ESATAp

Serial ATA (SATA, auch S-ATA/Serial Advanced Technology Attachment) ist ein hauptsächlich für den Datenaustausch zwischen Prozessor und Festplatte entwickelter Datenbus.

Serial-ATA-Logo

SATA-Anschluss auf einem Mainboard

Unterseite einer Serial-ATA-Festplatte von Samsung mit Daten (l.)- und Stromkabel (r.)

Geschichte

Serial ATA wurde im Jahr 2000 von Intel aus dem älteren ATA-Standard entwickelt. Dabei wurde entschieden, von einem parallelen Busdesign zu einer bit-seriellen Punkt-zu-Punkt-Verbindung überzugehen, das heißt, die Daten werden seriell übertragen (Bit für Bit) und nicht, wie bei den alten ATA-Standards, in 16-Bit-Wörtern. Bei Serial-ATA gehen durch kurzzeitige Störungen weniger Daten verloren. Gegenüber seinem Vorgänger besitzt SATA drei weitere Hauptvorteile: höhere Datentransferrate, vereinfachte Kabelführung und die Fähigkeit zum Austausch von Datenträgern im laufenden Betrieb (Hot-Plug). Seit der Einführung von Serial ATA wird der ältere ATA-Standard umgangssprachlich häufig als Parallel ATA (PATA) bezeichnet, um Verwechslungen zu vermeiden. Auf neueren Hauptplatinen findet man zu den üblichen (P)ATA-Steckplätzen zusätzlich zwei bis acht SATA-Anschlüsse. SATA nutzt auf der Link-Layer-Schicht (Kabel) eine Punkt-zu-Punkt Verbindung. Jedes Gerät hat also seinen eigenen Anschluss. Serial ATA ist nicht auf Festplatten beschränkt, mittlerweile gibt es zum Beispiel auch SATA-Bandlaufwerke, DVD-Laufwerke und -Brenner, Speicherkartenlesegeräte sowie eine externe Schnittstelle (siehe Abschnitt eSATA), womit SATA einen konkurrierenden Standard zu USB und Firewire darstellt.

Geschwindigkeit

Bei parallelen Bussen wird es bei höheren Übertragungsraten immer schwieriger, den Datenfluss auf allen Leitungen synchron zu halten bzw. das Übersprechen zwischen den einzelnen Leitungen in den Griff zu bekommen. Der beim ATA-Bus (IDE-Bus) nicht spezifizierte Busabschluss und die massebezogenen Signale schränken zudem die verwendbare Kabellänge stark ein. Serial ATA nutzt das LVDS (Low voltage differential signaling) für die Signalgebung, ähnlich der seit langem bei SCSI bewährten LVD-Technik.

Die erste Serial-ATA-Generation ist mit einer Datenrate von 150 Megabytes pro Sekunde spezifiziert und damit nur unwesentlich schneller als die aktuell schnellste parallele ATA-Schnittstelle (ATA/133). Die aktuelle Version Serial ATA Revision 2 verdoppelt den Durchsatz auf 300 MB/s. Im Jahr 2007 ist eine Serial-ATA-Version mit 600 MB/s veröffentlicht worden.

Die nutzbare Transferrate liegt wegen der 8B/10B-Kodierung bei nur 80 % der realen Bitrate auf dem Kabel. Ein Daten-Byte entspricht also 10 Transfer-Bits, die Datenrate in Byte beträgt somit genau 1/10 der Transferrate in Bit.

Eine Transferrate von 1,5 Gbit/s ergibt also eine Datenrate von 150 MByte/s.

Bei den meisten Einzelplatz-PCs ist es in der Praxis für die Geschwindigkeit derzeit irrelevant, ob die interne Festplatte mit (P)ATA- oder SATA-Schnittstelle ausgerüstet sind, da es die Mechanik der Festplatten ist, die die Geschwindigkeit begrenzt, und nicht die Datenrate der Schnittstelle. Dies gilt ebenso für den Vergleich zwischen Festplatten mit SATA-150 und SATA-300-Anschluss. Bei zwei schnellen Festplatten – 100 MB/s beim sequentiellen Lesen und Schreiben sind keine Seltenheit mehr – kann es aber bereits zu Engpässen kommen, und zwar bei (P)ATA unvermeidlich, wenn diese am selben Kabel hängen, aber auch bei SATA-150, wenn der Controller nicht Transfers über beide Ports gleichzeitig abwickeln kann.

