Serial ATA im Detail: Das sind die Vorteile gegenüber Ultra ATA

Einleitung

Schon eine ganze Weile befindet sich Serial ATA nun auf dem Endanwendermarkt und erlangt langsam aber sicher immer mehr Anklang bei den Konsumenten. Doch auch seitens der Hersteller wagt man sich nach und nach in neue Gefilde: So etwa Plextor mit einem DVD-Brenner inklusive nativem Serial-ATA-Support. Ebenso ist eine Integration der entsprechenden AHCI-Spezifikation weitestgehend bei aktuellen Chipsätzen gewährleistet. Selbstverständlich hat auch die Unterstützung der Festplattenherstellern bis dato stark angezogen - nativer Support seitens der Laufwerke muss nicht mehr gemisst werden. Auch findet Serial ATA simultan in immer mehr OEM-Produkten seinen Platz, was durchaus zur Verbreitung beiträgt.

Und wo sich nun gar Serial ATA II langsam ins Licht der Datenbuswelt traut, möchten wir einige Grundfragen aufwerfen und auf den nachfolgenden Seiten beantworten: Was verbirgt sich überhaupt konkret hinter dem Begriff „Serial ATA“? Wo liegt der Unterschied zu Ultra ATA? Welche Vor- bzw. Nachteile bringt das Ganze mit sich und wie sehen Spezifikationen wie Serial ATA II sowie das noch zukünftige Serial ATA III genau aus?

Es war einmal ATA...

Momentan stellt Ultra ATA noch immer den primären Standard für Desktop-Computer dar, der es dem Host-System ermöglicht, mit Peripherie wie Festplatten oder optischen Laufwerken zu kommunizieren. Ultra ATA ist eine Erweiterung des eigentlichen ATA-Interfaces, das das erste Mal in der Mitte der 80er vorgestellt wurde. Ultra ATA ist noch mit dieser in die Tage gekommenen Technologie abwärtskompatibel. Die neueste Revision des Standards ist ATA/ATAPI-7, welche einen theoretischen Datendurchsatz von bis zu 133MByte/s erlaubt.

Was ist Serial ATA?

Serial ATA ist als die nächste Generation des Standards anzusehen, die das Ultra-ATA-Interface ersetzen soll. Das Ganze bewegt sich von einem parallelen Bus-System zu einem Seriellen. Obwohl Serial ATA nicht direkt mit Ultra-ATA-Geräten zusammenarbeiten kann, ist es mit dem ATA-Protokoll vollkommen software-kompatibel.

Bus-Architektur: parallel oder seriell

Es gibt mehrere ATA/ATAPI-Spezifikationen, während ATA/ATAPI-7 bzw. Ultra ATA 133 allerdings, wie zuvor erwähnt, die Neueste darstellt. Da das Ganze im Folgenden jedoch schönere Zahlen ergibt, möchte ich an dieser Stelle auf ATA/ATAPI-6 bzw. Ultra ATA 100 zurückgreifen, zumal das Prinzip so oder so das Selbe bleibt: Es kommt ein 16 bit breiter, paralleler Datenbus sowie ein Datenkabel mit 40 oder 80 Adern zum Einsatz.

Um die Bandbreite von 100MByte/s und den parallelen Bus verstehen zu können, müssen mehrere Faktoren in Betracht gezogen werden. Mit einem 16-bit-Datenbus ist ein Transfer von zwei Byte pro Taktzyklus möglich - ein Byte besteht schließlich aus acht Bit. Um einen Datendurchsatz von 100MByte/s zu erreichen, muss der Datenbus also eine Frequenz von 50MHz aufweisen beziehungsweise ein Taktzyklus genau 20 Nanosekunden andauern:

Effizienterweise setzt man bei allen Ultra-DMA-Transfers auf eine Technik, wie man sie seit einigen Jahren von DDR-SDRAM-Speicher her kennt: Hier werden sowohl beim Ansteigen als auch beim Fallen des Takts Daten übertragen (Double-Data-Rate-Verfahren), was es erlaubt, die reale Taktfrequenz zu halbieren, ohne dabei - wohlgemerkt im Vergleich zur normalen Datenübertragung - den eigentlichen Datendurchsatz gleichzeitig in irgendeiner Weise zu verringern. Aus realen 25MHz resultieren somit effektive 50MHz. Die sogenannte „Switching Time“, also das Zeitfenster, in dem letztendlich Daten transmittiert werden können, beträgt unterm Strich 10,4 Nanosekunden.

In Kontrast zu eben diesem parallelen Bus benötigt Serial ATA nur einen einzigen Signalweg, um die Daten seriell beziehungsweise Bit für Bit zu transferieren. Zusammen mit einem Zweiten, der Empfangsbestätigungen an den Sender versendet, sowie der Tatsache, dass pro Signalweg zwei Adern verwendet werden (Hin- und Rückweg), kommen bei Serial ATA pro Kabel und Kanal inklusive dreier Masseverbindungen insgesamt lediglich sieben Adern zum Einsatz.

Entsprechende Kontrollinformationen werden entweder als kurze, vordefinierte Bit-Sequenzen, die von Datenpaketen unterschieden werden können, oder nach dem Out-of-Band-Signaling-Prinzip verschickt. Letzteres überträgt die Kontrollsignale separat mittels An-/Aus-Signalimpulsen, ähnlich Morse-Code.

Obwohl Serial ATA im Vergleich zu den 16 Bit des parallelen Busses nur ein einziges Bit pro Takt übertragen kann, ist es hier möglich, den seriellen Bus mit sehr viel höheren Taktfrequenzen zu betreiben und dieses Defizit folglich wieder zu kompensieren. Serial ATA wurde zunächst mit einer Taktfrequenz von 1500MHz beziehungsweise einem Taktzyklus mit einer Dauer von ungefähr 0,667 Nanosekunden eingeführt, dessen Switching Time bei nur 0,273 Nanosekunden liegt. Die theoretischen Bandbreite liegt in Verbindung mit einem Bit pro Takt somit bei 1500Mbit/s beziehungsweise 1.5Gbit/s. Da die Daten jedoch mit dem sogenannten 8b/10b-Encoding kodiert werden, einer zu 80 Prozent effizienten Technologie, die ein Byte in eine 10-bit-Einheit umwandelt, resultieren aus den 1500Mbit/s keine 187,5MByte/s sondern summa summarum 150MByte/s:

Dies reicht jedoch immernoch, um ATA/ATAPI-7 zumindest hinsichtlich der theoretischen Bandbreite zu übertrumpfen.