Дисковые интерфейсы IBM PC

Важнейшими устройствами, входящими в состав современного компьютера, являются дисковые накопители: жесткие диски (винчестеры), CD-ROM и его производные (CD-R/RW, DVD и пр.). Подавляющее большинство таких накопителей для обмена информацией с процессором и памятью используют различные варианты интерфейса IDE (Integrated Device Electronics - устройство с интегрированным контроллером). Существует еще один вариант дискового интерфейса - SCSI, но он, по причине высокой стоимости и определенной трудоемкости конфигурации отдельных устройств, больше ориентирован на рынок серверов и рабочих станций.

Практически любая современная системная плата имеет два канала IDE-контроллера, интегрированных в чипсет - первичный (Primary) и вторичный (Secondary), каждый из которых представляет собой, по сути, отдельный контроллер, имеющий собственный разъем на плате и отдельный шлейф с двумя оконечными разъемами, к которому можно подключить один или два накопителя. Причем для обеспечения взаимной совместимости устройств, работающих на одном шлейфе, одно из них должно работать в режиме Master (ведущий), а другое - в режиме Slave (ведомый), и эти режимы устанавливаются перемычками непосредственно на самом устройстве.

Интерфейсы АТА

Параллельный 16-разрядный интерфейс ATA (Advanced Technology Attachment), называемый также IDE, появился в 1989 году совместными усилиями компаний Western Digital и Compaq. Сама идея нового интерфейса была проста: было предложено интегрировать хорошо отработанную к тому времени 16-разрядную шину ISA непосредственно в электронику жесткого диска, в результате чего при незначительном увеличении стоимости самого жесткого диска существенно снижалась стоимость всей дисковой подсистемы компьютера. Кроме этого, благодаря использованию стандартной шины, достигалась взаимная совместимость жестких дисков различных производителей. Для подключения жесткого диска к контроллеру использовался ленточный 40-жильный кабель с тремя плоскими разъемами, один из которых подключается к соответствующему разъему на системной плате, а два других - к дисководам.

Первоначальные варианты интерфейса АТА предназначались исключительно для подключения жестких дисков и имели следующие возможности, сохранившиеся вплоть до наших дней:

· поддержка двух отдельных устройств в каждом канале;

· использование двух способов передачи данных: PIO (Processor Input Output) - через центральный процессор и DMA (Direct Memory Access) - путем прямого доступа к памяти.

Первый способ, наряду с таким неоспоримым достоинством, как отсутствие необходимости использовать специальные драйверы, имел и существенный недостаток, выражающийся в большой загрузке процессора в моменты доступа к данным на диске, вследствие чего в настоящее время он практически не используется. Пропускная способность шины АТА составляла менее 3 Мбайт/с, что не всегда позволяло использовать все возможности жестких дисков, но очень скоро стал очевиден второй главный минус этого интерфейса: ограничение величиной 504 Мбайт предельной емкости винчестеров.

Достаточно существенные недостатки интерфейса АТА привели к созданию в 1996 году нового варианта интерфейса АТА-2, который был, как и все последующие версии стандарта АТА, полностью обратно совместим с предшественником. Новый интерфейс получил более скоростные режимы программного ввода/вывода (PIO Mode 3 и 4) и Multiword DMA Mode 1 и 2. Повышение производительности достигалось в основном введением механизмов блочной передачи данных (режим, позволяющий передавать несколько команд чтения/записи за одно прерывание) и логической адресации блоков (LBA -Logical Block Address), что позволило расширить максимальный объем поддерживаемых дисков до 8,4 Гбайт и увеличить скорости обмена вплоть до 16,7 Мбайт/с.

В 1997 году появился еще один, неофициальный вариант интерфейса АТА-3, который не добавил новых, более быстрых режимов передачи данных, но благодаря новой технологии самоконтроля и предотвращении сбоев в дисковой подсистеме S.M.A.R.T. (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology) в значительной мере позволил повысить надежность хранения данных на жестком диске.

Лазерные носители информации CD-ROM, дисководы которых хотя и имели разъемы идентичные разъемам винчестеров, не могли быть подключены к контролерам АТА. Для разрешения этой проблемы на основе интерфейса АТА был создан новый стандарт ATAPI (ATA Packet Interface). В результате появления ATAPI появилась возможность подключать дисководы CD-ROM непосредственно к тому же шлейфу, к которому подключен и винчестер - пакетный режим передачи данных, реализованный в протоколе ATAPI, позволяет всей цепочке устройств работать в режиме, напоминающем SCSI. Еще одним важным достоинством использования ATAPI-устройств является возможность назначать их в качестве загрузочных.

Ultra ATA/33

Рост скорости передачи интерфейса АТА начался с введения нового режима, удвоившего пропускную способность - она возросла с 16,7 Мбайт/с до 33,3 Мбайт/с. Такой скачок скорости стал возможен в результате использования для передачи информации обоих фронтов тактового сигнала. Новая версия интерфейса стала известна как Ultra ATA/33 (он же Ultra DMA, АТА-33, DMA-33); официальное название - ATA/ATAPI-4.