Wichtiger als die Busgeschwindigkeit ist in den meisten Fällen dennoch die Leistungsfähigkeit der Festplatte, die anhand der Zugriffszeit, Latenz (Drehwartezeit) und Datenrate beim sequenziellen Lesen und Schreiben festgestellt werden kann. Es gibt auch so genannte Hybridfestplatten. Diese haben, zusätzlich zu den Magnetscheiben einen Flashspeicher. Dieser Speicher ist beim wahlfreien Lesen im Verhältnis zu herkömmlichen Festplatten erheblich schneller. Dafür sind Schreibvorgänge auf Flash-Speicher zumeist erheblich langsamer als bei normalen Festplatten und führen zudem zur Abnutzung der Flash-Zellen.

Technik

Datenbus

Während beim alten ATA-Standard 16 parallele Datenleitungen zum Einsatz kamen, wird bei SATA nur eine einzelne Datenleitung (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.

$\begin{align}25\ & \text{MHz Rahmentakt}\\ {}\times 2\ & \text{wegen Double Data Rate}\\ {}\times 16\ & \text{Bit pro Rahmen} \\ {}\div 8\ & \text{Bit pro Byte}\\ \hline = 100\ & \text{MB/s} \end{align}$

Bei SATA wird dagegen pro Richtung nur ein Leitungspaar für den Datentransport und eines für Bestätigungspakete vom Empfänger verwendet. Dabei kommt eine 8B/10B-Kodierung zum Einsatz und es wird pro Takt jeweils nur 1 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 gerade einmal 0,667 ns. Die Schaltzeit liegt damit im Bereich von 0,273 ns – also wesentlich niedriger als die 20 ns bei ATA.^[1]

$\begin{align}1500\ & \text{MHz interner Takt}\\ {}\times 1\ & \text{Bit pro Takt}\\ {}\times 0{,}8\ & \text{8b10b-Encoding} \\ {}\div 8\ & \text{Bit pro Byte}\\ \hline = 150\ & \text{MB/s} \end{align}$

Datenkabel

Pin	Funktion
1	Masse
2	A+ (Senderichtung)
3	A− (Senderichtung)
4	Masse
5	B− (Empfangsrichtung)
6	B+ (Empfangsrichtung)
7	Masse
-	Verdrehsicherung
Innerer Aufbau eines SATA-Datenkabels

Aus physikalischer Sicht sind die verwendeten Kabel die größte Änderung zu (P)ATA. Die Daten werden mittels eines leichten, flexiblen Kabels durch acht Leiter mit flachen, acht Millimeter breiten Steckern auf jeder Seite übertragen. Das Kabel kann bis zu einem Meter lang sein, eSATA-Kabel bis zu zwei Meter und xSATA bis zu 8 Meter. Im Vergleich zu dem kurzen (45 cm) 40- oder 80-adrigen Übertragungskabel des parallelen ATA wird dadurch die Konstruktion von Komplettsystemen vereinfacht, da der Luftfluss nicht durch breite Kabel behindert wird. Das Konzept von Master/Slave-Beziehungen zwischen den Geräten wie beim alten ATA-Standard wurde abgeschafft. Serial ATA hat nur ein Gerät pro Kabel, daher sind hierfür auch keine Jumper-Einstellungen auf den Geräten nötig. Die Stecker sind kodiert, dadurch ist es nicht mehr möglich, die Kabel verkehrt aufzustecken. Ein Kritikpunkt der SATA-Stecker war ihre fehlende Verriegelung; dies wurde mit Erscheinen der zweiten Revision korrigiert. Unabhängig von SATA oder SATA Revision 2 können die gleichen Kabel verwendet werden.

Stromkabel

Pin		Bezeichnung	Funktion
	1	V33	3,3 V
	2	V33	3,3 V
	3	V33pc	3,3 V pre-charge
	4	GND	Masse
	5	GND	Masse
	6	GND	Masse
	7	V5pc	5 V pre-charge
	8	V5	5 V
	9	V5	5 V
	10	GND	Masse
	11		Staggered Spin-up / Activity LED
	12	GND	Masse
	13	V12pc	12 V pre-charge
	14	V12	12 V
	15	V12	12 V
15-poliger SATA-Stromstecker.

