Фізичний рівень. 
Історія, порівняльні характеристики і перспективи розвитку інтерфейсів Parallel ATA, Serial ATA і Serial ATA II

Фізичний рівень займається передачею бітів по фізичних каналах зв’язку. Тут визначаються основні характеристики середовища використовуваної для передачі даних та характеристики електричних сигналів.

Тони. При сучасних технологіях використання 5-ти вольтів сигналів стало дуже важко, і крім того, із зростанням швидкості роботи виникають додаткові складнощі при перемиканні з одного стану в інший. З такою проблемою вже одного разу зіткнулася SCSI, і зараз, в Serial ATA був використаний той самий підхід. Рівень сигналів знижений і складає 250 мВ.

Спосіб передачі. Крім того, замість використовувалася раніше в ATA однополярної передачі, яка має низьку завадостійкістю, застосована двухполярной (або ще її називають диференціальної. Знову ж, так як і SCSI). Перевага її в набагато більшій перешкодозахищеності. При диференціальної передачі по двох проводах передається один і той самий сигнал, але різної полярності. Шуми наводяться у дротах симетричні, і склавши обидва отриманих різнополярних сигналу можна отримати шум, а вивчив його з отриманого сигналу — безпосередньо чистий переданий сигнал. Власне використання диференціальної передачі і дало можливість знизити рівні використовуваного сигналу.

На фізичному рівні для передачі даних використовується двоетапне логічне кодування 8b/10b.

При логічному кодуванні 8b/10b кожні 8 біт вихідної послідовності замінюються на 10 біт відповідно до певних правил. У результаті для 256 можливих комбінацій з 8 вхідних біт отримуємо 1024 можливі комбінації для 10 вихідних біт. Але дозволеними з цих 1024 комбінацій є тільки 256, а решта — забороненими. Як правило, така надмірність використовується для того, щоб підвищити завадостійкість кодування (якщо при прийомі виявляється заборонена послідовність, то розпізнається помилка передачі). Крім того, незначна надмірність покращує спектральні характеристики сигналу, оскільки виключає можливість появи в ланцюжку переданих біт довгих послідовностей нулів та одиниць. Також підвищуються і самосинхронизирующийся властивості коду. При прийомі даних відбувається декодування 8b/10b, тобто кожній групі з 10 біт ставиться у відповідність 8 біт, а зайві біти вирізаються.

Однак у разі протоколу SATA дозволених до використання комбінацій значно більше, ніж 256. При цьому кожній вхідної послідовності може відповідати кілька вихідних, а яка саме вихідна комбінація буде використана, залежить від контрольного сигналу rd, що формується в процесі передачі. Розглянемо докладніше два етапи кодування.

При кодуванні 8 вихідних біт розбиваються на дві підгрупи: з 5 біт і з 3 біт. На першому етапі підгрупа 5 біт піддається кодування 5b/6b, тобто кожні 5 біт замінюються на 6. На другому етапі залишилися 3 біта піддаються кодуванню 3b/4b.

Доцільність використання двоетапного кодування викликана тим, що при кодуванні кожної групи (спочатку 5 біт, а потім залишилися 3 біт) формується спеціальний бінарний контрольний сигнал rd (Running Disparity), який може бути або негативним (rd-), яким позитивним (rd +).

При кодуванні 5b/6b для 32 можливих 5-бітових комбінацій на вході існує 46 6-бітових можливих комбінацій на виході (не 32 і не 64, а саме 46!). Виходять ці 46 можливих комбінацій наступним чином: кожної з 32 можливих 5-бітових комбінацій на вході ставиться у відповідність дві 6-бітові вихідні послідовності: пряма і інверсна, за винятком тих 6-бітових послідовностей, для яких кількість «1» збігається з кількістю «0 «- звідси саме 46 можливих комбінацій на виході.

При кодуванні 3b/4b для 8 можливих 3-бітових комбінацій на вході існує 14 можливих 4-бітних комбінацій на виході, які формуються так само, як і раніше.

