专题7-3《SATA硬盘基础》(V10)

1、WDT审查及测试基础知识介绍硬件鉴定测试部王梅 04853SATA硬盘基础 作者：王建庭工号：04923课程培训目的课程培训目的u 掌握掌握SATASATA硬盘的基本原理硬盘的基本原理u 掌握掌握SATASATA硬盘的接口和性能指标硬盘的接口和性能指标u 了解了解SATASATA硬盘发展概况和应用前景硬盘发展概况和应用前景主要内容主要内容SATASATA硬盘基本原理硬盘基本原理SATASATA硬盘技术介绍硬盘技术介绍SATASATA硬盘的发展概况及其应用前景硬盘的发展概况及其应用前景 SATASATA硬盘简介硬盘简介 SATASATA硬盘的物理连接硬盘的物理连接 SATASATA硬盘的电气性能

2、硬盘的电气性能SATA硬盘基本原理硬盘基本原理SATASATA硬盘简介硬盘简介 Serial ATA：Serial Advanced Technology Attachment 也就是串行ATA，它与目前广泛采用的ATA/100或ATA/133等接口最根本的不同在于，ATA接口类型都是采用并行方式进行 数据通信，因而统称并行ATA即PATA或IDE。而Serial ATA，顾名思义，也就是采用串行方式（Serial ATA），用比并行式更高的速度（高50%），把数据分组形式传输至主机的方式）进行数据传输。2001年，由Intel、APT、Dell、IBM、希捷、迈拓几大厂商组成的SATA委员会

3、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SATA 2.0规范。 随着PC技术日新月异的发展，磁盘性能越来越成为整个系统的瓶颈，相对于CPU和DDR内存来说，传统的Parallel ATA硬盘已经在很大程度上限制了整机性能的充分发挥：1.首先是码间干扰2.其次是串音干扰 3.再次是直流偏置 SATASATA硬盘简介硬盘简介 PATA的局限性1.在SATA技术中，由于采用了点对点的拓扑结构，所以不存在这种多接口/设备带来的码间干扰。2.对比而言，SATA不仅没有多余的线路相互干扰，而且本身就采用了差分模式

4、，可以最大程度减少其他外界因素带来的串音干扰。 3.在串行通讯中，解决直流偏移的原理很简单：通过编码使得“0”、“1”信号数量相等，这样就消除了信号序列中的直流分量。 SATASATA硬盘简介硬盘简介 SATA解决之道SATASATA硬盘简介硬盘简介SATASATAPATAPATA数据电缆连接数据电缆连接刀片和梁式插头结构，4根信号线，3根地线引脚与插口结构，80根线电源电缆连接电源电缆连接刀片和梁式结构，15针3.3V/5V/12V电源连接器，宽度为2.22cm4针“D形”5V/12V电源连接器，宽度为2.25cm硬盘连接硬盘连接每个通道1个硬盘（点对点连接） 每个通道2个硬盘（总线主/从方

5、式）热插拔特性热插拔特性可热插拔，也可以插入背板或设备插槽无热插拔特性传输速率传输速率目前SATAII为300MB/s外部最大传输率133MB/s线缆长度线缆长度1m50cmSATASATA硬盘简介硬盘简介 四种接口硬盘性能对比SATASATA硬盘简介硬盘简介 在数据发送的时候，遵循应用层传输层链路层物理层自上而下的顺序，而在接收时则变为物理层-链路层-传输层-应用层的自下而上的顺序，这应该很好理解-数据发送从操作系统下达命令开始，直到通过数据线传送；数据接收从数据线接收到信号开始，经过链路层、传输层、应用层的逆向处理后再传给操作系统使用。 SATASATA硬盘的物理连接硬盘的物理连接 SAT

6、A硬盘与传统硬盘在接口上有很大差异，SATA硬盘采用7针细线缆而不是大家常见的40/80针扁平硬盘线作为传输数据的通道。细线缆的优点在于它很细，因此弯曲起来非常容易。而传统的硬盘线弯曲起来就非常困难，由于很宽，还经常会造成某个局部散热不良。 而细线缆就不存在这些缺点，它不会妨碍机箱内部的空气流动，这样就避免了热区的产生，从而提高了整个系统的稳定性。 SATA硬盘连接线与传统IDE硬盘连接线如下图所示： SATASATA硬盘的物理连接硬盘的物理连接SATASATA硬盘的物理连接硬盘的物理连接SATA接口包括两个部份，一个是信号接口，另一个是电源接口，接口接插件如下所示：SATASATA硬盘的物理

