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Computertechnik-Fibel

Die Computertechnik-Fibel, das Computer-Buch

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SATA / Serial-ATA

Serial-ATA, kurz SATA oder S-ATA, ist eine Schnittstelle zum Anschluss von Massenspeichern, wie Festplatten und Wechselspeicher-Laufwerken. Schnittstellen für Massenspeicher waren ursprünglich immer Bussysteme mit parallel geführten Signalleitungen in Leiterbahnen und Anschlusskabeln. Mit zunehmender Übertragungsgeschwindigkeit ergaben sich technische Schwierigkeiten, die für die Übertragungsrate eine obere Grenze setzten. So blieb auch die ATA (EIDE)-Schnittstelle nicht davon verschont, dass sie auf eine seriellen Betriebsart umgestellt wurde.

Im Jahr 2000 setzten sich mehrere Firmen aus dem IT-Sektor zusammen, um eine Spezifikation über Serial-ATA (Serielles ATA) zu erstellen. Im Jahr 2001 wurde die erste Version von Serial-ATA vorgestellt. Anfang 2003 waren bereits die ersten Controller und Festplatten erhältlich. Bis zur vollständigen Marktdurchdringung hat es noch bis zum Jahr 2004 gedauert.
Mit 150 MByte/s hat SATA direkt an die parallele EIDE-Schnittstelle (P-ATA) mit 133 MByte/s angeknüpft.
Die SATA-Schnittstelle unterstützt 1,5 GBit/s bei einer Nettodatenrate von ca. 150 MByte/s. Festplatten mit 10.000 Umdrehungen in der Minute (U/m) liefern rund 75 MByte/s an Daten. Mit SATA 6G erreichen herkömmliche Festplatten fast 500 MByte/s (Schreibgeschwindigkeit).

Bei den Festplatten hat sich die SATA-Schnittstelle sehr schnell durchgesetzt. Bei den optischen Laufwerken, wie CD-ROM und DVD blieb SATA lange Zeit uninteressant. Ein Umschwenken im Markt fand erst statt, als Intel bei seinen Chipsätzen auf die IDE/ATA-Schnittstelle verzichtete. Die Computer-Hersteller mussten sich entscheiden, ob sie einen zusätzlichen IDE-Controller oder SATA-Laufwerke einbauten. Da man damals noch nicht ohne ein optisches Laufwerk auskam, setzte sich die SATA-Schnittstelle auch bei optischen Laufwerken durch.

SATA-Nachfolger

Zwar wurde SATA mit SATA-II und SATA 6G noch zwei mal auf maximal 600 MByte/s beschleunigt. Für Datenspeicher mit Flash-Memory (SSD, Solid State Drive) ist das aber nicht schnell genug. Allerdings gibt es SSDs, die Daten mit weit über 1.000 MByte/s lesen und schreiben können. Dafür bedarf es auch einer Schnittstelle, die diese Datenmenge bewältigen kann. SATA kann das nicht leisten. Deshalb wird SATA durch SATA Express (SATAe) oder PCI Express (PCIe) als Massenspeicher-Schnittstelle abgelöst.

Übersicht: SATA

Schnittstelle Bezeichnung Transferrate Reichweite Geräteanzahl Einführung
Serial-ATA SATA 1,5 GBit/s 150 MByte/s 1 m 4 2003
Serial-ATA-2 SATA-II 3 GBit/s 300 MByte/s 1 m 16 2005
Serial-ATA-3 SATA 6G / SATA-600 6 GBit/s 600 MByte/s 1 m 16 2007
Serial Attached SCSI (SAS) SAS 3 GBit/s 300 MByte/s 1 m 16.384 2004
Serial Attached SCSI 2 (SAS 2) SAS 6G 6 GBit/s 600 MByte/s 1 m 16.384 2007
Serial Attached SCSI 3 (SAS 3) SAS 12G 12 GBit/s 1.200 MByte/s 1 m 16.384 2010

Serial-ATA-Architektur

SATA Architektur
Serial ATA verwendet bis zu vier geschaltete Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Das heißt, jedes Laufwerk bekommt seinen eigenen Kanal, das es nicht mit einem anderen Gerät teilen muss. Somit beschränkt sich der Installationsaufwand auf den Einbau der Laufwerke und das Anschließen der Kabel. Alte EIDE-/ATA-Geräte lassen sich über Adapter an den SATA-Controller anschließen.

