Интерфейс АТА

Хотя стандарт ATA-1 теоретически поддерживает диски емкостью до 136,9 Гбайт (228–220 =267386880 секторов), он не позволил обойти ограничения BIOS, из-за чего максимальный объем дисков составил 528 Мбайт (102416 . 63 = 1032192 сектора). Ограничения BIOS удалось обойти только в последующих версиях стандарта ATA, поскольку на то время жестких

дисков объемом более 528 Мбайт  не существовало.

2.2 Стандарт ATA-2

Этот стандарт, опубликованный в 1996 году, представляет собой расширение первоначального стандарта ATA (IDE). Наиболее существенные дополнения таковы:

• возможность работы в режимах быстрого программного ввода-вывода (Faster PIO) и прямого доступа к памяти (DMA);
• поддержка расширенной системы управления питанием;
• поддержка съемных устройств;
• поддержка устройств PCMCIA (PC Card);
• поддержка команды Identify Drive, с помощью которой можно получить дополнительные сведения о диске;
• стандарт CHS/LBA, определенный для дисков емкостью до 8,4 Гбайт.

Наиболее важным нововведением  в стандарте ATA_2 была поддержка более  быстродействующих режимов PIO и DMA, а  также накопителей объемом до 8,4 Гбайт на уровне BIOS, поскольку, несмотря на поддержку стандартом ATA_1 дисков емкостью до 136,9 Гбайт, первые версии PC BIOS позволяли работать с дисками объемом не более 528 Мбайт. Добавление функции трансляции параметров позволило увеличить объем поддерживаемых BIOS накопителей до 8,4 Гбайт. Подробнее об этом речь пойдет ниже.

Кроме того, ATA-2 вносит некоторые изменения  в команду идентификации жесткого диска, в результате чего появляется возможность передавать в систему  более подробные сведения о нем. Это особенно важно как для  технологии Plug and Play, так и для  совместимости с последующими версиями стандарта.

Стандарт ATA-2 иногда называют Fast_ATA или Fast_ATA_2 (компании Seagate/Quantum), а также  EIDE (Enhanced IDE) (компания Western Digital).

Хотя работа над стандартом ATA-2 была начата в 1993 году, впервые он был опубликован в 1996 году под названием ANSI X3.279_1996 AT Attachment Interface with Extensions. Официальная поддержка ATA-2 прекращена в 2001 году.

2.3 Стандарт ATA-3

Стандарт ATA-3 предложил незначительные изменения по сравнению со своим предшественником. Среди наиболее заметных нововведений следующие:

• исключение 8-разрядного протокола передачи данных по каналам DMA;
• технология самоконтроля с анализом S.M.A.R.T. (Self Monitoring Analysis and Report Technology) для предсказания снижения быстродействия устройства;
• поддержка режима LBA стала обязательной (раньше она таковой не являлась);
• добавлен режим Security ATA, позволяющий защитить паролем доступ к устройству;
• приведены рекомендации относительно терминаторов шины для обеспечения повышенной помехоустойчивости при высоких скоростях передачи данных.

Стандарт ATA-3 базируется на стандарте ATA-2, но обеспечивает более высокую надежность, особенно при использовании режимов обмена данными PIO Mode 4; однако в нем не определено ни одного более быстродействующего режима. При этом были добавлены такие

функции, как защита паролем, расширенное  управление электропитанием, а также  поддержка технологии S.M.A.R.T. Это позволяет накопителю контролировать свое состояние и в случае обнаружения проблем сообщать об этом, благодаря чему предотвращается потеря данных.

Технология S.M.A.R.T. изначально была разработана  компанией IBM.

Работа над стандартом ATA-3 была начата в 1995 году, а опубликован он в 1997 году под названием ANSI X3.298-1997, AT Attachment 3 Interface. Официальная поддержка стандарта ATA-3 прекращена в 2002 году.

2.4 Стандарт ATA/ATAPI-4

Спецификация ATA-4 была опубликована в 1998 году. В соответствии с ней  пакетный интерфейс ATAPI рассматривается  как полноправный, а не вспомогательный  интерфейс ATA, причем полностью совместимый с ним. Это позволило подключать к стандартному интерфейсу такие устройства, как приводы оптических CD-ROM и CD-RW, приводы гибких дисков LS-120 SuperDisk, Zip_устройства, ленточные накопители и т.д. До этого времени стандарт ATAPI был формально отделен от ATA. Кроме того, ATA-4 поддерживает режимы UltraDMA (называемые также Ultra-ATA) для еще более быстрой передачи данных. Режим с самым высоким эксплуатационным показателем, называемый DMA/33, имеет пропускную способность 33 Мбайт/с.

