Обзор интерфейса IDE

История развития интерфейса IDE

Что собой представляет интерфейс IDE

Первые диски IDE

Интерфейсы IDE для различных системных шин

Накопители ATA IDE

Стандарты ATA

Особенности интерфейса ATA

Эволюция интерфейса ATA

Serial ATA

ATA RAID

Обзор интерфейса IDE

Основной интерфейс, используемый для подключения жесткого диска к современному PC, называется IDE (Integrated Drive Electronics). 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 ком пьютеров, 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. В этой главе подробно обсуждается функционирование интерфейса IDE.

История развития интерфейса IDE

В этом разделе вашему вниманию предлагается краткий экскурс в историю создания ин терфейсов дисковых накопителей. Сегодня существует несколько типов интерфейсов жест ких дисков. При модернизации или ремонте компьютера вы можете столкнуться с любым из них, поэтому необходимо знать интерфейсы всех типов, начиная от самых старых и заканчи вая новейшими. Приведенные здесь параметры и технические характеристики могут оказать ся полезными при выполнении самых разнообразных работ: при поиске неисправностей, профилактическом обслуживании, модернизации и подключении жестких дисков с различ ными типами интерфейсов.
Кроме того, ниже рассматриваются стандартные контроллеры, принципы работы с ними и возможность их замены более быстродействующими устройствами. Правильный выбор ин терфейса очень важен, поскольку от этого зависит тип и быстродействие жесткого диска, ко торый можно установить в компьютер.
Замечание
Описание дисeовых интерфейсов ST-506/412 и ESDI можно найти в дополнении на прилаaаемом eомпаeт-дисeе. Основная функция контроллера накопителя, или интерфейса, — передача данных из сис темы в накопитель и обратно. От типа интерфейса зависит, с какой скоростью будут осуще ствляться эти операции, что во многом определяет общую производительность компьютера. Приводимые в технической литературе статистические данные не всегда точно отражают ис тинное положение дел. Я постараюсь отделить мифы, основанные на чересчур завышенных показателях, от реальности.
Обычно при оценке быстродействия накопителя (особенно жесткого диска) в первую оче редь обращают внимание на среднее время поиска, т.е. время, необходимое для перемещения головок с одной дорожки на другую. Сразу отмечу, что важность этого параметра часто пере оценивают, особенно если сравнивать его с другими параметрами жесткого диска, например со скоростью передачи данных.
Скорость передачи данных между жестким диском и компьютером, как правило, является более важной характеристикой, поскольку большую часть времени жесткий диск затрачивает именно на считывание и запись информации, а не на перемещение головок. Скорость загруз ки или чтения файла зависит в основном от скорости передачи данных. Разумеется, среднее время поиска существенно влияет на скорость выполнения некоторых специальных операций Что собой представляет интерфейс IDE 471 (например, на сортировку больших файлов, в ходе которой происходит обращение к случай но выбранным отдельным записям файла, а следовательно, многократно выполняется опера ция поиска). Однако при обычных операциях загрузки и сохранения файлов определяющей оказывается скорость обмена данными. А она, в свою очередь, зависит как от самого жестко го диска, так и от типа используемого интерфейса.
За время существования персональных компьютеров было разработано несколько интер фейсов. Ниже приведены типы интерфейсов и период их использования. Из них только первых два можно считать настоящими интерфейсами между контролле ром и диском. SCSI и IDE — это интерфейсы системного уровня, в которых контроллер од ного из первых двух типов выполнен в виде микросхемы (или комплекта микросхем) и встро ен в диск. Например, в большинстве дисков SCSI и IDE установлено устройство, собранное по той же схеме, что и автономный контроллер ESDI. В интерфейсе SCSI между контролле ром и системной шиной вводится еще один уровень организации данных и управления, а ин терфейс IDE взаимодействует с системной шиной непосредственно.
Если вы занимаетесь восстановлением данных, то должны знать интерфейс, с которым работаете. Многие проблемы, возникающие при восстановлении данных, связаны с настрой кой жесткого диска, а способы его установки и конфигурации для разных типов интерфейсов несколько различаются. Если диск установлен или настроен неправильно или его параметры случайно изменены пользователем, это может воспрепятствовать доступу к данным. Поэтому, если вы хотите заниматься восстановлением данных на профессиональном уровне, изучите особенности установки и конфигурации жестких дисков и контроллеров различных типов. Появление стандарта интерфейсов в индустрии PC обеспечивает совместимость между компьютерами разных фирм. Можно открыть каталог, выбрать подходящий жесткий диск и заказать по телефону его доставку. При этом вы можете быть уверены, что он будет работать в вашем компьютере. Это самая наглядная реализация принципа Plug and Play, а главный ре зультат заключается в том, что можно выбрать жесткий диск с такой емкостью, быстродейст вием и прочими параметрами, которые вас устраивают.

