SATA

SATA

Was ist SATA?

• Die Abkürzung SATA steht für "Serial Advanced Technology Attachment" und ist eine Übertragungs-Technik für Festplatten und Wechselspeicher-Laufwerke.
• Parallele Signalleitungen wurden auf seriellen Betrieb umgestellt, um die Datenübertragungsrate zu erhöhen.

  

• eine Computer-Schnittstelle für den Datenaustausch mit Festplatten und anderen Speichergeräten.
• Die erste Version von SATA wurde 2001 vorgestellt.
• SATA-Kabel (Bild oben)

• zwei nebeneinander liegende Anschlüsse auf dem Mainboard(Bild unten)

• Serial-ATA-Festplatte mit Datenkabel (links) und Stromkabel (rechts)(Bild rechts)
• üblich sind auch die Schreibweisen SATA und S-ATA
• ATA/ATAPI/ATA steht hierbei für das Übertragungsprotokoll „IBM Personal Computer/AT/AT Attachment“
• im Unterschied dazu werden bei SATA die Daten jedoch seriell übertragen.

Geschichte

• Serial ATA wurde im Jahr 2000 von Intel aus dem älteren ATA/ATAPI/ATA-Standard entwickelt.
• Daten werden von einem parallelen Bus zu einer bit-seriellen Punkt-zu-Punkt-Verbindung übertragen, d.h., die Daten werden seriell übertragen (Bit für Bit) und nicht in 16-Bit-"Wörtern".
• SATA hat drei Hauptvorteile: höhere Datentransferrate, vereinfachte Kabelführung und der Austausch von Datenträgern im laufenden Betrieb (Hot-Plug).
• Der ältere ATA-Standard wird retronym (nachträgliche Neubenennung) als Parallel ATA (PATA) bezeichnet.
• Beide Anschlusstypen befanden sich zunächst parallel auf der Hauptplatine.
• ATA/ATAPI/PATA-Anschlüsse werden seit 2010 zunehmend weggelassen.
• Ein SATA-Anschluss auf der Hauptplatine ist also für nur ein Gerät vorgesehen.
• Serial ATA ist nicht auf Festplatten beschränkt.
• Mittels ATA/ATAPI/ATAPI-Protokoll können auch SATA-Bandlaufwerke, DVD-Laufwerke und Brenner oder Speicherkartenlesegeräte verwendet werden.
• External Serial ATA (eSATA) steht oder stand zudem in Konkurrenz zu USB, FireWire und Thunderbolt.

Datenübertragungsraten

• Steigt bei parallelen Datenbussen die Datenübertragungsrate, so verstärken sich zugleich Nebeneffekte, die einer weiteren Erhöhung der Übertragungsrate entgegenstehen.
• Zu den unerwünschten Nebeneffekten gehören die zunehmende Asynchronität der parallelen Datenleitungen und das Übersprechen, d.h. die unerwünschte gegenseitige Beeinflussung zwischen den Leitungen.
• Weiterhin schränken der beim ATA-Bus (Integrated Drive Electronics/IDE-Bus) nicht spezifizierte Bus-Abschluss und die massebezogenen Signale die verwendbare Kabellänge stark ein.
• Serial ATA nutzt zur Vermeidung dieser Probleme eine serielle Übertragung und auf physikalischer Ebene das Low Voltage Differential Signaling (LVDS)[[1]].

Datenübertragungsgeschwindigkeit

• Die erste Serial-ATA-Generation wurde mit einer Übertragungsrate von 1,2 Gbit/s spezifiziert und ist damit nur unwesentlich schneller als die schnellste parallele ATA-Schnittstelle (ATA/133).
• Die Revision 2.0 verdoppelte den Datendurchsatz auf 2,4 Gbit/s.
• Der aktuelle Standard Serial-ATA Revision 3.0 hat 4,8 Gbit/s Datendurchsatz
• Die Hauptversionsnummer hat die Version 3.3 erreicht
• SATA überträgt zur Taktrückgewinnung und zum Gleichspannungsausgleich die Daten kodiert.
• Die Daten werden mit 10 Leitungsbits übertragen.
• Eine SATA-1-Verbindung mit einem Leitungstakt von 1,5 GHz überträgt so 15 MByte/s (1,2 GBit/s).
• Selbst die schnellsten Festplatten werden durch aktuelle SATA-Schnittstellen nicht ausgebremst (600 MByte/s).
• Die SATA-Schnittstelle stellt also für Festplatten keinen "Flaschenhals" dar.
• Ganz im Gegensatz zu Solid-State-Drives (SSDs), die bei Anbindung per PCI Express mittlerweile mit 2000 bis 5000 MByte/s drei- bis achtmal schneller als die schnellste SATA-Schnittstelle sind.

