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高速储存应用SATA的PCB设计规则

发布时间 :2017-09-30 09:07 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCB设计部
本文介绍了SATA的新特性及其新的应用模型,包括第1i/2i代和第1m/2m代SATA实体层规格、外部SATA特性以及使用埠多工器的连接模式。作者详细分析了SATA的设计挑战以及高速差分讯号和避免阻抗不匹配的PCB设计规则。
 
作为PC、伺服器和消费电子产品中重要的硬盘驱动器介面,串列ATA(SATA)发展迅速并日益盛行。随着基于磁碟的储存在所有电子市场领域中变得越来越重要,系统设计工程师需要知道采用第一代SATA(1.5Gbps)和第二代SATA(3.0Gbps)协议的产品设计中的独特挑战。此外,系统设计工程师还需要了解新的SATA特性,以使其用途更广,功能更强,而不仅仅是简单地代替平行ATA。充分利用这些新特性并克服设计中存在的障碍,对成功推出采用SATA介面的产品非常关键。
 
PCB设计挑战和建议
日趋复杂的PCB布局布线设计对保证高速讯号(如SATA)的正常工作至关重要。由于第一代和第二代SATA的速度分别高达1.5Gbps和3.0Gbps,因此铜箔蚀刻线布局的微小改动都会对电路性能造成很大的影响。SATA讯号的上升时间约为100ps,如此快的上升时间,再加上有限的电信号传输速度,所以即使很短的走线也必须当成传输线来对待,因为这些走线上有很大部份的上升(或下降)电压。
 
高频效应处理不好,将会导致PCB无法工作或者工作起来时好时坏。为保证采用FR4 PCB板的SATA设计能正常工作,必须遵守下面列出的FR4 PCB布局布线规则。这些规则可分为两大类:设计使用差分讯号和避免阻抗不匹配。
 
高速差分讯号设计规则包括:
带4个SATA硬盘驱动器的埠多工器
图1: 带4个SATA硬盘驱动器的埠多工器
 
1.SATA是高速差分讯号,一个SATA连接包含一个发送讯号对和一个接收讯号对,这些差分讯号的走线长度差别应小于5mil。使差分对的走线长度保持一致非常重要,不匹配的走线长度会减少信号之间的差值,增加误码率,而且还会产生共模噪音,因而增加EMI辐射。差分讯号线对应该在电路板表层并排走线(微带线),如果差分讯号线对必须在不同的层走线,那么过孔两侧的走线长度必须保持一致。
2.差分讯号线对的走线不能太靠近,建议走线间距是走线相对于参考平面高度的6至10倍(最好是10倍)。
3.为减少EMI,差分对的走线间距不要超过150mil。
4.SATA差分对的差分阻抗必须为100欧姆。
5.为减少串扰,同一层其它讯号与差分讯号线对之间的间距至少为走线相对于参考平面高度的10至15倍。
6.在Gb位元传输速度的差分讯号上不要使用测试点。
 
避免阻抗不匹配的设计规则包括:
1.注意避免不正确的走线宽度和走线相对于参考平面的高度,走线宽度和走线相对于参考平面的高度决定走线阻抗。
2.保持完整的参考平面。在高速讯号走线两侧,走线相对于参考平面高度10倍距离范围内,参考平面不应被切断或有挖空的区域。
3.采用宽度过窄以致无法可靠蚀刻的走线,经常会导致走线的宽度或高度产生变化,因而产生问题。最小的走线宽度和走线相对于参考平面的高度应为4mil。
4.采用0402封装的10nF电容器,尽量减少走线宽度与电容器焊盘宽度的差别。
5.尽可能在同一层走线,如果一定要改变走线层,则必须保证走线层改变后仍有合适的回流路径。
6.注意避免与线路阻抗不匹配的连接器阻抗设计。Gb位元讯号需要经过特殊设计、与受控阻抗相匹配的连接器。
7.尽可能用表面安装元件来替代穿孔插装元件。使元件接脚长度尽量短,切短过长的接脚应作为PCB制作制程的一部份。
8.尽量保证高速讯号走线与同一层其它走线或电路板组成部份(如板边缘、安装孔等)之间的间距不小于走线相对参考平面高度的10倍。
9.不要在高速讯号走线上放置测试点(小焊盘或过孔)。
10.确保PCB制作过程中不在高速讯号走线相对于参考平面10倍距离内增加取样点(Thieving)。
遵循上述通用规则有助于确保设计获得成功。
 
SATA的新特性及使用模型
前面介绍了如何进行SATA应用的PCB设计,下面将讨论最新的SATA特性以及这些特性新的使用模型。
 
1. 第1i/2i代和第1m/2m代SATA实体层规格和外部SATAi
到目前为止,有关第一代SATA的实体层(PHY)速度(1.5Gbps)和第二代SATA的实体层速度(3.0Gbps)的着述和讨论很多,然而,关于实体层规格中的“i”和 “m”部份则关注较少。
 
