存储：串行接口与并行接口交接换代

    本文转载自电子工程专辑，原作者为Agere公司的策略行销经理 Jeffrey Janukowicz、技术行销经理Bernhard Laschinsky和战略业务主管Tony Grewe，从不同角度简要阐述了串行接口在硬盘存储设备上代替并行接口，所涉及到的技术与产业问题

目前大多数系统都使用并行物理接口标准连接系统总线与硬盘存储设备，不过硬盘驱动器生产商和系统设计人员正着手开发串行接口技术以替代并行物理接口标准。2003年，存储驱动器技术在并行接口向串行接口的转换上又迈进了一大步，取得一些重大成就，加快了这种已有几十年历史的接口技术的转化。新型串行接口技术可能引发一场硬盘驱动器设计的革命，同时它还将扩展其服务的存储市场。本文将介绍串行接口标准及其应用上的优点。

除了大幅增加数据传输速度外，串行技术还有另外一些优点，如在IC封装、线缆铺设、功耗及其它重要系统性能等方面。它还可以使存储设备OEM通过更通畅、更简单的接口标准实现存储解决方案，从而提供更快的数据连接。

据业内分析公司IDC预测，在未来几年内，使用串行接口的硬盘驱动器数量将急剧上升，到2006年它将占据全球70%的驱动器市场。基于串行接口的存储解决方案不仅可提高连接速度，而且还能降低企业系统的成本。IC供应商应充分利用市场转机，寻找经济高效的途径以支持这些新的接口方案。

串行接口开发目的

多年以来，硬盘驱动器接口技术一直被两大并行标准所主宰，分成明显不同的市场阵营。一种是ATA接口(也称作ATA/ATAPI或IDE接口)，它是一个16位并行接口，连接线缆有80个接头，线缆长18英寸，宽3英寸，每通道可驱动两台设备，最高数据传输速率为100Mbps。由于性能和连接上的限制，ATA使用范围主要局限于台式电脑和移动存储应用。

另一种称为小型计算机系统接口(SCSI)，是一种具有更高带宽的方案，用于高端企业存储应用。它是一种16位并行LVDS接口，每个通道可支持16个驱动器，线缆长度12米，有80个接头，速度可以达到320Mbps。

现在绝大多数系统都是安装这样的并行HDD接口，但它们却存在着根本的性能局限。由于一些电气问题(如信号偏移、语音串扰、地反弹及5V容差等)限制了数据传输速率和距离，所以ATA和SCSI给设计带来很多难题。此外，并行接口要求大量信号线和地线，这意味着芯片封装、PCB走线以及连接器、电缆和机箱整体设计都比较困难。最后，半双工操作的局限性使并行接口结构无法满足未来系统性能和成本要求。为了克服并行接口的局限性，硬盘存储厂商为下一代硬盘驱动器开发出了串行接口标准。

串行接口具有几项优点。首先，它是一个4线接口，基于两个差分信号对(发射和接收)，信号内部带有时钟，从而简化了时序操作。此外，这种接口对引脚需求量较少，因此能够增加可集成的端口数量，并简化PCB走线、电缆和连接器设置。这种接口电缆比粗大的并行电缆要细，节省了设备内部空间。低压差分信号可与先进的半导体工艺匹配，使设计更加简单，并可支持批量生产。与共享(总线式)媒介设计不同，串行接口采用点到点连接，可为每个设备提供全接口带宽。

串行接口标准

1. 台式、移动设备和消费电子产品串行ATA(SATA)是新的物理存储接口标准，可以兼容并替代并行ATA接口软件。支持SATA 1.0标准的硬盘驱动器数据传输速度为150Mbps，这比并行ATA 100Mbps速度提高了50%。

2001年，行业协会“串行ATA工作小组”制订了SATA 1.0接口技术规范。SATA是根据人们设想中未来硬盘驱动技术而创建的，它提供了具体的性能发展规划，SATA 2.0支持300Mbps传输速率，SATA 3.0支持600Mbps传输速率，到2006年可以实现600Mbps传输速率。

2. 高端企业

串行连接SCSI接口(SAS，SCSI的串行版本)已由SCSI业界开发成功，它将SCSI扩展到未来应用，并使接口的性能和多功能性达到另一个高度。SAS使用SCSI协议，但利用了许多为SATA物理层做的工作，包括允许SAS和SATA实现一定水平的互操作，让系统集成商在成本和性能之间有更多选择。