Technik

Datenbus ATA

• Während beim ATA-Standard 16 parallele Datenleitungen zum Einsatz kamen, wird bei SATA nur ein Leitungspaar (differenzielle Übertragung) für jede Richtung verwendet.
• Um bei ATA eine Übertragungsrate von 100 MB/s zu erreichen, war aufgrund der 16 Signalleitungen, der 16-Bit-Rahmen und der Double Data Rate nur ein Takt von 25 MHz nötig.
• Das vereinfachte den Entwurf der elektronischen Bauteile, da die maximale Schaltzeit bei 20 ns (50 MHz) lag.
• Problem: die synchrone Abtastung der 16 parallelen Bits.
• Je höher die Taktrate, desto schwieriger ist es auszumachen, wann alle Bits zugleich stabil anliegen.
• Ungenauigkeiten beim Kontaktieren der parallelen Stecker verstärken diesen Effekt.

Datenbus SATA

• Bei SATA wird pro Richtung nur ein Leitungspaar für den Datentransport und für Bestätigungspakete vom Empfänger verwendet.
• Es kommt eine 8b/10b-Kodierung zum Einsatz, und es wird pro Takt jeweils nur ein Bit übertragen.
• Dadurch wird bei einer Datenrate von 150 MB/s ein Takt von 1500 MHz benötigt.
• Die Zeit für den Datenempfang und die Quittierung beträgt damit 0,667 ns.
• Die Schaltzeit liegt damit bei 0,273 ns.

Anschlussleitungen

Kabelunterschiede

• Die Daten werden mittels eines flexiblen Kabels durch sieben Leiter mit flachen, 8 mm breiten Steckern auf jeder Seite übertragen.
• Das Kabel kann bis zu 1 m lang sein, eSATA-Kabel bis zu 2 m und xSATA bis zu 8 m.
• Im Vergleich zum 50,8 mm breiten, maximal 45 cm langen 40- oder 80-adrigen Übertragungskabel des parallelen ATA vereinfacht sich das Verkabeln von Komplettsystemen.
• Verbesserung der Luftzirkulation innerhalb des Gehäuses.
• Die Stecker sind kodiert, dadurch können die Kabel nicht verkehrt aufgesteckt werden
• Ein Kritikpunkt am SATA-Stecker war die fehlende Verriegelung; Korrektur in der zweiten Revision.
• Unabhängig von der Revision können jedoch die gleichen Kabel verwendet werden.

• 
  80- und 40-adriges (P)ATA-Kabel (grau) im Vergleich zu einem Serial-ATA-Kabel (blau)
• 
  SATA-Stecker, links SATA mit Verriegelungsclip
• 
  Serial-ATA-Kabel

Spannungsversorgung

• Der Standard sieht für SATA-Festplatten auch für die Spannungsversorgung spezielle Stecker vor. Sie sind ebenfalls flach, aber breiter als das SATA-Datenkabel.
• Anders als bei IDE-Festplatten werden für 2,5″-Notebook- und 3,5″-Festplatten die gleichen Stecker verwendet.
• Auf 15 Pins verteilt werden 3,3 V, 5 V und 12 V auf je drei nebeneinander liegenden Pins angelegt und über fünf Masse-Pins zurückgeführt.
• Zugunsten der Kompatibilität mit älteren Netzteilen, die keine 3,3-V-Stränge für den Anschluss von Festplatten haben, nutzten 3,5″-SATA-Festplatten zunächst nur 5 V und 12 V.

Schlafmodus

• 2,5″-Platten verzichten üblicherweise auf die Nutzung von 12 V, fast immer auch auf 3,3 V.
• Nachdem sich die Versorgung mit 3,3 V nicht durchsetzen konnte, wurde sie in der SATA-Spezifikation 3.2 entfernt und einer der nun frei werdenden Pins mit DevSleep (besonders sparsamer "Schlafmodus" ) belegt.
• Ein dort anliegender High-Pegel weist die Platte an, in einen sehr tiefen Schlafzustand zu gehen, der nur einige Milliwatt verbraucht.

