做數(shù)據(jù)恢復(fù)與取證技術(shù)，每天都要跟硬盤打交道。不論機械硬盤還是固態(tài)硬盤，幾乎都是SATA接口。如果說并行總線的IDE接口所使用的PATA協(xié)議還好理解的話，那么SATA這種高速串行協(xié)議理解起來就比較有難度了。好在這種高速協(xié)議也不是從石頭縫里突然冒出來的，如果對網(wǎng)絡(luò)的TCP/IP協(xié)議之類的有所了解，理解起來就不那么費勁了。

　　隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的提升，并行 ATA 傳輸技術(shù)的各種問題如信號扭曲和串擾、設(shè)備尋址能力有限等都已成為提高協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸效率的主要障礙，因此讓數(shù)據(jù)進行串行傳輸成為一種選擇。

　　在 2001年8月，Seagate公司宣布Serial ATA 1.0標準，Serial ATA 規(guī)范正式確立，協(xié)議規(guī)定數(shù)據(jù)傳輸率理論值為 150MB/s，大大高于并行 ATA 協(xié)議。隨著SATA II及SATAIII 協(xié)議標準陸續(xù)制定，其接口數(shù)據(jù)傳輸速率可提高到 300MB/s 甚至600MB/s。2013年，SerialATA 委員會正式批準了SATA 3.2 標準協(xié)議。該版本最重要的變化就是引入了使 SATA和PCI-E接口共存的“SATA Express”解決方案。借助 PCI-E 標準接口多通道技術(shù)的優(yōu)勢，SATA 3.2標準協(xié)議所提供的最高傳輸速率高達 2GB/s。同時還引入了M.2 產(chǎn)品規(guī)格、micro SSD 標準、改進的電源管理(Dev Sleep)和 RAID 陣列重建助手(Rebuild Assist)等新技術(shù)。

　　SATA 標準接口以光纖通道(Fiber Channel)作為物理設(shè)計藍本，共由 7 根線組成。其中，3 根為地線，用于削弱消除串行信號線間的干擾，另外 4 根作為兩對差分線(1 對發(fā)送、1 對接收)進行數(shù)據(jù)傳輸功能。SATA 串行傳輸采用低壓差分信號(Low Voltage Differential Signaling，LVDS)，其工作電壓的峰峰值僅為250m V(最高 500m V)，因此大大降低了系統(tǒng)的功耗，減小了系統(tǒng)復(fù)雜度。另外，SATA 標準接口電源供電部分由 15 根線組成，分別提供+3.3V、+5V 和+12V 電源。其管腳分配如圖 1、表 1和表 2所示。

　　圖1SATA接口管腳圖

　　表1 SATA接口之信號管腳

　　表2 SATA接口之電源管腳

　　SATA 標準協(xié)議參考了開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模型，根據(jù)實現(xiàn)功能的不同和服務(wù)對象的不同將整個 SATA 體系劃分為 5 層：物理層(Physical Layer)、數(shù)據(jù)鏈路層(Link Layer)、傳輸層(Transport Layer)、命令層(Command Layer)和應(yīng)用層(Application Layer)。也可以將命令層并入應(yīng)用層，將整個體系劃分為4層。

　　圖2SATA體系結(jié)構(gòu)

　　物理層包含兩條單工高速的低壓差分信號收發(fā)器通道，一條負責(zé)數(shù)據(jù)的接收，另一條負責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送，它還包含串行器和解串行器，能提供 OOB(OutOf Band)信號檢查總線上是否掛載設(shè)備，并處理設(shè)備的加電順序和數(shù)據(jù)傳輸速度的協(xié)商。

　　鏈路層主要負責(zé)控制幀的傳輸過程，通過維持收發(fā)數(shù)據(jù)的完整性來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，包括對?shù)據(jù)包的糾錯校驗(CRC)、8b/10b 編解碼、信號加擾和解擾等。鏈路層定義了幀起始原語(SOF)和結(jié)束原語(EOF)，接收方通過辨別它們來判斷一個幀的邊界。鏈路層給幀信息封裝上 SOF 和 EOF原語，以及 CRC校驗和數(shù)據(jù)后，再將待發(fā)送的數(shù)據(jù)進行擾碼，擾碼完畢后再進行8b/10b 編碼，最后由物理層發(fā)送，從物理層接收數(shù)據(jù)后的處理過程正好相反。鏈路層向物理層發(fā)送來自傳輸層的指令信號原語，接收來自物理層的原始字符，將其轉(zhuǎn)化為可供傳輸層識別的指令信號，并發(fā)送至傳輸層。

　　傳輸層面向應(yīng)用層和鏈路層來調(diào)整適應(yīng)兩層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式，它根據(jù)應(yīng)用層的讀寫請求指令和鏈路層的應(yīng)答信息來啟動數(shù)據(jù)包的傳送，傳輸層控制主機和硬盤之間傳輸控制指令和數(shù)據(jù)的幀信息結(jié)構(gòu)(Frame Information Structures，F(xiàn)IS)的格式。傳輸層不會改變傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)容，只會將要傳輸至應(yīng)用層的數(shù)據(jù)打包成數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)，并且將接收到的數(shù)據(jù)幀還原成數(shù)據(jù)傳輸至鏈路層。

　　應(yīng)用層是 SATA 協(xié)議的頂層結(jié)構(gòu)，它負責(zé)所有ATA指令的執(zhí)行與解析，向處理器報告當前硬盤運行狀態(tài)，生成對數(shù)據(jù)的讀寫請求，讀取和設(shè)置硬盤的工作性能模式，還包括對控制指令模塊寄存器的訪問。應(yīng)用層會分析得到的硬盤操作命令并根據(jù)協(xié)議進行相應(yīng)的解析，解析成對應(yīng)的傳輸請求，最后根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸請求要求傳輸層進行數(shù)據(jù)的傳輸操作。

　　總體上看，發(fā)送數(shù)據(jù)時，是按照應(yīng)用層->傳輸層->鏈路層->物理層的順序，數(shù)據(jù)逐一流過這4個層，在每一層都對數(shù)據(jù)做一些打包的處理，最后由物理層通過4根差分信號線將數(shù)據(jù)傳送出去;接收數(shù)據(jù)時，是按照物理層->鏈路層->傳輸層->應(yīng)用層的順序，數(shù)據(jù)逐一流過4個層，在每一層都對數(shù)據(jù)進行“瘦身”解包，最終傳輸?shù)綉?yīng)用層，就是我們看到的邏輯上的數(shù)據(jù)了。這樣理解就容易多了。關(guān)于協(xié)議的細節(jié)，將在下一篇文章中介紹，敬請關(guān)注。

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