Serial ATA – hay đơn giản được gọi là SATA – là một chuẩn ổ đĩa cứng được tạo nhằm mục đích thay thế cho giao diện parallel ATA vẫn được biết đến với tên IDE. SATA có tốc đột truyền tải khoảng 150MB/s hoặc 300 MB/s so với tốc độ tối đa 133 MB/s trong các công nghệ trước đây. Bài báo này chúng tôi sẽ giới thiệu cho các bạn mọi thứ cần biết về Serial ATA. 

Cổng IDE thông thường (hiện có tên gọi là parallel ATA hoặc PATA) thực hiện phương thức truyền tải dữ liệu song song. Ưu điểm của việc truyền tải song song so với truyền tải nối tiếp trong chế độ trước đây là tốc độ cao, cùng một lúc bạn có thể gửi đi nhiều bit dữ liệu. Tuy nhiên điểm yếu chính của nó lại là vấn đề tạp âm nhiễu. Do có nhiều dây dẫn cùng được sử dụng (ít nhất là một cho mỗi bit được gửi), nên dây này sẽ gây xuyên nhiễu sang dây khác. Đây chính là lý do tại sao ATA-66 và các ổ đĩa cứng cao hơn cần đến một loại cáp đặc biệt lên đến 80 dây. Sự khác biệt giữa cáp 80 dây và cáp 40 dây thông thường là ở chỗ cáp 80 dây có các dây đất nằm giữa các dây truyền tín hiệu, mục đích của dây đất nằm giữa các dây truyền tín hiệu là để giảm sự xuyên nhiễu giữa chúng. Tốc độ truyền tải dữ liệu hiện hành đối với chuẩn parallel IDE là 133 MB/s (ATA/133). 

Serial ATA là một công nghệ khác, cho phép truyền tải theo chế độ nối tiếp. Trước kia chúng ta thường cho rằng truyền dẫn nối tíêp bao giờ cũng cho tốc độ thấp hơn truyền dẫn song song. Tuy nhiên vấn đề này chỉ đúng nếu chúng ta sử dụng cùng một tốc độ clock. Trong trường hợp này, truyền dẫn song song sẽ có tốc độ tối thiểu nhanh hơn tới 8 lần, vì nó có khả năng truyền tối thiểu 8 bit (một byte) trong một chu kỳ, trong khi đó chỉ có một bit được truyền dẫn trên một chu kỳ với truyền dẫn song song. Tuy vậy, nếu sử dụng tốc độ clock cao hơn trong khi truyền tải thì nó có thể nhanh hơn truyền dẫn song song. Đó chính là những gì mà Serial ATA đã thực hiện. 

Vấn đề trong việc tăng tốc độ truyền tải song song là việc tăng tốc độ clock, khi tốc độ clock càng cao thì sẽ càng có nhiều vấn đề phát sinh như xuyên nhiễu từ trường chẳng hạn. Do truyền dẫn nối tiếp sử dụng chỉ một dây dẫn để truyền tải dữ liệu nên nó sẽ giảm được vấn đề về tạp âm nhiễu, chính vì vậy có thể cho phép nó sử dụng tốc độ clock rất cao. 

Tốc độ truyền tải của chuẩn Serial ATA là 1.500 Mbps. Vì nó sử dụng 8B/10B coding – mỗi nhóm 8 bit được mã hóa thành một số 10-bit – nên tốc độ clock hiệu quả của nó là 150 MB/s. Các thiết bị Serial ATA chạy với tốc độ chuẩn này gọi là SATA-150. Serial ATA II cung cấp một số tính năng mới như Native Command Queuing (NCQ), cộng với tốc độ truyền tải cao hơn 300 MB/s. Các thiết bị có thể hoạt động với tốc độ này được gọi là SATA-300. Chuẩn kế tíêp được phát hành sẽ là SATA-600. 