Einschaltverhalten

• Beim Hotplugging ist es erforderlich, Spannungseinbrüche des Netzteils durch eine plötzliche hohe Stromaufnahme des neu angeschlossenen Gerätes zu verhindern.
• Die Buchse ist so konstruiert, dass zuerst Pin 4 und 12 den Massekontakt herstellen.
• Anschließend findet zum strombegrenzten Pre-Charge der Elektronik zusammen mit den restlichen Masseleitungen je ein Pin pro Versorgungsspannung (3, 7, 13) als voreilender Kontakt.
• Erst dann schließen die restlichen Pins, und die Platte geht in Betrieb.

Staggered Spin-up

• Pin 11 des SATA-Stromsteckers kommt eine Doppelrolle zu: Über ihn kann von der Platte ein „Staggered Spin-up“ (gestaffeltes Hochfahren) gefordert werden (Eingang), und die Platte kann darüber eine LED zur Anzeige von Plattenaktivität ansteuern (Ausgang).
• Er ist nicht dafür ausgelegt, eine LED direkt zu betreiben.
• Beim Anschluss an gewöhnliche Netzteile liegt Pin 11 im Stecker an Masse, dann läuft die angeschlossene Platte beim Einschalten des Netzteils an, und eine LED kann nicht angesteuert werden.
• In Disk-Arrays, welche Backplanes für die SATA-Schnittstellen verwenden, wird Pin 11 nicht oder nur hochohmig beschaltet.
• Dann läuft eine Platte mit „Staggered-Spin-up“-Feature erst dann an, wenn der Host-Controller es anfordert.
• Anschließend kann die Platte über denselben Pin und einen Verstärker in der Backplane eine LED ansteuern.
• Der Anlaufstrom von Festplatten ist erheblich höher als der Betriebsstrom.
• Indem der zentrale Steuerrechner in dem Disk-Array die einzelnen Platten nacheinander anlaufen lässt, kann der Einschaltstrom begrenzt werden. Das erlaubt eine effizientere Dimensionierung des Netzteils.

Slimline SATA

• Slimline SATA wurde mit SATA 2.6 für kleinere Geräte mit geringerem Leistungsbedarf eingeführt, z. B. optische Laufwerke in Notebooks.
• Die Stromversorgung ist nur sechspolig ausgeführt und liefert ausschließlich 5 Volt.

• 
  Slimline-SATA-Stromversorgung
• 
  Slimline SATA Power unterstützt nur 5 V
• 
  Slimline SATA an einem optischen Laufwerk

Jumper

• Master/Slave-Beziehungen zw. den Geräten, wie beim P-ATA-Standard, wurden abgeschafft.
• Serial ATA hat nur ein Gerät pro Kabel, daher sind auch keine Jumper-Einstellungen nötig.

Versionen des Serial-ATA-Standards

Bezeichnungen			Netto-Datenrate
offiziell		inoffiziell	Gbit/s	MB/s
Serial ATA	1,5 Gbit/s	II SATA-150	1,20	150
	3,0 Gbit/s, SATA Revision 2.x	I SATA-300	2,40	300
	6,0 Gbit/s, SATA Revision 3.x	SATA III, SATA-600	4,80	600
SATA Express	8 Gbit/s (PCIe 3.x), SATA Revision 3.2		7,88	985
	16 Gbit/s (PCIe 4.0), SATA Revision 3.2		15,76	1969

SATA I Serial ATA 1,5 Gbit/s

• Die Spezifikation „SATA I“ ist keine gültige Bezeichnung für die Schnittstelle.
• Serial ATA wurde 2002 von den Firmen APT Technologies, Dell, IBM, Intel, Seagate und Maxtor Corporation entwickelt (Serial ATA International Organization).
• Der Datendurchsatz von SATA 1,5 Gbit/s liegt bei theoretischen 1,2 Gbit/s pro Richtung.
• Durch SATA soll die Verbindung zwischen Laufwerken und das Austauschen von Komponenten im laufenden Betrieb vereinfacht werden.

