Интерфейс АТА

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

БУРЯТСКИЙ ФИЛИАЛ ГОУ ВПО «СибГУТИ»

Кафедра ИВТ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

По дисциплине: «Организация ЭВМ»

На тему: «Интерфейс АТА»

Специальности: 230100 ИВТ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Улан-Удэ

2011

 

 

Оглавление

 

Введение.

Современный информационный мир невозможно представить без персональных компьютеров, микро ЭВМ, поскольку их значение имеет важную роль в современном  информационном мире. Канули в лету те времена, когда ЭВМ занимали целые  здания, но на сегодняшний день нам они представлены в виде микро ЭВМ, очень много времени прошло и много изменений произошло на этом промежутки времени, одно поколение компьютеров сменялось другим совершенствовалось практически все от внешнего вида до его возможностей.

Условно части ЭВМ можно разделить  на основные устройства и периферийные. К основным устройствам относят  процессор и память, а к периферийным все остальное, в том числе  и устройства для долговременного  хранения данных (жесткий диск). Невозможно представить без жесткого диска современный ПК, так как вся информация располагалась именно на нем, в том числе и Операционная Система, которая осуществляет непосредственный интерфейс между пользователем и аппаратной части ЭВМ, то присутствие жесткого диска на ПК просто необходимо. Существует различное множество жестких дисков, соответственно существует и множество интерфейсов винчестеров, среди которых и встречается ATA.

 

 

 

 

1.История

1.1 История создания интерфейса АТА .

 ATA (англ. Advanced Technology Attachment — присоединение по передовой технологии) — параллельный интерфейс подключения накопителей (жёстких дисков и оптических приводов) к компьютеру. В 1990-е годы был стандартом на платформе IBM PC; в настоящее время вытесняется своим последователем — SATA и с его появлением получил название PATA (Parallel ATA).

Предварительное название интерфейса было PC/AT Attachment («Соединение с PC/AT»), так как он предназначался для подсоединения к 16-битной шине ISA, известной тогда как шина AT. В окончательной версии название переделали в «AT Attachment» для избежания проблем с торговыми марками.

Первоначальная версия стандарта  была разработана в 1986 году фирмой Western Digital и по маркетинговым соображениям получила название IDE (англ. Integrated Drive Electronics — «электроника, встроенная в привод»). Оно подчеркивало важное нововведение: контроллер привода располагается в нём самом, а не в виде отдельной платы расширения, как в предшествующем стандарте ST-506 и существовавших тогда интерфейсах SCSI и ST-412. Это позволило улучшить характеристики накопителей (за счёт меньшего расстояния до контроллера), упростить управление им (так как контроллер канала IDE абстрагировался от деталей работы привода) и удешевить производство (контроллер привода мог быть рассчитан только на «свой» привод, а не на все возможные; контроллер канала же вообще становился стандартным). Следует отметить, что контроллер канала IDE правильнее называть хост-адаптером, поскольку он перешёл от прямого управления приводом к обмену данными с ним по протоколу.

В стандарте АТА определён  интерфейс между контроллером и  накопителем, а также передаваемые по нему команды.

Интерфейс имеет 8 регистров, занимающих 8 адресов в пространстве ввода-вывода. Ширина шины данных составляет 16 бит. Количество каналов, присутствующих в системе, может быть больше 2. Главное, чтобы адреса каналов не пересекались с адресами других устройств ввода-вывода. К каждому каналу можно подключить 2 устройства (master и slave), но в каждый момент времени может работать лишь одно устройство.

Принцип адресации CHS заложен  в названии. Сперва блок головок  устанавливается позиционером на требуемую  дорожку (Cylinder), после этого выбирается требуемая головка (Head), а затем  считывается информация из требуемого сектора (Sector).

Стандарт EIDE (англ. Enhanced IDE — «расширенный IDE»), появившийся вслед за IDE, позволял использование приводов ёмкостью, превышающей 528 Мб (504 МиБ), вплоть до 8,4 Гб. Хотя эти аббревиатуры возникли как торговые, а не официальные названия стандарта, термины IDE и EIDE часто употребляются вместо термина ATA. После введения в 2003 году стандарта Serial ATA («последовательный ATA»), традиционный ATA стали именовать Parallel ATA, имея в виду способ передачи данных по параллельному 40- или 80-жильному кабелю.

Поначалу этот интерфейс  использовался с жёсткими дисками, но затем стандарт был расширен для  работы и с другими устройствами, в основном — использующими сменные носители. К числу таких устройств относятся приводы CD-ROM и DVD-ROM, ленточные накопители, а также дискеты большой ёмкости, такие, как ZIP и магнитооптические диски (LS-120/240). Кроме того, из файла конфигурации ядра FreeBSD можно сделать вывод, что на шину ATAPI подключали даже FDD (дискета). Этот расширенный стандарт получил название Advanced Technology Attachment Packet Interface (ATAPI), в связи с чем полное наименование стандарта выглядит как ATA/ATAPI.

Первоначальные расширения ATA для работы с приводами CD-ROM не обладали полной совместимостью и являлись фирменными. В результате, для подключения CD-ROM было необходимо устанавливать  отдельную плату расширения, специфичную для конкретного производителя, например для Panasonic (существовало не менее 5 специфичных вариантов ATA, предназначенных для подключения CD-ROM). Некоторые варианты звуковых карт, например Sound Blaster, оснащались именно такими портами.