Основные нововведения стандарта ATA-4 следующие:

• режим передачи данных Ultra-DMA, обеспечивающий скорость до 33 Мбайт/с;
• интегрированная поддержка ATAPI;
• поддержка расширенного управления питанием;
• новый 80-жильный 40-контактный кабель, обладающий повышенной помехозащищенностью;
• поддержка защищенной области жесткого диска (HPA);
• поддержка Compact Flash Adapter (CFA);
• улучшенная BIOS с поддержкой дисков большой емкости (более 9,4 трлн. гигабайт),

Хотя стандарт ATA по-прежнему ограничен  максимальным объемом 136,9 Гбайт, степень поддержки и скорость интерфейса АТА в системе определяются ,главным образом, набором микросхем используемой системной платы. Большинство микросхем системной логики поставляется с такими компонентами, как микросхемы южного моста или контроллера ввода-вывода, поддерживающие интерфейс АТА (а также другие функции).

 

2.5 Стандарт ATA/ATAPI-5

Стандарт ATA_5 был представлен в 1998 году и базируется на предыдущем стандарте, ATA-4. Он включает в себя спецификацию Ultra-ATA/66 (также известную как Ultra-DMA 6 или UDMA/66), в которой скорость пакетной передачи протокола Ultra-ATA удвоена за счет сокращения времени синхронизации и повышения частоты. Последнее привело к увеличению помех при передаче по стандартному 40-жильному кабелю, применяемому в интерфейсах ATA и Ultra-ATA. Для снижения уровня помех был разработан 80-жильный 40-контактный кабель. Он был впервые представлен для интерфейса ATA-4, однако стал обязательным для ATA-5 в случае использования режима UDMA/66. Этот кабель имеет 40 дополнительных заземляющих проводов между каждой из 40 основных сигнальных и заземляющих линий, что помогает изолировать сигналы от взаимных наводок. Данный кабель работает не только с устройствами Ultra-ATA, но и со старыми устройствами, поскольку все 40 контактов имеют то же назначение, что и раньше.

Работа над стандартом ATA-5 была начата в 1998 году, а официально он был  опубликован в 2000 году под названием ANSI NCITS 340-2000, AT Attachment_5 with Packet Interface.

Этот стандарт был дополнен такими возможностями:

• режим передачи Ultra-DMA (UDMA), рассчитанный на скорость до 66 Мбайт/с (так называемая спецификация UDMA/66 или Ultra-ATA/66);
• 80-жильный кабель, необходимый для работы в режиме UDMA/66;

2.6 Стандарт ATA/ATAPI-6

Работа над стандартом ATA-6 была начата в 2000 году; данный стандарт поддерживает спецификацию Ultra-ATA/100 (также известную как UDMA/100), в которой скорость пакетной передачи протокола Ultra-ATA удвоена за счет сокращения времени синхронизации и повышения частоты. Как и в случае использования стандарта ATA-5, для обеспечения скоростных

режимов работы необходим 80-жильный кабель. Для обеспечения работоспособности режима Ultra-ATA/100 его должны поддерживать и накопитель, и системная плата.

Стандарт ATA-6 был официально опубликован в начале 2002 года и дополнен следующими возможностями:

• режим 5 Ultra-DMA (UDMA), позволяющий передавать данные со скоростью до 100 Мбайт/с (так называемая спецификация UDMA/100, Ultra-ATA/100 или просто ATA/100);
• количество секторов, приходящихся на каждую команду, увеличилось с 8-разрядных чисел (256 секторов, или 131 Кбайт) до 16-разрядных (65536 секторов, или 33,5 Мбайт), что позволило повысить эффективность передачи файлов большого размера;
• расширение адресации LBA с 228 до 248 (281474976710656) секторов, позволяющее поддерживать диски емкостью до 144,12 Пбайт (1 Пбайт равен 1 квадрильону байтов);
• адресация CHS признана устаревшей; дисководы должны использовать только 28- или 48-разрядную адресацию LBA.

Помимо повышения скорости передачи данных до 100 Мбайт/с, ATA-6 весьма своевременно увеличил поддерживаемую емкость диска. ATA-5 и стандарты более ранних версий поддерживают диски емкостью не более 136,9 Гбайт, что ограничивает увеличение емкости производимых дисков. В 2001 году появились первые коммерческие 3,5-дюймовые диски, емкость которых превысила 137 Гбайт. На тот момент существовали только SCSI-версии этих накопителей, что было связано с ограничениями стандартов АТА. При использовании стандарта ATA-6 адресация LBA была расширена с 228 до 248 секторов.

 

2.7 Стандарт ATA/ATAPI-7

Работа над стандартом ATA-7 началась в конце 2001 года, а его окончательная  версия была опубликована в 2004 году. Как  и все стандарты ATA, он опирается  на предыдущую версию, дополняя ее некоторыми возможностями.

Основные нововведения стандарта ATA-7 приведены ниже.

• Добавлен режим 6 Ultra DMA, увеличивающий скорость передачи данных до 133 Мбайт/с. Как и в режимах 5 (100 Мбайт/с) и 4 (66 Мбайт/с), обязательно использование 80-жильного кабеля.
• Добавлена поддержка длинных физических секторов. Это позволяет форматировать устройства так, чтобы один физический сектор содержал несколько логических секторов. Каждый физический сектор хранит поле кода коррекции ошибок (ECC), так что увеличение емкости физического сектора позволило повысить эффективность кодов ECC, которых стало меньше.
• Добавлена поддержка длинных логических секторов. Это позволило серверным приложениям использовать в каждом секторе дополнительные байты (520 или 528 байт вместо 512 байт). Устройства, использующие длинные логические секторы, не имеют обратной совместимости с устройствами и приложениями, использующими стандартные 512-байтовые секторы (такими, как стандартные настольные и портативные системы).
• В стандарт ATA-7 включены требования к последовательному интерфейсу ATA (SATA).
• Документ стандарта ATA_7 разбит на три тома. В первый том вошли набор команд и логические регистры. Второй том посвящен протоколам параллельной передачи данных, а третий — протоколам последовательной передачи данных.