SATA II SATA-300 Serial ATA 3,0 Gbit/s

• Diese Spezifikation wird „SATA II“ genannt, zum Teil auch „SATA-300“. Das sind keine gültigen Bezeichnungen für die Schnittstelle.
• Stattdessen empfiehlt die Serial ATA International Organization „SATA Revision 2.x“ oder „SATA 3 Gbit/s“.[[2]]
• SATA 3,0 Gbit/s wurde Anfang 2005 eingeführt.
• Der Datendurchsatz von SATA 3,0 Gbit/s liegt bei theoretischen 2,4 Gbit/s, also doppelt so hoch wie bei der ersten SATA-Generation.

Optionale Fähigkeiten

• NCQ: Native Command Queuing: Mit diesem Standard wird die Verwaltung der Schreib- und Lesevorgänge optimiert und beschleunigt. NCQ muss von Festplatte, Controller (Hardware) und Treiber unterstützt werden.
• eSATA: External SATA, für externe Laufwerke, maximale Kabellänge zwei Meter, Datenrate von 2,4 Gbit/s
• HotSwap: Austausch des Laufwerks im laufenden Betrieb, ohne dass das System heruntergefahren werden muss
• Staggered Spinup: Zeitverzögertes Einschalten mehrerer Laufwerke, um zum Beispiel das Netzteil nicht zu überlasten
• Port Multiplier: Der Port-Multiplier wird mit einem SATA-Port des Rechners verbunden und bietet bis zu 15 Anschlüsse für SATA-Laufwerke.

Die Laufwerke teilen sich die verfügbare Übertragungsbandbreite. Wollen z.B. drei Laufwerke gleichzeitig mit 800 Mbit/s je Laufwerk übertragen, können diese eine 3-Gbit/s-Strecke auslasten.

• Port Selector: Mit einem Port-Selector kann zwischen zwei redundanten Übertragungsstrecken umgeschaltet werden. So kann man das Problem Single-Point-of-Failure (Single Point of Failure/SPoF) umgehen.
• Zwei Rechner können auf dasselbe Laufwerk zugreifen. Die beiden Rechner müssen allerdings selbst festlegen, wer jeweils aktiv ist (immer nur einer). Diese Auswahl bzw. Umschaltung kann durch nicht-spezifizierte Mechanismen erfolgen.
• xSATA: Mit xSATA können die Laufwerke weiter entfernt (maximal acht Meter, wie bei Serial Attached SCSI) vom Rechner platziert sein als mit eSATA. Dazu benötigt man allerdings andere Kabel und Steckverbinder.
• Diese Fähigkeiten sind nicht auf SATA-3,0-Gbit/s-Festplatten beschränkt, sie können auch von SATA-Festplatten der ersten Generation angeboten werden.

eSATA External Serial ATA (eSATA)

SATA- (links) und eSATA-Stecker im Vergleich

Slotblech zum Anschluss externer SATA-Laufwerke (eSATA)

• SATA wurde für den Anschluss von Geräten innerhalb eines Rechners geschaffen.
• Deswegen verfügen die Kabel und Stecker nicht über die nötige Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen.
• Die Stecker haben keine ausreichende mechanische Belastbarkeit für den Betrieb außerhalb eines (abgeschirmten) Gehäuses.

externe Festplatte mit SATA

• Mit einer SATA-Steckkarte wird ein SATA-Anschluss ins Innere des Gehäuses geführt und der andere durch das Slotblech, so dass direkt ein SATA-Kabel angeschlossen werden kann.
• Kabelseitige Klammern an den Steckern dienen der Fixierung am Slotblech und verhinderten ein unabsichtliches Herausziehen des Kabels.
• Diese Anschlussform eignete sich nur zum Anschluss von nackten Laufwerken, die nicht in externen Gehäusen lagen.

