ATA-2 và ATA-3 được xem là cái đầu tiên của chế độ tốc độ cao cho chuyển giao dữ liệu qua giao diện parallel ATA, vào và ra ổ đĩa. Những chế độ nhanh hơn này là thành phần chính của cấu hình kỹ thuật mới hơn và là lý do chính mà chúng ban đầu được phát triển. Phần sau đây đề cặp đến những chế độ này.

Chế độ PIO (programmed I/O) xác định dữ liệu được truyền vào và ra ổ đĩa nhanh như thế nào bằng cách dùng những chuẩn giao PIO. Trong chế độ có thể chậm nhất – PIO Mode 0 – thời gian theo chu kỳ dữ liệu không thể vượt quá 600 nano giây (ns). Trong một chu kỳ đơn, 16 bit được truyền vào và ra ổ đĩa, tạo ra tốc độ truyền theo lý thuyết của PIO Mode 0 (thời gian chu kỳ 600 ns) 3.3MBps, ngược lại PIO Mode 4 (thời gian chu kỳ 120ns) đạt được tốc độ truyền 16.6MBps.

Phần lớn bo mạch chủ hỗ trờ ATA-2 hoặc lớn hơn đều có hai đầu nối ATA trên bo mạch. Hầu hết các chipset bo mạch chủ đều bao gồm giao diện ATA trong các thành phần South Bridge mà trong phần lớn hệ thống được liên kết bus PCI.

Các bo mạch 486 và một số bo mạch Pentium đầu tiên chỉ có đầu nối chính chạy thông qua bus nội tại PCI của hệ thống. Đầu nối thứ hai trên những bo mạch này thường chạy thông qua bus ISA và do đó hỗ trợ chỉ lên tới hoạt động Mode 2.

Khi được truy vấn tới một lệnh Identifi Drive, một ổ cứng trở về thông tin các chế độ PIO và DMA mà nó khả năng sử dụng. Phần lớn các BIOS được mở rộng tự động đặt chế độ dùng để phù hợp những khả năng của ổ đĩa. Nếu đặt một chế độ nhanh hơn ổ đĩa có thể kiểm soát sự sụp dữ liệu xảy ra.

Các ổ đĩa ATA-2 và mới hơn cũng thực hiện Block Mode PIO, nghĩa là chúng dùng các lệnh Đọc/Ghi gấp bội làm giảm tối đa số lượng ngắt được gửi đến bộ xử lý chủ. Điều này làm giảm chi phí và các chuyển giao kết quả thậm chí nhanh hơn.

Các ổ đĩa ATA cung hỗ trợ các sự truyền truy cập bộ nhớ trực tiếp (DMA: direct memory access). DMA nghĩa là dữ liệu được truyền trực tiếp giữa ổ đĩa và bộ nhớ không dùng CPU như một phương tiện trung gian, trái với PIO. Điều này có ảnh hưởng giảm tải việc truyền dữ liệu từ bộ xử lý, ảnh ưởng cho phép bộ xử lý làm nhiều việc khác trong khi việc truyền vẫn thực hiện.

Có hai loại truy cập bộ nhớ trực tiếp phân biệt: DMA singleword (8-bit) và DMA multiword (16-bit). Các chế độ DMA singleword được bỏ đi trong đặc điểm kỹ thuật ATA-3 và các đặc điểm kỹ thuật sau đó vì đã lỗi thời. Các chế độ DMA đôi khi được gọi là các chế độ ATA bus chủ (busmaster ATA) bởi vì chúng dùng một thiết bị tiếp hợp chủ hổ trợ chuẩn bus (bus-mastering). Thông thường dmas dựa vào bộ điều khiển DMA kế thừa trên bo mạch để thực hiện nhiệm vụ phức tạp: phân xử, tác động bus hệ thống và truyền dữ liệu. Trong trường hợp DMA mẫn chuẩn bus, tất cả được thực hiện bởi chip logic tốc độ cao hơn trong giao diện tiếp hợp chủ (cũng ở trên bo mạch chủ).

Các hệ thống dùng Intel PIIX (PCI IDE ISA eXcelerator) và sau này là các Chip South Bridge (hoặc tương đương) có khả năng hỗ trợ ATA bus chủ. Các chế độ ATA bus chủ singleword, double word và các tốc độ truyền được thể hiện trong bảng 7.7 và 7.8.

Nhận xét rằng các chế độ DMA multiword cũng được một số nhà sản xuất gọi là các chế độ DMA bus chủ. Không may, thậm chí multuword DMA Mode 2 nhanh nhất dẫn đến cùng tốc độ truyền 16.67MBps nư PIO Mode 4. Tuy nhiên, mặc dù tốc độ truyền giống như PIO, do DMA giảm tải nhiều công việc từ bộ xử lý, toàn bộ hiệu suất hệ thống cao hơn. Tuy vậy, các chế độ DMA multiword không bao giờ thông dụng và bị thay thế bở những chế độ Ultra-DMA mới hơn được hỗ trợ trong những thiết bị tương thích ATA-4 đến ATA-7.

