اسرار SATA

بر سر PATA چه آمده است؟
 

تا حدود سال 2005، اينترفيس استاندارد ديسک سخت، باس parallel ATA يا PATA بود که با عنوان IDE نيز شناخته مي شد که هنوز هم در درايوهاي DVD و Blu-ray که داراي سرعت نسبتاً کم تري هستند، مورد استفاده قرار مي گيرد. اما عليرغم تکامل و توسعه اين استاندارد و رسيدن سرعت آن به 133MB/sec در نسخه ي نهايي، اين استاندارد نهايتاً بايد با استاندارد جديدي جايگزين شود. اين بدان خاطر است که يک اينترفيس موازي PATA، تحت تأثير دو محدوديت به نام هاي clock skew و crosstalk مي باشد.
اين اثرات از اين واقعيت نشأت مي گيرند که اگرچه داده ها از نظر تئوريک در يک دامنه ي ديجيتال دقيق قرار دارند، اينترفيس هاي داده اي، عملاً مجبور هستند از بيت هاي سيم و ترانزيستورهايي که طبيعت آن ها آنالوگ است استفاده کنند. به دليل تفاوت در مواد به کار رفته و به واسطه ي عدم يکپارچه گي در روش هاي ساخت و توليد، سيگنال هاي همزمان سازي ساعت و داده ها در زمان هاي مختلفي مي رسند و اين امر باعث مي شود تا داده ها خراب شوند. اين، clock skew است.
شما مي توانيد اين تأثير را از سه منظر در نظر بگيريد: کاهش فرکانس، کاهش طول کابل يا افزايش دقت فرآيند ساخت و توليد. اولين مورد يک گام رو به عقب است؛ دومي در يک نقطه خاص غيرعملي مي شود. اثر سوم گران تمام مي شود اما عملي است و دليلي است براي پيشرفت و توسعه ي PATA و تکامل آن به شکل فعلي و نهايي.
ما بايد در مورد crosstalk نيز صحبت کنيم. اين اثر زماني ايجاد مي شود که سيم هاي منفرد در يک لينک موازي شروع به عمل کردن مثل پخش کننده هاي راديويي مي کنند؛ اثري که inductance (توانايي ذخيره سازي انرژي به صورت يک ميدان مغناطيسي. هر قطعه سيم داراي اندکتانس است و پيچيدن سيم، به ويژه به دور يک هسته ي آهني سبب افزايش اندکتانس مي شود. واحد اندکتانس هانري نام دارد و به معناي اين است که سيم هاي نزديک به هم سيگنال هاي ساير سيم ها را بدون اين که به طور فيزيکي به هم متصل باشند، مي گيرند. هرچه فرکانس بيش تر و طول کابل زيادتر باشد، اين اثر بدتر مي شود. اين بدان خاطر است که PATA در آخرين نسخه ي خود کابل هايي را معرفي کرد که به جاي 40 سيم 80 سيم داشتند. سيم هاي اضافي، داده ها را حمل نمي کردند؛ آن ها به سادگي به زمين متصل مي شدند و بين سيم هاي سيگنال قرار مي گرفتند تا آن ها را در مقابل اثرات بين کابلي crosstalk، محافظت کنند. اگرچه در نهايت، crosstalk به مشکلي تبديل شد که فائق آمدن بر آن بسيار دشوار بود و به همين دليل است که شما بايد از يک روش ارتباطي سريال استفاده کنيد.

