外部SATA特性以及使用端口多路器的連接模式。作者詳細分析了SATA的設計挑戰以及高速差分信號和避免阻抗不匹配的PCB設計規則。作為PC、服務器和消費電子產品中重要的硬盤驅動器接口，串行ATA(SATA)發展迅猛并日益盛行。隨著基于磁盤的存儲在所有電子市場領域中變得越來越重要，系統設計工程師需要知道采用第一代SATA(1.5Gbps)和第二代SATA(3.0Gbps)協議的產品設計中的獨特挑戰。此外，系統設計工程師還需要了解新的SATA特性，以使其用途更廣，功能更強，而不僅僅是簡單地代替并行ATA。充分利用這些新特性并克服設計中存在的障礙，對成功推出采用SATA接口的產品非常關鍵。

 

PCB設計挑戰和建議

日趨復雜的PCB布局布線設計對保證高速信號(如SATA)的正常工作至關重要。由于第一代和第二代SATA的速度分別高達1.5Gbps和3.0Gbps，因此銅箔蝕刻線布局的微小改動都會對電路性能造成很大的影響。SATA信號的上升時間約為100ps，如此快的上升時間，再加上有限的電信號傳輸速度，所以即使很短的走線也必須當成傳輸線來對待，因為這些走線上有很大部分的上升(或下降)電壓。

高頻效應處理不好，將會導致PCB無法工作或者工作起來時好時壞。為保證采用FR4PCB板的SATA設計正常工作，必須遵守下面列出的FR4PCB布局布線規則。這些規則可分為兩大類:設計使用差分信號和避免阻抗不匹配。

 

高速差分信號設計規則包括:

1.SATA是高速差分信號，一個SATA連接包含一個發送信號對和一個接收信號對，這些差分信號的走線長度差別應小于5mil。使差分對的走線長度保持一致非常重要，不匹配的走線長度會減小信令之間的差值，增加誤碼率，而且還會產生共模噪聲，從而增加EMI輻射。差分信號線對應該在電路板表層并排走線(微帶線)，如果差分信號線對必須在不同的層走線，那么過孔兩側的走線長度必須保持一致。

2.差分信號線對的走線不能太靠近，建議走線間距是走線相對于參考平面高度的6至10倍(最好是10倍)。

3.為減少EMI，差分對的走線間距不要超過150mil。

4.SATA差分對的差分阻抗必須為100歐姆。

5.為減少串擾，同一層其它信號與差分信號線對之間的間距至少為走線相對于參考平面高度的10至15倍。

6.在千兆位傳輸速度的差分信號上不要使用測試點。

 

避免阻抗不匹配的設計規則包括:

1.注意避免不正確的走線寬度和走線相對于參考平面的高度，走線寬度和走線相對于參考平面的高度決定走線阻抗。

2.保持完整的參考平面。在高速信號走線兩側，走線相對于參考平面高度10倍距離范圍內，參考平面不應被切斷或有挖空的區域。

3.采用寬度過窄以致無法可靠蝕刻的走線，經常會導致走線的寬度或高度發生變化，從而產生問題。最小的走線寬度和走線相對于參考平面的高度應為4mil。

4.采用0402封裝的10nF電容，盡量減少走線寬度與電容焊盤寬度的差別。

5.盡可能在同一層走線，如果一定要改變走線層，則必須保證走線層改變后仍有合適的回流路徑。

6.注意避免與線路阻抗不匹配的連接器阻抗設計。千兆位信號需要經過特殊設計、與受控阻抗相匹配的連接器。

7.盡可能用表面安裝元件來替代通孔插裝元件。使元件引腳長度盡量短，切短過長的引腳應作為PCB制作工藝的一部分。

8.盡量保證高速信號走線與同一層其它走線或電路板組成部分(如板邊緣、安裝孔等)之間的間距不小于走線相對參考平面高度的10倍。

9.不要在高速信號走線上放置測試點(小焊盤或過孔)。

10.確保PCB制作過程中不在高速信號走線相對于參考平面10倍距離內增加取樣點(Thieving)。

遵循上述通用規則有助于確保設計獲得成功。

 

串行ATA已成主流存儲接口技術

互聯網推動了新一代數據密集型存儲應用，這些應用要求存儲架構必須是一種可擴展的網絡資源，能快速提供容量和數據，串行ATA便是適合此類應用的一種高速連接方式。它采用點對點架構，每臺設備可以獨享整個帶寬，消除了并行ATA的主從之分，可以和總線上的任何設備直接通訊。

作為并行ATA物理存儲接口的替代技術，串行ATA技術能解決如數據傳輸、散熱、可靠性和可管理性等諸多問題。它在性能上的提升主要表現在1)數據傳輸速度高，第一代串行ATA的傳輸速度已達150MBps，而第二代、第三代串行ATA速度將分別達到300MBps和600MBps，徹底消除了并行ATA的速度瓶頸。2)采用8b10b串行傳輸編碼在串行電纜上傳輸數據，消除了并行ATA數據傳輸可能產生的串擾及其它一些問題。3)具備更強的糾錯能力，能對傳輸指令(不僅僅是數據)進行檢查，如果發現錯誤會自動矯正，提高數據傳輸的可靠性。4)串行ATA的電纜很細，并可以延伸至1米，使得在大型系統上安裝設備和布線變得非常容易。5)支持熱插拔，功耗低。

雖然串行ATA與并行ATA在軟件上是兼容的，但串行ATA缺乏與已有ATA設備的無縫兼容。當用戶從并行ATA移植到串行ATA系統時，需要對硬件驅動器、電纜和接口進行硬件改造。此外，隨著光纖通道(FC)磁盤、SAS(SerialAttachedSCSI)等技術的發展，串行ATA在分級存儲業務面臨競爭和選擇。但它仍將攜其經濟的成本效益、不遜的性能表現和廣泛的應用范圍，在網絡存儲應用中大有所為。