Что собой представляет интерфейс IDE

Как уже отмечалось, IDE (Integrated Drive Electronics) представляет собой обобщающий термин, применимый практически к каждому дисководу со встроенным контроллером. В на стоящий момент интерфейс IDE получил официальное название АТА (AT Attachment), приня тое в качестве стандарта ANSI. Название АТА, относящееся к оригинальной параллельной версии интерфейса, обозначает жесткий диск, подключенный непосредственно к шине АТ, которая более известна как 16-разрядная шина ISA.
472 Глава 7. Интерфейс IDE ATA является 16-разрядным параллельным интерфейсом, т.е. по кабелю интерфейса од новременно передается 16 бит. В начале 2001 года был официально представлен новый ин терфейс, получивший название Serial ATA. Serial ATA (SATA) единовременно передает по кабелю не более одного бита данных, что позволяет значительно уменьшить сечение и длину используемого кабеля за счет повышения частоты передачи данных. SATA представляет со бой совершенно новую конструкцию физического интерфейса, сохранившую при этом про граммную совместимость с параллельным интерфейсом ATA. Название АТА, встречающееся на страницах этой книги, относится к параллельной версии интерфейса, а название SATA — к интерфейсу Serial ATA. Поскольку в накопителе IDE контроллер встроенный, его можно подключать непосредст венно к разъему на плате адаптера или на системной плате. Это существенно упрощает уста новку жесткого диска, так как не нужно подсоединять отдельные кабели для подачи питания, сигналов управления и т.п. Кроме того, при объединении контроллера и жесткого диска со кращается общее количество элементов в устройстве, уменьшается длина соединительных проводов, а в результате повышается надежность, устойчивость к шумам и быстродействие системы по сравнению с тем, когда автономный контроллер подключается к жесткому диску с помощью длинных кабелей.
Объединяя контроллер (в том числе и входящий в его состав шифратор/дешифратор) с жестким диском, удается существенно повысить надежность воспроизведения данных по сравнению с системами, в которых используются автономные контроллеры. Происходит это потому, что кодирование данных и их преобразование из цифровой формы в аналоговую (и наоборот) осуществляется непосредственно в жестком диске при меньшем уровне внешних помех. В результате аналоговые сигналы, временные параметры которых весьма критичны, не передаются по плоским кабелям, где они могли бы “набрать” помех; кроме того, при пере даче сигналов по кабелям могут возникнуть непредсказуемые задержки их распространения. В конечном счете совмещение контроллера и жесткого диска в едином блоке позволило по высить тактовую частоту шифратора/дешифратора, плотность размещения данных на носи теле и общее быстродействие системы.
Объединение контроллера и жесткого диска освободило разработчиков от необходимости строго следовать стандартам, что было неизбежно при использовании прежних интерфейсов. Взаимно согласованная и “подогнанная” пара “жесткий диск–контроллер” обладает гораздо большим быстродействием по сравнению с прежними комбинациями автономных устройств. Разъем IDE на системной плате во многих компьютерах представляет собой просто “усеченный” разъем шины расширения. В стандартном варианте ATA IDE используются разъемы с 40 контактами из возможных 98, имеющихся в разъеме 16-разрядной шины ISA. Из всего набора сигнальных линий шины к разъему IDE подведены только те, которые необ ходимы для работы стандартного контроллера жесткого диска компьютеров XT и AT. На пример, для контроллера жесткого диска в компьютере AT нужна линия IRQ 14, поэтому на разъем IDE системной платы AT выведена только эта линия IRQ. На разъем системной платы компьютера XT выведена только линия IRQ 5, к которой и подключен контроллер. Обратите внимание, что даже если интерфейс ATA подключен к микросхеме South Bridge и работает на частоте шины PCI, то все равно разводка и назначение контактов не изменяются.
Замечание
Мноaие пользователи полаaают, что в eомпьютерах, в eоторых разъем IDE oстановлен на системной плате, eонтроллер жестeоaо дисeа расположен на ней же. На самом деле это не таe: eонтроллер находится в самом жестeом дисeе. Мне не доводилось сталeиваться с системами, в eоторых eонтроллер жестeоaо дисeа был бы смонтирован на системной плате. Первые дисeи IDE 473
Когда говорят о накопителях IDE, то обычно имеют в виду вариант ATA IDE, получив ший наибольшее распространение. Однако существуют и другие разновидности накопителей IDE для других шин. Например, в некоторых компьютерах PS/2 устанавливаются жесткие диски, предназначенные для работы с шиной MCA и подключаемые непосредственно к разъ ему расширения (через адаптер). Существуют также накопители IDE, предназначенные для 8- разрядной шины ISA, но они не получили широкого распространения. В большинстве IBM- совместимых компьютеров с шинами ISA и EISA устанавливаются 16-разрядные накопители ATA IDE. На сегодняшний день интерфейс ATA IDE является самым распространенным.
Замечание
IDE — это обобщенный термин, eоторый может быть отнесен праeтичесeи e любомo жестeомo дисeo со встро енным eонтроллером; названия ATA и Serial ATA относятся e определенным типам интерфейсов IDE. Посeоль eo АТА является наиболее распространенной формой IDE, эти термины довольно часто использoются пооче редно, что с техничесeой точeи зрения неправильно. То, что пользователи обычно называют IDE, правильнее называть интерфейсом ATA. Главное достоинство накопителей IDE — их дешевизна. Поскольку для них не нужен от дельный контроллер, количество кабелей и разъемов, необходимых для подключения жестко го диска, оказывается существенно меньшим, чем в стандартном варианте жесткого диска с автономным контроллером. А это не может не сказаться на стоимости таких устройств. Кро ме того, эти устройства более надежны, поскольку контроллер встроен в жесткий диск. В ре зультате шифратор/дешифратор расположен в непосредственной близости от носителя. И так как аналоговый сигнал проходит очень короткую “дистанцию”, он менее чувствителен к внешним шумам и помехам.
Еще одно достоинство накопителей IDE — быстродействие. Но, как это ни странно, к данному классу относятся не только жесткие диски с максимальной производительностью, но и едва ли не самые “медленные” устройства. Это иллюстрация того, что многое зависит от конкретной реализации одной и той же технической идеи. Дать общую оценку производи тельности всех дисков IDE невозможно, поскольку каждая модель уникальна. Однако высо кокачественные устройства обладают быстродействием, равным или превосходящим анало гичный параметр для жестких дисков прочих типов (правда, при работе в автономном ком пьютере и под управлением однозадачной операционной системы).

Первые диски IDE

Эти диски выпускались в виде жестких плат. Некоторые компании, например Plus Development (подразделение Quantum), поступали следующим образом: прикрепляли небольшие жесткие диски формата 3,5 дюйма (в стандарте ST-506/412 или ESDI) непосредственно к платам стандарт ных контроллеров. Полученный модуль вставлялся в разъем шины как обычный контроллер жест кого диска. Но когда тяжелый вибрирующий жесткий диск устанавливается в разъем расширения и крепится всего одним винтом, это, естественно, далеко не лучшая ситуация, не говоря о том, что такой модуль упирается в соседние платы, поскольку он намного толще обычного адаптера. Некоторые компании пошли другим путем и переработали конструкцию контроллера, устано вив его вместо платы управления в стандартном жестком диске. При этом сам жесткий диск мон тируется обычным образом в предназначенном для него отсеке. Конечно, как и любое другое уст ройство компьютера, встроенный контроллер таких жестких дисков необходимо подключать к шине. Делается это с помощью кабеля, соединяющего жесткий диск с одним из разъемов. 474 Глава 7. Интерфейс IDE
Существует несколько способов такого подключения. Компания Compaq первой стала уста навливать в своих компьютерах специальный адаптер для перехода с 98-контактного печатного разъема шины AT (ISA), расположенного на системной плате, на 40-контактный разъем, к кото рому подключается жесткий диск. Такого разъема оказалось вполне достаточно, поскольку уже было ясно, что для контроллера жесткого диска никогда не потребуется более 40 линий. В 1987 году IBM разработала свои накопители IDE для шины MCA, которые подключа ются к шине через специальный адаптер, названный промежуточной платой. На этих платах устанавливается лишь несколько буферных микросхем, поскольку встроенные контроллеры уже разрабатывались с расчетом на прямое подключение к шине. Еще одна 8-разрядная раз новидность накопителя IDE была разработана для 8-разрядной шины ISA, используемой, на пример, в компьютерах PS/2 модели 30. В интерфейсе IDE, предназначенном для систем XT, тоже используются 40-контактные разъемы и кабель. Они подобны тем разъемам и кабелям, которые применяются в 16-разрядных версиях, но не совместимы с ними.

Интерфейсы IDE для различных системных шин

Существует три основные разновидности интерфейса IDE, рассчитанные на взаимодейст вие с тремя стандартными шинами:
-- Serial AT Attachment (SATA);
-- параллельный AT Attachment (ATA) IDE (16-разрядная шина ISA);
-- XT IDE (8-разрядная шина ISA);
-- MCA IDE (16-разрядная шина MCA).
В настоящее время из всех перечисленных типов используются только версии ATA. Уже появились более быстрые и мощные версии интерфейсов ATA и 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 возмож ности последней версии ATA-6, в целом интерфейс Serial ATA демонстрирует большую про изводительность и функциональность.
Замечание
Мноaие пользователи пoтают 16- и 32-разрядные соединения шины и 16- и 32-разрядные подсоединения жестeих дисeов. PCI-соединение обеспечивает 32-разрядный (в бoдoщем 64-разрядный) обмен междo шиной и eонтроллером наeопителя. Однаeо в eонфиaoрации наeопителей IDE (или EIDE) вы все еще полoчаете толь eо 16-разрядный обмен междo наeопителем и eонтроллером. Это обычно не создает серьезных проблем, по сeольeo один или два наeопителя не моaoт обеспечить таeой обмен данными, чтобы заполнить хотя бы 16- разрядный eанал. В версиях XT и ATA для подключения жестких дисков используются стандартные 40- контактные разъемы и кабели, но разводки выводов у них разные, поэтому они оказываются не совместимыми друг с другом. В версии MCA IDE, рассчитанной только на компьютеры с шиной MCA, применяются совершенно другие, 72-контактные разъемы. В большинстве случаев в системе должен быть установлен накопитель IDE того типа, ко торый соответствует шине компьютера. Другими словами, накопители XT IDE работают Наeопители ATA IDE 475
только в компьютерах класса XT с разъемами 8-разрядной шины ISA, накопители ATA IDE можно устанавливать только в компьютерах класса AT с разъемами 16-разрядной шины ISA или EISA, а накопители MCA IDE пригодны только для систем с шиной MCA (например, для PS/2 модели 50 и последующих). Правда, возможны и другие варианты. Например, компания Silicon Valley выпускает платы адаптеров для компьютеров XT, предназначенные для работы с накопителями ATA IDE. Другие компании, например Arco Electronics и Sigma Data, выпус кают адаптеры для систем с шиной MCA, к которым можно подключать те же накопители ATA IDE. Эти адаптеры могут оказаться полезными для владельцев компьютеров XT и PS/2, поскольку выбор накопителей IDE для систем XT и MCA весьма ограничен, а моделей нако пителей ATA IDE выпускается очень много.
В большинстве новых компьютеров разъем ATA установлен непосредственно на систем ной плате. Если его нет, то для подключения к компьютеру накопителя ATA IDE можно ис пользовать 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 уст ройства, например специализированная ROM BIOS или кэш-память.