Bảng 7.9 thể hiện các chế độ Ultra-DMA được hỗ trợ trong đặc điểm kỹ thuật ATA-4 đến ATA-7. Lưu ý rằng ban cần cài đặt những trình điều khiển đúng cho thiết bị tiếp hợp chủ và phiên bản Windows để dùng những tính năng này.

Với sự phát triển của ATA-8, dường như tiêu chuẩn parallel ATA hơn 10 năm sử dụng cuối cùng cũng đến sự kết thúc dòng sản phẩm. Gửi dữ liệu ở tốc độ nhanh hơn 133MBps xuống cáp dây song song thì đầy các loại sự cố do định thời gian tín hiệu, sự nhiễu điện từ (EMI: electromagnetic interference) và những sự cố tính toàn vẹn khác. Giải pháp được gọi là Serial ATA là sự thay thế tiến bộ cho giao diện lưu trữ vật lý parallel ẩ đáng kể. Khi đựt trong chế độ Non- AHCI/RAID, Serial ẩ tương thích phần mềm với Parallel ATA, nghĩa là nó mô phỏng hoàn toàn tất cả lệnh, thanh ghi và sự kiểm soát nên phần mềm hiện hữu sẽ chạy không có bất kỳ thay đổi nào. Mặt khác, BIOS, hệ điều hành và những tiện ích hiện hữu hoạt động được trên Parallel ATA cũng hoạt động được trên Serial ATA. 

Tất nhiên, về mặt vật lý chúng khác biệt bạn không thể cắm các ổ đĩa Parallel ATA và các thiết bị tiếp hợp chủ Serial ATA và ngược lại, mặc dù các bộ chuyển tín hiệu có khả năng. Những thay đổi vật lý làm tốt hơn do serial ATA dùng những cáp mảnh hơn, nhỏ hơn với chỉ 7 đường dẫn (conductor) dễ dàng hơn trong PC và dễ dàng hơn để cắm với những đầu nối cáp được thiết kế lại. Nhỏ hơn. Những thiết kế chip giao diện này cũng được cải tiến với ít chân hơn và điện ap thấp hơn. Nững cải tiến này tất cả được thiết kế để loại trừ những sự cố thiết kế cố hữu trong parallel ATA.

Hình 7.8 thể hiện biểu trưng nhóm hoạt động Serial ATA International Organization chính thức được sử dụng để nhận dạng phần lớn các thiết bị serial ATA.

Mặc dù serial ATA sẽ không ngay lập tức thay thế parallel ATA, phần lớn hệ thống mới theo sự tiêu chuẩn Serial ATA bao gồm giao diện Serial ATA kế bên giao diện Parallel ATA. Qua thời gian, SATA chủ yếu thay thế parallel ATA như giao diện thiết bị lưu trữ nội bộ tiêu chuẩn trên thực tế được tìm thấy trong các máy tính. Sự chuyển dịch từ ATA đến SATA là chuyển dịch dần dần và suốt sự chuẩn dịch này những khả năng parallel ATA sẽ tiếp tục hiện diện.

Sự phát triển cho serial ATA bắt đầu khi nỗ lực của Serial ATA Working Group được công bố tại Intel developer forum vào tháng 2 năm 2000. Những thành viên đầu tiên của Serial ATA Working Group bao gồm APT Technologies, Dell, IBM, Intel, Maxtor, Quantum và seagate. Nhóm này sau đó được biết như Serial ATA II Working group. Cuối dùng vào tháng 7 năm 2004 nó trở thành Serial ATA International Organization. Những đặc điểm kỹ thuật SATA được những nhóm này phát hành như sau:

Đăc điểm kỹ thuật phác thảo Serial ATA 1.0 đầu tiên được phát hành vào tháng 10 năm 2000 và được xuất bản chính thức như đặc điểm kỹ thuật cuối cùng vào tháng 8 năm 2001.

Những mở rộng của Serial ATA II Working Group đầu tiên cho đặc điểm kỹ thuật này, làm cho Serial ATA phù hợp với  lưu trữ mạng, được phát hành vào tháng 10 năm 2002.

SATA Revision 2 được phát hành vào tháng 4 năm 2004. Nó được thêm vào tốc độ truyền tín hiệu 3Gbps (300MBps).

SATA Revision 2.5 được phát hành vào tháng 8 năm 2005. Ngoài truyền tín hiệu 3Gbps, nó được thêm vào Native Command Queuing (NCQ), quay so le (staggered spin-up), cắm nóng (hot plug), cổng  hệ số nhân (port multiplier) và hỗ trợ eSATA.

SATA Revision 2.6 được phát hành vào tháng 3 năm 2007. Nó được thêm vào cáp và các đầu nối mảng và nhỏ nội bộ cũng như các sửa đổi với Native Command Queuing (NCQ).

SATA Revision 3 được phát hành năm 2009. Nó được thêm vào tốc độ truyền tín hiệu 6Gbps (600MBps).