Благодаря использованию режимов UDMA пропускная способность интерфейса, соединяющего контроллер, встроенный в накопитель, с системной платой, заметно повысилась. Но, несмотря на это, средняя максимальная скорость передачи при чтении данных в большинстве

накопителей ATA, к числу которых относятся дисководы, поддерживающие режим UDMA Mode 6 (133 Мбайт/с), все еще не превышает 60 Мбайт/с. Это означает, что при использовании современных накопителей ATA, позволяющих передавать данные от дисковода к системной плате со скоростью 133 Мбайт/с, фактическая скорость передачи данных, считываемых головками с жестких дисков накопителя, будет примерно вдвое меньше. Исходя из этих соображений, можно заметить, что использование накопителя, поддерживающего режим UDMA Mode 6 (133 Мбайт/с), и системной платы, работающей только в режиме UDMA Mode 5 (100 Мбайт/с), приводит к весьма незначительному снижению фактической скорости передачи данных. Аналогично этому замена хост-адаптера ATA, имеющего скорость передачи 100 Мбайт/с, устройством с пропускной способностью 133 Мбайт/с не позволит повысить фактическую скорость передачи данных при использовании накопителя, считывающего данные с жестких дисков примерно с половинной скоростью. При выборе накопителя не забывайте о том, что скорость передачи носителей является более важным показателем, чем скорость передачи интерфейса, так как представляет собой главный ограничивающий фактор.

Режим передачи данных со скоростью 133 Мбайт/с был изначально предложен компанией Maxtor, и только немногие производители впоследствии поддержали его. В среде производителей наборов микросхем системной логики компании VIA, ALi и SiS интегрировали поддержку режима ATA/133 до перехода к интерфейсу Serial ATA; компания Intel же воздержалась

2.8 Стандарт SATA/ATAPI-8

В 2004 году была начата работа над стандартом SATA-8, который базируется на стандарте ATA-7 и подразумевает дальнейшее развитие Serial ATA с одновременной полной поддержкой параллельного интерфейса ATA. Основные нововведения стандарта SATA-8 следующие:

• замена функций read long/write long;
• улучшенное управление защищенной областью диска (HPA).

По мере развития стандарта в  нем находят свое отражение предложения, направленные комитетом SATA-IO, в том  числе повышенная скорость передачи данных (3 и даже 6 Гбайт/c).

3. Функции интерфейса АТА

Стандарты ATA прошли долгий путь к  преодолению несовместимости и  проблем, вызванных конфликтами  накопителей IDE с системами, оснащенными  шинами ISA/PCI. Согласно спецификациям ATA предполагается использование для  передачи данных 40-контактных кабелей, определяются функции и временные характеристики сигналов, спецификации кабеля и т.д. Некоторые элементы и функции, определяемые спецификациями ATA, рассмотрим в следующих пунктах.

3.1. Команды интерфейса ATA

Одно из преимуществ интерфейса ATA IDE — расширенная система команд. Этот интерфейс разрабатывался на базе использовавшегося в первых компьютерах IBM AT контроллера WD1003, поэтому все без исключения накопители ATA IDE должны быть совместимыми с системой из восьми команд упомянутого контроллера. Этим, в частности, и объясняется простота

установки накопителей IDE в компьютеры. Во всех PC-совместимых компьютерах  поддержка контроллера WD1003, а следовательно, и интерфейса ATA IDE встроена в системную BIOS.

Помимо набора команд контроллера WD1003, в стандарте ATA предусмотрено множество других команд, позволяющих повысить быстродействие и улучшить параметры жестких дисков. Эти команды считаются необязательной частью интерфейса ATA, но некоторые из них

используются почти во всех современных жестких дисках и в значительной степени определяют их возможности в целом.

По-видимому, наиболее важной является команда идентификации жесткого диска, по которой с него в систему передается блок данных размером 512 байт с подробными сведениями об устройстве. Это позволяет любой программе (в том числе и системной BIOS) определить тип подключенного жесткого диска, компанию-изготовителя, номер модели, рабочие параметры и даже заводской номер изделия. Во многих современных версиях BIOS эта информация запрашивается автоматически, и после ее получения параметры жесткого диска заносятся в CMOS-память. Это избавляет пользователя от необходимости вводить их вручную при конфигурировании системы. Кроме того, при таком подходе вы будете застрахованы от ошибок, если впоследствии вдруг забудете первоначально введенные параметры жесткого диска (если при повторном вводе они будут другими, доступ к данным на диске окажется невозможным).