Интерфейс, используемый для подключения жестких дисков и оптических накопителей к современным компьютерам, обычно называют IDE (Integrated Drive Electronics — встроенный интерфейс накопителей); однако я всегда подчеркиваю, что официальное название интерфейса — ATA (AT Attachment). В нем отражено то, что данный интерфейс изначально был предназначен для подключения комбинации накопителя и контроллера к 16-разрядной шине представленного в 1984 году компьютера IBM AT, а также совместимых с ним. Шина AT больше известна как ISA (Industry Standard Architecture — архитектура шины промышленного стандарта). Хотя официально интерфейс называется ATA, часто используется маркетинговое название IDE, которое некоторые производители накопителей также применяют для описания комбинации накопителя и контроллера ATA. Название Integrated Drive Electronics говорит о том, что электроника интерфейса или контроллера встроена в накопитель, а не расположена на отдельной плате, как в устройствах предыдущих поколений. Поэтому, несмотря на официальное техническое” название ATA, название IDE получило гораздо большее распространение. Но выход из подобной ситуации, безусловно, существует: под IDE следует понимать любой интерфейс накопителя, который характеризуется встроенным контроллером, в то время как под ATA — конкретную реализацию IDE, используемую в большинстве современных ПК.
На протяжении многих лет интерфейс ATA использовался для подключения не только жестких дисков, но и оптических накопителей (CD и DVD), накопителей на гибких магнитных дисках (дисководов), приводов SuperDisk и Zip, а также некоторых накопителей на магнитной ленте. Несмотря ни на что ATA все еще считается, прежде всего, интерфейсом для подключения жестких дисков; к его предшественникам относились интерфейсы, предполагающие использование комбинации из жесткого диска и отдельной платы контроллера. В настоящей главе рассматриваются стандартная параллельная версия ATA, а также новый последовательный интерфейс Serial ATA. Кроме того, здесь кратко упоминаются исходные интерфейсы, на основе которых возник ATA. Поскольку интерфейс ATA напрямую интегрирован практически во все наборы микросхем, это основной интерфейс подключения устройств хранения, используемый в большинстве ПК.
Изначально ATA представлял собой 16-разрядный параллельный интерфейс, что означает возможность одновременной передачи по кабелю 16 бит данных. Новый интерфейс, который называется Serial ATA, был официально представлен в конце 2000 года; впервые он появился в настольных системах в 2003 году, а в портативных компьютерах — в конце 2005 года. Интерфейс Serial ATA (SATA) передает данные по кабелю по одному биту за такт, что означает возможность использования более тонких кабелей, а также обеспечение более высокого быстродействия благодаря меньшим задержкам и скорости передачи данных. SATA — совершенно новый физический интерфейс, однако на программном уровне он совместим с предыдущей реализацией ATA, которая в последнее время получила новое название — Parallel ATA (параллельный ATA). В настоящей книге под ATA подразумевается как параллельная, так и последовательная версия этого интерфейса. При указании параллельной версии будет использоваться название Parallel ATA (PATA), а последовательной — Serial ATA (SATA).
За время существования персональных компьютеров использовалось множество интерфейсов подключения жестких дисков. С каждым новым поколением компьютеров появляются новые интерфейсы, в то же время старые отмирают и в современных системах не используются.
Основная функция контроллера накопителя, или интерфейса, — передача данных из системы в накопитель и обратно. От типа интерфейса зависит, с какой скоростью будут осуществляться эти операции, что во многом определяет общую производительность компьютера. Приводимые в технической литературе статистические данные не всегда точно отражают истинное положение дел. Я постараюсь отделить мифы, основанные на чересчур завышенных показателях, от реальности.
За время существования ПК было разработано несколько интерфейсов. В табл. 7.1 приведены типы интерфейсов и период их использования.
Таблица 7.1. Интерфейсы жестких дисков
Из них только первые два можно считать настоящими интерфейсами между контроллером и диском, и все они устарели. Версии интерфейса IDE (не ATA) использовались в основном в системах PS/2 и тоже отжили свое. Современные SCSI, ATA и SATA — это интерфейсы системного уровня, в которых контроллер одного из первых двух типов выполнен в виде набора микросхем и встроен в диск. Например, в большинстве дисков SCSI, IDE и SATA установлено устройство, собранное по той же схеме, что и автономный контроллер ESDI. В интерфейсе SCSI между контроллером и системной шиной вводится еще один уровень организации данных и управления, а IDE и SATA взаимодействуют непосредственно с системной шиной. Несмотря на эти отличия платы SCSI, ATA и Serial ATA именуются не платами контроллера, а адаптерами интерфейса, так как реальные контроллеры встраиваются непосредственно в накопители на жестких дисках. Практически все современные накопители подключаются к ПК с помощью интерфейсов ATA, Serial ATA и SCSI.