Bạn cần phải lưu ý rằng SATA II và SATA-300 hoàn toàn không phải là đồng nghĩa. Một chuẩn có thể xây dựng một thiết bị để chỉ chạy với tốc độ 150 MB/s nhưng lại sử dụng các tính năng mới đã được cung cấp bởi SATA II, ví dụ như NCQ chẳng hạn. Thiết bị này sẽ là SATA II, mặc dù nó không hoạt động ở tốc độ 300 MB/s. 

Native Command Queuing (NCQ) cho phép tăng hiệu suất ở đĩa cứng bằng cách sắp xếp lại các lệnh gửi bởi máy tính. Nếu bo mạch chủ của bạn có các cổng SATA II có hỗ trợ NCQ thì bạn nên mua một ổ đĩa cứng có hỗ trợ NCQ. 

Bạn cũng cần lưu ý rằng Serial ATA có hai đường dẫn dữ liệu tách biệt, một cho truyền dữ liệu và một cho nhận dữ liệu. Trên các thiết kế song song, chỉ có một đường dẫn dữ liệu, đường dẫn này sẽ chia sẻ cho cả việc truyền và nhận dữ liệu. Cáp Serial ATA gồm có hai cặp dây (một cho truyền và một cho nhận) bằng cách sử dụng cách thức truyền dẫn khác. 3 dây đất cũng được sử dụng vì vậy cáp Serial ATA có đến 7 dây. 

Một ưu điểm khác trong việc sử dụng truyền tải nối tiếp là sử dụng ít hơn số lượng dây cần thiết. Các cổng Parallel IDE sử dụng các đầu cắm 40-chân và cáp 80-dây. Trong khi đó các cổng Serial ATA chỉ sư dụng đầu cắm 7 chân và cáp 7 dây. Điều này giúp ích rất nhiều đến khía cạnh tỏa nhiệt của máy tính, vì sử dụng nhiều cáp mỏng hơn sẽ làm cho không khí lưu thông bên trong case của máy tính được dễ dàng hơn. 

Trong các hình dưới đây, bạn có thể so sánh Serial ATA với parallel IDE: cáp Serial ATA trông ra sao và kích thước của nó so với IDE 80-dây như thế nào và sự so sánh về khía cạnh vật lý của cổng Serial ATA (màu đỏ trong hình 3) với cổng parallel IDE (màu xanh trong hình 3).

Hình 1: Cáp Serial ATA

Hình 2: So sánh giữa cáp Serial ATA và cáp 80-dây được sử dụng bởi các thiết bị parallel IDE

Hình 3: Các cổng Serial ATA (màu đỏ) và các cổng parallel IDE chuẩn (màu xanh)

Cài đặt 

Cách cài đặt các thiết bị Serial ATA có khác đôi chút so với các thiết bị IDE chuẩn, Serial ATA là kết nối điểm điểm, nghĩa là bạn chỉ có thể kết nối một thiết bị trên một cổng (parallel IDE có thể cho phép kết nối hai ổ đĩa ứng trên một cổng bằng cách cấu hình master/slave). Chính vì vậy các ổ đĩa cứng Serial ATA có thể cài đặt dễ dàng hơn so với các ổ parallel IDE: kết nối một đầu này của cáp với cổng Serial ATA (thường nằm trên bo mạch chủ) còn đầu còn lại của cáp đấu vào ổ cứng bạn muốn kết nối. Vì đầu nối này có một khắc hình chữ V nên sẽ không xảy ra hiện tượng cắm sai chiều. 

Chuẩn Serial ATA cũng có một bộ kết nối nguồn 15- chân mới. Kết nối nguồn này được tạo chuẩn từ đặc đặc tả kỹ thuật ATX12V 1.3. Chính vì vậy nếu máy tính của bạn có nguồn ATX12V 1.3 hoặc nguồn công suất trên thì nó sẽ có kết nối này. Mặc dù kết nối 15 chân được sử dụng nhưng kết nối nguồn này vẫn sử dụng các dây 5 chân (một +12 V, một +5 V, một +3.3 V và hai chân đất). 

