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
SATA Express	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

Neuerungen

Im August 2008 (fertig Mai 2009) veröffentlichte die SATA-IO erste Details zur dritten Version des SATA-Protokolls, das abermals eine Verdopplung der Transferrate im Vergleich zu seinem Vorgänger vorsieht.
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-Bauart) und für neue, nur 7mm hohe optische Laufwerke definiert.
Weitere Neuerungen des Standards sind unter anderem für isochrones Streaming und die Verwaltung ausstehender Befehle, sowie verbesserte Stromsparfunktionen

==== Festplatten ====.

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 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 Revision 3.2 mit „SATA Express“ wurde im August 2013 veröffentlicht.
SATA 3.2 führt die neue Schnittstelle „SATA Express“ mit Übertragungsraten von 8Gbit/s je PCIe-Lane ein.
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 Express konnte sich am Markt nie durchsetzen.

Anschlussvarianten

SATA-SSD mit externem Festplattengehäuse (Bild oben)

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, wobei z.B. ein vom Standard abweichendes Format der SSD verbaut ist.
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.