Накопители ATA IDE

Прототип накопителя ATA IDE, или 40-контактный IDE-разъем, был разработан совмест ными усилиями компаний CDC, Western Digital и Compaq. Первым устройством ATA IDE стал жесткий диск формата 5,25 дюйма емкостью 40 Мбайт половинного размера, выпущен ный CDC. В нем использовался встроенный контроллер компании Western Digital, а устанав ливались эти диски в первых компьютерах Compaq 386 (1986 год).
Через некоторое время 40-контактный разъем и метод построения дискового интерфейса были представлены на рассмотрение в Комитет по стандартам при ANSI. Совместными уси лиями этого института и компаний-изготовителей были устранены некоторые шероховато сти, “подчищены хвосты”, и в марте 1989 года был опубликован стандарт на интерфейсы, из вестный как CAM ATA. Однако еще до появления этого стандарта многие компании, напри мер Conner Peripherals, вслед за CDC внесли некоторые изменения в первоначальную конструкцию. В результате многие старые накопители ATA очень трудно объединять в двух дисковую конфигурацию, принятую для современных систем.
Некоторые разделы стандарта ATA не конкретизированы, и изготовителям предоставлена определенная свобода творчества при введении собственных команд и функций. Кстати, именно поэтому низкоуровневое форматирование накопителей IDE превратилось в столь сложную проблему. Программа форматирования при перезаписи заголовков секторов и соз дании карты дефектов должна обладать возможностью использования набора команд, разра ботанного компанией-изготовителем для конкретной модели жесткого диска. К сожалению, при таком подходе размывается само понятие “стандарт”.
Замечание
Важно отметить, что в eачестве стандарта принят тольeо интерфейс ATA IDE. Интерфейсы XT IDE и MCA IDE ниeоaда таeовыми не являлись и поэтомo не полoчили широeоaо распространения. Эти интерфейсы сняты с производства — во всяeом слoчае в новых eомпьютерах они не использoются.