Các ổ đĩa cứng SATA-300 có một jumper cấu hình để làm việc như các ổ SATA-150. Vấn đề ở đây là jumper đã được cài đặt trên vị trí SATA-150 sẽ hạn chế hiệu suất làm việc của ổ đĩa nếu nó được cài đặt trên bo mạch chủ có các cổng SATA-300. Cấu hình đúng cho jumper này rất quan trọng và chúng tôi sẽ giới thiệu kỹ các chi tiết về vấn đề này. 

Việc cài đặt ổ đĩa cứng SATA rất đơn giản; remove hoặc thay đổi vị trí của jumper SATA-150/SATA-300 (nếu có sẵn, các thông tin chi tiết sẽ được giới thiệu bên dưới), kết nối cáp Serial ATA và cáp nguồn với máy tính đang bị tắt của bạn.

Hình 4: Các đầu nối của ổ đĩa cứng SATA

Hình 5: Các đầu kết nối nguồn Serial ATA trên các bộ nguồn ATX12V

Hình 6: Ổ cứng SATA đã được kết nối với bo mạch chủ

Hình 7: Ổ đĩa IDE chuẩn “đã được chuyển đổi” thành Serial ATA thông qua một 
adaptor Jumper SATA-150/SATA-300 

Một số ổ cứng SATA-300 không làm việc đúng trên các bo mạch chứa các cổng SATA-150 do có số ổ đĩa cứng SATA-300 có jumper SATA-150/SATA-300 (cũng được biết đến như jumper 1.5 Gbps/3 Gbps). Vấn đề ở đây là, mặc định jumper này được cấu hình ở vị trí “SATA-150”, vị chí hạn chế hiệu suất ổ đĩa của bạn nếu cài đặt trên bo mạch chủ với các cổng SATA-300. Chúng tôi sẽ giới thiệu cho các bạn về sự ảnh hưởng của hiệu suất trong khi cấu hình sai SATA-300 ở bên dưới. 

Trước khi cài đặt ổ đĩa cứng SATA-300 bạn cần phải kiểm tra xem nó có jumper SATA-150/SATA-300 hay không và xem nó có bị cấu hình đúng vị trí hay không: nếu bạn có một bo mạch chủ cũ với các cổng SATA-150 thì bạn nên để jumper ở vị trí SATA-150, tuy nhiên nếu bo mạch chủ của bạn hỗ trợ SATA300 thì cần chuyển đổi sang vị trí này. Các thông tin này có thể được tìm thấy trên nhãn ổ đĩa, xem thể hiện trong hình 8.

Hình 8: Những thông tin chi tiết trên nhãn của ổ đĩa giải thích về jumper SATA-150/SATA-300.

Ổ đĩa cứng này (Seagate Barracuda 7200.10 160 GB) có một jumper hạn chế hiệu suất của ổ đĩa150 MB/s (1.5 Gbps), xem trong hình 9. Để làm cho nó làm việc đúng trong chế độ ổ đĩa SATA-300, chúng ta cần chuyển jumper (xem sơ đồ trên hình 8). Trong trường hợp này jumper có thể được remove với một tua vít nhỏ. Lưu ý rằng phụ thuộc vào model của ổ đĩa bạn mới có thể chuyển vị trí jumper thay vì cứ remove nó. Chính vì vậy bạn cần phải quan tâm đến những gì được viết trên nhãn ổ đĩa cứng. 

Hình 9: Ổ đĩa cứng với jumper SATA-150/SATA-300 đang được đặt ở vị trí “SATA-150”

Những gì ảnh hưởng tới hiệu suất của ổ SATA-300 khi cấu hình sai? Chúng tôi sẽ tạo một số kiểm tra trong phòng thí nghiệm để giới thiệu cho các bạn về vấn đề này. Chúng tôi đã đo tốc độ truyền tải của ổ đĩa cứng Seagate Barracuda 7200.10 160 GB với 3 chương trình khác nhau, SpeedDisk32, HD Tach và HD Tune, trước tiên là jumper trên cấu hình mặc định của nó (“SATA-150”), sau đó remove jumper và làm cho ổ đĩa cứng là một ổ SATA-300 đích thực. Bạn có thể xem được kết quả trong các hình bên dưới