Происхождение IDE
Как уже отмечалось, IDE (Integrated Drive Electronics) — это обобщающий термин, применимый практически к каждому дисководу со встроенным контроллером. Хотя, говоря IDE”, мы обычно подразумеваем конкретную реализацию этого интерфейса, называемую ATA. Комбинирование контроллера и привода в одном устройстве существенно упрощает процесс установки, поскольку устройство и контроллер не нужно соединять отдельным шлейфом. При этом общее количество компонентов уменьшается, пути прохождения сигналов становятся короче, а электрические соединения — более помехоустойчивыми. В результате данная конфигурация выигрывает в отношении как себестоимости, так и надежности.
Объединяя контроллер (в том числе входящий в его состав шифратор/дешифратор) с жестким диском, удается существенно повысить надежность воспроизведения данных по сравнению с системами, в которых используются автономные контроллеры (ST506 и ESDI). Происходит это потому, что кодирование данных и их преобразование из цифровой формы в аналоговую (и наоборот) осуществляется непосредственно в жестком диске при меньшем уровне внешних помех. В результате аналоговые сигналы, временные параметры которых весьма критичны, не передаются по плоским кабелям, где они могли бы набрать” помех; кроме того, при передаче сигналов по кабелям могут возникнуть непредсказуемые задержки их распространения. В конечном счете совмещение контроллера и жесткого диска в едином блоке позволило повысить тактовую частоту шифратора/дешифратора, плотность размещения данных на носителе и общее быстродействие системы.
Интеграция контроллера в жесткий диск освободила разработчиков от необходимости строго следовать стандартам, что было неизбежно при использовании прежних интерфейсов. Взаимно согласованная и подогнанная” пара жесткий диск–контроллер” обладает гораздо большим быстродействием по сравнению с прежними комбинациями автономных устройств.
Ранние диски IDE назывались жесткими платами и представляли собой ничто иное, как упакованные в один корпус контроллеры и диски, вставляемые в качестве единого устройства в специальный разъем. Некоторые компании, например Plus Development (подразделение Quantum), поступали следующим образом: прикрепляли небольшие жесткие диски формата
3,5 дюйма (в стандарте ST-506/412 или ESDI) непосредственно к платам стандартных контроллеров. Полученный модуль вставлялся в разъем шины, как обычный контроллер жесткого диска. Но когда тяжелый, вибрирующий жесткий диск устанавливается в разъем расширения и крепится всего одним винтом, это, естественно, — далеко не лучшая ситуация, не говоря уже о том, что такой модуль упирается в соседние платы, поскольку он намного толще обычного адаптера.
Некоторые компании пошли другим путем и переработали конструкцию контроллера, установив его вместо платы управления в стандартном жестком диске. При этом сам жесткий диск монтируется обычным образом в предназначенном для него отсеке. Конечно, как и любое другое устройство компьютера, встроенный контроллер таких жестких дисков необходимо подключать к шине. Делается это с помощью кабеля, соединяющего жесткий диск с одним из разъемов. Такой подход стал прародителем интерфейса IDE.
Интерфейсы IDE для различных системных шин
Существуют следующие основные разновидности IDE, рассчитанные на взаимодействие со стандартными шинами.
■ Serial AT Attachment (SATA)
■ Параллельный ATA IDE (16-разрядная шина ISA)
■ XT IDE (8-разрядная шина ISA)
■ MCA IDE (16-разрядная шина MCA)
В настоящее время из всех перечисленных типов используются только версии ATA. Уже появились более быстрые и мощные версии интерфейсов ATA и SATA; в частности, улучшенные варианты ATA получили название ATA-2 и далее. Иногда эти версии называют также EIDE (Enhanced IDE), Fast-ATA, Ultra-ATA или Ultra-DMA. Несмотря на все возможности последней версии ATA-7, в целом интерфейс SATA демонстрирует более высокую производительность и функциональность.