SAS技术规范于2003年初基本完成，可以支持150Mbps和300Mbps数据速率。

在比较新串行接口与旧并行接口的速率时，一定要记住并行接口使用总线结构体系，几个硬盘驱动器共享可用接口总带宽。如果有5个硬盘连接到320Mbps SCSI接口，那么每个驱动器的可用有效接口带宽为320Mbps除以5所得的结果，也就是64Mbps。相反，SAS采用点到点结构体系，每个驱动器可以使用全部接口带宽。这样一来，在实际系统中速率为150Mbps的SAS接口比速率为320Mbps的并行SCSI的性能还要更高。

3.光纤通道

这是第一个部署在大型企业存储应用的千兆位串行接口，经过多年应用，它显示出串行技术所具有的高性能和可靠性。光纤通道可提供100、200和400Mbps数据速率，主要用在存储区域网(SAN)中。它既可用于存储网络基础设施，也可用作硬盘驱动器连接接口——只要驱动器自身带有光纤通道接口。

虽然SCSI和光纤通道驱动器极有可能继续主宰企业应用，但整个行业呈现出朝串行接口过渡的重要趋势。从以往的情形看，并行ATA驱动器对企业级应用的吸引力不大，因为它们在性能和可扩展性方面本身就存在局限性。随着IT管理人员不断将精力集中在减少成本、提高可靠性方面，某些基于企业的低转换密度存储解决方案可能采用经过重大改进的SATA来替代SCSI和光纤信道驱动器。SATA驱动器的成本是SCSI硬盘驱动器成本的1/4，这个具有巨大潜力的突破性技术可以帮助高端存储市场朝具有更低成本的方向发展。

从并行到串行过渡

串行设计为技术用户带来的优势是相当明显的，但是普通PC买家更关心是否要为新接口额外支付一笔费用。因此，PC部件供应商和硬盘驱动器供应商将面临来自客户的巨大压力，以及不增加产品总成本就能从ATA过渡到SATA的竞争压力。实际上，提供与并行ATA一样的价格是SATA设计的一个主要目标。

考虑到市场对成本的要求、台式和便携式电脑的技术发展历程以及在硬盘驱动器和母板端对接口都能提供支持等因素，在从并行技术过渡到串行技术过程中，OEM必须对不同的设计仔细掂量。

先进的半导体集成技术使得一个只有4个IC的硬盘驱动器可以拥有非常复杂的功能。系统级芯片是驱动器的“大脑”，它包括一个微处理器或数字信号处理器、HDD控制器、用于出入硬盘的数据读取信道和ATA接口本身。

2002年，硬盘驱动器生产商开始引进SATA驱动器设计。这些硬盘驱动器设计最初采用所谓的“桥芯片”完成SATA接口。桥芯片实际上是一个分离的“接口转换器”芯片，可以将传统SoC并行ATA接口与SATA接口进行相互转换。这个解决方案可以在不对历史悠久且结构复杂的并行ATA SoC做任何修改的情况下实现SATA接口功能，但是它也有几个明显的缺点：

1．额外的芯片和相关外围部件导致成本上升、印刷电路板面积增加、生产步骤增多、生产量下降等问题

2．“桥芯片”需要额外的功耗

3．额外的功耗导致“散热”问题

4．SoC和桥芯片间的并行ATA接口产生的电子噪声加剧了电磁干扰(EMI)

5．驱动器印刷电路板增加了设计复杂程度

6．SoC和桥芯片之间的ATA接口性能受到限制

最后一点对理解桥技术的局限性具有关键作用。典型的SATA桥解决方案在SATA接口桥芯片和驱动器SoC之间应用了一个标准并行ATA接口，在这种配置里，并行ATA接口会成为数据传输速度的一个“瓶颈”，因为它一般只能支持100Mbps的速率，桥芯片的数据率也经常限制在这个水平。

采用桥芯片解决方案可以使产品快速上市，由于可以尽早进入SATA且SATA接口概念已基本确认，它受到了硬盘驱动器供应商们的青睐，它让OEM体验到高速SATA信号效果，在新技术开发前建设好制造和生产测试设施。不过，桥芯片往往在没有提高性能的情况下增加成本、板空间和功耗，同时还增加设计和生产的复杂性，所以桥芯片显然只适合充当一个过渡时期的解决方案，不宜大规模采纳。

