Параллельный интерфейс ATA исчерпал свои ресурсы пропускной способности, достигшей 133 Мбайт/с в режиме UltraDMA Mode 5. Для дальнейшего повышения пропускной способности интерфейса (но, естественно, не самих устройств хране­ния, которые имеют гораздо меньшие внутренние скорости обмена с носителем)  было принято решение о переходе на последовательный интерфейс. Цель пере­хода — улучшение и удешевление кабелей и коннекторов, улучшение условий охлаждения устройств внутри системного блока (избавление от широкого шлейфа), обеспечение возможности разработки компактных устройств, облегчение конфи­гурирования  устройств пользователем, расширение диапазона адресация блоков (объем накопителя в параллельном АТА ограничен 137 Гбайтами).

Интерфейс Serial ATA является радиальным (хост-центрическим), в нем определяется только взаимодействие хоста с каждым из подключенных устройств. Взаимодействие между ведущим и ведомым устройствами, свойственное традиционному интер­фейсу ATA, исключается. Программно хост видит множество устройств, подклю­ченных к контроллеру, как набор каналов ATA, у каждого из которых имеется единственное ведущее устройство. Имеется возможность эмуляции пар устройств (ведущее — ведомое) на одном канале, если такая необходимость возникнет. Про­граммное взаимодействие с устройствами Serial ATA практически совпадает с прежним, набор команд соответствует ATA/ATAPI-5. В то же время аппаратная реализация хост-адаптера Serial ATA существенно отличается от традиционного  интерфейса ATA. В параллельном интерфейсе ATA хост-адаптер был простым средством, обеспечивающим программное обращение к регист­рам, расположенным в самих подключенных устройствах. В Serial ATA  хост-адаптер имеет блоки так называемых «теневых» регистров (Shadow Registers), совпадающих по назначению с обычными регистрами устройств ATA. Каждому подключенному устройству соответствует свой набор регистров. Обраще­ния к этим теневым регистрам вызывают процессы взаимодействия  хост-адаптера  с  подключенными устройствами и исполнение команд.

В стандарте рассматривается многоуровневая модель взаимодействия хоста и устройства, где прикладным уровнем является обмен командами, информацией о состоянии и хранимыми данными. На физическом уровне для передачи инфор­мации между контроллером и устройством используются две пары проводов. Дан­ные передаются кадрами, транспортный уровень формирует и проверяет коррек­тность информационных структур кадров (Frame Information Structure, FIS). Для облегчения высокоскоростной передачи на канальном уровне данные кодируются по схеме 8В/10В (8 бит данных кодируются 10-битным символом) и скремблируются, после чего по физической линии передаются по простейшему методу NRZ (уровень сигнала соответствует передаваемому биту). Между канальным и приклад­ным уровнем имеется транспортный уровень, отвечающий за доставку кадров. На каждом уровне имеются свои средства контроля достоверности и целостности.

В первом поколении Serial ATA данные по кабелю передаются со скоростью 1500 Мбит/с, что с учетом кодирования 8В/10В обеспечивает скорость 150 Мбайт/с (без учета накладных расходов протоколов верхних уровней). В дальнейшем  планируется повышать скорость передачи, и в интерфейсе заложена возможность согласования скоростей обмена по каждому каналу в соответствии с возмож­ностями хоста и устройства, а также качеством связи. Хост-адаптер имеет сред­ства управления соединениями, программно эти средства доступны через специ­альные регистры Serial ATA.

В стандарте предусматривается управление энергорежимом интерфейсов. Каж­дый интерфейс кроме активного состояния может находиться в состояниях PARTIAL и SLUMBER с пониженным энергопотреблением, для выхода из  которых требуется заметное время (10 мс). Команды, требующие передачи данных, могут исполняться в различных режимах  обмена. Обращение в режиме РIO и традиционный способ обмена по DMA (legacy DMA) выполняется аналогично параллельному интерфейсу ATA. Однако внутренний протокол обмена между хост-адаптером и устройствами позволяет передавать  между ними разноплановую информацию.

Последовательный интерфейс ATA, как и  параллельный АТА, пред­назначен для подключений устройств внутри компьютера. Длина кабелей не превы­шает 1 м, при этом все соединения радиальные, каждое устройство подключается к хост-адаптеру своим кабелем. В стандарте предусмотрена  возможность «горячей» замены. Стандарт определяет новый однорядный двухсегментный разъем с механическими ключами, препятствующими ошибочному подключению. Сигнальный сегмент име­ет 7 контактов (S1-S7), питающий — 15 (Р1-Р15); все контакты расположены в один ряд с шагом 1,27 мм. Назначение контактов приведено в табл. 1 (справочно). Малые размеры разъема (полная длина — около 36 мм) и малое количество цепей облег­чают компоновку системных плат и карт расширения. Питающий сегмент может отсутствовать (устройство может получать питание и от обычного 4-контактного разъема ATA). Вид разъемов приведен на рис. 1. Для обеспечения «горячего» подключения контакты разъемов имеют разную длину, в первую очередь соединя­ются контакты «земли», затем  контакты предзаряда  конденсаторов в цепях питания  (для уменьшения броска потребляемого тока), после чего соединяются основные питающие контакты и сигнальные цепи.

Таблица 1. Разъем Serial ATA

Рис. 1. Разъемы Serial ATA: a — полный разъем на устройстве, б — сигнальный сегмент кабельного разъема, в — питающий сегмент кабельного разъема, г — сигнальный сегмент разъема хост-адаптера, д — разъем хоста для непосредственного подключения устройства.

Каждое устройство, подключенное к адаптеру Serial ATA, представляется тремя блоками регистров, два из которых соответствуют традиционным регистрам ATA и называются «теневыми», третий блок — новый. Привязка адре­сов блоков к адресному пространству хоста стандартом не регламентируется; для PCI-контроллера блоки задаются регистрами конфигурационного пространства и «теневые» регистры могут располагаться по стандартным адресам ATA  с целью совместимости.  Разрядность некоторых  регистров увеличена  до 16.

Новый блок регистров SCR (Serial ATA Status and Control registers) состоит из 16 смежных 32-разрядных регистров SCR0-SCR15, из которых пока определены лишь 3 (остальные зарезервированы).

Сейчас уже ведутся работы над новой спецификацией Serial ATA II с большей пропускной способностью и специальными средствами для поддержки сетевых устройств хранения.