eSATA

• Mit SATA Revision 2 wurden jedoch auch Kabel und Stecker für den externen Betrieb standardisiert: „External Serial ATA“, kurz „eSATA“.
• Die dafür vorgesehenen Stecker sind nicht mit denen für den Betrieb innerhalb des Gehäuses kompatibel.
• eSATA definiert abgeschirmte Kabel mit bis zu zwei Metern Länge und neue Stecker/Buchsen mit folgenden Eigenschaften:
• Neue inkompatible Stecker/Buchsengeometrie ohne die L-Form der SATA-Stecker/Buchsen, was verhindert, dass versehentlich Kabel für den internen Betrieb extern verwendet werden.
• Stecker und Buchse sind wie die Kabel geschirmt, um elektromagnetische Störungen zu verhindern.
• Die Kontakte liegen tiefer in den Steckern/Buchsen, damit die Abschirmung sicheren Kontakt hat und statische Aufladung abfließen kann, bevor sich die Signalkontakte berühren.
• Die Buchsen haben kleine Federn, um die mechanische Stabilität zu verbessern und versehentliches Herausziehen zu verhindern.
• Stecker und Buchsen sollen mindestens 5000 Steckzyklen überstehen (SATA: min. 50).
• Durch Verschärfung der elektrischen Anforderungen (leichte Erhöhung des Spannungslevels beim Sender, erhöhte Empfindlichkeit des Empfängerbausteins) soll die sichere Übertragung über zwei Meter erreicht werden.
• Eine Stromversorgung des externen Gerätes über das eSATA-Kabel ist nicht möglich.
• Es sind eSATA-Slotbleche erhältlich, deren Kabel auf die internen SATA-Buchsen der Hauptplatinen passen.
• Die Abschirmung ist über das PC-Gehäuse gegeben.
• Damit kann jede Hauptplatine auf eSATA adaptiert werden.
• Jedoch bleibt die maximal erlaubte Kabellänge bei solchen Adaptern auf einen Meter (inklusive der Kabel vom Mainboard zum Slotblech) beschränkt.
• Interne Anschlüsse erfüllen nicht die elektrischen Anforderungen für eSATA.
• Hot-plug ist damit je nach Controller nicht möglich. In diesem Fall müssen eSATA-Geräte vor dem Hochfahren des Rechners angeschlossen werden und können erst nach dem Herunterfahren wieder entfernt werden.
• Es sind eSATA-Sticks verfügbar, welche sich die hohen Datenraten von eSATA im Vergleich zu USB-Massenspeichern auch mobil zu Nutze machen.

eSATAp Power eSATA External Power over Serial AT(P)

• Kombinierter eSATAp und USB 2.0-Stecker (Bild rechts)
• Der eSATAp-Standard sollte bis Mitte 2008 standardisiert worden sein, was aber bis heute (Stand Ende Oktober 2010) noch nicht geschehen ist.r=Info zu eSATAp
• Mittlerweile sind eSATAp-Geräte (Memory Sticks) auf dem Markt, deren Stecker USB-kompatibel und gleichzeitig eSATA-kompatibel sind.
• Die eSATA-Nutzung benötigt aber zusätzlich eine Stromversorgung (z. B. Power over USB).
• Auch entsprechende Karten mit eSATAp-Steckplätzen werden angeboten.
• Mit Power eSATA versucht der Hardwarehersteller Micro-Star International(MSI) das Problem der fehlenden Stromversorgung zu lösen.
• Bei diesem modifizierten eSATA-Anschluss wurde ein Teil der USB-Technik zur Stromversorgung in den eSATA-Anschluss eingebaut>.
• Dazu gibt es auch die Erweiterung eSATApD von Delock, die neben 5 V auch 12 V verwendet und damit auch den Betrieb von 3,5″-Festplatten ohne zusätzliche Spannungsversorgung erlaubt.
• An eine eSATAp-Buchse können meist auch USB-Geräte angeschlossen werden, worauf ein entsprechendes Logo hinweist.

SATA 6Gb/s SATA 6G SATA III SATA-600 Serial ATA 6,0 Gbit/s

• Im August 2008 veröffentlichte die SATA-IO erste Details zur dritten Version des SATA-Protokolls, das abermals eine Verdopplung der Transferrate im Vergleich zu seinem Vorgänger vorsieht.
• Am 27. Mai 2009 wurde die Fertigstellung des Standards bekanntgegeben. Die Schnittstelle ist weiterhin abwärtskompatibel, was unter anderem durch die Beibehaltung des bisher verwendeten Steckertyps sichergestellt wird.
• Zusätzlich wurden neue Steckverbindungen für 1,8″-Festplatten (in Low Insertion Force|LIF-Bauart) und für neue, nur 7 mm hohe optische Laufwerke definiert.
• Weitere Neuerungen des Standards sind unter anderem Native Command Queuing|Native-Command-Queuing-Erweiterungen für isochrones Streaming und die Verwaltung ausstehender Befehle, sowie verbesserte Stromsparfunktionen.

