SATA硬盘

SATA(Serial ATA)硬盘,又称串口硬盘,是未来PC机硬盘的趋势,已基本取代了传统的PATA硬盘。SATA的全称是Serial Advanced Technology Attachment,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。

SATA,即Serial ATA(串行 ATA),全称是Serial Advanced Technology Attachment,是由Intel、IBM、Maxtor 和 Seagate等公司共同提出的硬盘接口新规范。因为采用串行连接方式,所以使用 SATA 接口的硬盘又叫串口硬盘。SATA 规范将硬盘的外部传输速率理论值提高到了 150MB/s,比 Ultra ATA/100 高出 50%,比Ultra ATA/133 也要高出约 13%。SATAII 接口的速率可扩展到2X(300MB/s)和4X(600MB/s)。而 SATA150 与 SATAII 的区别主要是以传输数据的速度来划分的。未来的 SATA 将通过提升时钟频率来让硬盘也能超频,可彻底解决硬盘接口这一数据传输最终瓶颈。SATA 硬盘接口需要较新的主板南桥芯片来支持,如 Intel ICH6、Intel ICH7、n Vidian Force4、VIAVT8237和Si S964等。SATA的优势:支持热插拔 ,传输速度快,执行效率高。

每一个 SATA 硬盘存储结点由存储器控制接口 MCI 和 SATA 硬盘控制器构成,如图1所示。其中 MCI 负责按照消息帧格式生成、封装或解封装消息包,根据接收到消息包,提取并解析访问存储结点的操作命令,包括初始化,设置存储结点的节电模式、休眠或才提立多唤醒,读写存储器等。

SATA 主机和 SATA 设备间的通信采用的是 SATA 协议, 按功能 SATA 协议分为物理层、链路层、传输层和命令层,协议的层次结构如图2所示。主机和设备之间,除了物理层通过SATA 接口实际物理连接,其他各层均通过消息虚拟连接。物理层是主机与设备之间的通信基础,主要负责码流的收发、将高速串行差分信号转换成并行数据以及将并行数据转换成高速串行差分信号;链路层主要负责消息的无差错传输,包括8B10B 编解码、加解扰、CRC校验格腿巩等;传输层主要负责生成与解析帧信息结构(Frame Information Structures,FIS);命令层主要负责生成和解析访问 SATA 硬盘的操作命令。

传统的Parallel ATA使用单模信号放大系统“single-end-signal-amplified-system”。在这种系统中,噪声会随着正常信号一起传碑霉输、放大,不易被抑制;在高速时尤其严重,为了有效的减少噪声的干扰,我们只好使用高达5V的电压来传送正-常讯号,使大电压的正常讯号盖过小电压的噪声信号。虽然大的电压可以有效的抑制噪声,但是大的电压同时也表示驱动电路的生产成本将因蒸蜜虹慨此上升,大电压更不利于高速传输系统的设计和制造,高达5V的传输电压限制了追求高速和低成本的可能性。

和Parallel ATA相比,新的SATA使用了差动信号系统挨屑桨“differential-signal-amplified-system”。这种系统能有效的将噪声从正常讯号中滤除,良好的噪声滤除能力使得SATA只要使用低电压操作即可,和Parallel ATA 高达5V的传输电压相比,SATA只要0.5V(500mv) 的峰对峰值电压即可操作于更高的速度之上。“比较正确的说法是:峰对峰值‘差模电压’”。

和 Parallel ATA的5V驱动电压壳定击相比,0.5V的SATA系统节省电力,其驱动IC的生产成本也较为组燥弃便宜。

版本

带宽

速度

数据线最大长度

SATA 3.0

6Gb/s

600MB/s

2米

SATA 2.0

3Gb/s

300MB/s

1.5米

SATA 1.0

1.5Gb/s

150MB/s

1米

PATA

1Gb/s

133MB/s

0.5米

主流主板已全面支持SATA硬盘,下面介绍一下部分

1.南桥为ICH5/ICH5R的主板

先以华硕的P4C800为例,这款主板芯片组为i865PE,南桥为ICH5/ICH5R。进到BIOS后,选择Main下的IDE Configuration Menu,在Onboard IDE Operate Mode下面可以选择两种IDE操作模式:兼容模式和增强模式(Compatible Mode和Enhanced Mode)。其中兼容模式Compatible Mode,可以理解为把SATA硬盘端口映射到并口IDE通道的相应端口,当你选择这种模式时在下面的IDE Port Settings中会有三个选项:

Primary P-ATA+S-ATA:并行IDE硬盘占据IDE0+1的主通道(Primary IDE Channel),串行SATA硬盘占据IDE2+3的从通道(Secondary IDE Channel)。也就是说这时主板上的第二个并行IDE接口对应的端口不可用。

Secondary P-ATA+S-ATA:与上面正相反,此时主板第一个并行IDE接口(Primary P-ATA)上对应的端口不可用,因为给SATA硬盘占用了。