Der Standard sieht für SATA-Festplatten spezielle Stecker auch für die Spannungsversorgung 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 Stränge mit 3,3 V für den Anschluss von Festplatten bereitstellen, nutzen 3,5″-SATA-Festplatten zunächst nur 5 V und 12 V. 2,5″-Platten verzichten üblicherweise auf die Nutzung von 12 V, oft auch auf 3,3 V.

Beim Hotplugging ist 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 Massekontakt schließen. Anschließend findet zum strombegrenzten Pre-Charge der Elektronik zusammen mit den restlichen Masseleitungen je ein Pin pro Versorgungsspannung (3, 7, 13) Kontakt. Erst dann schließen die restlichen Pins, und die Platte geht in Betrieb.

Pin 11 des SATA-Stromsteckers kommt eine Doppelrolle zu. Über ihn kann von der Platte ein „Staggered Spin-up“ gefordert werden (Eingang) und die Platte kann über ihn 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 auf Masse. Dann läuft die angeschlossene Platte beim Einschalten des Netzteils an. Eine LED kann dann nicht angesteuert werden. In SATA-Backplanes 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 Controller die einzelnen Platten nacheinander anlaufen lässt, kann der Einschaltstrom von größeren Plattenarrays begrenzt werden. Das erlaubt eine effizientere Dimensionierung des Netzteils.

Serial-ATA-Kabel

SATA-Stecker, links SATA mit Verriegelungsclip

Die ATA-Kabeltypen im Vergleich

Versionen des Serial-ATA-Standards

Serial ATA 1.5 Gbit/s (irrtümlicherweise „SATA I“)

Diese Spezifikation wird häufig „SATA I“ genannt, allerdings ist das keine gültige Bezeichnung für die Schnittstelle.

Serial ATA wurde 2002 von den Firmen APT, Dell, IBM, Intel, Seagate und Maxtor entwickelt (Serial ATA International Organization). Der Datendurchsatz von SATA 1.5 Gbit/s liegt bei 150 MB/s. Durch Serial ATA soll die Verbindung zwischen Laufwerken und das Austauschen von Komponenten – unter anderem im laufenden Betrieb – vereinfacht werden.

Serial ATA 3.0 Gbit/s (irrtümlicherweise „SATA II“)

Diese Spezifikation wird meistens „SATA II“ genannt, allerdings ist das keine gültige Bezeichnung für die Schnittstelle. Stattdessen empfiehlt die Serial ATA International Organization „SATA Revision 2.x“ oder „SATA 3Gb/s +“.^[2]

SATA 3.0 Gbit/s wurde Anfang 2005 eingeführt. Firmen wie Western Digital, Samsung und Hitachi sowie Seagate vertreiben SATA 3.0 Gbit/s-Festplatten bis zu einer Größe von 2 TB (2000 GB). Der Datendurchsatz von SATA 3.0 Gbit/s liegt bei maximalen 300 MByte/s, also theoretisch doppelt so schnell 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 und Treiber unterstützt werden.
• eSATA: external SATA für externe Laufwerke; maximale Kabellänge: zwei Meter
• Datenrate von 300 MB/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 zum Beispiel drei Laufwerke gleichzeitig mit 50 MByte/s je Laufwerk übertragen, können diese eine 1,5-Gbit/s-Strecke (150 MByte/s) auslasten.
• Port Selector: Mit einem Port-Selector kann zwischen zwei redundanten Übertragungsstrecken geschaltet werden. So kann man das Problem 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.^[3]

External Serial ATA (eSATA)

SATA- 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 und die Stecker nicht über die nötigen mechanischen Eigenschaften für den Betrieb außerhalb eines (abgeschirmten) Gehäuses. Der Wunsch, zum Beispiel auch externe Festplatten mittels des schnellen SATA anschließen zu können, kam aber sehr bald auf, und so wurden mit SATA Revision 2 auch Kabel und Stecker für den externen Betrieb standardisiert: „External Serial ATA“, kurz „eSATA“.

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 verhindern soll, 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 Stecker/Buchsen, damit die Abschirmung sicher 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 Anforderung (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 inzwischen eSATA-Slotbleche erhältlich, die auf die SATA-Buchsen der Hauptplatinen passen, die Abschirmung ist über das PC-Gehäuse gegeben. Damit kann jede Hauptplatine auf eSATA nachgerüstet werden. Jedoch bleibt die maximal erlaubte Kabellänge bei solchen Adaptern auf einen Meter (inklusive der Kabel vom Mainboard zum Slotblech) beschränkt, da die internen Anschlüsse nicht die elektrischen Anforderungen für eSATA erfüllen.