第1i代和第2i代串列 ATA 中的“i”代表应用于桌面和行动PC的这两代SATA的速度,分别为1.5Gbps和3.0Gbps。SATA 1.0a规格中定义的一公尺电缆和连接器都适用于这两种速度,大多数SATA半导体元件都是针对第1i代或第2i代规格而设计。
 
大多数人不知道还有第1m代和第2m代SATA规格,这些规格针对外部SATA应用定义,支援两公尺电缆。从设计角度来看,第1m/2m代应用与第1i/2i代规格是相容的,但也有些不同。为适应此类应用中讯号衰减的增加,它们提高了最小发射讯号电平幅度,降低了最小接收幅度。为实现外部ATA应用,主控制器必须相容第1m代或第2m代SATA。Silicon Image公司的SATA晶片设计考虑了外部SATA应用,所有晶片都包含有可满足第1m代和/或第2m代规格要求的实体层技术。
 
2. 外部SATA
用于外部SATA的电缆和连接器已有详细定义,可从SATA国际组织的网站(http://www.sata-io.org)下载有关规格。需要着重指出的是,遵循第1m/2m代规格的外部SATA电缆和连接器,与用于主板和内部硬盘驱动器的内部SATA连接器是不同的。针对外部应用的电缆和连接器必须有电磁干扰(EMI)和静电释放(ESD)保护,并且要足够结实,能够经受大量的插/拔作业。因此,外部SATA连接器被刻意设计成与内部SATA连接器不相相容,以防使用者在外部应用时不小心使用无屏蔽的内部SATA电缆。
 
这种外部ATA电缆和连接器的意义在于SATA硬盘驱动器现在可以直接用于外部应用。一般来说,平行ATA被视为机箱内部介面,作为平行ATA的继任者,大多数使用者期望SATA也是机箱内部介面,如果需要外部储存,也可能采用其它诸如USB、Firewire/1394或SCSI的介面。
 
连接一个主机的四个埠多工器的连接示意图
图2: 连接一个主机的四个埠多工器的连接示意图
 
然而,使用采用第1m代(1.5Gbps)或第2m代(3.0Gbps)实体层相容解决方案的外部SATA电缆和连接器,现已可实现比USB(480 Mbps)或Firewire(400Mbps)速度快得多的外部储存。目前,使用者定期备份80GB硬盘以及将数千兆文件拷贝到外部硬盘的情况并不少见,介面速度成为这类应用的瓶颈。SATA是目前可供普通使用者使用的成本效益最好的高速介面技术之一。
 
3. 埠多工器
埠多工器(PM, port multiplier)是活动主机与多个设备连接并进行通讯的一种设备。它可看成简单的多工器,将一个活动主机的连接再使用到多个设备连接上。埠多工器只支援一个活动主机连接,但它可以扩展设计到支援多达15个设备连接,因而利用到主机连接的全频宽。
 
第二代SATA规格的速度为3.0Gbps,大约相当于300MBps的吞吐能力。当顺序读写数据时,SATA硬盘驱动器目前可支援大约50-60MBps的吞吐能力。因此,利用速度为3.0Gbps的第二代SATA介面的最有效方法,是允许多个设备共享同一电缆所提供的频宽。
 
为使这种工作能正常进行,需要一个支援埠多工器规格的主机控制器和一个充当多个设备再使用器的埠多工器。埠多工器在所有类型的讯框资讯结构(FIS)中使用4位元,即所谓的PM埠字段,来路由主机和相应设备之间的FIS。利用PM埠字段,埠多工器可以将FIS从一个主机路由到多达15个SATA设备。对于从主机端到设备端的FIS,PM埠字段由主机设置为FIS将被路由到的最终设备的埠地址。对于从设备端到主机端的 FIS,PM埠字段由埠多工器设置为发送FIS设备的埠地址。为能使用所有连接到埠多工器上的设备,主机必须拥用来设置所有发送的FIS中PM埠字段的机制。
 
图1中,四个SATA硬盘驱动器连接到同一个埠多工器,Silicon Image公司的测试显示,当主机同时存取所有四块硬盘,顺序读写速度超过220MBps。
 
在图2,一个支援埠多工器的控制器(如Silicon Image公司的SiI 3124-2 PCI-X到4埠SATA II主控制器)通过四个埠多工器连接16个硬盘驱动器。Silicon Image公司展示了一种既简单又具成本效益的方法,即通过伺服器或NAS头端的单个PCI-X插槽直接连接16块硬盘。这种采用SATA协议连接SATA硬盘驱动器的直接连接储存方式,能够以尽可能低的价格点为使用者提供易于使用的高速储存。
 
本文小结
采用SATA介面的设计,要求开发团队中每位成员有新的思考方式。为设计出创新的应用,产品规划师和架构师必须了解SATA的功能特性。设计工程师则必须知道,在进行Gb位元串列介面设计时遵循设计规则是至关重要的。儘管设计工程师还要经历一段曲折的学习过程,但最终结果是将带来振奋人心的崭新应用。这些应用将使储存变得更加容易使用并更加具有成本效益,因而广泛地应用于数据中心、办公室和家庭中。


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