Стандарты ATA

Как уже упоминалось, стандарт ATA был принят в марте 1989 года Комитетом по стан дартам при ANSI. Для создания стандартов Serial ATA была сформирована группа, получив шая название Serial ATA Workgroup, в которую вошли многие специалисты Комитета по стандартам. Эволюция параллельного интерфейса АТА завершится, по всей вероятности, по следней спецификацией ATA-6 (ATA/100), а в дальнейшем найдет свое воплощение в форме Serial ATA (о чем речь пойдет несколько позже).
На данный момент были рассмотрены и утверждены следующие стандарты ATA:
-- ATA-1 (1988–1994 гг.);
-- ATA-2 (1996 г., также называется Fast-ATA, Fast-ATA-2 или EIDE);
-- ATA-3 (1997 г.);
-- ATA-4 (1998 г., также называется Ultra-ATA/33);
-- ATA-5 (1999 г., также называется Ultra-ATA/66);
-- ATA-6 (2000 г., также называется Ultra-ATA/100).
Все версии стандарта ATA обратно совместимы, т.е. устройства ATA-1 или ATA-2 будут прекрасно работать с интерфейсом ATA-4 или ATA-5. Каждый последующий стандарт ATA основан на предыдущем. Это означает, что стандарт ATA-5, например, полностью повторяет функциональные особенности ATA-6, за исключением некоторых моментов.
ATA-1
Версия ATA-1 была окончательно утверждена в 1994 году. Стандарт ATA-1 определяет оригинальный интерфейс AT Attachment. В спецификации ATA-1 впервые были определены и документированы следующие основные свойства:
-- 40/44-контактный разъем и кабель;
-- параметры выбора конфигурации диска — первичный/вторичный;
-- параметры сигналов для основных режимов PIO (Programmed I/O) и DMA (Direct Memory Access);
-- трансляция параметров накопителя CHS (Cylinder Head Sector) и LBA (Large Block Address).
Стандарт ATA-1 описан в документе ANSI X.3221-1994 AT Attachment Interface for Disk Drives, который можно найти в Internet. Стандартами ATA определены назначения выводов 40- контактного разъема, назначение и временные диаграммы передаваемых через него сигналов, параметры кабелей и т.п. Некоторые из этих требований рассматриваются в следующем разделе.
Стандарт ATA-2
Этот стандарт представляет собой расширение первоначального стандарта ATA (IDE); впервые опубликован в 1996 году. Ниже приведены наиболее существенные из внесенных дополнений:
-- 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 устройств емкостью до 137,4 Гбайт;
-- стандарт CHS/LBA, определенный для дисков емкостью до 8,4 Гбайт.
Кроме того, ATA-2 вносит некоторые изменения в команду идентификации жесткого дис ка, в результате чего появляется возможность передавать в систему более подробные сведе ния о нем. Это особенно важно как для принципа 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). Он описан в документе ANSI X3.279- 1996 AT Attachment Interface with Extensions.
Стандарт ATA-3
Этот стандарт впервые был опубликован в 1997 году. Он обеспечивает:
-- повышенную надежность, особенно в более быстром режиме передачи (режим 4);
-- простую схему защиты паролем;
-- более совершенное управление электропитанием;
-- технологию самоконтроля с анализом S.M.A.R.T. (Self Monitoring Analysis and Report Technology).
Стандарт ATA-3 описан в документе ANSI X3.298-1997 AT Attachment 3 Interface. 478 Глава 7. Интерфейс IDE Стандарты ATA-2 и ATA-3 часто называют EIDE (Enhanced IDE — улучшенный IDE). Спецификация Enhanced IDE была разработана компанией Western Digital. Аналогичные стандарты (Fast-ATA и Fast-ATA-2) были приняты компанией Seagate; этих же стандартов придерживается и Quantum. Но если говорить о жестких дисках и BIOS, то сразу становится очевидным, что это просто разные названия одних и тех же принципов и методов. Можно выделить четыре области, в которых стандарты ATA-2 (EIDE), ATA-3 и ATA-4 претерпели существенные изменения по сравнению с исходным вариантом ATA/IDE.
-- Увеличение максимальной емкости жестких дисков.
-- Увеличение скорости обмена данными.
-- Появление вторичного канала для подключения двух устройств.
-- Использование интерфейса ATAPI.
ATA/ATAPI-4 Спецификация ATA-4 была опубликована в 1998 году. Компонент PIIX4 и более поздние версии микросхемы South Bridge в системных платах Intel соответствуют стандарту ATA-4, а во многих новых дисководах реализован высокоскоростной режим передачи UDMA (Ultra-DMA). В соответствии со стандартом ATA-4 интерфейс ATAPI рассматривается как полноправный, а не вспомогательный интерфейс ATA, причем полностью совместимый с ним. Это должно способствовать применению интерфейса ATA для устройств многих других типов. ATA-4 также поддерживает новые режимы Ultra-DMA (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, что вдвое выше, чем у самого быстрого режима программированного ввода-вывода и режима прямого доступа к памяти.
Основные нововведения стандарта ATA-4:
-- режим передачи данных Ultra-DMA, обеспечивающий скорость до 33 Мбайт/с;
-- интегрированная поддержка ATAPI;
-- поддержка расширенного управления питанием;
-- новый 80-жильный кабель;
-- поддержка Compact Flash Adapter (CFA);
-- улучшенная BIOS с поддержкой дисков большой емкости (более 9,4 трлн Гбайт).
Стандарт ATA-4 описан в документе ANSI NCITS 317-1998 ATA with Packet Interface Extension. В стандарте ATA-4 также предусмотрена поддержка команд организации очереди, подобных имеющимся в SCSI-2. Это позволяет улучшить эксплуатационные показатели в многозадачном ре жиме, поскольку одновременно несколько программ могут обращаться к устройствам IDE.
ATA/ATAPI-5
Данная версия стандарта ATA была одобрена в начале 2000 года и базируется на интер фейсе ATA-4. Этот стандарт был дополнен такими возможностями:
-- режимы передачи Ultra-DMA (UDMA), позволяющие передавать со скоростью до 66 Мбайт/с (так называемая спецификация UDMA/66 или Ultra-ATA/66);
-- 80-жильный кабель, необходимый для работы в режиме UDMA/66;
-- автоматическое определение кабеля — 40- или 80-жильный;
-- возможность использования режимов выше UDMA33 (только при наличии 80- жильного кабеля).
Стандарты ATA 479 Все стандарты — от первого ATA до ATA-5 — совместимы между собой; другими слова ми, можно подключить диск ATA-5 в систему с ATA-1 или диск ATA-1 в систему с ATA-5. В таких случаях диск или система будет работать со скоростью компонента, имеющего наи меньшую производительность.
Комитетом T13 недавно был одобрен стандарт IEEE-1394 (iLink или FireWire), который является расширением протокола ATA. В этом стандарте предусмотрен протокол сопряжения шин iLink/FireWire и ATA, что позволяет подключать ATA-диски к этому интерфейсу. ATA-5 включает в себя спецификацию Ultra-ATA/66, в которой скорость пакетной пере дачи протокола Ultra-ATA удвоена за счет уменьшения времени синхронизации и увеличения частоты. Последнее привело к увеличению помех при передаче по стандартному 40- жильному кабелю, применяемому в интерфейсе ATA и Ultra-ATA. Для снижения уровня по мех был разработан 80-жильный 40-контактный кабель. Он был впервые представлен для ин терфейса ATA-4, однако стал обязательным для ATA-5 в случае использования режима Ultra ATA/66. Этот кабель имеет 40 дополнительных заземляющих проводов между каждой из ос новных 40 сигнальных и заземляющих линий, что помогает изолировать сигналы от взаим ных наводок. Обратите внимание, что этот кабель работает не только с устройствами Ultra ATA, но и со старыми устройствами, поскольку остальные 40 контактов имеют то же назна чение, что и раньше.
Новый 40-контактный 80-жильный кабель может работать в режиме выбора кабеля и име ет особую цветную разметку. Голубой (концевой) разъем подключается к плате интерфейса ATA (обычно к системной плате). Черный (с другой стороны кабеля) разъем называется мас тер-разъемом; к нему подключается основной диск. Серый (центральный) разъем использует ся для подключения вторичных устройств.
Чтобы использовать режимы UDMA/33 и UDMA/66, интерфейс ATA, накопитель, BIOS и кабель должны быть совместимы с режимом, который вы желаете использовать. Кроме того, операционная система должна поддерживать прямой доступ к памяти. Системы Windows 95 OSR2, Windows 98 и Windows 2000 поддерживают режим прямого доступа к памяти, однако более ранним версиям Windows 95 и Windows NT (до появления пакета обновления Service Pack 3) необходимы дополнительные драйверы этих скоростных режимов. Для работы в са мом быстром режиме Ultra-ATA/66 необходим совместимый с Ultra-ATA/66 80-жильный ка бель. Кстати, этот тип кабеля лучше использовать и для режима Ultra-ATA/33. Для повышения надежности в режимах Ultra-DMA используется механизм обнаружения ошибок CRC. Этот алгоритм поиска вычисляет контрольную сумму, используемую для обна ружения ошибок в потоке данных. И контроллер и диск вычисляют значение CRC для каждой передачи Ultra-DMA. После пересылки данных диск отдельно рассчитывает значение CRC и сравнивает его со значением, которое присылает контроллер. Если эти значения отличаются, контроллер понижает скорость передачи и снова передает данные.
ATA/ATAPI-6
Создание последней версии стандарта АТА, основанной на АТА-5, было завершено в 2001 году. Этот стандарт был дополнен следующими возможностями: -- режимы передачи Ultra-DMA (UDMA), позволяющие передавать данные со скоростью до 100 Мбайт/с (так называемая спецификация UDMA/100, Ultra-ATA/100 или просто ATA/100) -- расширение адресации LBA до 248 (281 474 976 710 656) секторов, что позволяет под держивать диски емкостью до 144,12 Пбайт (1 Пбайт равен 1 квадрильону байт) 480 Глава 7. Интерфейс IDE ATA-6 включает в себя спецификацию Ultra-ATA/100 (также называемую Ultra-DMA или UDMA/100), в которой скорость пакетной передачи протокола Ultra-ATA увеличена за счет уменьшения времени синхронизации и повышения частоты. Для работы в более быстром ре жиме, как и для ATA-5, требуется улучшенный 80-жильный кабель. Одним из условий ис пользования режима ATA/100 является его обязательная поддержка жестким диском и ин терфейсом системной платы.
Помимо повышения скорости передачи данных до 100 Мбайт/с, ATA-6 достаточно свое временно увеличил поддерживаемую емкость диска. ATA-5 и стандарты более ранних версий поддерживают диски емкостью не более 136,9 Гбайт, что ограничивало увеличение емкости производимых дисков. Не так давно одна из компаний представила 3,5-дюймовые диски, ем кость которых была выше 136,9 Гбайт. При этом на сегодняшний день существуют только SCSI-версии этих дисков, что связано в первую очередь с существующими ограничениями ATA. При появлении стандарта ATA-6 размеры диска были увеличены от 228–220 до 248 секто ров. Это означает, что вместо 28-разрядного числа, которое использовалось логическим бло ком адресации (Logical Block Addressing — LBA), в стандарте ATA-6 используется 48- разрядное число. Это позволяет при емкости сектора 512 байт увеличить максимальную под держиваемую емкость диска до 144,12 Пбайт (т.е. до 144,12 квадрильона байт).
Замечание
ATA-6, вероятно, станет последней версией почтенноaо стандарта ATA. Еaо возможности найдoт свое вопло щение в стандарте Serial ATA.