Như những gì bạn có thể thấy được trong các kết quả của ba chương trình trên. Mặc dù các tốc độ lớn nhất, trung bình và nhỏ nhất vẫn giống nhau nhưng với jumper ở vị trí SATA-300 thì tốc độ truyền tải burst đã được tăng khoảng 60% đến 69%.Nói tóm lại bạn không nên quên kiểm tra xem jumper có được đặt đúng vị trí hay không khi cài đặt các ổ đĩa cứng SATA-300! 

Bộ nhân cổng 

Bộ nhân cổng là một thiết bị mở rộng số lượng các ổ cứng được cài đặt trên cùng một cổng SATA lên 15. 

Nó có một vài ứng dụng, giống như cho phép người dùng ở nhà có thể cài đặt thêm nhiều ở cứng trên một cổng SATA và cho phép các rack ổ đĩa sử dụng ít cáp hơn. 

Với Serial ATA, bạn hoàn toàn dễ dàng kết nối các ổ đĩa cứng nằm bên ngoài case máy tính ở tốc độ cạo vì cáp được sử dụng (mỏng hơn so với cáp 80 dây trước đây). Tuy nhiên nếu chúng ta cần cài đặt một giá có đến 16 ổ cứng vào một máy chủ thì đây sẽ là 16 Serial ATA cáp từ rack đến máy chủ, và máy chủ phải có 16 cổng SATA. Chúng tôi sẽ minh chứng cho các bạn về vấn đề này trong hình 10. 

Hình 10: Kết nối một máy chủ với 16 ổ đĩa

Sử dụng bộ nhân cổng hoàn toàn có thể kết nối bằng cách sử dụng ít cáp hơn. Một bộ nhân cổng kết nối đến một cổng SATA sẽ cho phép bạn kết nối đến 15 ổ đĩa. Và vì vậy bạn chỉ cần một cáp để kết nối rack với máy chủ. 

Tuy nhiên trong trường hợp này lại phát sinh vấn đề về hiệu suất. Nếu cổng SATA-150 được sử dụng thì băng thông 150 MB/s sẽ phải phân chia cho cả 15 ổ, điều này có thể gây nên hiện tượng tắc nghẽn cổ chai. 

Để giải quyết vấn đề này, một phương pháp khác đã được đưa ra. Thay vì sử dụng chỉ một chip của bộ nhân cổng, bạn có thể sử dụng 4 để kết nối giá ổ cứng với máy chủ bằng 4 cáp (thay vì 16). Tốc độ truyền tải tối đa giữa máy chủ và giá sẽ là 600 MB/s (4x 150 MB/s) nếu sử dụng các cổng SATA-150 hoặc sẽ là 1,200 MB/s (4x 300 MB/s) nếu sử dụng các cổng SATA-300. Bên trong rack, bạn có thể cài đặt đến 60 ổ đĩa cứng (15x4), nhưng để có được hiệu suất tối ưu bạn nên cài đặt 4 ổ đĩa cứng trên mỗi một chip, như vậy sẽ có tất cả 16 ổ. Chúng tôi đã minh chứng kịch bản này trong hình 11. 

Hình 11: Kết nối máy chủ với 16 ổ đĩa ứng bằng bộ nhân cổng

Sơ đồ chân 

Đây là các chân ra cho cả cáp dữ liệu và cáp nguồn Serial ATA. Như đã được đề cập từ trước, Serial ATA sử dụng hai kênh dữ liệu riêng biệt, có tên là A và B, bằng cách sử dụng truyền tải khác nhau, do đó có các dấu + và – bên dưới. Trên các dây được đánh dấu bằng các dấu “-”, dữ liệu là một copy ngược của những gì đang được truyền tải trên các dây tương ứng với tín hiệu “+”.

Đầu cắm dữ liệu Serial ATA

Đầu cắm nguồn của Serial ATA