ارتباطات موازي در برابر سريال
 

ارتباطات سريال نيز مشکلات مربوط به خود را دارند. يک تفاوت کليدي بين اينترفيس هاي سريال و موازي اين است که باس هاي موازي، همزمان هستند در حاليکه ارتباطات سريال اين طور نيستند. در سيستمي که از يک باس موازي استفاده مي کند يک يا بيش از يک سيم هميشه به ساعت اختصاص دارد که به آن strobe line نيز گفته مي شود و وظيفه ي آن حفظ يک ريتم ثابت است تا يک وسيله ي گيرنده بتواند بفهمد بسته هاي داده در چه زماني در حال انتقال هستند. اين امر باعث تسهيل انتقال مي شود زيرا همه چيز به طور منظم پيش مي رود. در مقابل، يک خط سريال فقط خود داده ها را در يک سيم واحد حمل مي کند؛ هيچ ساعتي براي حفظ نظم و ترتيب کارها وجود ندارد. بنابراين گيرنده و فرستنده نياز به دانستن اين نکته دارند که داده ها با چه سرعتي منتقل مي شوند و هريک بايد به طور مستقل و به اندازه ي کافي در زمان بندي دقيق باشند تا چيزي را از دست ندهند. اين يک مشکل بالقوه بزرگ محسوب مي شود.
ذکر يک مثال، موضوع را روشن تر مي کند. يک اينترفيس سريال بسيار ابتدايي را که با سرعت 1 MHZ اجرا مي شود و از سطح سيگنال دهي 3 ولت استفاده مي کند در نظر بگيريد. سرعت MHZ 1 بدين معنا است که اين اينترفيس مي تواند 1000000 بيت داده را در 1 ثانيه منتقل کند. در اين مثال نمونه اي، ما هيچ نوع پروتکل ارتباطي وجود ندارد و فقط بيت هاي داده هاي خام منتقل مي شوند.
فرض کنيم مي خواهيم عدد 170 را منتقل کنيم. اين عدد بايد به اعداد باينري تبديل شود تا بتوان آن را منتقل کرد و عدد باينري 170 معادل 10101010 مي شود. اين مثال به اندازه ي کافي ساده است: در حاليکه هر بيت در حال انتقال است، ولتاژ سيم از 0 ولت به 3 ولت تغيير مي کند تا تغيير از يک (0) به يک (1) را نشان دهد. گيرنده تمام اين تغييرات ولتاژ را مي بيند و از آن جائيکه هر بايت، با بايت ديگر کاملاً متفاوت است نمي تواند در دريافت آن تعلل کند.
حال تصور کنيد مي خواهيم عدد 128 را منتقل کنيم. شکل باينري اين عدد 10000000 است. اين جا است که مشکل بالقوه ما رخ مي نمايد. براي انتقال اولين بيت، سيم سيگنال به 3 ولت مي رسد، براي دومين بيت به 0 نزول مي کند و براي شش بيت بعدي هيچ اتفاقي رخ نمي دهد و ماندن در 0 ولت، نشان گر 7 صفر بعدي در عدد 128 است. در اين جا هيچ ساعت بيروني وجود ندارد؛ اتکاء فرستنده به گيرنده که خودش را شمارش مي کند، است و بدين ترتيب از محدوديت بيت ها براساس زمان آگاه است. اين، ارتباطات غيرهمزمان است. اگر ساعت هاي داخلي فرستنده و گيرنده حتي اندکي نادرست کار کنند، گيرنده رد بيت ها را از دست مي دهد که نتيجه ي آن خرابي داده ها خواهد بود. حتي در يک لينک 1MHZ، هر بيت در يک ميکروثانيه منتقل مي شود. اين موضوع را به يک SATA/600 که هر بيت در 6 نانوثانيه منتقل مي شود اعمال کنيد تا متوجه شويد زمان بندي بايد به شکل فوق العاده اي دقيق باشد.

انتقال مبتني بر فريم
 

حتي در علم الکترونيک مدرن نيز شما نمي توانيد زمان را با اين دقت حفظ کنيد. بنابراين مشکل فقدان يک سيگنال ساعت در يک سيستم انتقال سريال با استفاده از ارتباطات مبتني بر فريم حل مي شود. اين نوع ارتباطات در ساده ترين شکل خود شما را مطمئن مي کند که در يک رديف، تعداد صفر و يک هاي مشخصي را منتقل مي کنيد بنابراين فرستنده و گيرنده شما شانس از دست دادن همزماني با هم را پيدا نخواهند کرد. ساده ترين راه، علامت گذاري ابتداي يک بايت با يک صفر- يک روشن- خاموش است. شبکه سازي اترنت و TCP/IP نيز به همين روش ارتباطات مبتني بر فريم کار مي کنند.

مزاياي ارتباطات سريال
 

با استفاده از سيليکون مدرن، ساخت يک لينک سريال که با استفاده از آن مي توانيد به فرکانس هاي گيگاهرتزي دست پيدا کنيد، سطحي که در آن باس هاي موازي مي توانند در معرض اثر crosstalk قرار بگيرند، نسبتاً ساده مي شود. شما همچنين مي توانيد از سيگنالينگ تفاضلي کم ولتاژ (LVDS:low voltage differential signaling) استفاده کنيد تا اطمينان پذيري را بالا ببريد.
و اين دقيقاً روش کارکرد SATA است. اولين نسخه ي SATA با سرعت 1.5GHz و دومين نسخه ي آن با سرعت 3GHz اجرا مي شد و جديدترين نسخه ي آن داراي سرعت 6GHz براي نرخ داده 6 گيگابيت بر ثانيه است که به جاي 80 سيم PATA، فقط از 7 سيم استفاده مي کند: يک جفت LVDS براي انتقال داده ها، يک جفت براي دريافت آن و 3 سيم زمين. 3 سيم زمين براي استفاده از قابليت جابجايي داغ يا hot-swap ضروري هستند؛ اگر از نزديک به پين هاي هادي يک SATA نگاه کنيد، خواهيد ديد که دو تاي بيروني و يکي که در وسط قرار گرفته از 4 تاي ديگر بلندتر هستند: اين ها پين هاي زمين هستند که علت بلندتر بودن آن ها اين است که بايد قبل از پين هاي داده تماس برقرار کنند تا عملکرد با دقت و اطمينان بيش تري صورت پذيرد. محافظت و جداسازي براي حذف اثر crosstalk دليل اصلي پهناي حدود 1 سانتيمتري آن ها؛ عليرغم حمل تنها 7 سيم بسيار ريز است.

منبع: ماهنامه ي کامپيوتري بزرگراه رايانه، شماره ي 130