7、连接硬盘的物理连接SATA硬盘电源接口提供三种供电电源12V、5V、3.3V，目前硬盘供电主要为12V、5V。12V电源供给硬盘主轴电机及伺服电机使用，主轴电机带动盘片转动，而伺服电机带动磁头臂移动寻道；由于12V供给电机使用，所以硬盘上电电机起转时会产生较大的启动电流，一般为23A，如果系统中有多个硬盘时，必须控制硬盘的上电次序以此来控制启动电流，减轻系统电源的压力，不同厂家的硬盘启动电流一般相差不大。5V电源供给硬盘控制电路使用。12V、5V电压的动态工作电流一般都小于1A，SATA硬盘的动态功率在12W左右。 电源部分电源部分SATASATA硬盘的物理连接硬盘的物理连接电源部分电源部分S

8、ATASATA硬盘的物理连接硬盘的物理连接信号部分信号部分SATASATA硬盘的电气特性硬盘的电气特性1）发送信号参数指标2）接收信号参数指标SATASATA硬盘的电气特性硬盘的电气特性SATASATA硬盘的电气特性硬盘的电气特性3）SATA接口信号特点A）SATA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。B）SATA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纠正，这在很大程度上提高了数据传输的可靠性。C）SATA 仅用四支针脚就能完成

9、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。D）SATA的起点更高、发展潜力更大。PATASATASATA点对点的连接点对点的连接SATASATA硬盘的电气特性硬盘的电气特性主要内容主要内容SATASATA硬盘基本原理硬盘基本原理SATASATA硬盘技术介绍硬盘技术介绍SATASATA硬盘的发展概况及其应用前景硬盘的发展概况及其应用前景SATASATA硬盘概述硬盘概述1）概述 一直以来，存储应用领域中的硬盘一般分为两种类型：性能优化型及容量优化型。 在过去，容量最高的硬盘专用于桌面PC环境，此类应用环境的工作负载比企业存储环境低很

10、多；因此，传统桌面级硬盘应用于企业存储环境，其可靠性是必须解决的问题。 硬盘厂商深入了解企业存储环境的要求，致力于提供兼顾性能及容量，且不会降低数据完整性或可靠性的硬盘。目前，主流硬盘厂商已经纷纷推出自己的兼顾性能及容量的SATA接口的企业级硬盘，如希捷和西部数据，也就是说，目前SATA硬盘领域存在着两种不同应用的硬盘，即企业级硬盘和桌面级硬盘。SATASATA硬盘概述硬盘概述2）SATA企业级硬盘与桌面级硬盘的差别介绍 企业级硬盘比桌面级硬盘功能更强大，智能程度更高，是基于RAID的近线应用的完美选择，企业级SATA硬盘可对容量要求极高的247企业近线存储应用提供超大容量、高可靠性和对RAI

11、D集成的支持；支持RAID集成的特性可增加系统运行时间，优化性能并简化管理。桌面级SATA硬盘可靠性低，一般只适用于PC机应用。SATASATA硬盘概述硬盘概述华为3COM公司现在所采用的是SATA接口企业级硬盘，其提供的可靠性已经能够满足企业存储环境的要求，并且能够满足用户大存储容量的需求。下表从可靠性方面描述了传统的桌面级硬盘与企业级硬盘的主要区别： 序号序号参数参数 桌面级桌面级 企业级企业级1上电时间 8小时/天 24小时/天 2Duty Cycle Low 30%（西数RE 2系列硬盘可达100%） 3MTBF六十万小时 一百二十万小时 4寿命 5年 5年 Duty Cycle：指硬