Особенности интерфейса ATA

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 (рис. 7.1), его обычно (но не всегда) снабжают ключом. В данном случае ключом служит срез вывода 20, причем соответствующее отверстие в ответной части отсутствует. Всем изготовителям на стоятельно рекомендуется использовать разъемы и кабели с ключами (рис. 7.2), 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).
Назначение выводов разъема интерфейса ATA IDE приведено в табл. 7.2. В портативных компьютерах для подключения 2,5-дюймового дисковода обычно использу ется уменьшенный унифицированный 50-контактный разъем, выводы которого расположены на расстоянии 2 мм (0,079 дюйма) друг от друга. 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 положе нием имеющейся на нем перемычки или переключателя: первичный (Master), вторичный (Slave) или выбор кабеля (Select Cable).
Обратите внимание на выводы позиций A–D и удаленные выводы позиций E и F. Перемыч ка, используемая для определения статуса жесткого диска, обычно располагается между контак тами позиций B и D. Выводы 41 и 42 разъема служат для подачи питания напряжением 5 В к ло гической схеме дисковода (на монтажную плату) и электродвигателю соответственно; вывод 43 заземлен (подключен к общему проводу); вывод 44 является резервным и в данной конструкции не используется. Обратите внимание, что в 2,5-дюймовых дисководах, в отличие от дисководов большего размера, используется электродвигатель с рабочим напряжением 5 В. Заметьте, что более новые высокоскоростные интерфейсы IDE наиболее подвержены по мехам, возникающим в кабелях, особенно в слишком длинных. В таком кабеле возможно на рушение целостности данных и другие неприятности, которые могут вывести из себя даже самых хладнокровных пользователей. Я всегда храню специальный высококачественный ко роткий кабель IDE в комплекте инструментов для тестирования дисков на тот случай, если у меня появится подозрение, что проблемы возникают из-за качества кабеля. В настоящее время применяется два типа кабелей — 40- и 80-жильные. В обоих исполь зуются 40 контактные разъемы, а остальные проводники в 80-жильном кабеле заземлены. Та кое конструктивное решение позволяет снизить уровень помех в высокоскоростных интер фейсах UltraATA/66 или UltraDMA/66. Новый 80-жильный кабель обратно совместим с 40- жильным, так что лучше использовать именно этот тип кабеля, причем независимо от интер фейса установленного накопителя.
Управляющие сигналы интерфейса ATA
Вывод 20 играет роль ключа для правильной ориентации разъема и попросту отсутствует. Этот вывод и соответствующее отверстие в ответной части должны отсутствовать во всех разъемах интерфейса ATA. Все это необходимо для того, чтобы предотвратить неправильное подключение кабеля. Естественно, никаких сигналов к выводу 20 не подводится. На вывод 39 подается сигнал DA/SP (Drive Active/Slave Present), одновременно выпол няющий две функции. Сразу после включения компьютера на вывод 39 поступает напряже ние, свидетельствующее о наличии в системе вторичного жесткого диска. После этого каж дый жесткий диск периодически отсылает сигнал, подтверждающий его активность. Через вывод 28 может передаваться два сигнала: SPSYNC (Spindle Synchronization — син хронизация шпинделя) и CSEL (Cable Select — выбор кабеля). Однако во время установки можно так задать параметры, чтобы использовалась только одна из этих функций. Сигнал SPSYNC может понадобиться для синхронизации вращения шпиндельного двигателя, но ча ще всего через указанный вывод передается второй из возможных сигналов — CSEL. С его помощью можно определить жесткий диск либо как первичный (присваивается номер 0), ли бо как вторичный (присваивается номер 1), не переставляя в них при этом никаких перемы чек. Если линию CSEL, к которой подключен данный жесткий диск, заземлить (подсоединить к общему проводу), то накопитель будет первичным; если же оставить ее свободной (не под ключать к общему проводу), то накопитель окажется вторичным.
Линии CSEL для разных жестких дисков можно заземлить (подключить к общему прово ду) каждую отдельно, воспользовавшись Y-образным кабелем-раздвоителем. В нем разъем, подключенный к шине IDE, смонтирован в середине кабеля, а разъемы для двух жестких дис ков — на противоположных концах. В одной из ветвей кабеля линия CSEL заземлена (первичный жесткий диск), а в другой — свободна.
Двухдисковая конфигурация (подключение двух жестких дисков) Установка двух накопителей IDE в одном компьютере может оказаться проблематичной, так как каждый из них имеет собственный контроллер и оба они должны функционировать, будучи подключенными к одной шине. Поэтому важно найти метод, позволяющий адресо вать каждую конкретную команду только одному контроллеру.
Особенности интерфейса ATA 485
В стандарте ATA предусмотрен способ организации совместной работы двух последова тельно 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 ли ний 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:
-- первичный (один накопитель);
-- первичный (два накопителя);
-- вторичный (два накопителя);
-- выбор кабеля.
Каждому из контроллеров двух жестких дисков необходимо сообщить его статус — пер вичный или вторичный. В большинстве новых накопителей используется только один пере ключатель (первичный/вторичный), а на некоторых еще и переключатель существования вто ричного диска (slave present). В табл. 7.4 приведены способы установки этих двух переключа телей для большинства накопителей ATA (IDE).
На рис. 7.5 показано расположение описанных переключателей на задней части накопителя. В некоторых современных накопителях можно не устанавливать переключатели, т.е. по умол чанию принимается определенная конфигурация накопителя. Все необходимые для правильной работы накопителя положения переключателей приводятся в документации к накопителю. Команды интерфейса ATA Одно из преимуществ интерфейса ATA IDE — расширенная система команд. Этот интер фейс разрабатывался на базе использовавшегося в первых компьютерах IBM AT контроллера WD1003, поэтому все без исключения накопители ATA IDE должны быть совместимы с систе мой из восьми команд упомянутого контроллера. Этим, в частности, и объясняется простота ус тановки 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 множест во 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 оп ределяют их возможности в целом.

