МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет автоматики и электромеханики

Кафедра «Автоматизированные и вычислительные системы»

Специальность «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети»

Тема реферата «Внутренние интерфейсы IDE и их разновидности»

Выполнил

ст. гр. ВМ-083 Болдырев Е.В.

Проверил Плотников О.А.

Воронеж 2010

1. Место объекта в ЭВМ и вычислительных системах. Область применения

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.

IDE (Integrated Device Electronics) - интерфейс устройств со встроенным контроллером. При создании этого интерфейса разработчики ориентировались на подключение дискового накопителя. Интерфейс EIDE имеет первичный и вторичный каналы, к каждому из которых можно подключить два устройства, то есть всего их может быть четыре. Это может быть жесткий диск, CD-ROM или переключатель дисков.

Фактически он представляет собой связь между системной платой и электроникой или контроллером, встроенными в накопитель. Этот интерфейс постоянно развивается - на сегодняшний день создано несколько модификаций. Интерфейс IDE, широко используемый в запоминающих устройствах современных компьютеров, разрабатывался как интерфейс жесткого диска. Однако сейчас он используется для поддержки не только жестких дисков, но и многих других устройств, например накопителей на магнитной ленте, CD/DVD-ROM, дисководов Zip и др.

Эти устройства должны быть документированы, как:

¾ Enhanced IDE (EIDE)

¾ Fast ATA, Fast ATA-2- это обобщенный термин, который может быть отнесен практически к любому жесткому диску со встроенным контроллером; названия ATA и Serial ATA относятся к определенным типам интерфейсов IDE. Поскольку АТА является наиболее распространенной формой IDE, эти термины довольно часто используются поочередно, что с технической точки зрения неправильно. То, что пользователи обычно называют IDE, правильнее называть интерфейсом ATA.

Физически интерфейс IDE реализован с помощью плоского 40-жильного кабеля, на котором могут быть разъемы для подключения одного или двух устройств. Общая длина кабеля не должна превышать 45 см, причем между разъемами должно быть расстояние не менее 15 сантиметров.

Существует три основные разновидности интерфейса IDE, рассчитанные на взаимодейст вие с тремя стандартными шинами:

¾ Serial AT Attachment (SATA);

¾ параллельный AT Attachment (ATA) IDE (16-разрядная шина ISA);

¾ XT IDE (8-разрядная шина ISA);

¾ 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 Serial ATA; 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-6, в целом интерфейс Serial ATA демонстрирует большую производительность и функциональность.

В большинстве новых компьютеров разъем ATA установлен непосредственно на систем ной плате. Если его нет, то для подключения к компьютеру накопителя ATA IDE можно использовать дополнительную плату адаптера. Обычно на такой переходной плате нет ничего, кроме двух разъемов (98-контактного печатного разъема шины и 40-контактного разъема IDE) и набора проводников. Эти платы не являются контроллерами, так как последние уже встроены в жесткие диски. Правда, на некоторых из них монтируются дополнительные устройства, например специализированная ROM BIOS или кэш-память.

В целях развития возможностей интерфейса IDE компанией Western Digital была предложена его расширенная спецификация Enhanced IDE (синонимы: E-IDE, Fast AТА, АТА-2 и Fast АТА-2), которая обрела затем статус американского стандарта ANSI под названием АТА-2. Она содержит ряд нововведений: поддержку IDE-накопителей емкостью свыше 504 Мбайт, поддержку в системе нескольких контроллеров IDE и подключение к одному контроллеру до четырех устройств, а также поддержку периферийных устройств, отличных от жестких дисков (приводов CD-ROM, CD-R и DVD-ROM, накопителей LS-120 и ZIP, магнитооптики, стримеров и тому подобное). Расширение спецификации IDE для поддержки иных типов накопителей с интерфейсом IDE называют также ATAPI (АТА Packed Interface). В Enhanced IDE также введены элементы распараллеливания операций обмена и контроля за целостностью данных при передаче.

Для подключения жёстких дисков с интерфейсом PATA обычно используется 40-проводный кабель (именуемый также шлейфом). Каждый шлейф обычно имеет два или три разъёма, один из которых подключается к разъёму контроллера на материнской плате (в более старых компьютерах этот контроллер размещался на отдельной плате расширения), а один или два других подключаются к дискам. В один момент времени шлейф P-ATA передаёт 16 бит данных. Иногда встречаются шлейфы IDE, позволяющие подключение трёх дисков к одному IDE каналу, но в этом случае один из дисков работает в режиме read-only.

Долгое время шлейф ATA содержал 40 проводников, но с введением режима Ultra DMA/66 (UDMA4) появилась его 80-проводная версия. Все дополнительные проводники - это проводники заземления, чередующиеся с информационными проводниками. Такое чередование проводников уменьшает ёмкостную связь между ними, тем самым сокращая взаимные наводки. Ёмкостная связь является проблемой при высоких скоростях передачи, поэтому данное нововведение было необходимо для обеспечения нормальной работы установленной спецификацией UDMA4 скорости передачи 66 МБ/с (мегабайт в секунду). Более быстрые режимы UDMA5 и UDMA6 также требуют 80-проводного кабеля.

Хотя число проводников удвоилось, число контактов осталось прежним, как и внешний вид разъёмов. Внутренняя же разводка, конечно, другая. Разъёмы для 80-проводного кабеля должны присоединять большое число проводников заземления к небольшому числу контактов заземления, в то время как в 40-проводном кабеле проводники присоединяются каждый к своему контакту. У 80-проводных кабелей разъёмы обычно имеют различную расцветку (синий, серый и чёрный), в отличие от 40-проводных, где обычно все разъёмы одного цвета (чаще чёрные).

Стандарт ATA всегда устанавливал максимальную длину кабеля равной 46 см. Это ограничение затрудняет присоединение устройств в больших корпусах, или подключение нескольких приводов к одному компьютеру, и почти полностью исключает возможность использования дисков PATA в качестве внешних дисков. Хотя в продаже широко распространены кабели большей длины, следует иметь в виду, что они не соответствуют стандарту. То же самое можно сказать и по поводу «круглых» кабелей, которые также широко распространены. Стандарт ATA описывает только плоские кабели с конкретными характеристиками полного и ёмкостного сопротивлений. Это, конечно, не означает, что другие кабели не будут работать, но, в любом случае, к использованию нестандартных кабелей следует относиться с осторожностью.

Если к одному шлейфу подключены два устройства, одно из них обычно называется ведущим (англ. master), а другое ведомым (англ. slave). Обычно ведущее устройство идёт перед ведомым в списке дисков, перечисляемых BIOS’ом компьютера или операционной системы. В старых BIOS’ах (486 и раньше) диски часто неверно обозначались буквами: «C» для ведущего диска и «D» для ведомого.

Если на шлейфе только один привод, он в большинстве случаев должен быть сконфигурирован как ведущий. Некоторые диски (в частности, производства Western Digital) имеют специальную настройку, именуемую single (то есть «один диск на кабеле»). Впрочем, в большинстве случаев единственный привод на кабеле может работать и как ведомый (такое часто встречается при подключении CD-ROM’а на отдельный канал).

2. Назначение, основные характеристики и параметры объекта

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.

Стандарты ATA позволили избавиться от несовместимости и различных проблем между дисководами IDE и шинами ISA/PCI. Спецификации ATA определяют сигналы выводов 40- контактного разъема, их функции и синхронизацию, стандарты кабеля и т.п. В следующем разделе приведены некоторые элементы и функции, определяемые спецификацией АТА. Разъем ввода-вывода ATA Чтобы правильно подключить 40/44-контактный разъем интерфейса ATA, его обычно (но не всегда) снабжают ключом. В данном случае ключом служит срез вывода 20, причем соответствующее отверстие в ответной части отсутствует. Всем изготовителям настоятельно рекомендуется использовать разъемы и кабели с ключами, поскольку при неправильном подключении кабеля IDE можно вывести из строя как контроллер, так и адаптер шины (и это действительно так, хотя при моих многочисленных ошибках дым из микросхем все-таки не шел).