Другим важным этапом в развитии ATA стал переход от PIO (англ. Programmed input/output — программный ввод/вывод) к DMA (англ. Direct memory access — прямой доступ к памяти). При использовании PIO считыванием данных с диска управлял центральный процессор компьютера, что приводило к повышенной нагрузке на процессор и замедлению работы в целом. По причине этого компьютеры, использовавшие интерфейс ATA, обычно выполняли операции, связанные с диском, медленнее, чем компьютеры, использовавшие SCSI и другие интерфейсы. Введение DMA существенно снизило затраты процессорного времени на операции с диском.

В данной технологии потоком  данных управляет сам накопитель, считывая данные в память или из памяти почти без участия процессора, который выдаёт лишь команды на выполнение того или иного действия. При этом жёсткий диск выдаёт сигнал запроса DMARQ на операцию DMA контроллеру. Если операция DMA возможна, контроллер выдаёт сигнал DMACK и жёсткий диск начинает выдавать данные в 1-й регистр (DATA), с которого контроллер считывает данные в память без участия процессора.

Операция DMA возможна, если режим поддерживается одновременно BIOS, контроллером и операционной системой, в противном случае возможен лишь режим PIO.

В дальнейшем развитии стандарта (АТА-3) был введён дополнительный режим UltraDMA 2 (UDMA 33).

Этот режим имеет  временные характеристики DMA Mode 2, однако данные передаются и по переднему, и  по заднему фронту сигнала DIOR/DIOW. Это  вдвое увеличивает скорость передачи данных по интерфейсу. Также введена проверка на чётность CRC, что повышает надёжность передачи информации.

В истории развития ATA был ряд барьеров, связанных с  организацией доступа к данным. Большинство  из этих барьеров, благодаря современным  системам адресации и технике  программирования, были преодолены. К их числу относятся ограничения на максимальный размер диска в 504 МиБ, около 8 ГиБ, около 32 ГиБ, и 128 ГиБ. Существовали и другие барьеры, в основном связанные с драйверами устройств, и организацией ввода/вывода в операционных системах, не соответствующих стандартам ATA.

Оригинальная спецификация АТА предусматривала 28-битный режим  адресации. Это позволяло адресовать 2²⁸ (268 435 456) секторов по 512 байт каждый, что давало максимальную ёмкость в 137 Гб (128 ГиБ). В стандартных PC BIOS поддерживал до 7,88 ГиБ (8,46 Гб), допуская максимум 1024 цилиндра, 256 головок и 63 сектора. Это ограничение на число цилиндров/головок/секторов CHS (Cyllinder-Head-Sector) в сочетании со стандартом IDE привело к ограничению адресуемого пространства в 504 МиБ (528 Мб). Для преодоления этого ограничения была введена схема адресации LBA (Logical Block Address), что позволило адресовать до 7,88 ГиБ. Со временем и это ограничение было снято, что позволило адресовать сначала 32 ГиБ, а затем и все 128 ГиБ, используя все 28 разрядов (в АТА-4) для адресации сектора. Запись 28-битного числа организована путём записи его частей в соответствующие регистры накопителя (с 1 по 8 бит в 4-й регистр, 9-16 в 5-й, 17-24 в 6-й и 25-28 в 7-й).

Адресация регистров  организована при помощи трёх адресных линий DA0-DA2. Первый регистр с адресом 0 является 16-разрядным и используется для передачи данных между диском и контроллером. Остальные регистры 8-битные и используются для управления.

Новейшие спецификации ATA предполагают 48-битную адресацию, расширяя таким образом возможный предел до 128 ПиБ (144 петабайт).

Эти ограничения на размер могут проявляться в том, что  система думает, что объём диска  меньше его реального значения, или  вовсе отказывается загружаться  и виснет на стадии инициализации жёстких дисков. В некоторых случаях проблему удаётся решить обновлением BIOS. Другим возможным решением является использование специальных программ, таких, как Ontrack DiskManager, загружающих в память свой драйвер до загрузки операционной системы. Недостатком таких решений является то, что используется нестандартная разбивка диска, при которой разделы диска оказываются недоступны, в случае загрузки, например, с обычной DOS-овской загрузочной дискеты.

1.2 История развития интерфейса АТА

За время существования ПК было разработано несколько интерфейсов. В табл. 7.1 приведены типы интерфейсов и период их использования. С каждым новым поколением компьютеров появляются новые интерфейсы, в то же время старые отмирают и в современных системах не используются.

Таблица 1.1. Интерфейсы жестких дисков

Интерфейс	Когда использовался
ST-  506/412	1978 -1989 годы (устарел)
ESDI	1983 - 1991 годы (устарел)
IDE	1987–1993 годы (устарел)
SCSI	С 1986 года по настоящее  время
IDE (Parallel ATA)	С 1986 года по настоящее время
Serial ATA	С 2003 года по настоящее  время

 

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.

2.Описание

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).

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 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.

2.1 Стандарт АТА-1

Стандарт ATA-1 определяет оригинальный интерфейс AT Attachment (интегрированный интерфейс шины между дисковыми устройствами и адаптером к шине ISA). В спецификации

ATA_1 были определены и документированы  следующие основные свойства:

• 40/44_контактный разъем и кабель;
• параметры выбора конфигурации диска (ведущий/ведомый);
• параметры сигналов для основных режимов PIO (программируемый ввод-вывод) и DMA (прямой доступ к памяти);
• преобразование параметров накопителя CHS (Cylinder Head Sector) и LBA (Large Block Address) для устройств емкостью до 267386880 секторов (136,9 Гбайт).

Хотя интерфейс ATA_1 используется с 1986 года, работу по его превращению  в официальный стандарт Комитетом CAM (Common Access Method — общий метод доступа) начал только в 1988 году. Стандарт ATA-1 был завершен и официально опубликован  в 1994 году под названием ANSI X3.221_1994, AT Attachment Interface for Disk Drives. Официально его поддержка была прекращена 6 августа 1999 года.