12、盘的工作负荷，100%即表示硬盘每天24小时不停在进行读写操作MTBF：Mean Time Between Failure ，平均无故障时间 SATASATA硬盘性能指标硬盘性能指标1）简介 目前华为3COM公司存储产品主要采用SATA接口企业级硬盘，企业级SATA硬盘从性能、功能及可靠性上都可以满足企业存储应用，并能满足海量存储的要求。 上述的这些特性使企业级SATA硬盘在企业存储领域占据了一席之地，得到了越来越广泛的应用。下面就对SATA接口企业级硬盘的各项指标进行说明。 序号序号 参数参数 具体指标具体指标 1转速（RPM） 7200 2最高内部传输速率（MB/s） 953持续传输速率（

13、MB/s） 654接口速率（MB/s） 150/3005平均延迟（ms） 4.16 6平均寻道时间（ms） 0.8(read),1.0(write) 7平均读/写延迟（ms） 8/9 8平均功耗（W） 9.2 2）基本指标参数SATASATA硬盘性能指标硬盘性能指标序号序号参数参数 具体指标具体指标1工作电压 5V5%12V10% 2工作温度 060（OP.）-4070(NONOP.) 3工作湿度 5%90%（OP.）5%95%(NONOP.) 3）工作环境参数 SATASATA硬盘性能指标硬盘性能指标序号序号参数参数 具体指标具体指标4工作状态海拔高度 -60.96m3048m 5非工作状态

14、海拔高度 -60.96m12192m 6工作状态冲击幅值 63Gs 7非工作状态冲击幅值 300Gs 8工作状态振动幅值 522HZ:限制使用23HZ350HZ:0.5Gs 9非工作状态振动幅值 522HZ:限制使用23HZ350HZ:5Gs SATASATA硬盘性能指标硬盘性能指标4）功能指标 序号序号功能功能 支持与否支持与否1NCQ 支持 2SMART 支持 3Seashield技术 支持 4DST技术 支持 5全磁道多扇区传输功能 支持 6SCT 支持 7错误纠正功能 支持 8负荷管理（用于控制机体温度及保证长时间工作可靠性） 支持 SATASATA硬盘性能指标硬盘性能指标指标说明：指

15、标说明： NCQNative Command Queueing 俗称本机命令排序，支持NCQ的硬盘可以对命令进行排队（多达32条命令），重新编排命令执行次序，也可以立即执行命令。提高硬盘的性能，减少CPU占用率。 S.M.A.R.TSelf Monitoring Analysis And Reporting Technology 即硬盘的自我监测、分析和报告技术，监测磁头、磁盘、马达、电路等部件，然后根据得到的关于各部件运行情况与历史记录的数据进行分析、比较，根据需要会自动向用户发出警告。 Seashield-是希捷推出的新防震保护技术，提供由减震弹性材料制成保护软罩，配合磁头臂及盘片间的加强

16、防震设计，为硬盘提供了高达300G的非操作防震能力。 DSTDriveSelfTest，驱动器自我测试功能是希捷新增的数据保护技术，它内建在硬盘的固件中，提供数据的自我检测和诊断功能。 SCTS.M.A.R.T Command Transport，该技术在硬盘内部划出一部份扇区做为日志记录，分析SMART命令包含的状态信息，判断硬盘的工作状况从而调节如数据流量来保证硬盘可靠性。 SATASATA硬盘性能指标硬盘性能指标SATASATA与与SASSAS兼容性兼容性SAS接口和SATA接口完全兼容，这一特性给了整个系统更多的选择空间和适用范围，用户可以根据不同的需求和承受能力，选择SAS和SATA

17、进行组合。物理层：物理层：从接口标准上而言，SATA是SAS的一个子标准，因此SAS控制器可以直接操控SATA硬盘。但是SAS却不能直接使用在SATA的环境中，因为SATA控制器并不能对SAS硬盘进行控制。协议层：协议层：SAS 由3种类型协议组成，根据连接的不同设备使用相应的协议进行数据传输。其中串行SCSI协议（SSP）用于传输SCSI命令；SCSI管理协议（SMP）用于对连接设备的维护和管理；SATA通道协议（STP）用于SAS和SATA之间数据的传输。因此在这3种协议的配合下，SATA可以SAS和部分SCSI设备无缝结合。SATASATA与与SASSAS兼容性兼容性提供SAS磁盘阵列的