Кроме основной 40-контактной части, которая практически не отличается от стандартного разъема ATA (за исключением уменьшенного рас стояния между выводами), существуют также дополнительные выводы питания и перемычек. Обычно для подключения к разъему используется 44-контактный кабель, передающий силовое напряжение питания и стандартные сигналы ATA. Статус жесткого диска определяется положением имеющейся на нем перемычки или переключателя: первичный (Master), вторичный (Slave) или выбор кабеля (Select Cable).

В стандарте ATA предусмотрен способ организации совместной работы двух последовательно подключенных жестких дисков. Статус жесткого диска (первичный или вторичный) определяется либо путем перестановки имеющейся в нем перемычки или переключателя (с обозначением Master для первичного и Slave для вторичного), либо подачей по одной из линий интерфейса управляющего сигнала CSEL (Cable SELect - выбор кабеля). При установке в системе только одного жесткого диска его контроллер реагирует на все команды, поступающие от компьютера. Если жестких дисков два (а следовательно, и два контроллера), то команды поступают на оба контроллера одновременно. Их надо настраивать так, чтобы каждый жесткий диск реагировал только на адресованные ему команды. Именно для этого и служит перемычка (переключатель) Master/Slave и управляющий сигнал CSEL.

Большинство накопителей IDE можно сконфигурировать следующим образом:

¾ первичный (один накопитель);

¾ первичный (два накопителя);

¾ вторичный (два накопителя);

¾ выбор кабеля.

Каждому из контроллеров двух жестких дисков необходимо сообщить его статус - первичный или вторичный. В большинстве новых накопителей используется только один переключатель (первичный/вторичный), а на некоторых еще и переключатель существования вторичного диска (slave present). Характеристики IDE интерфейса.

Таблица 1 - Характеристики IDE/ATA интерфейсов

Изначально общеупотребительным способом передачи данных через интерфейс IDE/ATA был протокол, называемый Programmed I/O или PIO. Существует пять режимов PIO, различающихся максимальными скоростями пакетной передачи данных (burst transfer rates). Общеупотребительное английское название - PIO modes. Естественно, речь идет о внешней скорости передачи данных и определяет скорость интерфейса, а не диска. До появления режима DMA-33 максимальная скорость передачи данных у режимов PIO и DMA была одинаковой. Главным недостатком режимов PIO является то, что передачей данных управляет процессор, что существенно увеличивает его загрузку. Зато эти режимы не требуют специальных драйверов и идеально подходят для однозадачных операционных систем.

Таблица 2 - скорость передачи данных для интерфейса

Реально максимальная скорость передачи данных для любого диска не превышает 10 MB/s, так как механические характеристики диска обойти невозможно. Большие значения скоростей относятся к работе с внутренним кэшем жесткого диска.

3. Временные диаграммы

Схемы временных диаграмм интерфейсов выглядят следующим образом

Рисунок 1 - Схемы временных диаграмм, (а - АТА 2 и АТА 3; б - Ultra АТА; в - Ultra АТА/66.)

В спецификацию интерфейса Enhanced IDE добавлена поддержка режимов PIO Mode 3 и 4, а также режимы DMA Single Word Mode 2 и Multi Word DMA Mode 1 и 2. Максимальная скорость передачи данных по шине в режиме РIO Mode 3 составляет 4.1 Мбайт/с, а в режимах РIO Mode 4 и Single Word DMA Mode 2 - 16.7 Мбайт/с. Режим Multi Word DMA Mode 2 позволяет получить пиковую скорость обмена свыше 20 Мбайт/с.

Следующим шагом в развитии интерфейса IDE/ATA явился стандарт Ultra АТА (он же Ultra DMA, АТА-33, DMA-33, АТА-3). Ultra АТА является стандартом де-факто использования быстрого Режима DMA - mode 3, обеспечивающего скорость передачи данных 33.3 Мбайт/с. Для обеспечения надежной передачи данных по все тому же кабелю используются специальные схемы контроля и коррекции ошибок, при этом сохраняется обратная совместимость с предыдущими стандартами - АТА и АТА-2.

Рисунок 2 - Временные диаграммы циклов обмена на шине IDE

Основной недостаток интерфейса EIDE - отсутствие "интеллекта". Если на одном канале подключены жесткий диск и накопитель CD-ROM, то в случае обращения к CD-ROM процессор будет ожидать завершения операций с CD-ROM, прежде чем сможет обратиться к жесткому диску. Поэтому очевидно, что нельзя к одному каналу EIDE подключать быстрое и медленное устройство одновременно. CD-ROM всегда следует подключать только ко второму каналу. Каналы EIDE в современных контроллерах EIDE, как правило, достаточно независимы друг от друга.

Для повышения производительности EIDE были разработаны и стандартизованы режимы PIO (Programming Input Output - программируемый ввод/вывод), single word DMA (обмен одиночными словами в режиме DMA - Direct Memory Access - прямого доступа к памяти) и multi word DMA (обмен несколькими словами в режиме DMA).интерфейс имеет несколько разновидностей, которые совместимы друг с другом (достаточно иметь пассивные переходники). 8 бит (50-ти контактный разъем) или 16 бит (68-и контактный разъем для Wide SCSI). Частота шины может быть 5 MHz (SCSI 1), 10 MHz (Fast SCSI), 20 MHz (Fast-20 or Ultra SCSI) or 40 MHz (Ultra-2 SCSI). Сейчас стал активно внедряться стандарт Ultra2 SCSI LVD, являющийся разновидностью Ultra2 SCSI. Полное название стандарта - Ultra2 SCSI (LVD) Low Voltage Differential Parallel SCSI Interface, т.е. низковольтный дифференциальный параллельный SCSI интерфейс. Этот вариант SCSI существенно отличается от всех своих предшественников по двум параметрам:

¾ Скорость передачи увеличена до 80 MB/s

¾ Максимальная длина соединительного кабеля может достигать 12 метров

Кроме этого, к одному шлейфу можно подключить до 15 устройств. Обратная совместимость, как это принято для SCSI устройств, также выдерживается и устройство с Ultra2 SCSI LVD можно подключить к обычному контроллеру SCSI. С этим интерфейсом выпускаются только жесткие диски в вариантах с 68-контактным разъемом (Wide) и SCA.

Но и скорость в 80 MB/s, как оказалось, не является предельной на сегодняшний день. Уже начинает внедряться производителями, как контроллеров, так и жестких дисков следующий вариант SCSI, называемый официально как SPI-3 (SCSI Parallel Interface - 3), неофициально Ultra160/m SCSI. Он разработан на базе Ultra2 SCSI LVD и отличается удвоенной скоростью передачи данных. Каким образом это достигнуто, видно из схематичной временной диаграммы.

Рисунок 3 - Временная диаграмма скорости передачи данных

4. Схема устройства накопителя на жёстких магнитных дисках

Жёсткий диск состоит из гермозоны и блока электроники.

Гермозона включает в себя корпус из прочного сплава, собственно диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электропривод шпинделя.

Блок головок - пакет рычагов из пружинистой стали (по паре на каждый диск). Одним концом они закреплены на оси рядом с краем диска. На других концах (над дисками) закреплены головки.

Диски (пластины), как правило, изготовлены из металлического сплава. Хотя были попытки делать их из пластика и даже стекла, но такие пластины оказались хрупкими и недолговечными. Обе плоскости пластин, подобно магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика - окислов железа, марганца и других металлов. Точный состав и технология нанесения держатся в секрете. Большинство бюджетных устройств содержит 1 или 2 пластины, но существуют модели с большим числом пластин.

