SATA

使用SATA（Serial Advanced Technology Attachment）口的硬盘又叫串口硬盘，是未来PC机硬盘的趋势。2001年，由Intel、APT、Dell、IBM、希捷、迈拓这几大厂商组成的Serial ATA委员会正式确立了Serial ATA 1.0规范。2002年，虽然串行ATA的相关设备还未正式上市，但Serial ATA委员会已抢先确立了Serial ATA 2.0规范。Serial ATA采用串行连接方式，串行ATA总线使用嵌入式时钟信号，具备了更强的纠错能力，与以往相比其最大的区别在于能对传输指令（不仅仅是数据）进行检查，如果发现错误会自动矫正，这在很大程度上提高了数据传输的可靠性。串行接口还具有结构简单、支持热插拔的优点。
串口硬盘是一种完全不同于并行ATA的新型硬盘接口类型，由于采用串行方式传输数据而知名。相对于并行ATA来说，就具有非常多的优势。首先，Serial ATA以连续串行的方式传送数据，一次只会传送1位数据。这样能减少SATA接口的针脚数目，使连接电缆数目变少，效率也会更高。实际上，Serial ATA 仅用四支针脚就能完成所有的工作，分别用于连接电缆、连接地线、发送数据和接收数据，同时这样的架构还能降低系统能耗和减小系统复杂性。其次，Serial ATA的起点更高、发展潜力更大，Serial ATA 1.0定义的数据传输率可达150MB/s，这比最快的并行ATA（即ATA/133）所能达到133MB/s的最高数据传输率还高，而在Serial ATA 2.0的数据传输率达到300MB/s，最终SATA将实现600MB/s的最高数据传输率。
SATA的物理设计，可说是以Fibre Channel(光纤通道)作为蓝本，所以采用四芯接线；需求的电压则大幅度减低至250mV(最高500mV)，较传统并行ATA接口的5V少上20倍！因此，厂商可以给Serial ATA硬盘附加上高级的硬盘功能，如热插拔(Hot Swapping)等。更重要的是，在连接形式上，除了传统的点对点(Point-to-Point)形式外，SATA还支持“星形”连接，这样就可以给RAID这样的高级应用提供设计上的便利；在实际的使用中，SATA的主机总线适配器(HBA，Host Bus Adapter)就好像网络上的交换机一样，可以实现以通道的形式和单独的每个硬盘通讯，即每个SATA硬盘都独占一个传输通道，所以不存在象并行ATA那样的主/从控制的问题。
Serial ATA规范不仅立足于未来，而且还保留了多种向后兼容方式，在使用上不存在兼容性的问题。在硬件方面，Serial ATA标准中允许使用转换器提供同并行ATA设备的兼容性，转换器能把来自主板的并行ATA信号转换成Serial ATA硬盘能够使用的串行信号，目前已经有多种此类转接卡/转接头上市，这在某种程度上保护了我们的原有投资，减小了升级成本；在软件方面，Serial ATA和并行ATA保持了软件兼容性，这意味着厂商丝毫也不必为使用Serial ATA而重写任何驱动程序和操作系统代码。
另外，Serial ATA接线较传统的并行ATA(Paralle ATA)接线要简单得多，而且容易收放，对机箱内的气流及散热有明显改善。而且，SATA硬盘与始终被困在机箱之内的并行ATA不同，扩充性很强，即可以外置，外置式的机柜(JBOD)不单可提供更好的散热及插拔功能，而且更可以多重连接来防止单点故障；由于SATA和光纤通道的设计如出一辙，所以传输速度可用不同的通道来做保证，这在服务器和网络存储上具有重要意义。
Serial ATA相较并行ATA可谓优点多多，将成为并行ATA的廉价替代方案。并且从并行ATA过渡到Serial ATA也是大势所趋，应该只是时间问题。相关厂商也在大力推广SATA接口，例如Intel的ICH6系列南桥芯片相较于ICH5系列南桥芯片，所支持的SATA接口从2个增加到了4个，而并行ATA接口则从2个减少到了1个；nVidia的nForce4系列芯片组已经支持SATA II即Serial ATA 2.0，而且三星已经采用Marvell 88i6525 SOC芯片开发新一代的SATA II接口硬盘，并将在2005年初推出。

SATA、AHCI、ATA等相关知识概述

SATA
SATA（Serial Advanced Technology Attachment，串行高级技术附件）是一种基于行业标准的串行硬件驱动器接口，是由Intel、IBM、Dell、APT、Maxtor和Seagate公司共同提出的硬盘接口规范。现在主流为SATA3.0，速率可达到6.0Gbps.SATA Spec中定义了物理层、链路层、传输层的标准，以及传输协议、关键数据结构FIS等的定义，SATA下面有2中mode可以选择：AHCI和IDE

IDE
IDE的英文全称为“IntegratedDrive Electronics”，即“电子集成驱动器”，它的本意是指把“硬盘控制器”与“盘体”集成在一起的硬盘驱动器。又称PATA接口，最大速率为133MB/s，现在已经完全被SATA所取代，但是为了兼容的原因，不管是BIOS还是OS下仍然保留IDE模式，该模式可以将SATA盘映射模拟成普通IDE硬盘，无需额外加载SATA驱动。但不支持任何SATA接口的新特性