18、厂商，在兼容SATA磁盘时都在SATA磁盘托架上附加一个小小的电路板，我们姑且称之为“端口选择器”。其作用就是将SATA磁盘上的单端口与两路SAS同时连接，从而保证前端控制器或主机故障切换时，SATA磁盘仍然能保持连接。主要内容主要内容SATASATA硬盘基本原理硬盘基本原理SATASATA硬盘技术介绍硬盘技术介绍SATASATA硬盘的发展概况及其应用前景硬盘的发展概况及其应用前景主要内容主要内容 简介简介 硬盘生产厂商介绍硬盘生产厂商介绍 SATASATA硬盘发展蓝图硬盘发展蓝图 桌面级硬盘与企业级硬盘的区别桌面级硬盘与企业级硬盘的区别 桌面级硬盘的应用领域桌面级硬盘的应用领域 企业级硬盘的

19、应用领域企业级硬盘的应用领域 市场规模市场规模简简 介介随着技术的成熟、性能的提升、可靠性增强及成本下降，SATA会渗透到网络存储的一些应用领域，比如目前各大硬盘厂商纷纷推出的SATA接口企业级硬盘，可以满足近线存储需求，并且具有一个比传统企业硬盘更具竞争力的优势，那就是提供海量存储。硬盘生产厂商介绍硬盘生产厂商介绍 生产SATA的大型厂商有希捷、迈拓、西部数据、日立等，其中迈拓已经被希捷收购，而日立收购了IBM的硬盘事业部后，其技术研发实力大大增强。1）希捷是一家专业硬盘制造商,推出全系列多领域应用的硬盘，可满足不同层次的应用需求，希捷分别在中国无锡、新加坡和泰国设立了硬盘生产基地。2）西部

20、数据相对于希捷公司来说，硬盘产品线比较单一，主要提供SATA接口硬盘，并凭借其技术成熟、性能优良及可靠性高等特点也在存储市场占据了一席之地；3）日立公司的传统优势是在小型移动硬盘及笔记本电脑硬盘上，不过随着不断发展其产品线越来越全，并针对某些特殊应用领域不断推出的各种新的硬盘系列。目前，SATA硬盘发展迅速，在各种存储应用领域形成商用，下面介绍其几个方面的发展：1）容量的发展，这是传统企业级硬盘望尘莫及的，特别是2006年垂直记录技术首先在SATA硬盘上采用，使其最大容量达到了750G，1T以上容量已经指日可待。2）可靠性的发展，企业级硬盘MTBF已经达到一百万小时，有些厂商甚至标称达到120

21、万小时，已经达到企业存储应用要求。3）接口速率的发展，目前3Gbps接口硬盘已经普遍形成商用。4）各种功能技术的发展，如NCQ、防震、防噪、RAID兼容性等。SATASATA硬盘发展蓝图硬盘发展蓝图技术特征技术特征第一代第一代第二代第二代第三代第三代速度速度(8Bits)(8Bits)1.2Gbits/s2.4Gbits/s4.8Gbits/s速度速度(10Bits)(10Bits)1.5Gbits/s3.0Gbits/s6.0Gbits/s估计推荐日期估计推荐日期2001年中2004年中2007年中接口组件接口组件如图P15图所示与第一代一样未定，可能会有所更新信号兼容信号兼容与第一代兼容可能与第二代兼容，也可能会与第一代兼容SATASATA硬盘发展蓝图硬盘发展蓝图桌面级硬盘与企业级硬盘的区别桌面级硬盘与企业级硬盘的区别 桌面级硬盘和企业级硬盘是没有差别的，实际上桌面级硬盘和企业级硬盘在硬件上是一样的，可以说企业级硬盘是在桌面级硬盘中挑选出来的，并且进行了更加严酷的测试，性能可靠性会更好，失效率会更低。 另外一个主要的区别还是功能上的，这种区别体现在不同的Firmware上，对于企业级硬盘厂家通过Firmware增加了一些特性来增强硬盘的可管理性以及工作可靠性，企业级硬盘支持企业存储环境中的高负荷工作要求，企