اسرار SATA

تا حدود سال ۲۰۰۵, اینترفیس استاندارد دیسک سخت, باس parallel ATA یا PATA بود که با عنوان IDE نیز شناخته می شد که هنوز هم در درایوهای DVD و Blu ray که دارای سرعت نسبتاً کم تری هستند, مورد استفاده قرار می گیرد

● بر سر PATA چه آمده است؟

تا حدود سال ۲۰۰۵، اینترفیس استاندارد دیسک سخت، باس parallel ATA یا PATA بود که با عنوان IDE نیز شناخته می شد که هنوز هم در درایوهای DVD و Blu-ray که دارای سرعت نسبتاً کم تری هستند، مورد استفاده قرار می گیرد. اما علیرغم تکامل و توسعه این استاندارد و رسیدن سرعت آن به ۱۳۳MB/sec در نسخه ی نهایی، این استاندارد نهایتاً باید با استاندارد جدیدی جایگزین شود. این بدان خاطر است که یک اینترفیس موازی PATA، تحت تأثیر دو محدودیت به نام های clock skew و crosstalk می باشد.

این اثرات از این واقعیت نشأت می گیرند که اگرچه داده ها از نظر تئوریک در یک دامنه ی دیجیتال دقیق قرار دارند، اینترفیس های داده ای، عملاً مجبور هستند از بیت های سیم و ترانزیستورهایی که طبیعت آن ها آنالوگ است استفاده کنند. به دلیل تفاوت در مواد به کار رفته و به واسطه ی عدم یکپارچه گی در روش های ساخت و تولید، سیگنال های همزمان سازی ساعت و داده ها در زمان های مختلفی می رسند و این امر باعث می شود تا داده ها خراب شوند. این، clock skew است.

شما می توانید این تأثیر را از سه منظر در نظر بگیرید: کاهش فرکانس، کاهش طول کابل یا افزایش دقت فرآیند ساخت و تولید. اولین مورد یک گام رو به عقب است؛ دومی در یک نقطه خاص غیرعملی می شود. اثر سوم گران تمام می شود اما عملی است و دلیلی است برای پیشرفت و توسعه ی PATA و تکامل آن به شکل فعلی و نهایی.

ما باید در مورد crosstalk نیز صحبت کنیم. این اثر زمانی ایجاد می شود که سیم های منفرد در یک لینک موازی شروع به عمل کردن مثل پخش کننده های رادیویی می کنند؛ اثری که inductance (توانایی ذخیره سازی انرژی به صورت یک میدان مغناطیسی. هر قطعه سیم دارای اندکتانس است و پیچیدن سیم، به ویژه به دور یک هسته ی آهنی سبب افزایش اندکتانس می شود. واحد اندکتانس هانری نام دارد و به معنای این است که سیم های نزدیک به هم سیگنال های سایر سیم ها را بدون این که به طور فیزیکی به هم متصل باشند، می گیرند. هرچه فرکانس بیش تر و طول کابل زیادتر باشد، این اثر بدتر می شود. این بدان خاطر است که PATA در آخرین نسخه ی خود کابل هایی را معرفی کرد که به جای ۴۰ سیم ۸۰ سیم داشتند. سیم های اضافی، داده ها را حمل نمی کردند؛ آن ها به سادگی به زمین متصل می شدند و بین سیم های سیگنال قرار می گرفتند تا آن ها را در مقابل اثرات بین کابلی crosstalk، محافظت کنند. اگرچه در نهایت، crosstalk به مشکلی تبدیل شد که فائق آمدن بر آن بسیار دشوار بود و به همین دلیل است که شما باید از یک روش ارتباطی سریال استفاده کنید.

● ارتباطات موازی در برابر سریال

ارتباطات سریال نیز مشکلات مربوط به خود را دارند. یک تفاوت کلیدی بین اینترفیس های سریال و موازی این است که باس های موازی، همزمان هستند در حالیکه ارتباطات سریال این طور نیستند. در سیستمی که از یک باس موازی استفاده می کند یک یا بیش از یک سیم همیشه به ساعت اختصاص دارد که به آن strobe line نیز گفته می شود و وظیفه ی آن حفظ یک ریتم ثابت است تا یک وسیله ی گیرنده بتواند بفهمد بسته های داده در چه زمانی در حال انتقال هستند. این امر باعث تسهیل انتقال می شود زیرا همه چیز به طور منظم پیش می رود. در مقابل، یک خط سریال فقط خود داده ها را در یک سیم واحد حمل می کند؛ هیچ ساعتی برای حفظ نظم و ترتیب کارها وجود ندارد. بنابراین گیرنده و فرستنده نیاز به دانستن این نکته دارند که داده ها با چه سرعتی منتقل می شوند و هریک باید به طور مستقل و به اندازه ی کافی در زمان بندی دقیق باشند تا چیزی را از دست ندهند. این یک مشکل بالقوه بزرگ محسوب می شود.

