시리얼 ATA의 동작방법

1. 시리얼 ATA ↔ 패러럴 ATA

패러럴 ATA에서 시리얼 ATA로 넘어가는 과정에서, 이것이 일반 사용자를 대상으로 광범위하게 사용되고 있는 인터페이스라는 것을 고려한다면 완벽한 호환성을 바탕으로 점진적인 이행을 하는 것이 가장 이상적이다. 그러한 것이 어떻게 가능해지는가라는 것을 알기 위해서는 동작구조를 살펴볼 필요가 있다. 우선, 패러럴 ATA의 토폴로지부터 살펴보자.

어플리케이션은 운영체제(Operation System) 하에서 구동되며, 장치 드라이버 역시 마찬가지로 운영체제에 기반해서 구동된다. 어플리케이션에서 데이터의 요청이 들어갈 경우, 운영체제는 이를 드라이버로 전달하고, 드라이버는 ATA 어댑터를 호출해서 필요로 하는 데이터를 전달한다. 시리얼 ATA 역시 이러한 기본적인 구조는 그대로 유지된다.

시리얼 ATA 어댑터의 구성에서, 드라이버가 시리얼 ATA 어댑터에 접근하는 부분은 기존의 ATA와 완전히 동일하다. 따라서, 기존의 드라이버를 그대로 구동할 수 있으며, 운영체제 역시 별도의 변경사항 없이 시리얼 ATA를 지원할 수 있는 것이다. 대신, 시리얼 ATA 컨트롤러 내에는 내부적으로 데이터를 시리얼 전송방식으로 변경해 주는 에뮬레이터가 포함되어 있다.

이 에뮬레이터는 시리얼 ATA 방식의 데이터를 기존의 패러럴 ATA 방식으로 '에뮬레이션'한다. 이 때 에뮬레이션되는 것에는 명령어와 제어 블럭 레지스터, PIO/DMA 데이터 전송, 리셋 신호, 인터럽트 등의 모든 데이터 관련 신호가 포함된다.

그렇다면, 마스터/슬레이브는 어떻게 결정되는 것일까? 기존의 패러럴 ATA에서는 데이지체인 방식으로 마스터/슬레이브가 구분되어 연결되었다. 그러나 시리얼 ATA에서는 이러한 구분이 사라져서 사실상 '모든 디바이스가 마스터(Master)'인 상태로 연결되어 있다. 이 역시 시리얼 ATA 컨틀롤러 내에서 '마스터/슬레이브'로 에물레이션된다.

즉, 시리얼 ATA는 외형적으로는 완전히 새롭게 변경되었으며, 데이터의 전송방식 역시 개념부터 틀려졌지만, 시리얼 ATA의 컨트롤러에 억세스하는 과정까지는 기존의 ATA와 변함없이 유지된다. 이것은 운영체제를 위시한, 소프트웨어의 변경이 필요하지 않다는 것이며, 인터페이스의 변경으로 인한 개발자 및 소비자의 부담을 최소화해 줄 수 있는 부분이다.

이러한 에뮬레이터가 적용되면, 시리얼 ATA-패러럴 ATA 사이의 컨버터의 제작도 가능해진다. 구조는 비교적 간단한 편이어서 작은 크기의 동글(Dongle)의 형태를 갖게 된다.

기판 형태의 컨버터. 중앙에 마벨 사의 SATA 브릿지 칩이 달려있다
Copyright(c) by Impress Watch

동글 형태의 컨버터. 하이포인트사의 RAID 컨트롤러에 번들된다.
Copyright (c) by Highpoint 

그래서, 어차피 소프트웨어적으로는 변경이 없는데다가, 컨버터를 사용해서 상호전환이 가능하기 때문에 시리얼 ATA와 패러럴 ATA는 혼재하는 것이 가능하다. 다음의 일러스트는 시리얼 ATA와 패러럴 ATA를 사용하여 어떠한 구성을 할 수 있는가를 보여준다.

2. 시리얼 ATA의 데이터 전송방법

지금까지 시리얼 ATA의 개발목적과 사용 기술, 물리적 특징, 패러럴 ATA와의 혼재방법 등에 대해서 살펴보았다. 이번에는 시리얼 ATA 케이블에서 데이터가 어떻게 전달되나를 알아볼 것이다.

앞서 이야기했듯이, 시리얼 ATA의 데이터 케이블은 디퍼런셜 기법의 데이터 전송이 이루어지는 한쌍의 케이블이 2조로 구성되어서 2개의 데이터 '통로'를 형성한다. 이 두개의 통로는 항상 한 방향으로만 데이터가 흐르며, 하나는 호스트 컨트롤러에서 디바이스로, 다른 하나는 디바이스에서 호스트 컨트롤러로 데이터를 전송한다.

전송할 데이터가 없을 때, 호스트와 디바이스는 모두 SYNC 신호만을 서로 주고받는 한가로운 상태를 유지한다.

전송될 데이터가 호스트 측의 FIFO에 입력되면 호스트는 전송할 준비가 되었다는 X_RDY(transfer ready) 신호를 내보낸다.

X_RDY 신호를 받은 디바이스는 데이터를 받아들일 준비가 되었다는 신호를 내보낸다. 여기까지가 바로 핸드셰이킹(handshaking)이라고 불리는 과정이다. 핸드셰이킹 과정에서 호스트와 디바이스는 모두 데이터를 전송하고 받을 준비를 완료하게 된다.

핸드셰이킹 과정이 끝났으면 호스트는 데이터를 전송하기 시작한다. 데이터를 전송할 때는 가장 앞부분에 SOF(Start of File)를 붙여서 파일 전송이 시작되었음을 알린다.

데이터를 수신하기 시작한 디바이스는 데이터가 잘 전송되고 있다는 의미인 R_IP 신호를 반대편 신호선을 통해서 전송한다.

데이터의 전송이 끝나면 호스트는 데이터의 오류가 생겼을 경우 이를 정정하기 위한 CRC 코드와 파일전송의 끝을 알리는 EOF(End of File) 신호를 내보낸 후 데이터의 전송이 끝났다는 W_TRM(Write Termination) 신호를 보낸다.

CRC 데이터를 받아들인 디바이스는 이 부분을 사용해서 CRC 체크를 수행한다. 만약 여기서 오류가 생긴다면 데이터는 정정되거나, 정정이 불가능할 경우 재전송된다.

CRC 체크가 무사히 완료되면 디바이스는 데이터 수신이 무사히 끝났다는 R_OK(Receiving OK) 신호를 호스트 쪽으로 전송한다.

R_OK 신호를 받은 호스트는 다시 대기 모드로 돌아가서 SYNC 신호를 전송하기 시작한다.

호스트 측에서 SYNC 신호를 받은 디바이스 역시 대기 모드로 돌아가서 SYNC 신호를 전송하기 시작하고, 양쪽 모두 새로운 데이터 전송 명령을 기다리게 된다.

이상의 데이터전송 과정이 기존의 패러럴 ATA와 가장 크게 다른 부분은 '데이터의 전송이 한 방향으로만 일어난다'는 것이다. 또한 하나의 호스트에는 하나의 디바이스만이 연결되어 있기 때문에 데이터의 전송이 다른 기기에 의해서 영향받는 일 또한 없다. 이러한 전송방식을 통해서 시리얼 ATA는 매우 높은 성능을 가진다.