P-ATA Ports Only:屏蔽了串行SATA硬盘接口,只能使用并行接口设备。

注:前两种模式中,主板上的SATA1接口自动对应IDE通道中的主盘位置,SATA2接口自动对应IDE通道中的从盘位置。

当选择模式为增强模式Enhanced Mode时,其下的端口设置的字样变为Enhanced Mode Supports On,其中也有三个选项:

P-ATA+S-ATA:并行和串行硬盘并存模式,此时SATA和PATA通道都相互独立互不干扰,理论上4个P-ATA和2个S-ATA可同时接6个设备,实际上得根据不同主板而定,有的南桥芯片就只支持4个ATA设备。此时SATA1口硬盘对应Third IDE Master(第三IDE通道主盘),SATA2口硬盘对应Fourth IDE Master(第四IDE通道主盘)。

S-ATA:串行硬盘增强模式,此时理论上支持4个串行硬盘,但还得看主板的支持情况(如果是ICH5R芯片组如P4P800,想组RAID模式,则必须要选择此项,并将Configure S-ATA as RAID项设为Yes,S-ATA BOOTROM项设为Enable,设置后BIOS自动检测的时候按“Ctrl+I”进行RAID设置)。

P-ATA:其实还是一种映射模式,SATA硬盘占据的是第一个IDE通道,SATA1口对应第一个通道的主盘,SATA2口对应第一个通道的从盘。

当你使用的是Win98/Win NT/Win2000/MS-DOS等传统的操作系统时,由于它们只支持4个IDE设备,所以请选择兼容模式Compatible Mode,并根据你的实际硬盘数量和位置选择IDE Port Settings中的对应选项;当你使用的是WinXP/Win2003等新型的操作系统时,可以选择增强模式Enhanced Mode来支持更多的设备。当然如果你安装Win98+Win XP双系统的话,也只好选择Compatible Mode了。另外,有的主板BIOS有BUG,致使在单个SATA硬盘上安装Windows 98SE系统时不能正确安装SATA硬盘(如:华擎P4VT8),只需要升级BIOS版本到最新版就可以解决了。

注:虽然SATA硬盘本身并没有主从之分,但是如果使用了端口映射的模式,当你想要并行硬盘和串行硬盘共存时,还是得注意硬盘所占的位置不要冲突了,而且启动顺序也需要在BIOS中根据实际情况进行相应调整。

下面以GA-8KNXP Ultra为例,简要说一下主板的BIOS中SATA的设置:

这款主板的芯片组是i875P,南桥为ICH5R,其SATA部分的设置选项在Main主菜单下的Integrated Peripherals(整合周边设备)里,其设置功能详见下表(只列出了有关SATA硬盘设置的部分):

有关启动设备的选项在Advanced BIOS Features(进阶BIOS功能设定)中,详见下表:

通过上面的两个例子可以看出ICH5/ICH5R南桥的主板,都是通过端口映射和独立SATA通道两种途径来设置识别SATA硬盘的。至于应该选择哪种模式和设置值,请参考上文并根据S-ATA硬盘和P-ATA硬盘的数量,安装的操作系统以及哪一个作为系统启动盘等实际情况来自行设定。

2.南桥为VIA的VT8237的主板

相对于ICH5/ICH5R芯片组,VT8237的SATA设置部分就简单得多了。下面以硕泰克的SL-KT600系列为例,其SATA部分的设置选项也是在Main主菜单下的Integrated Peripherals(整合周边设备)里:

Onboard PATA IDE(主板内建并行IDE口设定)

此项设定允许用户配置主板内建并行IDE口功能。

Disabled:关闭主板的并行IDE口功能。

Enabled:允许使用并行IDE口功能(预设值)。

Onboard IDES operate mode(主板内建IDE优先设定)

PATA is Pri IDE:PATA口上的设备优先(预设值)。

SATA is Pri IDE:SATA口上的设备优先。

Onboard SATA- IDE(主板内建SATA口功能设定)

Disabled:关闭主板上SATA口。

SATA:主板上SATA口当做一般的SATA口使用。

RAID:主板上SATA口上的硬盘可以建立磁盘阵列(预设值)。

这里你只需要根据实际情况调整一下串、并行口的优先级就可以正常使用SATA硬盘了。(通过上面的选项能看出,在这里S-ATA硬盘还是可以理解为映射到P-ATA端口上来识别的。)

注:RAID的组建还需要在开机时按“Tab”键进入VIA科技RAID控制器的BIOS设置画面另行设置,请参见相关的说明手册。

一般都是用Win98/Me启动程序启动后用FDISK、DM、PQ等工具来对硬盘进行分区的。那么只要在BIOS中设置正确并能在启动后识别出SATA硬盘,这时SATA硬盘的分区就和传统的并口硬盘的分区方法完全一样了。

如果、用的是Win2000/XP/2003等启动光盘来启动并分区的,如果你SATA硬盘不能识别,那么需要在屏幕提示“Press F6 if you need to install a third party SCSI or RAID driver...”时按F6,用软驱加载驱动程序,当硬盘被正确识别后就和传统的并口硬盘分区方法完全一样了。