В 1987 году компания IBM разработала накопители IDE микроканальной архитектуры MCA (Micro Channel Architecture), предназначенные для систем типа PS/2 модели 70 и подключаемые к системной шине с помощью адаптера, именуемого промежуточной или коробочной” платой. Для реализации шинного адаптера подобного типа (также называемого интерфейсной платой) требовалось лишь несколько микросхем буферизации, без использования реальной интегральной схемы, так как встроенные в жесткие диски IDE контроллеры разрабатывались с учетом прямого подключения к шине. Название коробочная плата” произошло от внешнего сходства адаптера с портативными игровыми приставками или адаптерами джойстиков, в которых содержится лишь несколько электронных схем. В накопителях MCA IDE применялись нестандартные 72-контактные разъемы, предназначенные только для систем с шиной MCA.
Накопители IDE с 8-разрядным интерфейсом впервые появились в 8-разрядных системах ISA, к которым относится, например, компьютер PS/2 модели 30. В интерфейсе IDE систем XT также использовались 40-контактные разъемы, которые похожи на разъемы, применяемые в 16-разрядных моделях, но не совместимы с ними. Версии MCA и XT интерфейса IDE не получили широкого распространения и через несколько лет полностью исчезли с компьютерного рынка.
Примечание
Важно отметить, что в качестве промышленного стандарта был принят только интерфейс ATA IDE. Интерфейсы XT IDE и MCA IDE никогда таковыми не являлись и поэтому не получили широкого распространения. Эти интерфейсы сняты с производства - во всяком случае в новых компьютерах они не используются.
В большинстве новых компьютеров по крайней мере два разъема ATA установлены непосредственно на системной плате. Кроме того, иногда присутствует еще два разъема для установки дополнительных дисков ATA, работающих в качестве независимых устройств или же массива RAID. Если каких-либо разъемов нет, то для подключения к компьютеру накопителя ATA IDE можно использовать дополнительную плату адаптера с разъемом ISA или PCI. На некоторых платах монтируются дополнительные устройства, например специализированная ROM BIOS или кэш-память.
В настоящее время используются только параллельные и последовательные ATA-версии интерфейса IDE, о которых и пойдет речь в этой главе. Происхождение ATA
Прототип накопителя ATA IDE, или 40-контактный разъем IDE, был разработан совместными усилиями компаний CDC, Western Digital и Compaq. Первым устройством ATA IDE стал жесткий диск формата 5,25 дюйма и емкостью 40 Мбайт, выпущенный CDC. В нем использовался встроенный контроллер компании Western Digital, а устанавливались эти диски в первых компьютерах Compaq 386 (1986 год). Помнится, когда этот диск был впервые представлен на ярмарке Comdex в 1986 году, меня больше всего поразили широкий 40-жильный шлейф и зеленый мерцающий индикатор (до этого все индикаторы активности устройств были красными).
Компания Compaq впервые представила в выпускаемых компьютерах специальный шинный адаптер, обеспечивший подключение 98-контактного краевого разъема шины АТ (также известной как ISA), расположенного на системной плате, к меньшему 40-контактному разъему, применяемому для соединения с накопителем. 40-контактного разъема оказалось вполне достаточно, поскольку контроллеру жесткого диска хватало 40 линий шины ISA. В меньших по размеру 2,5-дюймовых накопителях АТА, применяемых в портативных компьютерах, используется расширенный 44-контактный разъем, содержащий дополнительные контакты питания. Стандартному контроллеру жесткого диска АТ требуются только сигнальные контакты оригинальной шины ISA, поддерживаемые шиной АТА. Например, поскольку первичный контроллер диска АТ задействует лишь линию запроса прерывания 14 (IRQ 14), основной разъем системной платы АТА предоставляет только эту линию запроса, не требуя использования других линий IRQ. Даже в том случае, если интерфейс АТА встроен в такой компонент набора микросхем системной логики, как южный мост или контроллер ввода-вывода (что типично для современных компьютеров), и работает на высоких тактовых частотах шины данных, схема расположения выводов и функциональное назначение контактов не отличаются от оригинальной конструкции шины ISA.
Примечание
Многие пользователи полагают, что в компьютерах, в которых разъем IDE установлен на системной плате, контроллер жесткого диска расположен на ней же. На самом деле это не так: контроллер находится в самом жестком диске. Несмотря на то что интегрированные в материнскую плату порты ATA часто называют контроллерами, с технической точки зрения их правильнее было бы называть адаптерами контроллеров (хотя мне никогда не приходилось слышать такой термин), т.е. устройствами, подключающими контроллер к шине.
