做數據恢復與取證技術，每天都要跟硬盤打交道。不論機械硬盤還是固態硬盤，幾乎都是SATA接口。如果說并行總線的IDE接口所使用的PATA協議還好理解的話，那么SATA這種高速串行協議理解起來就比較有難度了。好在這種高速協議也不是從石頭縫里突然冒出來的，如果對網絡的TCP/IP協議之類的有所了解，理解起來就不那么費勁了。
隨著數據傳輸速率的提升，并行 ATA 傳輸技術的各種問題如信號扭曲和串擾、設備尋址能力有限等都已成為提高協議數據傳輸效率的主要障礙，因此讓數據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 規范正式確立，協議規定數據傳輸率理論值為 150MB/s，大大高于并行 ATA 協議。隨著SATA II及SATAIII 協議標準陸續制定，其接口數據傳輸速率可提高到 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的優勢，SATA 3.2標準協議所提供的最高傳輸速率高達 2GB/s。同時還引入了M.2 產品規格、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。
SATA 標準接口以光纖通道(Fiber Channel)作為物理設計藍本，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 對發送、1 對接收)進行數據傳輸功能。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的功耗，減小了系統復雜度。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 標準協議參考了開放系統互連(OSI)參考模型，根據實現功能的不同和服務對象的不同將整個 SATA 體系劃分為 5 層：物理層(Physical Layer)、數據鏈路層(Link Layer)、傳輸層(Transport Layer)、命令層(Command Layer)和應用層(Application Layer)。也可以將命令層并入應用層，將整個體系劃分為4層。
圖2SATA體系結構
物理層包含兩條單工高速的低壓差分信號收發器通道，一條負責數據的接收，另一條負責數據的發送，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備，并處理設備的加電順序和數據傳輸速度的協商。
鏈路層主要負責控制幀的傳輸過程，通過維持收發數據的完整性來保證數據傳輸的可靠性，包括對數據包的糾錯校驗(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校驗和數據后，再將待發送的數據進行擾碼，擾碼完畢后再進行8b/10b 編碼，最后由物理層發送，從物理層接收數據后的處理過程正好相反。鏈路層向物理層發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，將其轉化為可供傳輸層識別的指令信號，并發送至傳輸層。
傳輸層面向應用層和鏈路層來調整適應兩層傳輸的數據格式，它根據應用層的讀寫請求指令和鏈路層的應答信息來啟動數據包的傳送，傳輸層控制主機和硬盤之間傳輸控制指令和數據的幀信息結構(Frame Information Structures，FIS)的格式。傳輸層不會改變傳輸數據的內容，只會將要傳輸至應用層的數據打包成數據幀的結構，并且將接收到的數據幀還原成數據傳輸至鏈路層。
應用層是 SATA 協議的頂層結構，它負責所有ATA指令的執行與解析，向處理器報告當前硬盤運行狀態，生成對數據的讀寫請求，讀取和設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。應用層會分析得到的硬盤操作命令并根據協議進行相應的解析，解析成對應的傳輸請求，最后根據數據傳輸請求要求傳輸層進行數據的傳輸操作。
總體上看，發送數據時，是按照應用層->傳輸層->鏈路層->物理層的順序，數據逐一流過這4個層，在每一層都對數據做一些打包的處理，最后由物理層通過4根差分信號線將數據傳送出去;接收數據時，是按照物理層->鏈路層->傳輸層->應用層的順序，數據逐一流過4個層，在每一層都對數據進行“瘦身”解包，最終傳輸到應用層，就是我們看到的邏輯上的數據了。這樣理解就容易多了。關于協議的細節，將在下一篇文章中介紹，敬請關注。
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