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传输在数据线中的学问
作者: 来源: 日期:2006-3-25 22:44:51  点击次数:

    今天为大家献上的”大餐”将是与标准扁平电缆以及活动硬盘有关的一些问题,我们将会竭尽心智,不辞劳苦,尽量为大家作一个比较详细的阐述。尤其是这样一些长久以来一直困饶着诸位大侠的问题:为什么有些硬盘只能在某些特定系统下运行?电缆的路由路径会给我们带来怎样的影响?还有为什么硬盘制造厂家总是推荐用户使用他们自己生产的特有的与驱动器相匹配的电缆呢?相信诸位已经能够迫不及待的想知道答案了吧。

    毕竟是技术方面的问题,本文难免会涉及到大量数据,其中的一些仅仅只是与EE-crowd联系密切,还有些在诸位看来定是味同嚼蜡,然而我依然希望你不要错过路旁的任何一株哪怕是野花,毕竟都是风景——比如说为什么有时候只需通过电缆的简单路由就能够顺手解决一些迫在眉睫的难题。

    某些IDE-HDD硬盘在某种特定系统中运行的相当稳定,甚至在超频情况下也是不负众望,然而在另一系统中运行时,同样的硬盘即使在我们要求的规格内它也不能圆满的完成任务。这样看来,必定有些特殊的因素导致了HDD硬盘的失败,并且这些因素彼此之间也一定有这样或那样的牵制关系。因此,我们必须确定在进一步研究这个问题时,所有的参数均被考虑在内,并且还得保证我们绝对没有厚此薄彼。

下面让我们将这些参数详述如下:

(1)目前所要解决的问题(比如:数据丢失与硬盘的物理故障)

(2)安装与设置机器所处的具体环境(比如:系统类型,时钟频率)

(3)电缆长度和类型(例如;形状以及环绕类型等等细节问题)

(4) 连接器数目(主盘,从盘)

(5)是否使用驱动通道

    时钟频率以及象ATA设备这样的系统级的联接,不可能如同一束电线那样将A针脚与A针脚连接起来那样简单,尽管这两个针脚之间确实仅仅只存在一些电阻而已。换句话来说,我们正在寻找一种非常复杂并且受脉冲调制的RF系统或者可以考虑电线跳跃无线电频率分配设置,在这两种系统中自由干涉的信号分配需要定义信号级别并且使信号波形清晰可见——这样一来我们还必须使信号保持一定的时间,以便让信号能够从产生开始一直持续到被检波器侦测到。这就要求从发射机开始途径电缆直到检波器为止所有的阻抗都完全一致,如此一来将会有不止一个信号可以以并行方式传送出去,在此过程中必须充分减弱信号以便抵抗电缆之间的耦合。

    可靠性问题,然而当相同的硬盘直接连接到80针扁平数据线[1]和[2]时,它却可以毫无故障的运行。

    ATA66或者更高的同类型产品规定必须使用80针扁平数据线(电线之间距离为635mm)—它的长度为45cm并且一直延伸到3个连接器。如果从盘连接器被忽略掉了,这种情况下,你可以使用更长的扁平数据线,虽然这样一来无疑违反了规范说明,然而由于去除了中间的从盘驱动连接器所造成的传输线上的干扰,因此系统似乎并没有消极怠工,相反它好象还比较乐意在这种新环境下继续努力效命。

    如果选用比较便宜的HDD硬盘,再使用一款象 Centronics连接器这样普遍的机械连接器——其最初目的是供诸如并行打印机之类的老古董使用的(你决不要指望它能够满足今天的高速数据传输率)——一就有可能产生更多的干扰。如果连接器安装在PCB上的话,信号的寻址就有可能产生额外的干扰。

    接下来就是一些技术方面的细枝末节了,对于这些相对而言比较枯燥的资料不感兴趣的读者可以跳过不读,你大可直接找到结论就回家呼呼大睡,无须在此浪费太多的脑细胞。

HW规格说明/ ATA33, ATA 66, ATA100与 ATA133之间的区别

(1)信号频率/ 持续时间,电平设定值,起停时间以及定时

(2)物理尺寸和电缆材料,连接器以及电线。导线和绝缘材料的物理尺寸决定了RF传播特性的速率因素(比如,40针与80针扁平电缆线的阻抗差异)

(3)最大允许长度(18″),第3从盘连接器的定位

(4)从ATA33到ATA66或者更高端的同类型产品,他们的信号时钟需要经由并行线传输,并且均以MHZ计算,这样的增长到底意味着什么呢?