Эволюция интерфейса ATA

Со времени появления первого интерфейса ATA-1 его новые версии, так же как и BIOS, включали в себя поддержку, наравне с другими накопителями, все более емких и быстрых жестких дисков. Этот раздел посвящен наиболее существенным изменениям, которым под верглись стандарты ATA-2–ATA-6 за последние годы.
В основном были модифицированы следующие области:
-- вторичный канал АТА;
-- максимальная емкость дисков;
-- скорость передачи данных;
-- интерфейс ATAPI (ATA Program Interface).
488 Глава 7. Интерфейс IDE Вторичный канал ATA Несмотря на отсутствие каких-либо ограничений, в компьютерах обычно использовался только один первичный канал, встроенный в системную плату. С момента опубликования стандарта ATA-2 большинство систем получили второй интерфейс, который был назван вто ричным каналом АТА. Каждый канал позволяет поддерживать два дисковода, что дает воз можность установить до четырех дисководов в одной системе. Для установки более четырех устройств АТА следует воспользоваться платами расшире ния, которые содержат дополнительные порты АТА и, как правило, подключаются в разъемы PCI. BIOS системной платы непосредственно не поддерживает дополнительные порты АТА, но платы расширения зачастую содержат базовую систему ввода-вывода адаптера, распозна ваемую во время начальной загрузки. Устройства, подключаемые к плате расширения, могут поддерживаться драйверами даже при отсутствии встроенной BIOS (однако теряя при этом возможность непосредственной загрузки).
Компании Promise Technologies, MicroFirmware, GSI и некоторые другие выпускают до полнительные адаптеры расширения ATA, встраиваемые в системные платы, которые позво ляют использовать более двух портов. Ограничения емкости дисков Современные интерфейсы ATA/IDE имеют ограничение емкости диска в 136,9 Гбайт. Кроме того, в зависимости от версии BIOS, значение этого ограничения может находиться еще ниже, например на отметке в 8,4 Гбайт или даже 512 Мбайт. Это может случиться в ре зультате наложения ограничений для ATA на ограничения BIOS, что в конечном итоге может привести к еще большим ограничениям.
Соответствующие ограничения определяются как интерфейсом ATA, так и BIOS (табл. 7.5). BIOS обращается к драйверу жесткого диска с помощью прерывания INT13h, которое предоставляет функции чтения и записи на диск на уровне секторов. Прерывание INT13h требует указания определенного сектора, при этом каждый сектор адресуется его цилиндром, головкой и расположением сектора. Этот интерфейс обращения к диску называется CHS- адресацией и используется операционной системой и дисковыми утилитами низкого уровня. Изначально интерфейс прерывания 13h был реализован IBM в BIOS для контроллера жестко го диска компьютера PC XT. Этот интерфейс был создан в 1983 году, а в 1984 был включен в BIOS системной платы PC AT. Интерфейс использует числа для адресации отдельного секто ра, цилиндра и головки. В табл. 7.6 приведены ограничения CHS параметров прерывания INT13h для стандартной BIOS.
Идея проста: если у вас есть отель, в котором номера комнат ограничены двумя разряда ми, вы сможете пронумеровать только 100 комнат — от 0 до 99. Номера CHS, используемые интерфейсом INT13h, записаны в битовом формате. Поскольку цилиндры адресуются 10 битами, то можно использовать максимум 1 024 цилиндра (от 0 до 1 023). Максимальное количество головок, с которыми можно работать через BIOS, равно 256; они нумеруются от 0 до 255. И наконец, секторы, с которыми еще больше проблем. Секторы на дорожке адресу ются 6 битами, значит, можно адресовать максимум 64 сектора. Однако, поскольку нумера ция начинается не с 0 а с 1, суммарное количество секторов на дорожку, с которым может работать BIOS, не должно превышать 63. Преодоление ограничения емкости в 8,4 Гбайт Системы с накопителями ATA страдали от ограничений емкости диска, которые наклады вались интерфейсом ATA и BIOS. Первые два ограничения относились скорее к BIOS. Сна чала емкость диска ограничивалась 528 Мбайт, а затем — 8,4 Гбайт. Преодоление барьера 528 Мбайт стало возможным благодаря трансляции параметров.
К сожалению, трансляция параметров работает только в пределах ограничений BIOS, а значит, после устранения первой преграды появляется следующая. Другими словами, даже с трансляцией распознаваемый объем жесткого диска не может быть выше 8,4 Гбайт. Поддержка дисков с большим размером требует абсолютно другой схемы адресации, в которой не будет больше неуклюжей адресации CHS, а будет использоваться только LBA, или прямая адресация секторов. Компания Phoenix Technologies первой решила эту проблему и в 1994 году опубликовала документ BIOS Enhanced Disk Drive Specification, в котором опи сывалось весьма элегантное решение. Основная идея этой публикации заключалась в том, чтобы все производители создавали BIOS совместимыми между собой. Для обеспечения дальнейшего развития и увеличения совместимости компания Phoenix после ряда дополнений передала этот документ организации NCITS для продолжения его разработки и утверждения в качестве стандарта. С 1998 года большинство производителей BIOS начали встраивать поддержку EDD в своих продуктах, обеспечив наконец поддержку дисков ATA объемом больше 8,4 Гбайт. Случайно (а может, и нет) эта поддержка появилась как раз в том году, когда увидели свет диски такого объема.
Документ EDD описывает дополнительные сервисы, предоставляемые BIOS, которая те перь может поддерживать накопители объемом более 9,4 миллиардов триллионов байт (если быть более точным, 9 444 732 965 739 290 430 000 байт!). Более ранние версии BIOS имели ограничение в 528 Мбайт и теоретическое ограничение в 8,4 Гбайт. Начиная с середины 1998 года большинство систем поставлялись с усовершенствованными версиями BIOS. Одна ко стоит обратить внимание, что, хотя BIOS и может работать с дисками, имеющими 264 сек торов, диски ATA ограничены размером 228–220 секторов, или 136,9 Гбайт. В соответствии с характеристиками EDD обращение к дискам осуществляется с помощью “чистой” нумерации LBA без какой-либо трансляции, а значит, обеспечивает обратную со вместимость с CHS для первых 8,4 Гбайт диска. EDD может работать с 264 секторов. Это по зволяет адресовать:
-- 1,84467440737095516?1019 секторов;
-- 9,44473296573929043?1021 байт;
-- 9,4 Гига-тера (миллиардов триллионов) байт!
Эволюция интерфейса ATA 495 Компания Phoenix изначально утверждала, что эта спецификация EDD будет востребо ванной еще 15 лет при условии удвоения среднего объема дисков каждые 1,5–2 года (закон Мура), однако если посмотреть на емкости дисков ATA в 2000 году, которые достигли 36 Гбайт, становится ясно, что этот стандарт проживет как минимум до 2057 года, а возмож но, и до 2076, когда нам понадобится новая система адресации с большим числом битов. Если ваш компьютер собран в 1998 году или позже, то, скорее всего, ваша BIOS поддер живает EDD, а значит, и диски емкостью до 136,9 Гбайт (максимум для стандарта ATA). Новая 48-разрядна схема адресации, появившаяся в 2001 году вместе со спецификацией АТА-6, расширила существующие ограничения до 248 секторов, что составляет в общей сложности 144,12 ПБайт (петабайт). BIOS может работать с дисками, имеющими 264 секто ров, т.е. емкость дисков, поддерживаемых базовой системой ввода-вывода вдвое больше ука занного ограничения.
Следует хорошо запомнить, что при использовании устаревшего программного обеспече ния, включая утилиты, приложения и даже операционные системы, работа которых базирует ся на параметрах CHS, им будут доступны лишь первые 8,4 Гбайт дисков любой емкости.