Через некоторое время 40-контактный разъем и метод построения дискового интерфейса были представлены на рассмотрение в Комитет по стандартам при ANSI. Совместными усилиями этого института и компаний-изготовителей были устранены некоторые шероховатости, подчищены хвосты”, и в марте 1989 года был опубликован стандарт на интерфейсы, известный как CAM ATA. Однако еще до появления этого стандарта многие компании, например Conner Peripherals, вслед за CDC внесли некоторые изменения в первоначальную конструкцию. В результате многие старые накопители ATA очень трудно объединять в двухдисковую конфигурацию, принятую в современных системах. К началу 1990-х годов большинство производителей жестких дисков привели выпускаемые устройства в соответствие официальному стандарту, что решило все проблемы совместимости.
Некоторые разделы стандарта ATA не конкретизированы, и изготовителям предоставлена определенная свобода творчества при введении собственных команд и функций. Кстати,именно поэтому низкоуровневое форматирование накопителей IDE превратилось в столь сложную проблему. Программа форматирования при перезаписи заголовков секторов и создании карты дефектов должна обладать возможностью использования набора команд, разработанного для конкретной модели жесткого диска. К сожалению, при таком подходе размывается само понятие стандарт”. Большинство производителей жестких дисков публикуют программы низкоуровневого форматирования на своих сайтах поддержки.
Примечание
Многие путают 16- и 32-разрядные подключения жестких дисков с 16- и 32-разрядными шинами. Подключение к шине PCI позволяет установить 32-разрядное (а в некоторых версиях и 64-разрядное) соединение между шиной и управляющим интерфейсом ATA, который обычно находится в южном мостe или контроллере ввода-вывода набора микросхем системной логики. В то же время параллельный интерфейс PATA между управляющим интерфейсом и самим устройством является 16-разрядным. Таким образом, одновременная передача данных между устройством и управляющим интерфейсом на материнской плате осуществляется всего по 16 каналам. Несмотря на это тактовая частота интерфейса ATA достаточно высока, чтобы обслужить один или два жестких диска при полной утилизации 16-разрядного канала. То же самое справедливо и для интерфейса SATA: несмотря на то что одновременно передается только один бит, этот интерфейс способен обеспечить экстремально высокие скорости передачи данных.
Стандартная шина PАТА представляет собой 16-разрядный параллельный интерфейс, т.е. по интерфейсному кабелю одновременно передается 16 бит данных (разрядов). Интерфейс SATA обеспечивает единовременную передачу по кабелю только одного бита данных, что позволяет уменьшить геометрические размеры используемого кабеля и обеспечить более высокую эффективность его работы, которая достигается за счет повышения циклической частоты передачи информации. На рис. 7.1 сравниваются размеры кабелей питания и данных шины SATA с геометрическими параметрами кабелей для параллельного интерфейса АТА (PATA).
Рис. 7.1. Кабели питания/данных SATA обладают гораздо меньшим размером, чем кабели параллельного интерфейса АТА Основным преимуществом накопителей АТА по сравнению со старыми интерфейсами, созданными на основе отдельных контроллеров, а также более современными хост-интерфейсами шины данных, к которым относятся SCSI и IEEE-1394 (iLink или FireWire), является их низкая стоимость. Отсутствие отдельных контроллеров или хост-адаптеров позволяет упростить структуру кабельного соединения, благодаря чему стоимость накопителей АТА значительно ниже, чем стоимость комбинации стандартного контроллера и накопителя.
В контексте рабочих характеристик накопители АТА являются одними из наиболее эффективных устройств, несмотря на то что могут быть отнесены и к числу довольно низкопроизводительных. Противоречивость этих утверждений стала результатом широкого разнообразия накопителей данного типа. Каждый накопитель по-своему уникален, поэтому сделать какие-либо обобщения практически невозможно. Тем не менее модели высокого класса по своим рабочим характеристикам ничем не уступают накопителям других типов, представленным на рынке однопользовательских однозадачных операционных систем.
Если прочитаная статья из нашей обширной энциклопедия компьютера - "Интерфейс ATA/IDE.История развития интерфейса IDE", оказалась полезной или интересной, Вы можете поставить закладку в социальной сети или в своём блоге на данную страницу:
Так же Вы можете задать вопрос по статье через форму обратной связи, в сообщение обязательно указывайте название или ссылку на статью!
Обсудить статью на форуме