    有关这一问题你可以在ATA现有(Drafts and WP)的规格说明中得到满意的答复和解释。这一规格为一个给定装备能够可靠的工作在某一种设置中的兼容留了足够大的余地,因为参数彼此是匹配的同样的装备在另一设置下却有很大可能引起某些故障,并且很有可能导致系统的不稳定性。

连接器40针,80针扁平电缆之间的HW的不同

ATA33~40针连接器~40 knives at the back~40针扁平电缆UDMA/33

    所有的ATA接口都使用了允许向后兼容的同类连接器,并且针脚数目也相同。然而,它仅仅只用了40针扁平数据线(电线之间为1,27mm),并将其压制到连接器上,从而使得连接器背部的40针small knives 穿透了绝缘介质进一步导通电路。连接器的特征是一共有40个针脚(这40个针脚分成上下两排,并且彼此对应的排列)。

 ATA66~40针连接器~ 80 knives at the back~80针扁平电缆~ATA66,100,133

 

 

数据线的机械与RF属性

    仅仅只有在系统中时测量以及计算RF属性才是简单可行的,因为从源端到收端包括它们彼此之间的所有传输器件的阻抗均是完全一致的。

    无论如何,IDE不能算是一种经过精确定义的系统;在任意情况下,我们都不能认为控制器和HDD之间的接口以及扁平数据线能够坚守它们各自的工作岗位而且不出任何差错。规格说明书规定了一些物理尺寸,并且仅仅只是就扁平数据线电特性的规格做了兼容,它甚至根本没有涉及到控制器和HDD之间的接口

 

 

 

80

40

导线

AWG

30

~28

地—信号——地

 

 

 

单端阻抗

[Ohm]

70-90

110

电容

[pF/ft]
[pF/m]

13-22
42-72

 

自感应

[mH]

0.08-0.16

 

传播延时

[nsec/ft]
[nsec/m]

1.35-1.65
4.43-5.41

 

 

尺寸

mm

In

A1

50.800

2.000

A2

50.165

1.975

A3

0.635

0.025

A4

0.6858

0.027

A5

0.3175

0.0125

T1

0.127

0.005

T2

0.0406

0.0016

T3

0.0508

0.002

T4

0.102

0.004

 
公式及其缩写
 
   地端上方的两根数据线之间的阻抗可以用下面这个公式计算:
 
 
   同时L和C的通用计算公式是:
 
 
Z = 阻抗
C =电容
L = 电感
D=距数据线中心的距离
d=电线直径
e R=电介质常数
信号速率
 
    这仅仅只是在理想状况下的计算公式,所谓的理想状况是指电缆或者绝缘介质间没有任何阻抗,也没有更复杂的RF影响——它有可能随着频率增加而改变。现在让我们来看看数据块上的真实IDE电缆上传输的数据状况。

D= 1,27mm扁平数据线

Z = 95 ohm (C= 53pf/m ±5pF, L = 0,48µH/m, K PVC ~2,25), 4,35ns/m

    仅仅只有当扁平数据线恰好位于导平面上方的时候,这一计算公式所得的阻抗才是准确的。如果把地平面加到上方的扁平数据线——比如在电线和地之间加入一种Mylar绝缘介质——阻抗值将会降低,这一变化可以在196系列中看出端倪。

D=1,27mm单面防护扁平数据线

 

    电线与地平面之间的Mylar尺寸Z = 65 ohm (C= 92pf/m L = 0,39µH/m, K PVC ~2,25, K Mylar ? ), 5,52ns/m