При кодуванні 3b/4b, так само як і при 5b/6b, використання прямої або інверсно вихідний послідовності визначається поточним значенням контрольного сигналу rd. Якщо сигнал rd позитивний, то використовується пряма послідовність, а якщо негативний — то інверсна. При цьому поточне значення сигналу rd визначається за попередньою переданої послідовності з 6 або 4 біт.

Правило для формування сигналу rd досить просте. Сигнал позитивний, якщо кількість одиниць більше кількості нулів у групі закодованих біт. Виняток становлять послідовності з рівним кількість нулів та одиниць. Для послідовностей 111 (підгрупа 6 біт) і 0011 (підгрупа 4 біт) сигнал вважається позитивним, а для послідовностей 111 000 та 1100 — негативним. У всіх інших випадках сигнал rd нейтральний і не змінює свого стану.

Наприклад, якщо вхідна послідовність 5 біт 1 піддається кодування 5b/6b, то при позитивному поточному сигналі rd + послідовність 1 буде замінена на послідовність 100 010. Якщо поточне значення сигналу rd негативно (rd-), то буде сформована інверсна послідовність 11 101. Але в обох випадках подальший стан сигналу rd зміниться на протилежне, тому що при rd + в послідовності 100 010 нулів більше, ніж одиниць, і, отже, сигнал rd прийме негативне значення, а при rd-в послідовності 11 101 одиниць більше, ніж нулів, і сигнал rd стане позитивним.

Аналогічному кодуванню в залежності від поточного значення сигналу rd піддається і підгрупа з 3 біт (кодуванню 3b/4b), причому з урахуванням того, що спершу відбувається кодування 5b/6b, а потім 3b/4b, поточне значення сигналу rd при кодуванні 3b/4b визначається за результатом кодування 5b/6b.

Таким чином, в стандарті SATA передбачений досить нетривіальний метод логічного кодування.

Крім логічного двоетапного кодування, при передачі даних використовується метод циклічного надмірного контролю CRC-32 (Cyclic Redundancy Check) з утворюючим 32-бітним поліномом.

і скремблірованіе з утворюючим поліномом.

На фізичному рівні використовується потенційний код NRZ (Non Return to Zero).

Іншою особливістю стандарту SATA є організація взаємодії між контролером і диском за принципом «точка-точка» (peer-to-peer). Нагадаємо, що стандарт Parallel ATA передбачає підключення на один канал до двох пристроїв (Master і Slave); відповідно смуга пропускання для обох пристроїв не перевищує 133 Мбайт / с. У стандарті SATA до одного контролера можна підключити тільки один жорсткий диск, тому кожному пристрою стандарту SATA надається вся смуга пропускання цілком.

Фізична середовище. Ключовий момент, заради якого все й було затіяно: використовується не паралельна фізична шина, а послідовна, що складається з 2-х пар проводів (однієї передачі і однією на прийом) і кілька нульових. Усього сім. Провід якими з'єднуються пристрій послідовної ATA стає таким чином тонким і круглим, гнучким і зручним у використанні, не перешкоджає повітрообміну. З іншого боку, виготовлення проводу функціонуючого на настільки високих швидкостях, як у Serial ATA, і при цьому володіє високими механічними характеристиками, нехай і містить всього 7 проводів, обходиться навряд чи дешевше, ніж звичайного 80-ти жильного. І якщо десь і міститься можливість зниження вартості користування, як обіцяно розробниками спочатку, то навряд чи тут. Зате безумовно завдання узгодження (терминирования) вирішується тепер набагато дешевше. А довжина кабелів може досягати 1 метра. SATA може бути не тільки інтерфейсом внутрішніх пристроїв зберігання, а й… зовнішнім…

До того ж у стандарті SATA передбачена підтримка технології «hot swap» (використання дисків з гарячою заміною), яка вже давно використовується в дорогих серверних SCSI-диски, а з появою пристроїв Serial ATA стане стандартом для всіх пристроїв зберігання даних.