Technik

Serial ATA verhält sich vollständig kompatibel zum Parallel-ATA (PATA). Alle Kommandos, Register, PIO- und DMA-Transfers, Interrupts und auch das Master-Slave-Verhalten werden emuliert. Ausschließlich die Link Layer Schicht verpackt und entpackt den seriellen Datenstrom.
Um die Kompatibilität zu gewährleisten werden die parallel vorliegenden Daten mit Wandlern in serielle Datenströme konvertiert. Die hohe Integrationsdichte und die extrem schnelle interne Verarbeitungsgeschwindigkeit in integrierten Schaltungen erlauben die Wandlung nahezu in Echtzeit.
Die elektrische Wandlung und Protokollanpassung findet nur auf der untersten Hardware-Ebene statt. Die Wandlung von parallel auf seriell wird mit einer NRZ-Kodierung (8b/10b) vorgenommen. Dazu wird auf der Übertragungsstrecke 1 Byte in eine 10er-Einheit verpackt. Die zwei zusätzlichen Bits sorgen für die ausreichend häufigen Flankenwechsel, die die einseitige Aufladung des Kabels verhindert.

Signalübertragung

Die Signalpegel bei SATA betragen nur +-250 mV. Diese Spannung ist an die übliche Halbleitergeneration angepasst. So ist keine aufwendige Pegelwandlung zwischen Übertragungsstrecke und Controllerlogik notwendig.
Wie jedes andere moderne serielle Übertragungsverfahren arbeitet SATA mit differenziellen Signalen auf getrennten Sende- und Empfangsleitungen (TX-/TX+/RX-/RX+). Bei differenziellen Signalen ändern beide Leitungen bei einem Signalwechsel gleichzeitig aber gegenphasig ihre Pegel. Die Störanfälligkeit wird dadurch wesentlich vermindert. Störungen wirken in der Regel auf beide Leitungen, so dass diese Störungen bei der Differenzbildung nahezu vollständig entfernt werden können. Üblicherweise werden die Signalleitungen verdrillt. Die Verdrillung führt aber bei hohen Datenraten zu größeren Laufzeitunterschieden. Deshalb laufen bei SATA die Signalleitungen parallel zu den Masseleitungen in einer Schutzhülle. Daher hat der SATA-Stecker auch drei Masseanschlüsse.
Trotz getrennter Empfangs- und Sendeleitungen erlaubt SATA nur den Halbduplex-Betrieb.

Stecker und Anschlüsse

Vergleich der Stecker von ATA und Serial ATA
PATA-Stecker (links) und SATA-Stecker (rechts) im Vergleich

Vergleich der Steckplätze auf dem Motherboard von ATA und Serial ATA
PATA-Anschluss (oben) und zwei SATA-Anschlüsse (unten)

Adapter für ATA-Laufwerke zum Anschluß an einem SATA-Host
SATA-Stecker

Adapter für ATA-Laufwerke zum Anschluß an einem SATA-Host
SATA-Strom- und Daten-Anschluss-Stecker

Für den Anschluss von SATA-Geräten wird ein dünnes Kabel mit einem kleinen Stecker verwendet. Von ATA war bisher das breite Flachbandkabel bekannt.
Rück- bzw. Unterseite einer SATA-Festplatte
Der Stromanschluss ist 15-polig, mit je drei Anschlüssen für 3,3V, 5V und 12V, sowie 6 Masseleitungen. Die Stromkabel können die Spannungen zusammenfassen und sich darauf beschränken, welche Spannungen die Geräte benötigen. Um Verlustleistung und damit die Wärmeentwicklung zu reduzieren wird die Laufwerkselektronik mit 3,3V betrieben.
Der eigentliche Grund für die vielen Kontakte ist die Hotplug-Fähigkeit. Jede der drei Spannungen hat einen "Pre-Charge-Anschluss", der eine längere Kontaktzunge hat, die beim Anschließen zuerst den Kontakt herstellen. Selbiges gilt für die Daten-Kontakte (7-polig), die räumlich von der Spannungsversorgung getrennt sind.

mSATA / mini-SATA

mSATA ist ein Standard des Normungsgremiums JEDEC, dass für Mini-SSDs statt SATA ein PCIe-Interface vorsieht. Mini-SSDs werden vorwiegend in Notebooks an Mini-PCIe-Steckplätzen angeschlossen und Dank mSATA als herkömmliche SATA-Festplatten erkannt. Das Betriebssystem kann dabei auf Standard-Treiber zurückgreifen.

SATAe - SATA Express

SATA Express ist der offizielle Nachfolger von SATA 6G und nutzt einen zu SATA 6G abwärtskompatiblen Steckverbinder. Dieser Steckverbinder bündelt zwei SATA-Ports die wahlweise für die SATA-6G- oder PCIe-Übertragung genutzt werden können. Denn SATA Express beherrscht sowohl SATA-6G, als auch PCIe. Die SATAe-SSD hat dabei die Form einer herkömmlichen Festplatte.
Mit PCIe 2.0 bringt SATA Express aber nur 1 GByte/s und mit PCIe 3.0 wären es auch "nur" 2 GByte/s. Das ist für viele Anwendungen viel zu wenig. SATA Express scheint schon vor seiner breiten Nutzung veraltet.

Übersicht: Schnittstellen für Festplatten und Wechselspeicher-Laufwerke

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