شده در مرحله قبل را به ساختارهاي ATA ، ترجمه مي كند. تا بعد آنها را به بالاترين لايه يعني Application انتقال دهد. استفاده از فرمت رايج ATA به معناي آن است كه درايور شما احتياج به فراگيري روش هاي جديد براي برقراري ارتباط با درايوهاي SATA نداشته و با نرم افزارهاي متناسب با PATA هم كار مي كند.

 كابل SATA
در كابل SATA اطلاعات به صورت بيت به بيت انتقال پيدا مي كند بدين گونه كه ولتاژ بالا به معناي 1 و ولتاژ پايين به معناي صفر مي باشد. انتقال اطلاعات به همين روال آسان به نظر مي رسد اما زماني كه تعداد ده عدد  ( 1 ) پشت سر هم فرستاده شود چه اتفاقي مي افتد؟ آيا سيگنال ها براي 10 واحد زماني با ولتاژ بالا فرستاده مي شوند؟ و يا هر واحد زماني چقدر است؟ فرستنده و گيرنده ابتدا و انتهاي يك سيگنال و يا طول واحد زماني را چگونه تشخيص مي دهند؟
اگر هر دو آنها با هم همزمان شده باشند اين احتمال وجود دارد كه يك بيت به اشتباه فرستاده شده و به درستي دريافت نشود . در PATA  اين مشكل با يك پالس ساعت ( Clock Puls ) حل شده است اما هدف استفاده از  SATAفرار از دست همين خطوط  اضافي مي باشد، در نتيجه راهي جز فرستان پالس ساعت در دل سيگنال هاي اطلاعاتي باقي نمي ماند. البته اين بخشي از راه حل پيشنهادي براي حل اين مشكل مي باشد، زيرا سيگنال ساعت به تنهايي نمي تواند مشكل را حل كند. 


راه حل به كار گرفته شده در SATA استفاده از رويه اي با نام 8b/10b براي كد گذاري اطلاعات مي باشد. بدينگونه كه به جاي نمايش هر بايت با 8 بيت ، با 10 بيت نمايش داده مي شود. در نتيجه به طراح امكان انتخاب از بين 1024 سمبل داده مي شود تا انتخاب از بين 256 سمبل . 
اين روش امكاني فراهم مي كند تا رشته هاي طولاني از يك هاي پشت سر هم يا صفرهاي پشت سر هم كنار گذاشته شود مثلاً كد ASCI صفر به صورت بيتي 0000,0000 بوده اما در سيستم 8b/10b تبديل به 1001110100 مي شود و اين همان دليلي است كه باعث مي شود در هارد هاي سريال سرعت انتقال ديتا را به جاي 1.5 gigabit/s ( 5 / 1 گيگا بيت در ثانيه ) بصورت  150MB/S ( 150مگا بايت در ثانيه ) اطلاق شود.
اما طراحان سخت افزار تصميم گرفته اند كه كار خود را دقيق تر انجام دهند براي اين منظور از DC Balance كه كمي هم باعث پيچيده تر شدن كار مي شود استفاده مي كنند. ايده اصلي اين طرح بدين شرح است كه رشته اطلاعات فرستاده شده بايد تعداد يك و صفرآن با تعداد اوليه برابر باشد. براي كنترل اين منظور ، فرستنده بيت هايي كه فرستاده شده است را دنبال مي كند تا بتواند   Disparity را چك كند اگر Disparity منفي باشد به معناي صفرهاي زيادي بود و انتخاب يك هاي بيشتر مشكل را حل مي كند و اگر Disparity مثبت باشد عمليات بر عكس انجام مي شود بدين ترتيب خطاي فرستادن اطلاعات برطرف مي گردد.
زماني كه داده اي قرار است به گيرنده فرستاده شود داده بايد در frame بسته بندي شود.بعد از اين مرحله گيرنده يك پيغام به فرستنده مي فرستد و بيان مي دارد كه آماده دريافت است بعد از آن اطلاعات ديكود شده با فرمت 8b/10 را دريافت كرده و آنها را چك مي كند تا خطايي رخ نداده باشد ، بعد از آن دوباره پيغامي مبني بر دريافت اطلاعات و يا فرستادن مجدد اطلاعات مي فرستد. و اين كار تا دريافت كامل اطلاعات ادامه مي يابد.