    一根地平面上方的扁平数据线可能会改变信号速率和阻抗值。如果扁平数据线与金属块亲密接触的时候,这一结论也同样适用。

D=1,27mm 缠绕型扁平数据线

Z = ? ohm (C= 51,5pf/m L = ? µH/m, K PVC ~2,25), 5,4ns/m Thomas & Betts Series 200 Z = 100 ohm (C= 52pf/m L = 0,69 µH/m, K PVC ~2,25), 5,3ns/m 3M Type1700

    将数据线缠绕之后改善了线路之间不必要的耦合,同时也降低了阻抗,这一功绩应该归功于L值的增加,因为传播延迟的必然伴随着电线长度的加长。

D=0,635mm扁平数据线

 

    尺寸的缩减将会把阻抗值降低到85.5欧姆。规格说明同时考虑到了70~90欧姆的规格,这也给定了C,L和V值的公差值。

圆形屏蔽数据线

    移动数据线的密集与屏蔽势必会增大电容值,同时也必然降低了规格说明的外部阻抗公差值。很抱歉,在这里我只能简单的推测一下这样的状况对信号传输线之间的不必要的耦合意味着怎样的后果,具体的分析恕我尚未找到这方面的资料而不能给以详细的解答。

    这种状况也同样适用于自制的扁平数据线。

    这里是我做的一张不是很全面的各种数据线参数列表,你可以把它作为参考:

实际应用中的系统问题

    自从Z80 与6502 CPU (1-2MHz)系统面世以来,有关信号总线的各种常见问题基本不出下面所罗列的几种情况:

1.任意脉冲调制信号都需要一个经过定义的信号形式,另一方面它却不能检测到诸如定义过的最低/最高信号电平——象最小信号,长度,起停时间。
2.任意RF wirebound Duplex RF传输系统的阻抗值必须是恒定不变的。这种系统包括一个发射器(控制器),传输线(扁平数据线)以及接收器(驱动电子器件)。从发端到收端的任一部分的阻抗值都必须保持一致。

    如果整个总线的阻抗值并不恒定,或者说终端阻抗不匹配,部分信号可能会反射回总线。这些反射信号将会增强或者抵消原有的脉冲,并且百分之百会使信号失真,从而使检波能力大打折扣。

    接收终端需要大量的能量以驱动终端电阻器,同时发射终端势必要面队阻抗值的匹配问题。

 

3.如果有多于一条的信号线在无屏蔽的情况下以并行方式工作,这样肯定会降低信号质量,随之而来的另一个负面影响就是并行信号线之间的耦合。就象反射脉冲一样,并行信号线所产生的耦合信号将会增强或者抵消原有的脉冲,同样也会降低信号质量和检波能力。

    如果没有增加哪怕是一根地线到“绝缘端”,我们都不能容许这种未屏蔽的信号线以并行方式传输数据。

    一种比较简单的解决方案就是使用双绞线——如同SCSI接口一样。它改善了交接点的耦合程度,但是同时也降低了阻抗值,并且增加了信号延迟。

4.80针扁平数据线的引进需要连接器之间的开关,以使得新增的40个针脚能够提供与地端的通路。同时在前部保留了40针连接器,我们依然拥有背部的80针方案。

5.通过为从盘到数据线的通路增加第3个连接器,我们旧可以将所有并行的附加地线连接起来。然而我依然不知道如果增加了从盘连接器之后,控制器或者HDD系统能否运行良好。