Cấu hình kỹ thuật có thể được tải xuống từ trang web Serial ATA International Organization http://www.serialata.org. Từ khi hinhfthanhf. Nhóm phát triển có hơn 130 công ty đóng góp và chấp nhận từ tất cả vùng công nghiệp. Hệ thống dùng Serial ATA đầu tiên được phát hành vào cuối năm 2002 sử dụng những bo và chip giao diện PCI riêng rẽ. SATA cuối cùng cũng được tích hợp trực tiếp vào chipset bo mạch vào tháng 4 năm 2003 với sự giới thiệu của thành phần chipset Intel ICH5. Từ đó, phần lớn chipset bo mạch mới bao gồm Serial ATA.

Tốc độ của SATA thì ấn tượng ,ặc dù những thiết kế ổ cứng hiện hành không thể lấy hoàn toàn lợi thế băng thông của nó. Điều này có thể thay đổi một chút như các ổ đĩa hybrid kết hợp với các bộ nhớ đẹm bộ nhớ nhanh hơn cũng như các SSD tốc đô cao (solid-state drives). Ba sự biến đổi trong tiêu chuẩn đều được đề nghị dùng cáp và đầu nối; chúng chỉ khác về thể hiện tốc độ truyền. Bảng 7.10 thể hiện những đặc điểm kỹ thuật; phiên bản 300MBps thế hệ thứ hai (3.0Gbps) có khả năng vào năm 2005, trong khi những phiên bản 600MBps thế hệ thứ ba (6.0Gbps) có khả năng vào năm 2009.

Từ bảng 7.10, Serial ATA gửi dữ liệu chỉ một bit đơn tại một thời điểm. Cáp được dùng chỉ có bảy dây kim loại (bốn cho tín hiệu và ba cho tiếp đất) và thiết kế rất mảng với các đầu nối được khóa chốt chỉ rộng 14mm(0.55’’) mỗi đầu. Điều này loại bỏ các sự cố khí lưu so sánh với những cáp dây Parallel ATA rộng hơn. Mỗi cáp có những đầu nối chỉ ở tại mỗi đầu là mỗi cáp kết nối thiết bị trực tiếp đến thiết bị tiếp hợp chủ (điển hình trên bo mạch). Không có những thiết lập chính/phụ bởi vì mỗi cáp chỉ hỗ trợ một thiết bị đơn. Các đầu cáp thì có thể thay thế cho nhau đầu nối trên bo mạch thì giống với đầu nối trên thiết bị và cả hai đầu cáp thì giống hệt nhau. Tối đa độ dài cáp SATA là 1 mét (39.37”), dài hơn đáng kể chiều dài tối đa 18” cho pararallel ATA. Thậm chí với cáp rẻ hơn, dài hơn, mảnh hơn đầu tiên bạn đạt tốc độ truyền 150MBps (gần 13% lớn hơn Parallel ATA/133). Serial ATA thế hệ thứ hai hỗ trợ 300Mbps, SATA thế hệ thứ ba sẽ hỗ trợ 600Mbps.

Serial ATA dùng sự sắp xếp mã hóa đặc biệt được gọi là 8B/10B để mã hóa và giải mã dữ liệu được gửi theo cáp. Mã truyền động 8B/10B ban đầu được phát triển (và được cấp bằng sáng chế) bởi IBM vào đầu những năm 198 cho sử dụng liên lạc dữ liệu tốc độ cao. Sự sắp xếp mã hóa này nay được dùng bởi nhiều tiêu chuẩn truyền dữ liệu tốc độ cao, bao gồm Gigabit Ethernet, Fibre Channel, FireWire và những tiêu chuẩn khác. Mục đích chính của sự sắp xếp mã hóa 8B/10B là đảm bảo không bao giờ có nhiều hơn bốn 0s (hay 1S) được truyền liên tục. Đây là hình thức của mã hóa bị hạn chế chiều dài liên tục (RLL: run length limited) được gọi là RLL 0,4 trong đó 0 đại diện số tối thiểu và 4 đại diện số tối đa các số 0s hay 1s liên tục trong mỗi ký tự được mã hóa.

Mã hóa 8B/10B cũng đảm bảo không bao giờ có nhiều hơn sáu hay ít hơn bốn 0s (hay 1s) trong một kí tự 10 bit được mã hóa đơn. Bởi vì các 1s và 0s được gửi như những thay đổi điện áp trên một dãy kim loại, điều này đảm bảo khoảng cách giữa những sự chuyển tiếp điện áp được gửi bới bộ phát (transmitter) thì khá cân bằng, với mọt dòng xung bình thường và đều đặn. Điều này thể hiện một tài điều đặn hơn trên những mạch điện, tăng độ tin cậy. Sự chuyển đổi từ các kí tự được mã hóa 8 bit dữ liệu đến 10 bit cho sự chuyên giao để lại vài mẫu 10 bit không được sử dụng. Nhiều trong số những mẫu thêm này được dùng để cung cấp điều khiển dòng, phân định những gói dữ liệu, thực hiện kiểm tra lỗi, hay thực hiện những chức năng đặc biệt khác.