Es sind bereits eSATA-Sticks am Markt, welche die hohen Datenraten von eSATA im Vergleich zu USB-Massenspeichern auch mobil zu nutze machen.

Zur Zeit wird an einer Standardisierung von Power-over-eSATA oder auch kurz eSATAp gearbeitet. Diese soll das Manko der fehlenden Stromversorgung für Kleinverbraucher (z.B. Memory Sticks) gegenüber USB beheben. Die Steckverbindungen sollen mit denen von eSATA kompatibel sein und auch Datenraten bis 3Gb/s erlauben. Der eSATAp Standard sollte bis Mitte 2008 standardisiert worden sein, was aber bis heute (Stand Anfang Januar 2009) noch nicht geschehen ist.^[4] 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.

Serial ATA 6.0 Gbit/s

Seit August 2008 wird eine dritte Version der SATA-Schnittstelle entwickelt. Diese soll, wie die zweite Version, die Geschwindigkeit ein weiteres Mal verdoppeln. Außerdem wird die Schnittstelle abwärtskompatibel bleiben, so dass weiterhin die alten Stecker oder Kabel verwendet werden können. Und während selbst neueste Festplatten noch nicht SATA 2 ganz ausnutzen können, wird diese neue Spezifikation entwickelt, um Solid State Drives eine ausreichend schnelle Schnittstelle zur Verfügung zu stellen. Anfang 2009 soll die Spezifikation komplettiert und veröffentlicht werden. Zur Zeit gibt es nur für die Mitglieder der SATA-IO die Spezifikation der physikalischen Schnittstelle, um entsprechende Produkte zu entwickeln.^[5]

Der komplette Name lautet „Serial ATA International Organization: Serial ATA Revision 3.0“. Als Alternativen sieht die SATA-IO folgende Namen vor: „SATA Revision 3.x“ und „SATA 6Gb/s +“. Wie bei der zweiten Version ist „SATA III“ keine offizielle Bezeichnung für diese Spezifikation.^[2]

In der ersten Hälfte 2009 soll SATA Revision 3.0 in den Verkauf gehen.^[6]

Kompatibilität

Adapter für den Anschluss einer Festplatte mit paralleler Schnittstelle an SATA-Ports

Es ist grundsätzlich möglich, modernere SATA-Revision-2-Festplatten an vorhandene SATA-Schnittstellen anzuschließen und umgekehrt. Sie laufen dann aber ohne die speziellen Fähigkeiten der SATA-Revision-2-Festplatten. Es können auch die SATA-I-Datenkabel ohne Schnappverschluss angesteckt werden. Bei einigen solcher Kombinationen, insbesondere beim Betrieb an RAID-Controllern, kann es zu Fehlern bei der Datenübertragung kommen. Viele aktuelle Festplattenmodelle lassen sich daher per Jumper auf den langsameren Übertragungsmodus umkonfigurieren.

SATA-Geräte lassen sich über ein SCSI/ATA Translation Layer (SATL) auch an Serial Attached SCSI (SAS) nutzen, jedoch nicht umgekehrt.

Es gibt Adapter zur Umwandlung der IDE-Signale für eine SATA-Festplatte (und umgekehrt). Einigen Tests zufolge soll der Datendurchsatz um wenige Prozent sinken.

Um manchen DOS-Programmen – zum Beispiel Symantec Norton Ghost – direkten Zugriff auf die Daten auf einer SATA-Festplatte zu erlauben, ist das Einstellen des Kompatibilitätsmodus im BIOS-Setup erforderlich.

Einzelnachweise

1. ↑ https://www.sata-io.org/documents/serialata%20-%20a%20comparison%20with%20ultra%20ata%20technology.pdf Serial ATA – A Comparison with Ultra ATA Technology
2. ↑ ^{a b} SATA Naming Guidelines (englisch)
3. ↑ http://www.sata-io.org/3g.asp
4. ↑ Info zu eSATAp SATA Broschüre in Englisch, Sept. 2008
5. ↑ „Doppelte Bandbreite mit neuer SATA-Spezifikation“ auf ComputerBase
6. ↑ „Serial ATA 6Gb/s“ auf Serial ATA International Organization

Weblinks

• SATA pinout (Englisch)