• Die nun auf 6,0 Gbit/s erhöhte Geschwindigkeit kommt primär den Solid-State-Drives zugute, da diese bereits 2010 die Geschwindigkeit der SATA Revision 2.0 voll ausnutzen konnten.
• Von den konventionellen Festplatten können dagegen nur die schnellsten an die Grenzen des ersten Standards stoßen.
• Auch die erste Festplatte nach Revision 3.0, die Seagate Barracuda XT 7200.12, liegt mit 138 MB/s unterhalb dieser Grenze.
• Allerdings profitiert bei beiden Laufwerkstypen zumindest der Festplattencache von der schnelleren Anbindung.

• Der vollständige Name der neuen Norm lautet „Serial ATA International Organization: Serial ATA Revision 3.0“.
• Als alternative Benennungen sieht die SATA-IO außerdem „SATA Revision 3.x“ und „SATA 6Gbit/s“ vor. „SATA III“ und „SATA-600“ sind hingegen keine normierten Bezeichnungen.

SATA Express 8 Gbit/s und 16 Gbit/s

• SATA 3.2 führt die neue Schnittstelle „SATA Express“ ein mit Übertragungsraten von 8 Gbit/s je PCIe-Lane.
• SATA Express verwendet die Technologie von PCI Express 3.0.
• Dieser Standard nützt vor allem bei Verwendung von Solid State Drives, die bereits die Bandbreite von SATA 6.0 Gbit/s ausschöpfen.
• SATA Revision 3.2 mit „SATA Express“ wurde im August 2013 veröffentlicht. SATA Express konnte sich am Markt nie durchsetzen und bis heute sind auch keine SATA-Express-Laufwerke im freien Handel erschienen.

Anschlussvarianten

m

SATA-SSD mit externem Festplattengehäuse (Bild oben)

Adapter

mSATA an Standard-SATA-Anschluss (Bild Mitte)

mSATA-SSD-Modul (Bild unten)

mini-SATA (mSATA)

• mSATA wurde im September 2009 von Samsung Electronics und der JEDEC Solid State Technology Association spezifiziert, um kleinere Speicher zu ermöglichen.
• Physisch handelt es sich um den gleichen Anschluss wie bei Mini PCI Express, allerdings werden die Leitungen elektrisch wie SATA-Kabel angesteuert.
• Dabei verwendet mSATA entweder die erste (1,5 Gbit/s), zweite (3,0 Gbit/s) oder dritte (6,0 Gbit/s) Revision der SATA-Spezifikation zur Übertragung der Signale.
• Zu den ersten Produkten mit mSATA-Speicher gehören einige Notebooks von Dell und Lenovo und das MacBook Air der Serie 2010 von Apple, wobei das MacBook Air ein vom Standard abweichendes Format der SSD verbaut hat.
• Bedingt durch die relativ späte Standardisierung sind auch viele Produkte auf dem Markt, die eigene, zu mSATA inkompatible Schnittstellen und Formfaktoren verwenden.

micro SATA

• Der Anschluss war in Konkurrenz zum mSATA und sollte mit diesem nicht verwechselt werden. Der Anschluss wurde mit SATA 2.6 im Februar 2007 eingeführt.
• Er war insbesondere für 1,8″-Festplatten/SSDs gedacht, ist aber seit etlichen Jahren komplett durch die M.2-Schnittstelle verdrängt worden.

Slimline Connector

Der Slimline Connector ist ein erstmals in SATA 2.6 definierter Steckverbinder für „small-form-factor“-Geräte, wie beispielsweise SlimLine-CD/DVD-Laufwerke für Notebooks. Der Slimline Connector besteht aus einem Signalsegment und einem Stromversorgungssegment.

Links

extern

1. https://de.wikipedia.org/wiki/Low_Voltage_Differential_Signaling
2. http://translate.google.com/translate?hl=de&sl=auto&tl=de&u=https%3A%2F%2Fsata-io.org%2Fdevelopers%2Fsata-naming-guidelines