Ultra ATA/33 использует режим DMA Mode 3, обеспечивающий скорость передачи данных 33,3 Мбайт/с. Для обеспечения надежной передачи данных по 40-жильному кабелю используются специальные схемы контроля целостности данных и коррекции ошибок по циклически избыточному коду (CRC), при этом сохраняется обратная совместимость с предыдущими стандартами - АТА и АТА-2. Полная поддержка режима Ultra ATA/33 стандартными драйверами от Microsoft, входящими в комплект поставки операционной системы, появилась только в версии Windows 98.

Ultra ATA/66

Следующим шагом в развитии семейства интерфейсов АТА стал интерфейс Ultra ATA/66 (ATA66, ATA/ATAPI-5), разработанный компанией Quantum в 1999 году и позволяющий осуществлять передачу данных уже со скоростью 66 Мбайт/с. Такое увеличение скорости передачи данных превысило возможности старого 40-жильного кабеля, создававшегося в свое время еще для первых версий интерфейса АТА, и разработчики были вынуждены добавить в шлейф еще 40 дополнительных жил, соединенных с общим проводом и исполняющих роль экрана между основными жилами, что в значительной мере позволило снизить взаимные наводки информационных линий.

Ultra ATA/100

В 2000 году по инициативе фирмы Quantum появился очередной стандарт Ultra ATA/100 (ATA100, ATA/ATAPI-6), обеспечивающий стабильную передачу данных по 80-жильному кабелю со скоростью 100 Мбайт/с и призванный заменить прежний Ultra ATA/66. В новом протоколе уменьшены времена задержки сигналов, увеличена рабочая частота. Ultra ATA/100 обладает полной обратной совместимостью и автоматически переключается на менее скоростные режимы (Ultra ATA/33 или Ultra ATA/66), если одно из устройств его не поддерживает. Размер блока LBA был увеличен с 28 до 64 бит. Система команд АТА была дополнена новыми командами, рассчитанными на передачу аудио/видео потоков. Чипсеты с поддержкой Ultra ATA/100 сегодня являются наиболее распространенными.

Ultra ATA/133

В 2001 году фирма Maxtor представила спецификацию на новый интерфейс Ultra АТА/133, позиционируемый ею как переходное решение между постепенно устаревающим Ultra ATA/100 и перспективным, но пока еще не готовым к массовому использованию Serial ATA. Пропускная способность при этом возросла на треть и достигла 133 Мбайт/с.

Появление Ultra АТА/133 не привело к реальному увеличению скорости работы современных жестких дисков по сравнению с АТА/100, так как рост реальной скорости работы современных винчестеров ограничивается уже не пропускной способностью интерфейса, а малым размером дискового кэш и малой пропускной способностью шины PCI.

Serial ATA

Несмотря из то что последние версии параллельного интерфейса АТА вполне удовлетворяют требованиям современных жестких дисков, все возможности по своему дальнейшему совершенствованию они уже полностью исчерпали, и в скором времени параллельный интерфейс АТА должен быть заменен на новый. В качестве его замены принят новый стандарт Serial ATA. Он будет поддерживать все накопители, включая винчестеры, CD, DVD, флоппи-дисководы и другие подобные устройства, при подключении их к системным платам.

Как следует из названия, в Serial ATA вместо передачи данных в параллельном режиме по многожильному кабелю используется принцип последовательной передачи данных. Первая версия Serial ATA имеет пропускную способность 1,5 Гбит/с, затем скорости возрастут до 3 Гбит/с во второй спецификации и позднее до 6 Гбит/с, при этом сохранится обратная совместимость с Serial ATA первой версии.

Интерфейс предназначен для подключения внутренних устройств, поэтому максимальная длина кабеля относительно невелика - 1 метр, тем не менее это в 2 раза больше, чем у параллельного АТА интерфейса (45 см). Всего кабель состоит из 7 жил: две дифференциальные пары для передачи и для приема и три общих (заземляющих) провода. Контроллер Serial АТА рассчитан на подключение 2 устройств по схеме point-to-point, то есть каждое из них подключается отдельным кабелем, и обмен информацией происходит параллельно. Кроме этого, Serial ATA позволяет осуществлять замену накопителей в "горячем" режиме. Не менее важно и снижение питающего напряжения с 5 В до 3,3 В. Кроме того, Serial ATA будет обладать средствами исправления ошибок (по ЕСС), что гарантирует целостность передаваемых по кабелю данных. Изменения архитектуры Serial ATA лежат только в области физического интерфейса, а по регистрам и программному обеспечению он будет полностью совместим с параллельным АТА, поэтому не будет необходимости менять драйверы, да и архитектура Serial ATA будет полностью прозрачной для BIOS и операционных систем. Для совместимости с ныне существующим оборудованием (системные платы и жесткие диски) выпускаются специальные адаптеры-переходники с интерфейса IDE на интерфейс Serial ATA и наоборот.