Диски жёстко закреплены на шпинделе. Во время работы шпиндель вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту (3600, 4200, 5000, 5400, 5900, 7200, 9600, 10 000, 12 000, 15 000). При такой скорости вблизи поверхности пластины создаётся мощный воздушный поток, который приподнимает головки и заставляет их парить над поверхностью пластины. Форма головок рассчитывается так, чтобы при работе обеспечить оптимальное расстояние от пластины. Пока диски не разогнались до скорости, необходимой для «взлёта» головок, парковочное устройство удерживает головки в зоне парковки. Это предотвращает повреждение головок и рабочей поверхности пластин. Шпиндельный двигатель жёсткого диска трехфазный, что обеспечивает стабильность вращения магнитных дисков, смонтированных на оси (шпинделе) двигателя. Статор двигателя содержит три обмотки, включенные звездой с отводом посередине, а ротор - постоянный секционный магнит. Для обеспечения малого биения на высоких оборотах в двигателе используются гидродинамические подшипники.

Устройство позиционирования головок состоит из неподвижной пары сильных неодимовых постоянных магнитов, а также катушки на подвижном блоке головок. Вопреки расхожему мнению, в подавляющем большинстве устройств внутри гермозоны нет вакуума. Одни производители делают её герметичной (отсюда и название) и заполняют очищенным и осушенным воздухом или нейтральными газами, в частности, азотом; а для выравнивания давления устанавливают тонкую металлическую или пластиковую мембрану. (В таком случае внутри корпуса жёсткого диска предусматривается маленький карман для пакетика силикагеля, который абсорбирует водяные пары, оставшиеся внутри корпуса после его герметизации). Другие производители выравнивают давление через небольшое отверстие с фильтром, способным задерживать очень мелкие (несколько микрометров) частицы. Однако в этом случае выравнивается и влажность, а также могут проникнуть вредные газы. Выравнивание давления необходимо, чтобы предотвратить деформацию корпуса гермозоны при перепадах атмосферного давления (например, в самолёте) и температуры, а также при прогреве устройства во время работы.

Пылинки, оказавшиеся при сборке в гермозоне и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на ещё один фильтр - пылеуловитель.

В ранних жёстких дисках управляющая логика была вынесена на MFM или RLL контроллер компьютера, а плата электроники содержала только модули аналоговой обработки и управления шпиндельным двигателем, позиционером и коммутатором головок. Увеличение скоростей передачи данных вынудило разработчиков уменьшить до предела длину аналогового тракта, и в современных жёстких дисках блок электроники обычно содержит: управляющий блок, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), буферную память, интерфейсный блок и блок цифровой обработки сигнала.

Интерфейсный блок обеспечивает сопряжение электроники жёсткого диска с остальной системой.

Блок управления представляет собой систему управления, принимающую электрические сигналы позиционирования головок, и вырабатывающую управляющие воздействия приводом типа «звуковая катушка», коммутации информационных потоков с различных головок, управления работой всех остальных узлов (к примеру, управление скоростью вращения шпинделя), приёма и обработки сигналов с датчиков устройства (система датчиков может включать в себя одноосный акселерометр, используемый в качестве датчика удара, трёхосный акселерометр, используемый в качестве датчика свободного падения, датчик давления, датчик угловых ускорений, датчик температуры).

Блок ПЗУ хранит управляющие программы для блоков управления и цифровой обработки сигнала, а также служебную информацию винчестера.

Буферная память сглаживает разницу скоростей интерфейсной части и накопителя (используется быстродействующая статическая память). Увеличение размера буферной памяти в некоторых случаях позволяет увеличить скорость работы накопителя.

Блок цифровой обработки сигнала осуществляет очистку считанного аналогового сигнала и его декодирование (извлечение цифровой информации). Для цифровой обработки применяются различные методы, например, метод PRML (Partial Response Maximum Likelihood - максимальное правдоподобие при неполном отклике). Осуществляется сравнение принятого сигнала с образцами. При этом выбирается образец, наиболее похожий по форме и временным характеристикам с декодируемым сигналом.

жесткий магнитный диск загрузочный

5. Главная загрузочная запись (master boot record, MBR)

В конце начальной загрузки ROM BIOS считывается и выполняется первый физический сектор гибкого или жесткого диска. Первый сектор жесткого диска называется основной загрузочной записью (иногда употребляют термины «таблица разделов» и «основной загрузочный блок»). В начале этого сектора жесткого диска содержится небольшая программа. Сведения о разделах (таблица разделов) расположены в конце сектора. Программа использует сведения о разделах для определения загрузочного раздела (как правило, это основной раздел DOS) и пытается загрузить из него операционную систему.

Эта программа записывается на диск с помощью команды fdisk /mbr и называется основной загрузочной записью. Обычно программа Fdisk записывает ее на диск только в том случае, если основная загрузочная запись отсутствует.

Главная загрузочная запись (англ. master boot record, MBR) - это код и данные, необходимые для загрузки операционной системы (ОС), расположенные занимает первый сектор жёсткого диска для запуска процедуры загрузки Windows. Она содержит таблицу разделов диска (partition table) и небольшую программу, именуемую «первичный загрузчик» (master boot record), ответственную за размещение активного или загрузочного сектора в таблице разделов. После размещения в таблице загрузочный сектор начинает запуск Windows. Если главная загрузочная запись повреждена, активный сектор не сможет запустить систему.

Цель MBR - ещё не загрузка ОС, а всего лишь выбор, «с какого раздела жёсткого диска следует загружать ОС». На стадии MBR происходит выбор раздела диска и ничего более. Загрузка самой ОС происходит на более поздних этапах.

В процессе запуска компьютера после окончания начального теста (Power On Self Test, POST) MBR загружается базовой системой ввода-вывода (BIOS) в оперативную память (в компьютерах архитектуры IBM PC обычно с адреса 0000:7c00) и передаётся управление находящемуся в MBR загрузочному коду (обычно командой long jump).

6. Технологии записи данных

Принцип работы жёстких дисков похож на работу магнитофонов. Рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки (например, в виде катушки индуктивности с зазором в магнитопроводе). При подаче переменного электрического тока (при записи) на катушку головки, возникающее переменное магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности диска и изменяет направление вектора намагниченности доменов в зависимости от величины сигнала. При считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе головки, что приводит к возникновению переменного электрического сигнала в катушке из-за эффекта электромагнитной индукции.

В последнее время для считывания применяют магниторезистивный эффект и используют в дисках магниторезистивные головки. В них изменение магнитного поля приводит к изменению сопротивления, в зависимости от изменения напряженности магнитного поля. Подобные головки позволяют увеличить вероятность достоверности считывания информации (особенно при больших плотностях записи информации).

Метод продольной записи

Биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая, проходя над поверхностью вращающегося диска, намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей - доменов. При этом вектор намагниченности домена расположен продольно, т.е. параллельно поверхности диска. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от намагниченности.

Максимально достижимая при использовании данного метода плотность записи составляет около 23 Гбит/см². В настоящее время происходит постепенное вытеснение данного метода методом перпендикулярной записи.

Метод перпендикулярной записи

Метод перпендикулярной записи - это технология, при которой биты информации сохраняются в вертикальных доменах. Это позволяет использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Плотность записи у современныхобразцов - 60 Гбит/см².

Жёсткие диски с перпендикулярной записью доступны на рынке с 2005 года.

Метод тепловой магнитной записи

Метод тепловой магнитной записи (англ. Heat-assisted magnetic recording, HAMR) на данный момент самый перспективный из существующих, сейчас он активно разрабатывается. При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность «закрепляется». На рынке ЖД данного типа пока не представлены (на 2009 год), есть лишь экспериментальные образцы, плотность записи которых 150 Гбит/см². Разработка HAMR-технологий ведется уже довольно давно, однако эксперты до сих пор расходятся в оценках максимальной плотности записи. Так, компания Hitachi называет предел в 2,3−3,1 Тбит/см², а представители Seagate Technology предполагают, что они смогут довести плотность записи HAMR-носителей до 7,75 Тбит/см². Широкого распространения данной технологии следует ожидать в 2011-2012 годах.