Serial ATA

С появлением стандарта ATA-6 могло показаться, что используемый более 10 лет парал лельный интерфейс ATA уже выходит из игры. Передача данных, осуществляемая по плос кому кабелю со скоростью более 100 Мбайт/с, порождает множество проблем, связанных с синхронизацией сигнала и электромагнитным излучением. Их решением стал новый последо вательный интерфейс АТА (Serial ATA), пришедший на смену параллельному интерфейсу физических накопителей. Serial ATA обратно совместим на программном уровне, т.е. ранее используемое программное обеспечение взаимодействует с новой архитектурой без каких либо ограничений. Другими словами, существующая базовая система ввода-вывода, операци онные системы и утилиты, работающие с параллельным ATA, точно так же будут работать и с последовательным интерфейсом. Serial ATA поддерживает все существующие устройства ATA и ATAPI, в число которых входят дисководы CD-ROM, CD-RW и DVD, накопители на магнитной ленте, дисководы SuperDisk, а также накопители других типов, поддерживаемые в настоящее время параллельным АТА.
Существуют, конечно, определенные физические различия: нельзя, например, подклю чить дисководы стандарта ATA к хост-адаптерам последовательного интерфейса ATA или наоборот. В Serial ATA используются более узкие 7-контактные кабели, позволяющие упро стить схему подключения системных компонентов и уменьшить габариты кабельных разъе мов. Конструкция микросхемы Serial ATA отличается уменьшенным количеством контактов Serial ATA 499 и пониженным напряжением питания. Все эти изменения позволили избежать многих про блем, характерных для параллельного интерфейса ATA.
Очевидно, что через некоторое время Serial ATA (SATA), как фактический стандарт внут ренних накопителей, полностью заменит параллельный интерфейс АТА. Переход от стандар тов ATA к SATA будет осуществляться постепенно, причем возможностями интерфейса АТА можно будет воспользоваться на протяжении всего времени перехода. Я полагаю, что уст ройства параллельного интерфейса АТА, имеющего более чем 10-летнюю историю, будут использоваться даже тогда, когда большинство персональных компьютеров перейдут к ин терфейсу SATA.
В феврале 2000 года состоялся официальный Форум разработчиков Intel, на котором было объявлено о создании специальной рабочей группы, занимающейся разработкой стандарта Serial ATA. Первыми членами этой группы стали компании APT Technologies, Dell, IBM, Intel, Maxtor, Quantum и Seagate. В настоящее время группа насчитывает более 60 компаний из различных отраслей промышленности. В ноябре 2000 года была завершена первая специ фикация Serial ATA 1.0, которую можно получить на Web-узле Serial ATA Working Group (http://www.serialata.org). Предполагается, что к началу 2002 года последовательный ин терфейс ATA будет использоваться уже во многих новых системах. Эффективность SATA производит сильное впечатление. В настоящее время существует три версии стандарта SATA, в которых используются кабели и разъемы одних и тех же раз меров. Эти версии отличаются только скоростью передачи данных. После появления первой версии стало очевидно, что эффективность интерфейса может быть увеличена в два или даже четыре раза. Спецификации стандартов SATA приведены в табл. 7.16.
Как следует из таблицы, последовательный интерфейс ATA единовременно передает только один бит данных. В интерфейсе используется узкий 7-жильный кабель с ключевыми разъемами шириной не более 14 мм (0,55 дюйма) на каждом конце. Подобная конструкция позволяет избежать проблем с циркуляцией воздуха, возникающих при использовании более широких плоских кабелей стандарта ATA. Следует заметить, что разъемы находятся только на концах кабелей. Кабели, в свою очередь, используются для соединения устройства непо средственно с контроллером (обычно на системной плате). В последовательном интерфейсе перемычки главный/подчиненный не используются, так как каждый кабель поддерживает только одно устройство. Концы кабеля совершенно одинаковы, т.е. разъем системной платы и разъем подсоединяемого устройства практически не отличаются. Максимальная длина ка беля SATA достигает одного метра (39,37 дюйма), что значительно больше 18-дюймового максимума для параллельного интерфейса ATA. Скорость передачи данных последователь ного интерфейса, использующего более узкий, длинный и менее дорогой кабель, равна 150 Мбайт/с (в полтора раза больше скорости передачи параллельного ATA/100). В будущем эта скорость увеличится до 300 или даже 600 Мбайт/с.
Для кодирования и декодирования данных, передаваемых по кабелю, Serial ATA исполь зует специальную схему шифрования, получившую название 8B/10B. Первоначально код 8B/10B был разработан (и запатентован) компанией IBM в начале 1980-х годов для использо вания в быстродействующей передаче данных. В настоящее время эта схема используется во многих высокоскоростных стандартах передачи данных, включая Gigabit Ethernet, Fibre Channel, FireWire и др. Основной особенностью схемы кодирования 8B/10B является то, что количество последовательно передаваемых нулей (или единиц) не должно превышать четы рех. Схема RLL 0,4 называется кодированием с ограничением длины записи (Run Length Limited — RLL), где 0 считается минимальным, а 4 — максимальным числом последователь ных нулей в каждом закодированном символе.
В одном закодированном 10-разрядном символе не может быть использовано более шести или менее четырех нулей (единиц). Передача нулей и единиц осуществляется в виде изменения величи ны подаваемого напряжения. Поэтому промежуток между переходными напряжениями, которые подаются передатчиком, получается достаточно сбалансированным, с более устойчивым и регу лярным потоком импульсов. Нагрузка схемы становится более постоянной, что приводит к повы шению ее надежности. Во время преобразования 8-разрядных данных в 10-разрядные закодиро ванные символы, некоторое количество 10-разрядных комбинаций остается неиспользованным. Часть из них применяется для управления потоком, разграничения пакетов данных, выполнения проверки ошибок или каких-либо других специальных операций.
В схеме физической передачи интерфейса SATA используется так называемый дифферен цированный метод “без возврата к нулю” (Non-Return to Zero — NRZ). В этой схеме приме няется сбалансированная пара проводов, по каждому из которых подается напряжение, рав ное ±0,25 В (одна четвертая вольта). Сигналы посылаются дифференцированно: если по од ному проводу пары передается напряжение +0,25 В, то по другому соответственно –0,25 В. Таким образом, разность напряжений постоянно составляет 0,5 В (половина вольта). Это оз начает, что форма передаваемого сигнала всегда находится в противофазе по отношению к сигналу, передаваемому по смежному проводу. Дифференцированная передача минимизирует электромагнитную радиацию и позволяет упростить чтение сигналов на приемном конце. В интерфейсе SATA для подачи напряжения 5 и 12 В используется стандартный 4-контактный силовой разъем, а также дополнительный 15-контактный силовой кабель и разъем питания, обес печивающие подачу электроэнергии напряжением 3,3 В. Ширина силового разъема 15-контакт ного кабеля в этой конструкции равна всего лишь 24 мм (0,945 дюйма). Сила тока, подаваемого на контакты уровней напряжения 3,3, 5 и 12 В, достигает 4,5 А, что обеспечивает достаточную мощ ность даже для наиболее энергоемких дисководов. Для совместимости с существующими источни ками питания дисководы SATA могут быть выполнены как со стандартными 4-контактными разъ емами питания, так и с новыми 15-контактными силовыми разъемами.
Конструкция сигнальных и силовых разъемов интерфейса SATA показана на рис. 7.6. В табл. 7.17 и 7.18 приведены параметры выводов разъема данных SATA и дополнитель ных силовых разъемов.
Переключатель Master/Slave (первичный/вторичный) или Cable Select (выбор кабеля), ис пользуемый при работе с устройствами параллельного АТА, в интерфейсе SATA не исполь зуется. Это значительно упрощает конфигурацию устройств последовательного интерфейса. Последовательный интерфейс АТА, как и параллельный АТА, предназначен для работы с внутренними накопителями и не поддерживает внешние устройства хранения данных. Таким образом, интерфейс SATA не может соперничать с такими интерфейсами внешних устройств, как, например, SCSI, USB 2.0 или IEEE-1394 (FireWire). Поэтому SATA в ближайшее время заменит, как я полагаю, параллельный интерфейс АТА.