6.如果数据线的电子特性发生变化,我们会发现阻抗值也会随之跳跃或者小幅度变化。

7.因为扁平数据线的尺寸或者材料的不同,由此将会引起阻抗值和信号速率的不同。

8.控制器和驱动电子器件的阻抗值将会随着模块的不同而变化,同时也会有不同的传输阻抗值和终端阻抗值。

9.驱动器,数据和信号线有着不同的数据传输速率。

10.如果使用一个驱动通道,那么HDD和通道背部的数据线以及必须连接到ATA数据线上的固定驱动通道之间的连接器和数据线,将会带来阻抗值跳跃式的增加。

    系统越快,它对交接点的耦合,阻抗值以及传播速率的任意微小变化就越敏感。

    因为没有规定更多的参数,所以你的系统可能会被某些不确定因素搞的不尽入人意。对此,笔者实在爱莫能助。

初步结论与可能的解决方案

    造成传输阻抗值的变化,邻近信号线之间的耦合以及一种设置与另一种设置之间的信号速率变化的罪魁祸首是:

    驱动器和控制器在信号的高低电平上的阻抗值将会随着模式的不同而不同。

   至于与脉冲相混淆的信号反射则应归咎于与发端不相匹配的终端阻抗值或者从控制器到驱动器之间不恒定的阻抗值。

    如果有第二个驱动器,这一连接点的阻抗值将很有可能起伏不定。

A.每一个控制器通道仅只有一个HDD。

B.使用只有两个连接器的数据线。

    信号延迟将会随着扁平数据线的长度而增加,信号传输时间也会随之达到最大值。扁平数据线18"的长度——5ns/m——将会带来2.3ns的信号延迟。

C.尽可能的缩短数据线。

D.如果需要比较长的数据线,请考虑将HDD紧靠在控制器的连接器旁边安装,或者可以尝试着改变一下常用的台式机,19"也许是个不错的选择。请将HDD安装在 PCB控制器接口的正上方或者正下方,这样你就可以把扁平数据线缩短哪怕是几个厘米,总算是一点改进。

    不同的绝缘材料(它们有着或高或低的电介质常数)做成的扁平数据线以及导线直径的改变都会影响(2D/d)的比率。

    到底有没有使用圆形数据线呢?

E.尝试换用另一类型或者标志的扁平数据线。

    在同一连接点上,扁平数据线与导地平面是否是并行的呢?

F.尝试沿着地平面将你的扁平数据线重新铺设。

    数据线是否被切除?或者试者将其卷拢从而得到一条圆形数据线?

G.如果未曾卷拢,请返回B执行,如果去除了则从A开始。

    驱动器是否安装在可移动驱动平台上?

H.从驱动通道撤离HDD,继续从A开始。

最终结论与注解

   你是否真正需要经过性能优化的驱动器呢?

    如果你选择不,那么不妨考虑为驱动器增加IEEE1394-IDE-桥接器,它如同FireLine或者I-Link.一样闻名。它可以解决所有这一类的问题,并且还可以把扁平数据线缩短几厘米。Firewire数据线的长度可达4,5m(这里仅就IEEE1394a 而言, IEEE1394b则是100m).

   单独的IEEE-1394aFirewireHDD(Oxford-911芯片)将会带你领略35MB/s的极速感觉,它的理论上限可以达到50MB/s(IEEE1394b则是100MB/S),这一款应该更适用于所有的音频与视频要求,当然DVD和CD驱动器也不能逃出它的魔掌。

   IEEE-1394a Raid构造可能会快的多,但是IEEE-1394b已经被用于更新型的苹果PC机。

    Firewire将会提供给你“插头”和“开始”,它允许访问硬盘,同样的这一优惠也恩赐给了PC,然而令人扼腕的是只能通过数据线这种路径来访问。

    IEEE-1394唯一美中不足的地方就是对现行的BIOS缺乏应有的热情追随。如果你的主板提供控制器的话,这一致命的硬伤会使SATA-IDE错过魅力四射的光辉岁月。

    这已经是我第二次从RF的视角来讨论这些问题,因为今天我们所谈到的数据传输率已经不仅仅只是局限在AC范畴内了,它开始扩展到了RF范畴。

    我希望我们能够立即开始讨论以上的问题,或者在不久的将来能有一些高端产品如同IDE硬盘那样持久耐用。如果你使用它的所有的或者其中一部分产品,我所希冀的就是你能够给我和其他用户一些有关这一系列产片运行状况的参考或者有用的建议。


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