7. Геометрия магнитного диска

С целью адресации пространства поверхности пластин диска делятся на дорожки - концентрические кольцевые области. Каждая дорожка делится на равные отрезки - секторы. Адресация CHS предполагает, что все дорожки в заданной зоне диска имеют одинаковое число секторов.

Цилиндр - совокупность дорожек, равноотстоящих от центра, на всех рабочих поверхностях пластин жёсткого диска. Номер головки задает используемую рабочую поверхность (то есть конкретную дорожку из цилиндра), а номер сектора - конкретный сектор на дорожке.

Чтобы использовать адресацию CHS, необходимо знать геометрию используемого диска: общее количество цилиндров, головок и секторов в нем. Первоначально эту информацию требовалось задавать вручную; в стандарте ATA-1 была введена функция автоопределения геометрии (команда Identify Drive).

Особенности геометрии жёстких дисков со встроенными контроллерами

Зонирование

На пластинах современных «винчестеров» дорожки сгруппированы в несколько зон (англ. Zoned Recording). Все дорожки одной зоны имеют одинаковое количество секторов. Однако, на дорожках внешних зон секторов больше, чем на дорожках внутренних. Это позволяет, используя бо́льшую длину внешних дорожек, добиться более равномерной плотности записи, увеличивая ёмкость пластины при той же технологии производства.

Резервные секторы

Для увеличения срока службы диска на каждой дорожке могут присутствовать дополнительные резервные секторы. Если в каком либо секторе возникает неисправимая ошибка, то этот сектор может быть подменён резервным (англ. remapping). Данные, хранившиеся в нём, при этом могут быть потеряны или восстановлены при помощи ECC, а ёмкость диска останется прежней. Существует две таблицы переназначения: одна заполняется на заводе, другая - в процессе эксплуатации. Границы зон, количество секторов на дорожку для каждой зоны и таблицы переназначения секторов хранятся в ЗУ блока электроники.

Логическая геометрия

По мере роста емкости выпускаемых жёстких дисков их физическая геометрия перестала вписываться в ограничения, накладываемые программными и аппаратными интерфейсами (см.: Барьеры размеров жёстких дисков). Кроме того, дорожки с различным количеством секторов несовместимы со способом адресации CHS. В результате контроллеры дисков стали сообщать не реальную, а фиктивную, логическую геометрию, вписывающуюся в ограничения интерфейсов, но не соответствующую реальности. Так, максимальные номера секторов и головок для большинства моделей берутся 63 и 255 (максимально возможные значения в функциях прерывания BIOS INT 13h), а число цилиндров подбирается соответственно ёмкости диска. Сама же физическая геометрия диска не может быть получена в штатном режиме работы и другим частям системы неизвестна.

Рисунок 4 - Диаграмма цилиндров, дорожек и секторов на жестком диске.

8. Адресация данных

Минимальной адресуемой областью данных на жёстком диске является сектор. Размер сектора традиционно равен 512 байт. В 2006 году IDEMA объявила о переходе на размер сектора 4096 байт, который планируется завершить к 2010 году. Western Digitals уже сообщил о начале использования новой технологии форматирования, названой Advanced Format, и выпустил накопитель (WD10EARS-00Y5B1) использующий новую технологию.

В окончательной версии Windows Vista, вышедшей в 2007 году, присутствует ограниченная поддержка дисков с таким размером сектора.

Существует 2 основных способа адресации секторов на диске: цилиндр-головка-сектор (англ. cylinder-head-sector, CHS) и линейная адресация блоков (англ. linear block addressing, LBA).

При этом способе сектор адресуется по его физическому положению на диске 3 координатами - номером цилиндра, номером головки и номером сектора. В современных[когда?] дисках со встроенными контроллерами эти координаты уже не соответствуют физическому положению сектора на диске и являются «логическими координатами» (см. выше).

При этом способе адрес блоков данных на носителе задаётся с помощью логического линейного адреса. LBA-адресация начала внедряться и использоваться в 1994 году совместно со стандартом EIDE (Extended IDE). Стандарты ATA требуют однозначного соответствия между режимами CHS и LBA:

LBA = [ (Cylinder * no of heads + heads) * sectors/track ] + (Sector-1)

Метод LBA соответствует Sector Mapping для SCSI. BIOS SCSI-контроллера выполняет эти задачи автоматически, то есть для SCSI-интерфейса метод логической адресации был характерен изначально.

9. Современные технологии проектирования и производства

К данному моменту времени производство и разработка интерфейса IDE сошло или сходит на нет, ввиду замен его более современными видами интерфейсов. Например SATA (Serial ATA) - последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации. SATA является развитием параллельного интерфейса ATA (IDE), который после появления SATA был переименован в PATA (Parallel ATA).

Данный интерфейс наиболее популярен для современных жестких дисков и оптических приводов домашнего использования. Обеспечивает высокую скорость передачи данных. Также этот интерфейс применяется при подключении внутренних жестких дисков к мультимедиа проигрывателям.

SATA использует 7-контактный разъём вместо 40-контактного разъёма у PATA. SATA-кабель имеет меньшую площадь, за счёт чего уменьшается сопротивление воздуху, обдувающему комплектующие компьютера, упрощается разводка проводов внутри системного блока.

SATA-кабель за счёт своей формы более устойчив к многократному подключению. Питающий шнур SATA также разработан с учётом многократных подключений. Разъём питания SATA подаёт 3 напряжения питания: +12 В, +5 В и +3,3 В; однако современные устройства могут работать без напряжения +3,3 В, что даёт возможность использовать пассивный переходник со стандартного разъёма питания IDE на SATA. Ряд SATA-устройств поставляется с двумя разъёмами питания: SATA и Molex.

Стандарт SATA отказался от традиционного для PATA подключения по два устройства на шлейф; каждому устройству полагается отдельный кабель, что снимает проблему невозможности одновременной работы устройств, находящихся на одном кабеле (и возникавших отсюда задержек), уменьшает возможные проблемы при сборке (проблема конфликта Slave/Master устройств для SATA отсутствует), устраняет возможность ошибок при использовании нетерминированных PATA-шлейфов.

Стандарт SATA поддерживает функцию очереди команд (NCQ, начиная с SATA Revision 2.x).

Стандарт SATA не предусматривает горячую замену активного устройства (используемого Операционной Системой) (вплоть до SATA Revision 3.x), дополнительно подключенные диски отключать можно постепенно - питание, шлейф, а подключать в обратном порядке - шлейф, питание. После отключения\подключения диска нужно в диспетчере устройств обновить конфигурацию.

SATA Revision 3.x (до 6 Гбит/с)

Спецификация SATA Revision 3.0 предусматривает возможность передачи данных на скорости до 6 Гбит/с (практически до 4,8 Гбит/с - 600 МБ/с). В числе улучшений SATA Revision 3.0 по сравнению с предыдущей версией спецификации, помимо более высокой скорости, можно отметить улучшенное управление питанием. Также будет сохранена совместимость, как на уровне разъёмов и кабелей SATA, так и на уровне протоколов обмена. Кстати, консорциум SATA-IO предостерегает от применения для обозначения поколений SATA доморощенных терминов вроде SATA III, SATA 3.0 или SATA Gen 3. Полное правильное название спецификации - SATA Revision 3.0; название интерфейса - SATA 6Gb/s

10. Обзор рынка

Винчестеры с интерфейсом IDE

Винчестеры Seagate. Фирма Seagate в своих новых моделях впервые применила жидкостные подшипники, благодаря чему и подняла скорость вращения шпинделя до 7200 об/мин. Но, к сожалению, последние модели, выпускаемые фирмой Seagate, не отличаются надежностью, хотя и считаются одними из самых быстрых и довольно тихих.

¾ защиту от статического электричества (состоит из пластины, защищающей плату винчестера);

¾ систему слежения за изменениями и исправления мелких ошибок и сбоев.