ATA RAID

Избыточный массив независимых (или недорогих) дисковых накопителей (Redundant Array of Independent/Inexpensive Disks — RAID) разрабатывался в целях повышения отказо устойчивости и эффективности систем компьютерных запоминающих устройств. Технология RAID была разработана в Калифорнийском университете в 1987 году. В ее основу был поло жен принцип использования нескольких дисков небольшого объема, взаимодействующих друг с другом посредством специального программного и аппаратного обеспечения, в качест ве одного диска большой емкости.
Первоначальная конструкция RAID предусматривала простое соединение областей памя ти нескольких отдельных дисков. Но, как оказалось, подобная схема приводит к уменьшению надежности матрицы и практически не влияет на ее быстродействие. Например, четыре дис ка, объединенных в матрицу, которая работает как один диск, будут “сбоить” в четыре раза чаще, чем один диск той же емкости. Для повышения надежности и быстродействия матрицы ученые университета Беркли предложили шесть различных уровней RAID. Каждый из этих уровней характеризуется определенной отказоустойчивостью (надежностью), емкостью за поминающего устройства и быстродействием.
В июле 1992 года была создана организация RAID Advisory Board (RAB), которая занима ется стандартизацией, классифицированием и изучением RAID. Собранные материалы нахо дятся на Web-узле организации http://www.raid.advisory.com. RAB занимается разработ кой спецификаций RAID, согласованием программ для его различных уровней, а также сис тематизацией класса программ для аппаратного обеспечения RAID.
В настоящее время организация RAB определила семь стандартных уровней RAID, от RAID 0 до RAID 6. Как правило, избыточный массив независимых дисковых накопителей (RAID) может быть реализован с помощью платы контроллера RAID. Кроме того, для этого может использоваться соответствующее программное обеспечение (что, правда, не рекомен дуется). Существует несколько уровней RAID.
-- Уровень RAID 0 — расслоение. Содержимое файла записывается одновременно на не сколько дисков матрицы, которая работает как один дисковод большой емкости. Этот уровень обеспечивает высокую скорость выполнения операций чтения/записи, но очень низкую надежность. Для реализации уровня необходимы, как минимум, два дисковода. -- Уровень RAID 1 — зеркальное отражение. Данные, записанные на одном диске, дуб лируются на другом, что обеспечивает превосходную отказоустойчивость (при повре Рис. 7.6. Сигнальные и силовые разъемы SATA (Serial ATA) 502 Глава 7. Интерфейс IDE
ждении одного диска происходит считывание данных с другого диска). При этом за метного повышения эффективности матрицы по сравнению с отдельным дисководом не происходит. Для реализации уровня необходимы, как минимум, два дисковода. -- Уровень RAID 2 — разрядный код коррекции ошибок. Одновременно происходит по битовое дробление данных и запись кода коррекции ошибок (ЕСС) на нескольких дис ках. Этот уровень предназначен для запоминающих устройств, не поддерживающих ЕСС (все дисководы SCSI и ATA имеют встроенный внутренний код коррекции оши бок). Обеспечивает высокую скорость передачи данных и достаточную надежность матрицы. Для реализации этого уровня требуется несколько дисководов. Насколько я знаю, в настоящее время не существует коммерческих контроллеров RAID 2 или дис ководов, не поддерживающих код коррекции ошибок.
-- Уровень RAID 3 — расслоение с контролем четности. Объединение уровня RAID 0 с дополнительным дисководом, используемым для обработки информации контроля четности. Этот уровень фактически представляет собой видоизмененный уровень RAID 0, для которого характерно уменьшение общей полезной емкости матрицы при сохранении числа дисководов. Однако при этом достигается высокий уровень целост ности данных и отказоустойчивости, так как в случае повреждения одного из дисков, данные могут быть восстановлены. Для реализации этого уровня необходимы, как ми нимум, три дисковода (два или более для данных и один для контроля четности). -- Уровень RAID 4 — сблокированные данные с контролем четности. Этот уровень подо бен уровню RAID 3 и отличается только тем, что запись информации осуществляется на независимые дисководы в виде больших блоков данных, что приводит к увеличению скорости чтения больших файлов. Для реализации этого уровня необходимы, как мини мум, три дисковода (два или более для данных и один для контроля четности). -- Уровень RAID 5 — сблокированные данные с распределенным контролем четности. Этот уровень подобен RAID 4, но предполагает более высокую производительность, которая достигается за счет распределения системы контроля четности по категориям жестких дисков. Для реализации этого уровня необходимы, как минимум, три диско вода (два или более для данных и один для контроля четности).
-- Уровень RAID 6 — сблокированные данные с двойным распределенным контролем четности. Подобен уровню RAID 5 и отличается тем, что данные контроля четности записываются дважды за счет использования двух различных схем контроля четности. Это обеспечивает более высокую надежность матрицы в случае множественных отка зов дисковода. Для реализации этого уровня необходимы, как минимум, четыре дис ковода (два или более для данных и два для контроля четности).
Существуют также дополнительные уровни RAID, представленные определенными компания ми в качестве нестандартных реализаций. Эти уровни официально не поддерживаются RAID Advisory Board. Обратите внимание, что более высокий номер уровня не означает более высокую эф фективность или надежность; порядок нумерации уровней RAID совершенно произволен. До недавнего времени практически все контроллеры RAID создавались на основе дисково дов SCSI. С профессиональной точки зрения, SCSI RAID является самым приемлемым вариан том, так как он объединяет в себе положительные стороны RAID с достоинствами SCSI как ин терфейса, предназначенного для поддержки нескольких дисководов. В настоящее время появи лись контроллеры ATA RAID, которые позволяют значительно уменьшить стоимость реализаций RAID. Как правило, контроллеры ATA RAID используются в однопользовательских системах не столько для повышения надежности, сколько для повышения их эффективности. Реализации ATA RAID во многом проще, чем профессиональные адаптеры SCSI RAID, используемые в сетевых файловых серверах. Стандарт ATA RAID предназначен в основном для индивидуальных пользователей, стремящихся к повышению производительности систе мы или простому зеркальному отражению дисков для резервирования данных. Ради повыше ния функциональности системы адаптеры ATA RAID поддерживают уровень RAID 0, кото рый обеспечивает расслоение данных. К сожалению, это приводит к снижению надежности дисковой матрицы, так как при повреждении диска все данные, находящиеся на нем, будут потеряны. Надежность матрицы, работающей на уровне RAID 0, повышается с увеличением количества используемых дисководов. Не ждите, что при использовании четырех дисководов 504 Глава 7. Интерфейс IDE
эффективность матрицы также увеличится в четыре раза. Она будет просто близка к постоян ной скорости передачи данных. Определенные непроизводительные затраты возникают из-за контроллера, выполняющего расслоение данных, а также могут быть связаны с периодом времени ожидания (имеется в виду время, используемое для поиска данных). Однако даже в этом случае эффективность матрицы будет выше, чем какого-либо отдельного дисковода. Для достижения более высокой надежности адаптеры ATA RAID поддерживают уровень RAID 1, который представляет собой зеркальное отображение дисковода. При этом происходит дублирование данных, записанных на одном из дисков. При повреждении какого-либо дисково да система может работать с данным, сохраненными на другом диске. К сожалению, эффектив ность матрицы при этом практически не изменяется; более того, будет использоваться только половина существующего объема диска. Другими словами, устанавливаются два диска, а по су ти получается только один (второй диск является зеркальным отображением первого). Для того чтобы объединить высокую эффективность с повышением надежности матрицы, следует воспользоваться уровнями RAID 3 или RAID 5. Например, практически все профес сиональные контроллеры RAID, используемые в сетевых файловых серверах, предназначены для работы на уровне RAID 5. При этом стоимость подобных контроллеров значительно вы ше. Кроме того, для реализации уровня RAID 5 необходимы, как минимум, три дисковода. Большинство контроллеров ATA RAID позволяют объединять различные уровни RAID, на пример уровни 0 и 1, что дает возможность повысить надежность матрицы при отсутствии дополнительных затрат. Для реализации этих уровней нужны четыре дисковода, два из кото рых образуют уровень RAID 0. При этом их содержимое записывается во второй массив дис ков, образующих уровень RAID 1. Подобная схема позволяет примерно в два раза повысить эффективность матрицы, сохранив при этом резервный набор данных.
Контроллеры IDE RAID в настоящее время поставляются компаниями Arco Computer Products, Iwill, Promise Technology и др. Типичным примером контроллера ATA RAID являет ся Promise FastTrak 100/TX4. Этот контроллер дает возможность соединить до четырех дис ководов, которые, в свою очередь, могут быть организованы в уровни RAID 0, 1 или режим 0+1. В этой плате также используются отдельные каналы передачи данных (кабели) ATA для каждого дисковода, чем достигается максимальная эффективность системы. Компания Promise Technology также предлагает менее дорогой контроллер стандарта ATA RAID, имеющий только два канала данных — FastTrak 100/TX2. Этот контроллер тоже позволяет соединять до четырех дисководов, но при совместном использовании двух кабелей АТА эффективность матрицы будет ниже. Это связано с тем, что дисковод может единовременно передавать дан ные только по одному кабелю, что снижает вдвое производительность всей матрицы. При поиске нужного контроллера ATA RAID в первую очередь обратите внимание на следующие параметры:
-- поддержка уровней RAID (в основном это уровни 0, 1 и сочетание уровней 0+1);
-- два или четыре канала;
-- поддержка скоростей ATA/100;
-- поддержка разъемов PCI с частотами 33 или 66 МГц.
Избыточный массив независимых дисковых накопителей может быть организован и без до рогих контроллеров RAID. Для этого следует воспользоваться средствами операционных систем более старших моделей (чаще всего серверных). Например, операционные системы Windows NT/2000 и XP Server поддерживают реализацию RAID на программном уровне, используя при этом как расслоение, так и зеркальное отображение данных. Для установки параметров и управления функциями RAID, а также восстановления поврежденных данных в этих операци онных системах используется программа Disk Administrator. Тем не менее при организации сер вера, который должен сочетать в себе эффективность и надежность, лучше воспользоваться контроллерами ATA или SCSI RAID, аппаратно поддерживающими уровни RAID 3 или 5.