AHCI
AHCI（Serial ATA AdvancedHost Controller Interface），又名串行ATA高级主控接口/高级主机控制器接口。AHCI通过包含一个PCI BAR（基址寄存器），来实现原生SATA功能，允许存储驱动程序启用高级串行 ATA 功能。
AHCI模式是专门为SATA接口而设计，支持SATA接口特性，诸如本机命令队列(NCQ)和热插拔。但是需要用户在BIOS中选择AHCI模式，方便操作系统自动加载AHCI驱动。AHCI 协议主要定义了Host端的寄存器、错误处理、电源管理等

ATA和ATAPI
ATA和ATAPI是广为使用的IDE和EIDE设备的相关标准，与SATA、AHCI有着密切的关系。
ATA是AT Attachment的缩写，意思是AT计算机上的附加设备。ATA可以使用户方便地在PC机上连接硬盘，但有时这样还不够。有些用户需要通过同样方便的手段连接CDROM、磁带机、MO驱动器等设备，所以就有了ATAPI
ATAPI标准就是为了解决在IDE/EIDE接口上连接多种设备而制定的。ATAPI是AT Attachment Packet Interface的缩写，意思是AT计算机上附加设备的包接口。支持ATAPI的IDE/EIDE接口可以像连接硬盘一样连接ATAPI设备。目前几乎所有的IDE/EIDE接口都支持ATAPI。

BIOS中初始化SATA HDD流程：
1 初始化南桥中相关的寄存器,根据BIOS设定选择使用AHCI模式还是IDE模式，现在默认为AHCI模式，以此为例
AHCI一般在南桥中对应于Device31 Function2 的PCI配置空间，其下有6个port，可以接出来6个SATA插槽，连接6个SATA HDD设备
2 PCI扫描阶段，为AHCI Controller分配所需的MMIO空间等
3 枚举Slave device：
（1）. 检测port上面是否接有device，通过检测寄存器来确定，如存在Device，其Link状态会有所改变
（2）.存在device则发命令让其Spinup起来
（3）. 获取device的相关信息。device（如HDD）中存在微处理器、Firmware、存储芯片等，当Host发送命令到Device之后，device会执行Protocol规定的动作，完成和Host之间的信息交互。

信息交互的过程涉及到Protocol、command、FIS等知识点，在此以获取identifydata为例来说明：
参考ATA-ACS Spec中 IDENTIFY DEVICE - ECh, PIO Data-In；
Host发送IDENTIFY DEVICE命令给Device，其command值为ECh，采用的是PIO Data-In command Protocol,其过程为
<1>Host发送H2D register FIS 给Device，该FIS中包含command=ECh
<2>device 接到H2D之后看到ECh的command,知道其采用的PIO Data-In Protocol，故传送一个D2H的PIO Setup FIS通知Host已经准备好了，可以开始传送Data FIS了
<3>Host接到D2H的PIO Setup FIS，开始从Device端接收Data FIS
<4>当Data传完或者在传输的过程中发现有Error发生，则device发送一个D2H register FIS通知Host状态

在上述过程中涉及到的command的定义参考ATA8-ACS Spec、FIS和command protocol的介绍参考SATA Spec；至于发送command命令和等待命令完成则是通过读取寄存器的值来进行，可以参考AHCI Spec

除了上述的PIO data-in protocol，SATA Spec中还定义了其他的一些Protocol：Nodata command Protocol、PIO Data-out command Protocol、DMA Data in\out command protocol等；

PIO和DMA的区别为
PIO的英文拼写是“Programming Input/Output Model”， PIO模式是一种通过CPU执行I/O端口指令来进行数据的读写的数据交换模式。是最早先的硬盘数据传输模式，数据传输速率低下，CPU占有率也很高，大量传输数据时会因为占用过多的CPU资源而导致系统停顿，无法进行其它的操作。PIO数据传输模式又分为PIO mode 0、PIO mode 1、PIO mode 2、PIO mode 3、PIO mode 4几种模式，数据传输速率从3.3MB/s到16.6MB/s不等。受限于传输速率低下和极高的CPU占有率，这种数据传输模式很快就被淘汰

DMA是一项1997初才开始广泛采用的新的ATA／IDE接口协议，所以又称Ultra ATA。Ultra DMA采用总线主控方式，在硬盘上有DMA直接内存访问控制器。由于在数据传输过程中不需CPU的干预，因而节约了宝贵的CPU资源，使得CPU可以腾出大量的时间处理其它的数据和程序要求。其次，Ultra DMA把IDE命令的时钟脉冲的上升沿和下降沿都用作内存读写选通信号，使得每半个时钟周期就可以传输一次数据，也就使最大外部数据传输率从每秒16.6MB倍增，现在使用的UltraDMA 6最大为133 MB/s

AHCI 每个Port都包含有2个主要的DMA engine，一个用来遍历commandlist,由PxCMD.ST来控制；另一个将接收到的FIS copy到memory,由PxCMD.FRE来控制

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