Винчестеры Barracuda ATA II (еще одна лидирующая серия) стали лучшими. Скорость вращения шпинделя у них составляет 7200 об/мин, а плотность записи 250Гб на пластину. Производители дают этой серии не только гарантированную работоспособность, но и надежность.

Компания Seagate официально представила новую серию жестких дисков бизнес-класса, получившую название Cheetah. Доступны винчестеры следующего объема: 300 ГБ, 450 ГБ, 600 ГБ.

Скорость вращения шпинделя жестких дисков Seagate Cheetah составляет 15000 оборотов в минуту. Они имеют 16 МБ DRAM кеша и два интерфейса на выбор - 4Gbps Fiber Channel или 6Gbps SAS 2.0.

Гарантированное время работы (MTBF) винчестеров Seagate Cheetah составляет 1,6 миллиона часов.

Винчестеры Western Digital

У фирмы Western Digital были и падения, и взлеты, что также сказывалось и на их продукции. Но в итоге винчестеры IDE, работающие на частотном диапазоне от 83 до 133 МГц, заняли достойное место на рынке.

Например, возьмем винчестеры серии Western Digital Caviar, которые в свое время были лучшими. С технической стороны здесь все довольно просто - скорость вращения шпинделя 5400 об/мин, головки магнито-резиновые и интерфейс АТА-66. Но особенностью является система Data Lifeguard. Это система защиты информации от сбоев. Винчестеры этой серии могут быть прекрасным решением для компьютеров начального и среднего уровня.

Компания Western Digital собирается выпустить новый жесткий диск емкостью в 1 Терабайт с плотностью записи 334Гб на одной пластине. Но, уже почти год назад, южнокорейская корпорация Samsung добилась такого же результата.

Когда производители жестких дисков (HDD) пытаются достигнуть все большей плотности записи, от этого выигрывают все вокруг: чем выше плотность записи на пластину - тем меньше жестких дисков необходимо, чтобы достигнуть одинакового объема. А это, в свою очередь означает, что HDD потребляет меньше энергии, и меньше движущихся элементов приводиться в действие для выполнения дисковых операций.Digital потихоньку обновляет свою линейку HDD Caviar GP, дополнив её экземпляром с плотностью записи в 334Гб и емкостью в 1ТВ. Но эти HDD все также будут оснащаться кэш памятью в 16Мб.

Но Western Digital не единственная компания, которая работает над тем, чтобы уместить 334Гб на одной пластине. На этой неделе корпорация Samsung анонсировала новый 1ТВ HDD EcoGreen, который нацелен на аудио-видео приложения, и использует пластины с емкостью в 334Гб. Samsung утверждает, что его диск EcoGreen F1 обеспечивает на 15% меньшее энергопотребление в сравнении с другими энергосберегающими жесткими дисками, и на 50% - по сравнению с традиционными 1TB жесткими дисками, с частотой оборотов шпинделя 7200rpm. Samsung EcoGreen F1 вращается со скоростью 5400rpm, и использует 3Гб/с SATA2 интерфейс. Его цена равняется $199.

В январе 2008 года Western Digital представила 320Гб HDD с одной пластиной, который имел самую высокую плотность, по сравнению с другими HDD компании. Но Samsung запустил в продажу свой 1ТВ HDD с плотностью в 334Гб на пластину еще июне 2007 года.

Список литературы

1. - Интерфейс ATA

. - Интерфейс IDE

А. К. Гультяев. Восстановление данных. Питер, 2006 г., 352с. (83 с.)

Кристофер Негус. Linux. Библия пользователя, 5-е издание. Диалектика, 2006г., 700с. (259с.)

. - разделы для разработчиков, для подписчиков.

. - Главная Загрузочная Запись - Master Boot Record (MBR)

Смирнов Ю. К. - Секреты эксплуатации жестких дисков ПК, BHV - Санкт-Петербург, 2006г.,

. -Интерфейс IDE

ATA ( Attachment ) — параллельный интерфейс для подключения накопителей к ПК. В 90-е являлся стандартом, построенным на платформе IBM PC. В настоящее время стремительно вытесняется на рынке своим же последователем — SATA . С момента появления SATA, ATA переименовали в PATA (Parallel ATA).

История

Первоначально интерфейс получил предварительное название PC/AT Attachment («Соединение с PC/AT»), поскольку он предназначался для подключения к 16-битной шине ISA (известна как шина AT) . В окончательной версии название переделали в «AT Attachment» во избежании проблем с торговыми марками.

Первая версия стандарта была разработана в 1986 году компанией Western Digital, она имела название IDE (Integrated Drive Electronics — «встроенная в привод электроника»). Название отображало существенное нововведение: контроллер привода располагался в нем самом, а не в виде отдельной платы расширения, как в предшествующем стандарте ST-506 и существовавших тогда интерфейсах SCSI и ST-412. Благодаря этому нововведению были улучшены характеристики накопителей. Меньшее расстояние до контроллера, упрощенное управление им, поскольку контроллер канала IDE абстрагировался от деталей работы привода, более дешевое производство.

Правильное название контроллера канала IDE - хост-адаптер , потому что он перешел от прямого управления приводом к обмену данными с ним по протоколу.

Интерфейс между контроллером и накопителем определен в стандарте АТА. Интерфейс оснащен 8 регистрами, которые занимают 8 адресов в пространстве ввода-вывода. Ширина шины данных равна 16 битам. Число каналов, находящихся в системе, может превышать 2. Важно, чтобы адреса каналов не пересекались с адресами других устройств ввода-вывода. Каждый канал позволяет подключить к себе 2 устройства (master и slave), однако в каждый момент времени может работать лишь одно устройство.

Принцип адресации CHS заключается в следующем: прежде всего блок головок устанавливается позиционером на требуемую дорожку, после чего выбирается требуемая головка, а затем из требуемого сектора считывается информация.

Стандарт EIDE (Enhanced IDE — «расширенный IDE») появился сразу вслед за IDE. Он позволял использовать приводы с емкостью более 528 Мб (504 МиБ), вплоть до 8,4 Гб.

Хоть эти аббревиатуры возникли в качестве торговых линеек, а не официальных названий стандарта, термины IDE и EIDE обычно употребляются вместо термина ATA .

После выхода стандарта Serial ATA («последовательный ATA»), который состоялся в 2003 году, традиционный ATA стал называться Parallel ATA , что подразумивало под собой ничто иное, как способ передачи данных по параллельному 40- или 80-жильному кабелю.

Первоначально, интерфейс применялся с жесткими дисками, однако затем стандарт был расширен для работы и с другими устройствами, преимущественно, со сменными носителями. На шину ATAPI подключали даже FDD. Такой расширенный стандарт получил название Advanced Technology Attachment Packet Interface (ATAPI), а полное наименование стандарта выглядит как ATA/ATAPI . ATAPI почти полностью совпадает со SCSI на уровне команд.

Сперва интерфейсы по подключению приводов CD-ROM не были стандартизованы, являясь исключительно частными разработками производителей приводов. По этой причине, для подключения CD-ROM необходимо было устанавливать отдельную плату расширения, настроенную под конкретного производителя. Некоторые версии звуковых карт, например Sound Blaster, оснащались именно такими портами. Выход на рынок ATAPI позволил стандартизировать всю периферию и дать возможность подключать ее к любому контроллеру.

Еще одним немаловажным этапом развития ATA стал переход от PIO (Programmed input/output — программный ввод/вывод) к DMA (Direct memory access — прямой доступ к памяти). В ходе использования PIO управлением считыванием данных с диска занимался центральный процессор, а это, в свою очередь, приводило к повышенной нагрузке на процессор и снижению его производтельности. По этой причине компьютеры, которые использовали интерфейс ATA, выполняли операции, связанные с диском, медленнее, чем компьютеры, работающие на SCSI и прочих интерфейсах. Внедрение DMA значительно сократило затраты процессорного времени на операции с диском.