如果采用集成SATA接口的单芯SoC替换并行ATA接口，IC设计人员可以让OEM在不增加成本和复杂性的情况下拥有一个高性能硬盘驱动器子系统。这种解决方案不要求在驱动器中额外添加部件，同时保证SoC可以充分利用SATA减少信号数量的优点。同移动PC和消费电子产品的硬盘驱动器设计双芯“桥”和产品相比，集成了SATA的SoC可以节省板空间，更容易实施，同时增加了可靠性并可减少功耗，这些都是很关键的考虑因素。将SATA接口直接集成到SoC是向更高集成度发展的自然趋势，但是它本身也有自己的问题。SoC包含非常复杂的读取信道IC，可以对前置放大器的电子信号进行处理。在设计集成SATA SoC过程中，必须考虑采取适当的信号完整性保护措施，以确保来自SATA接口的高速信号不会干扰读取信道的运行。同样地，SATA信号发射器和接收器都是高性能电路，应当小心避免电气噪声的干扰。

在复杂的硬盘驱动器SoC设计中成功实现SATA接口集成，需要具备高超的混合信号设计专业知识，这样才能得到一个可以降低成本、提高驱动器的性能和可靠性的解决方案。

继SATA之后，开发人员又推出了SAS驱动器设计，以前开发SATA的许多经验都可以应用到SAS上。带分立SAS接口芯片的解决方案(与SATA桥芯片相似)可用作早期概念证明和协议软件确认，不过物理接口层有望集成到SAS驱动器控制器ASIC中，也即是第一批投入商用的SAS HDD上。对于硬盘驱动器，由于IC封装的功耗问题，SAS控制器IC和光纤信道控制器一般不包括读取信道模块，这样可减缓部分SoC集成问题。

支持任何协议的串行方案

直到最近，并行ATA、并行SCSI和光纤通道三种最普遍的存储接口技术才有了各自清晰界定的应用领域，彼此之间的交迭相对很少。引入SATA和SAS后将改变这种情况，三种接口技术的物理接口层和连接能力正变得越来越相似，客户需要针对应用挑选最佳产品组合，硬盘及其它存储产品生产商则必须为三种接口提供同等的支持。

同样，生产商也要求他们的IC供应商提供灵活的解决方案。理想的IC解决方案应当是一个IC可以同时满足三种接口，而不增加任何一种的成本。虽然三种接口协议不同，在创建单个IC解决方案时也会面临不同的挑战，但是由于物理接口层存在着相似之处，所以三种接口可以采用通用的标准构件，这样的标准构件将包含SATA、SAS和光纤信道共有的核心功能，而那些不同的参数则可以配置和编程。

千兆位串行接口的核心功能是通过并串/串并转换(SERDES)建立的，它将存储设备内部使用的并行格式和数据传输中使用的串行格式的数据进行相互转换，核心模块通常称作物理层(PHY)。

SERDES最关键的性能参数是发射信号中的低抖动和接收信号的高抖动容限，二者都表现出明显的电源噪声。尽管不同接口标准对不同方法的参数进行了规定，但不同标准的实际要求却非常相似。

不同接口标准中有不同的电气参数(如串行信号的振幅与升降次数)，它们在SERDES中可以进行编程处理。OEM经常需要在系统级优化接口性能，并且希望超越具体标准中严格要求的特性和可编程性，因此对一个接口标准所要求的可编程性可以自动包含在其它标准里。

如今的半导体工艺技术可在满足低成本台式硬盘驱动器市场需求的前提下实现高性能SERDES，支持三个接口标准对所有数据速率的要求，这样一个通用解决方案大大缩短了OEM产品的面市时间。同时不管选择何种接口，这个解决方案都可以提供更低的成本和更高可靠性。由于OEM可以利用一个经验证的硅平台创建多个串行设计和接口，所以还可能提高其它方面的效率。

小结

正如上文所述，转换到串行解决方案必须要有硬盘驱动器和PC母板的接口支持，由于领先的PC微处理器公司准备大量生产基于SATA的母板芯片组，所以众多硬盘生产商也已将它们的发展方向与此对应，并于2003年下半年开始部署SATA。

现在硬盘OEM正在将并行接口转化为串行接口，这样它们才能与刚上市的新PC芯片组和母板保持兼容，节约成本。尽管在过渡期间，主要的PC OEM都还支持并行、串行驱动器。但非常明显的是，它们将放弃并行接口，将所有设计很快转变为串行接口。在存储市场串行接口的长期使用过程中，只有那些通过高集成度串行IC解决方案提供经济高效产品的硬盘驱动器OEM才能立于不败之地。