ذکر یک مثال، موضوع را روشن تر می کند. یک اینترفیس سریال بسیار ابتدایی را که با سرعت ۱ MHZ اجرا می شود و از سطح سیگنال دهی ۳ ولت استفاده می کند در نظر بگیرید. سرعت MHZ ۱ بدین معنا است که این اینترفیس می تواند ۱۰۰۰۰۰۰ بیت داده را در ۱ ثانیه منتقل کند. در این مثال نمونه ای، ما هیچ نوع پروتکل ارتباطی وجود ندارد و فقط بیت های داده های خام منتقل می شوند.

فرض کنیم می خواهیم عدد ۱۷۰ را منتقل کنیم. این عدد باید به اعداد باینری تبدیل شود تا بتوان آن را منتقل کرد و عدد باینری ۱۷۰ معادل ۱۰۱۰۱۰۱۰ می شود. این مثال به اندازه ی کافی ساده است: در حالیکه هر بیت در حال انتقال است، ولتاژ سیم از ۰ ولت به ۳ ولت تغییر می کند تا تغییر از یک (۰) به یک (۱) را نشان دهد. گیرنده تمام این تغییرات ولتاژ را می بیند و از آن جائیکه هر بایت، با بایت دیگر کاملاً متفاوت است نمی تواند در دریافت آن تعلل کند.

حال تصور کنید می خواهیم عدد ۱۲۸ را منتقل کنیم. شکل باینری این عدد ۱۰۰۰۰۰۰۰ است. این جا است که مشکل بالقوه ما رخ می نماید. برای انتقال اولین بیت، سیم سیگنال به ۳ ولت می رسد، برای دومین بیت به ۰ نزول می کند و برای شش بیت بعدی هیچ اتفاقی رخ نمی دهد و ماندن در ۰ ولت، نشان گر ۷ صفر بعدی در عدد ۱۲۸ است. در این جا هیچ ساعت بیرونی وجود ندارد؛ اتکاء فرستنده به گیرنده که خودش را شمارش می کند، است و بدین ترتیب از محدودیت بیت ها براساس زمان آگاه است. این، ارتباطات غیرهمزمان است. اگر ساعت های داخلی فرستنده و گیرنده حتی اندکی نادرست کار کنند، گیرنده رد بیت ها را از دست می دهد که نتیجه ی آن خرابی داده ها خواهد بود. حتی در یک لینک ۱MHZ، هر بیت در یک میکروثانیه منتقل می شود. این موضوع را به یک SATA/۶۰۰ که هر بیت در ۶ نانوثانیه منتقل می شود اعمال کنید تا متوجه شوید زمان بندی باید به شکل فوق العاده ای دقیق باشد.

● انتقال مبتنی بر فریم

حتی در علم الکترونیک مدرن نیز شما نمی توانید زمان را با این دقت حفظ کنید. بنابراین مشکل فقدان یک سیگنال ساعت در یک سیستم انتقال سریال با استفاده از ارتباطات مبتنی بر فریم حل می شود. این نوع ارتباطات در ساده ترین شکل خود شما را مطمئن می کند که در یک ردیف، تعداد صفر و یک های مشخصی را منتقل می کنید بنابراین فرستنده و گیرنده شما شانس از دست دادن همزمانی با هم را پیدا نخواهند کرد. ساده ترین راه، علامت گذاری ابتدای یک بایت با یک صفر- یک روشن- خاموش است. شبکه سازی اترنت و TCP/IP نیز به همین روش ارتباطات مبتنی بر فریم کار می کنند.

● مزایای ارتباطات سریال

با استفاده از سیلیکون مدرن، ساخت یک لینک سریال که با استفاده از آن می توانید به فرکانس های گیگاهرتزی دست پیدا کنید، سطحی که در آن باس های موازی می توانند در معرض اثر crosstalk قرار بگیرند، نسبتاً ساده می شود. شما همچنین می توانید از سیگنالینگ تفاضلی کم ولتاژ (LVDS:low voltage differential signaling) استفاده کنید تا اطمینان پذیری را بالا ببرید.

و این دقیقاً روش کارکرد SATA است. اولین نسخه ی SATA با سرعت ۱.۵GHz و دومین نسخه ی آن با سرعت ۳GHz اجرا می شد و جدیدترین نسخه ی آن دارای سرعت ۶GHz برای نرخ داده ۶ گیگابیت بر ثانیه است که به جای ۸۰ سیم PATA، فقط از ۷ سیم استفاده می کند: یک جفت LVDS برای انتقال داده ها، یک جفت برای دریافت آن و ۳ سیم زمین. ۳ سیم زمین برای استفاده از قابلیت جابجایی داغ یا hot-swap ضروری هستند؛ اگر از نزدیک به پین های هادی یک SATA نگاه کنید، خواهید دید که دو تای بیرونی و یکی که در وسط قرار گرفته از ۴ تای دیگر بلندتر هستند: این ها پین های زمین هستند که علت بلندتر بودن آن ها این است که باید قبل از پین های داده تماس برقرار کنند تا عملکرد با دقت و اطمینان بیش تری صورت پذیرد. محافظت و جداسازی برای حذف اثر crosstalk دلیل اصلی پهنای حدود ۱ سانتیمتری آن ها؛ علیرغم حمل تنها ۷ سیم بسیار ریز است.

منبع: ماهنامه ی کامپیوتری بزرگراه رایانه، شماره ی ۱۳۰