Потоком данных в этой технологии управляет сам накопитель. Он считывает данные из памяти почти без участия процессора, а тот, в свою очередь, просто выдает команды на выполнение того или иного действия. При этом жесткий диск выдает сигнал запроса DMARQ на операцию DMA контроллеру. Если операция DMA возможна, контроллер посылает сигнал DMACK и жесткий диск выдает данные в 1-й регистр (DATA), с которого контроллер считывает их. Так, процессор практически не задействован в этой цепочке.

Операция DMA возможна только в том случае, если режим поддерживается одновременно BIOS , контроллером и операционной системой. В противном случае, возможен лишь режим PIO. При развитии стандарта (АТА-3), инженерами был введен дополнительный режим UltraDMA 2 (UDMA 33), который имеет временные характеристики DMA Mode 2. Однако, данные передаются и по переднему, и по заднему фронту сигнала DIOR/DIOW, что вдвое увеличивает скорость передачи данных по интерфейсу. Кроме того, введена проверка на четность CRC, что увеличивает надежность передачи.

История развития ATA включала в себя ряд барьеров (в частности, ограничения на максимальный размер диска в 504 МиБ, около 8 ГиБ, около 32 ГиБ, и 128 ГиБ), связанных с организацией доступа к данным. Большинство из этих барьеров, благодаря современным системам адресации, были преодолены. Впрочем, существовали и другие барьеры, в основном связанные с драйверами устройств, и организацией ввода/вывода в ОС, не работающих в ATA.

В оригинальной спецификации АТА предусматривался 28-битный режим адресации, что позволяло адресовать 2 28 (268 435 456) секторов по 512 байт каждый. Это давало максимальную емкость 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). В целях преодоления этого ограничения была введена схема адресации LBA (Logical Block Address), что позволило адресовать до 7,88 ГиБ. Со временем, данное ограничение было снято. Это дало возможность адресовать сначала 32 ГиБ, а затем и 128 ГиБ, используя все 28 разрядов (в АТА-4) для адресации сектора. Запись 28-битного числа организована путем 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 тремя адресными линиями DA0-DA2. Первый регистр с адресом 0 - 16-разрядный. Он используется в целях передачи данных между диском и контроллером. Остальные регистры 8-битные и применяются для управления.

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

Ограничения на размер проявляются в том, что система идентифицирует объем диска меньше его реального значения, либо же вовсе отказывается загружаться и виснет на стадии инициализации жестких дисков. Иногда проблему удатся решить обновлением BIOS. Другое возможное решение - использование специальных программ (например, Ontrack DiskManager), которые загружают в память свой драйвер до загрузки операционной системы. Недостатком таких решений является то, что используется нестандартная разбивка диска (разделы диска оказываются недоступны, в случае загрузки с обычной DOS-овской загрузочной дискеты). Впрочем, большинство современных ОС может работать с дисками большего размера, даже если BIOS компьютера не определяет размер как требуется.

Чтобы подключить HDD с интерфейсом PATA обычно используется специальный шлейф - 40-проводный кабель. Каждый шлейф обычно оснащен двумя или тремя разъемами, один из которых подключается к разъему контроллера на материнской плате, а остальные два - к дискам. В один момент времени шлейф P-ATA передает 16 бит данных. Иногда встречаются шлейфы IDE, которые позволяют подключать до трех дисков к одному IDE каналу, однако, в этом случае один из дисков работает в режиме read-only.

Разводка Parallel ATA

На протяжении длительного времени шлейф ATA содержал в себе 40 проводников, однако с введением режима Ultra DMA/66 (UDMA4 ) появилась его 80-проводная версия. Все дополнительные проводники — лишь проводники заземления, которые чередуются с информационными проводниками. Так, вместо семи проводников заземления их стало 47. Такое чередование проводников уменьшает емкостную связь между ними, тем самым сокращая взаимные наводки. Емкостная связь - это большая проблема при высоких скоростях передачи. Вот почему нововведение было необходимо для обеспечения нормальной работы установленной спецификацией UDMA4 скорости передачи 66 МБ/с. Что касается более быстрых режимом UDMA5 и UDMA6, то они также требуют 80-проводного кабеля.

Несмотря на то, что число проводников удвоилось, количество контактов осталось прежним, впрочем, как и внешний вид разъемов. Внутренняя разводка, однако, отличается. Разъемы для 80-проводного кабеля должны присоединять большое число проводников заземления к небольшому числу контактов заземления, тогда как в 40-проводном кабеле проводники присоединяются каждый к своему контакту. 80-проводных кабели имеют разъемы, размеченные расцветкой (синий, серый и черный), в отличие от 40-проводных, где обычно все разъемы одного цвета (зачастую, черного).

В стандарте ATA максимальная длина кабеля составляет 46 см. Такое ограничение затрудняет присоединение устройств в больших корпусах, или подключение нескольких приводов к одному компьютеру, и практически полностью исключает возможность использования дисков PATA в качестве внешних дисков. Однако в продаже широко распространены кабели большей длины, не соответствующие стандарту. То же можно сказать и про широко-распространенные «круглые» кабели. Стандартом ATA описаны только плоские кабели с конкретными характеристиками полного и емкостного сопротивления. Это не означает, что другие кабели не будут работать, впрочем, в любом случае, к использованию нестандартных кабелей лучше относиться осторожно.

Если к одному шлейфу подключено два устройства, одно из них носит признак «master» (ведущее), а друго - slave (ведомое). Как правило, ведущее устройство стоит перед ведомым в списке дисков, перечисляемых BIOS’ом. В старых BIOS’ах (486 и раньше) диски часто обозначались буквами «C» для ведущего диска и «D» для ведомого. Правильно называть «ведущий» и «ведомый» диски соответственно device 0 (устройство 0 ) и device 1 (устройство 1 ).

Если на шлейфе располагается лишь один привод, он в большинстве случаев является ведущмй. Некоторые диски имеют специальную надстройку, именуемую single (единый диск на кабеле). В большинстве случаев, единый привод на кабеле может работать и как ведомый.

Также существует настройка под названием «cable select» («выбор, определяемый кабелем»), она является опциональной в спецификации ATA-1 и была широко распространена начиная с ATA-5. Благодаря ней, исключена необходимость переставлять перемычки на дисках при любых переподключениях. Так, если привод установлен в режим cable select, он автоматически устанавливается как ведущий или ведомый, в зависимости от своего местоположения на шлейфе.

Во времена 40-проводных кабелей была широко распространена практика установки режима cable select путем простого перерезания проводника 28 между двумя разъемами. При этом, ведомый привод оказывался на конце кабеля, а ведущий в середине. Такое размещение в поздних версиях спецификации было стандартизировано. 80-проводные кабели, используемые для UDMA4, были лишены таких недостатков. В них ведущее устройство всегда находится в конце шлейфа. Так, если подключено только одно устройство, ненужный отрезок кабеля не образуется. Кабельная выборка у них устанавливается на заводе. Поскольку для 80-проводных шлейфов требовались собственные разъемы, повсеместное внедрение не заставило себя долго ждать. Стандарт требует использования разъемов разных цветов, для более простой идентификации. Синий предназначен для подключения к контроллеру, черный — к ведущему устройству, серый — к ведомому.

Версии ATA

Рассмотрим наиболее распространенные интерфейсы периферийных устройств (табл. 4.5).

Таблица 4.5. Интерфейсы внешних устройств

Интерфейс IDE и его разновидности

IDE (Integra?ed Device Electronics) - интерфейс устройств со встроенным контроллером (рис. 4.21, 4.22). При создании этого интерфейса разработчики ориентировались на подключение дискового накопителя. За счет минимального удаления контроллера от диска существенно повышается быстродействие.

Проблема накопитель-компьютер состоит из трех частей. Компьютер должен взаимодействовать с контроллером (и наоборот), контроллер должен оперировать данными и взаимодействовать с дисковым накопителем (и наоборот).