1.Win98/Me

不论使用的是什么芯片组,只要在BIOS中设置正确并让主板识别出S-ATA硬盘,那么就可以正常地安装使用了。(注:当然还得注意,Win98/Me等系统最大只能支持4个设备。)

2.Win2000/XP/2003等NT核心的系统

这里由于ICH5不需要加载RAID模块,所以直接安装就可(其实就是将S-ATA映射到P-ATA端口使用,自然就和并口硬盘一样了)。而ICH5R南桥控制器则分两种情况,一种是在BIOS中完全屏蔽了RAID模块,那么就和ICH5的情况一样了,直接安装即可;二是开启了RAID(BIOS中默认都是开启的),则这时需要在启动时按F6用软驱加载驱动。对于VT8237理论上应与ICH5R一样,其大多数主板说明书上也指明只作为普通SATA硬盘使用时不需要加载驱动(如硕泰克的SL-KT600-R),但是实际上不论使不使用RAID功能都需要加载驱动。由于笔者接触的产品有限,不知是否都是如此,还请读者自行尝试。

注:除南桥自带的S-ATA控制器以外,其它的S-ATA控制器基本都需要外加驱动,有些主板除了本身南桥支持S-ATA外,还板载Promise等第三方的S-ATA及RAID控制器,请注意区分。

当安装完操作系统,还需要进一步安装对应的驱动程序。

1.ICH5只需要加载Intel提供的INF驱动。

2.ICH5R除了INF驱动,还要加载IAA3.0或以上版本驱动。

3.VT8237需要安装VIA Hyperion 4-IN-1补丁。

如果你还使用有并行硬盘的话,最好慎用VIA独立发布的VIA IDE Miniport Driver驱动程序,很可能会使并行硬盘的突发传输速率下降,但对串行硬盘性能无甚影响。

注:如果你使用的是第三方SATA控制芯片和RAID模块,那么你还需要添加相应的驱动程序。

通过上文可看出,S-ATA硬盘的使用关键在于正确设置BIOS中的识别方式,而由于各家主板厂商的BIOS菜单都不相同以及主板手册的语焉不详,才造成了S-ATA硬盘在使用中的种种问题。由于研发能力的不同,要想让主板厂商把这部分统一起来,现阶段是不现实的,所以笔者仅希望读者能够通过参考本文,根据自己的实际情况来举一反三地解决问题。

硬盘作为个人电脑和各种服务器的外部存储器,自从诞生以来,就在存储领域占有重要的地位。人类历史上的第一块硬盘是IBM公司在1956年生产的,其容量仅为5MB,而大小几乎与两个冰箱相当。而现在单盘容量可达几个TB,体积才一个小盒子大小。硬盘可以分为机械硬盘和固态硬盘,机械硬盘采用的是磁介质,固态硬盘采用的是半导体存储介质,机械硬盘结构复杂由磁头、盘片、电机等组成,固态硬盘内部结构相对简单,主要是由半导体闪存芯片封装而成。早期的硬盘都是机械硬盘,其物理结构包括磁头、磁道、扇区和柱面,尽管对于固态硬盘在物理上并没有对应的结构,但其接口协议和机械硬盘相同,在描述时也会借用柱面、扇区等概念。磁头是硬盘中最昂贵的部件,也是硬盘最重要和最关键部件。传统的磁头是读写合一的电磁感应式磁头,硬盘的读、写是两种不同的操作,这种二合一磁头在设计时必须要同时兼顾到读/写两种特性,从而造成了硬盘设计上的局限。硬盘一般都用MR磁头(Magneto resistive heads,磁阻磁头),采用的是分离式的磁头结构:写入磁头仍采用传统的磁感应磁头,读取磁头则采用新型的MR磁头,设计时针对两者的不同特性分别进行优化,以得到最好的读/写性能。另外,MR磁头是通过阻值变化而不是电流变化去感应信号幅度,读取数据的准确性也相应提高。而且由于读取的信号幅度与磁道宽度无关,故磁道可以做得很窄,从而提高了盘片密度。

当磁盘旋转时,磁头若保持在一个位置上,则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹,这些圆形轨迹就叫做磁道。磁道是盘面上以特殊方式磁化了的一些磁化区,磁盘上的信息便是沿着这样的轨道存放的。相邻磁道之间并不是紧挨着的,因为磁化单元相隔太近时磁性会相互产生影响,为磁头的读写带来困难。

磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段,这些弧段便是磁盘的扇区,每个扇区可以存放512个字节的信息,向磁盘读取和写入数据时,要以扇区为单位。即读写的最小数据量为512个字节。

硬盘通常由重叠的一组盘片构成,每个盘面都被划分为数目相等的磁道,并从外缘的“0”开始编号,具有相同编号的磁道形成一个圆柱,称之为磁盘的柱面。磁盘的柱面数与一个盘单面上的磁道数是相等的。无论是双盘面还是单盘面,由于每个盘面都有自己的磁头,盘面数等于总的磁头数,因此,一个硬盘的总容量为:

存储容量=磁头数×磁道(柱面)数×每道扇区数×每扇区字节数(512B)

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