В свое время проблема рассматривалась со всех трех сторон, что заставляло производителей накопителей выполнять всю ра-

Шины EIDE, PCI VL или системная плата ПК

Первичный интерфейс EIDE

Накопитель на МЛ, CD-ROM или НЖМД, совместимый с EIDE совместимый с EIDE

Рис. 4.21. Интерфейс EIDE

Рис. 4.22. Параллельный разъем АТА/1 DE (а , б ); последовательный разъем

АТА (в ); разъемы на плате (г)

боту. Большая часть «интеллекта» для передачи данных между компьютером и дисковым накопителем была сосредоточена на плате контроллера и компьютера, поэтому при установке нового или замене старого накопителя требовалось обеспечить полную совместимость контроллера с новым жестким диском. Контроллеры IDE существенно изменили ситуацию, так как в этом стандарте значительно большую роль стал играть контроллер на плате дисководного накопителя, поэтому фактический интерфейс между накопителем и компьютером стал относительно простым.

Семейство интерфейсов накопителей IDE (Integrated Drive Electronics) пришло на смену интерфейсам ST506 и ESDI, использовавшимся для подключения жестких дисков к соответствующим контроллерам. В IDE впервые введена стандартная шина для обмена с контроллером за счет использования совмещенной с диском специальной электроники для управления диском и этой шиной (отсюда и название интерфейса). Трансляцию логических параметров в физические осуществляет электроника диска. В качестве синонима интерфейса IDE применяется термин АТА (AT Attachment).

Физически интерфейс IDE реализован с помощью плоского 40-жильного кабеля, на котором размещаются разъемы для подключения одного или двух устройств. Общая длина кабеля не должна превышать 45 см, причем расстояние между разъемами должно быть не менее 15 см.

Интерфейс IDE имеет первичный и вторичный каналы, к каждому из которых можно подключить два устройства, т. е. всего их может быть четыре. Это может быть жесткий диск, CD-ROM или переключатель дисков.

Интерфейс IDE поддерживает несколько способов обмена. Сначала основным способом обмена был режим PIO (Programmed Input/Output), при котором обмен данными производился через регистры процессора под его непосредственным управлением. Следствием этого является высокая загрузка процессора при операциях ввода-вывода.

Вторым способом является использование режима прямого доступа к памяти DMA (Direct Memory Access), при котором контроллер интерфейса IDE и контроллер прямого доступа к памяти системной платы пересылают данные между диском и оперативной памятью, не загружая центральный процессор.

Существует несколько разновидностей интерфейса IDE, совместимых снизу вверх друг с другом.

Спецификация Enhanced IDE. В целях развития возможностей интерфейса IDE компанией Western Digital была предложена его расширенная спецификация Enhanced IDE (синонимы: E-IDE, Fast АТА, АТА-2 и Fast АТА-2), которая обрела затем статус американского стандарта ANSI под названием АТА-2 (рис. 4.23, табл. 4.6). Она содержит ряд нововведений: поддержку IDE-на-копителей емкостью свыше 504 Мбайт, поддержку в системе нескольких контроллеров IDE и подключение к одному контроллеру до четырех устройств, а также поддержку периферийных устройств, отличных от жестких дисков (приводов CD-ROM, CD-R и DVD-ROM, накопителей LS-120 и ZIP, магнитооптики,

Таблица 4. 6. Разъем параллельного интерфейса АТА

Передача данных как передним, так и задним фронтами импульса

Рис. 4.23. Схемы временных диаграмм интерфейсов АТА-2 и АТА-3 (а );

Ultra АТА (б); Ultra АТА/66 {в)

стримеров и т. п.). Расширение спецификации IDE для поддержки иных типов накопителей с интерфейсом IDE называют также ATAPI (АТА Packed Interface). В Enhanced IDE также введены элементы распараллеливания операций обмена и контроля за целостностью данных при передаче.

В спецификацию интерфейса Enhanced IDE добавлена поддержка режимов РЮ Mode 3 и 4, а также режимы DMA Single Word Mode 2 и Multi Word DMA Mode 1 и 2. Максимальная скорость передачи данных по шине в режиме РЮ Mode 3 составляет 11,1 Мбайт/с, а в режимах РЮ Mode 4 и Single Word DMA Mode 2 - 16,7 Мбайт/с. Режим Multi Word DMA Mode 2 позволяет получить пиковую скорость обмена свыше 20 Мбайт/с.

Следующим шагом в развитии интерфейса IDE/АТА явился стандарт Ultra АТА (он же Ultra DMA, АТА-33, DMA-33, АТА-3). Ultra АТА является стандартом де-факто использования быстрого режима DMA - mode 3, обеспечивающего скорость передачи дан-

Передача данных передним фронтом импульса

362 Глава 4. Интерфейсы

ных 33,3 Мбайт/с. Для обеспечения надежной передачи данных по все тому же кабелю используются специальные схемы контроля и коррекции ошибок, при этом сохраняется обратная совместимость с предыдущими стандартами - АТА и АТА-2.

Наконец, интерфейсы Ultra АТА/66, Ultra АТА/100, Ultra АТА/133, позволяющие осуществлять передачу данных со скоростями 66, 100 и 133-150 Мбайт/с соответственно.

Последовательный интерфейс Serial АТА (SATA). Основные преимущества Serial АТА сравнительно с Parallel АТА (РАТА) включают:

• уменьшено количество контактов разъема (до 7 вместо 40) и снижено напряжение сигнала (до 500 мВ, сравнительно с 5 В для РАТА);
• меньший, более удобный для проводки кабель, длиной до 1 м;
• улучшены возможности обнаружения и коррекции ошибок.

Первое поколение (известное как SATA/150 или SATA. 1)

появилось на рынке в середине 2002 г. и поддерживало скорость передачи данных до 1,5 Гбит/с. SATA. 1 использует схему кодирования 8В/10В на физическом уровне, которая имеет эффективность, равную 80 %, что приводит к реальной скорости в 1,2 Гбит/с или 150 Мбайт/с.

Следующая версия (SATA, 3,0 Гбит/с) также использует схему 8В/ 10В, поэтому максимальная скорость передачи составляет 2,4 Гбит/с или 300 Мбайт/с. Однако сегодняшние устройства НЖМД не поддерживают таких скоростей, поэтому реальное быстродействие системы ограничено возможностями дисковода. Спецификацию 3,0 Гбит/с часто называют «Serial АТА II» («SATA II»), а также SATA 3.0 или SATA/300, продолжая линию АТА/100, АТА/133 и SATA/150.

Интерфейс ATA (IDE) является одним из самых долгих по времени использования в устройствах (компьютерах), появился он еще в 1986 г (когда первый жесткий диск 30+30 мб был уже в 1973 г) и используется по сей день (постепенно интерфейс IDE вытесняет интерфейс SATA) для подключения жестких дисков или приводов. После появления на рынке SATA, был переименован в PATA - Parallel ATA.

Я долгое время использую IDE диски и все никак не могу перейти на SATA, и даже на момент написания этой статьи, я также использую IDE 3.5/40 Gb, а современные обьемы для меня мягко говоря слишком огромные, но думаю все же в скором времени буду использовать диски с SATA интерфейсом.

История интерфейса ATA/PATA (IDE)

Первая версия была разработана в 1986-ом году компанией Western Digital и получали название IDE, что с английского Integrated Drive Electronics - «электроника, встроенная в привод». Этому послужило новшество того времени, контроллер размещался непосредственно в самом приводе, а не в виде отдельной платы как это было в других интерфейсах того времени - к примеру в SCSI. В связи с этим, расстояние до контроллера было уменьшено, за счет чего увеличились характеристики привода. Это позволило удешевить производство, так как контроллер был рассчитан только на родной привод, другого варианта быть не может.

Интерфейс изначально был рассчитан на работу с жесткими дисками, однако со временем стандарт был расширен для использования с такими устройствами как DVD-ROM, CD-ROM, ленточными накопители, дискеты большого обьема (ZIP, флоптические).

Но не сразу стандартизован был интерфейс подключения к CD-ROM, это скорее было проприетарными разработками фирм, выпускавшие приводы. Поэтому для подключения CD-ROM было необходимо сперва установить отдельную плату расширения, которая направлена на работу с определенным производителем. Некоторые звуковые карты были оснащены именно таким разьемом, поэтому обычным делом было когда вместе с CD-ROM приводом в комплекте продавались звонковые карты, так как это было на то время оптимальным решением.

После этого, важным изменением в развитии интерфейса ATA/PATA стало использования вместо PIO - DMA. При использовании PIO процессом считывания с диска управлял центральный процессор, это было заметно на сниженном быстродействии. Поэтому системы, которые использовали интерфейс ATA работали намного медленнее с диском, чем те, которые использовали интерфейс SCSI (или другие). DMA существенно облегчил этот процесс и снизил затраты центрального процессора во время считывания.

Однако были и положительные стороны у режима PIO - не требовались драйвера, поэтому использование этого режима было оптимальных на то время для однозадачных режимов.

При использовании технологии DMA, роль управления потоком данных берет на себя сам накопитель, работа с памятью происходит почти без участия процесса, который в свою очередь выдает только команды на выполнение той или иной задачи.

Последние IDE-диски (то есть относительно современные) «умеют» использовать эту возможность, сочетая с возможностью перехвата управления шиной и в результате полностью управлять процессом передачи данных.

Однако использование DMA возможно только в том случае, когда операционная система, BIOS и контроллер поддерживают этот режим, в остальных случая используется только режим PIO.

Со временем был введен дополнительный режим - UltraDMA 2 (UDMA 33), в этом режиме данные передаются как при переднем так и при заднем фронте сигнала DIOR/DIOW. Это увеличивает скорость вдвое, помимо этого проверяется четность CRC (последовательность бит, которая была получена по определенному алгоритму и при этом основываясь на другой битовой последовательности - исходной), что только повышает надежность передачи.

Интерфейс ATA (IDE)

Вообще «оригинальный» интерфейс АТА не предназначен для подключения каких либо устройств, кроме как жестких дисков и не поддерживает возможности ATAPI, при которых возможно подключение и других устройств а также использование режим передачи block mode и LBA.

Для подключения устройств с разьемом IDE (PATA), обычно применяется 40-жильный проводной кабель (другими словами - шлейф). Такой шлейф может иметь как два, так и три разьема. Один разьем соответственно подключается к материнской плате, а другой к жесткому диску, свободный раздел можно также подключить как к накопителю, так и к оптическому приводу. В материнских платах старого образца, разьем IDE был в виде отдельной платы расширения. Встречаются также IDE шлейфы для подключения трех дисков к одному каналу, но в таком случае один из дисков будет в режиме «только чтение».

Шлейф IDE, как уже писалось выше, представляет собой 40-контактный кабель, однако с появлением Ultra DMA/66 (UDMA 4), появилась еще одна его разновидность - 80-ти жильный кабель. Все дополнительные проводники, ничто иное как элементы заземления, которые чередуются с информационными проводниками. В результате количество проводников заземления с 7-ми увеличилось до 47-ми. Проводники заземления необходимы для уменьшения емкостной связи, что в свою очередь сокращает взаимные наводки. Именно при высоких скоростях, емкостная связь была преградой, поэтому для обеспечения скорости 66 Мб/с стандарта Ultra DMA/66, был применен новый кабель. Другие режимы UDMA также требуют использование такого кабеля (шлейфа).

Длина кабеля всегда составляла не больше 46 см, что затрудняло подключение и правильное расположение жесткого диска в северных корпусах, и исключает использование дисков PATA в роли внешних. На рынке представлены кабели больше стандартной длины, однако это не соответствуют стандарту. Это не означает что они не будут передавать данные должным образом, как и при нестандартном кабеле - не плоском, а «круглом». Стандарт PATA предполагает использование кабелей только определенной длины, с конкретными характеристиками сопротивлений (как полного, так и емкостного). Поэтому нужно необходимо осторожно относится к таким «нестандартным» кабелям.

Если на одном канале (шлейфе) используется не одно IDE-устройство, то в таком случае одно из них должно быть ведущим (master), а второе - ведомым (slave). Обычно в цепочке первым расположен ведущий диск, после которого уже ведомый. Также и в BIOS первым диском в списке выступает ведущий, после которого - ведомый.

При использовании одного устройства на одном шлейфе, то он должен быть ведущим (master). Некоторые диски имеют специальный джампер для такого случая (single). Впрочем на одном кабеле, одно устройство может работать как ведущим так и ведомым.

Также существует настройка cable select, при которой диск сам определяет свой тип. Впервые такая опция была предложена в спецификации ATA-1, но распространенной стала только с выходом ATA-5. Настройка cable select исключает переставление перемычек в любом положении дисков/приводов. Но для работоспособности этой настройки, необходимо чтобы шлейф был с кабельной выборкой.

При использовании 40-контактного кабеля настройку cable select проводили простым способом, а именно перерезанием 28-го контакта между двумя разьемами, что приводило к тому, что устройство на конце кабеля являлось ведомым, а ведущим - то которое идет перед ним. Такое размещение со временем было даже стандартом. Но когда на кабеле располагалось только одно устройство, то это приводило к образованию ненужного куска кабеля, что к тому же могло служить отражателем сигнала и провоцировать помехи.

80-ти проводниковые кабели лишены данных недостатков, так как ведущее устройство всегда находится в конце кабеля, поэтому при подключении одного устройства - нет лишнего куска кабеля. Кабельная выборка у них заводская, то есть в самом разьеме данный контакт исключен. Для удобства разьемы на кабелях отличаются цветом, хотя на это мало кто обращает внимание. Синий предназначен для к контроллера, черный к ведущему, а серый - к ведомому устройству.

Скорость передачи IDE

При использовании жесткого диска IDE (ATA/PATA), скорость определяется в основном по двум параметрам. Внутренняя скорость передачи непосредственно между магнитной составляющей и внутренним буфером диска и определяется плотностью записи, скоростью вращения и другими параметрами, которые зависят в первую очередь не от интерфейса, а от конструкции диска. Также в большой степени на скорость работы диска IDE влияет используемый режим передачи данных. На первых порах использования дисков скорость дисковой подсистемы определялась внутренней скоростью передачи данных, которая была значительно меньшей. Сегодня, когда плотность записи намного выше и за один участок времени или оборота снять/считать ее пропорционально возможно больше, а также с увеличением частоты вращения, в первую очередь рассматривается именно внешняя скорость передачи.

Памятка при конфигурации устройств IDE/ATA

Если вы собрались сконфигурировать IDE-устройства, буд-то жесткий диск или CD-ROM/DVD-ROM, следует учитывать следующие тонкости или рекомендации:

Каждый канал IDE за единицу времени может обработать только одну команду к одному устройству, то есть, если на канале (шлейфе) есть также еще устройства (к примеру два жестких диска), то доступ к другому жесткому диску будет только при условии обработки команды к первому. Именно поэтому рекомендуется использовать при возможности на одно устройство - один канал, именно это и является основным преимуществом SCSI (к примеру использование два жестких диска);

Чипсеты материнских плат, которые оснащены IDE-контроллером, поддерживают разные режимы передачи данных для устройства, тем не менее если устройства имеют значительные отличия по скорости, то лучше их разместить на разных каналах IDE;

Не рекомендуется подключать на одном канале IDE жесткий диск и CD-ROM, так последний использует другую систему команд и это может отразится на работе жесткого диска не в лучшую сторону, во-вторых даже самые быстры ATAPI-устройства не способы даже конкурировать со скоростью IDE, поэтому это также может замедлить скорость работы жесткого диска.