Иинтерфейс IDE/ATA

Оглавление

 

 

Введение

Фирмы-разработчики аппаратного обеспечения постоянно  совершенствуют внешние устройства и другие узлы персонального компьютера. Постоянно появляются новая периферийная аппаратура и новые модификации уже существующих устройств. Старые устройства наделяются новыми возможностями, новые делают такое, о чем раньше не приходилось и мечтать. И, конечно же, это коснулось устройств накопления информации.

Выпускаемые накопители информации представляют собой гамму запоминающих устройств с различным принципом действия физическими и технически эксплуатационными характеристиками. Основным свойством и назначением накопителей информации является ее хранение и воспроизведение. Запоминающие устройства принято делить на виды и категории в связи с их принципами функционирования, эксплуатационно-техническими, физическими, программными и другими характеристиками. Так, например, по принципам функционирования различают следующие виды устройств: электронные, магнитные, оптические и смешанные – магнитооптические. Каждый тип устройств организован на основе соответствующей технологии хранения/воспроизведения/записи цифровой информации. Поэтому, в связи с видом и техническим исполнением носителя информации различают: электронные, дисковые и ленточные устройства.

Самым дешевым  и наибольшим по емкости является жесткий диск. В настоящее время  винчестер имеет объем до 2 Тб.

 

1. Жесткий диск и принцип его работы

Накопитель  на жёстких магнитных дисках, жёсткий диск или винчестер, (англ.HardDiskDrive, HDD) – энергонезависимое, перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство. Накопитель на жестком диске относится к наиболее совершенным и сложным устройствам современного персонального компьютера. Его диски способны вместить многие гигабайты информации, передаваемой с большой скоростью.

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 (4200, 5400, 7200, 10 000, 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.

Устройство  позиционирования головок состоит  из неподвижной пары сильных, как  правило, неодимовых постоянных магнитов и катушки на подвижном блоке головок.

Блок электроники, 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).

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).

В накопителях на жестких дисках данные записываются и считываются универсальными головками чтения/записи с поверхности вращающихся магнитных дисков, разбитых на дорожки и секторы (512 байт каждый). В накопителях обычно устанавливается несколько дисков, и данные записываются на обеих сторонах каждого из них. В большинстве накопителей есть, по меньшей мере, два или три диска (что позволяет выполнять запись на четырех или шести сторонах), но существуют также устройства, содержащие до 11 и более дисков. Однотипные (одинаково расположенные) дорожки на всех сторонах дисков объединяются в цилиндр. Для каждой стороны диска предусмотрена своя дорожка чтения/записи, но при этом все головки смонтированы на общем стержне, или стойке. Поэтому головки не могут перемещаться независимо друг от друга и двигаются только синхронно.

2. Интерфейс IDE/ATA

ATA (AdvancedTechnologyAttachment), также называемый IDE (IntegratedDriveElectronics) – стандарт на интерфейс между  компьютером (контроллером) и накопителем  на жестких магнитных дисках (дисководом, HDD), включая физический уровень (разъёмы, кабели), электрические и логические характеристики сигналов, регистры устройства, команды и протоколы.

2.1 Эволюция интерфейса

Интерфейс ATA – разрабатывался для подключения накопителей на жестких магнитных дисках к компьютерам IBM PC AT с шиной  ISA. Интерфейс появился в результате создания устройств со встроенным контроллером – IDE. Контроллер жесткого диска был перенесен на плату электроники накопителя с сохранением регистровой модели.

Из всех сигналов шины ISA выбрали минимальный набор сигналов, часть из которых буферизовали на небольшой плате, устанавливаемой в слот, а часть направили прямо на разъем ленточного кабеля нового интерфейса.

Стандартный контроллер AT позволял подключать до двух накопителей – эту возможность получил и интерфейс ATА. Для взаимодействия пары устройств на шине ввели несколько дополнительных сигналов. Так появился интерфейс ATА для подключения устройств IDE к шине ISA. Позже их стали подключать и к локальным шинам, но набор сигналов интерфейса и протоколы обмена сохранились.

Принятая система  команд и регистров, являющаяся частью спецификации ATА, ориентирована на блочный обмен данными с устройствами прямого доступа. Для иных устройств  существует спецификация ATAPI, основанная на тех же аппаратных средствах, но позволяющая обмениваться пакетами управляющей информации (PI – PackageInterface).

В спецификации АТА фигурируют следующие компоненты:

• Хост-адаптер – средства сопряжения интерфейса АТА с системной шиной (набор буферных схем между шинами ISA и АТА).
• Кабель-шлейф с двумя или тремя 40-контактными IDC-разъемами. В стандартном кабеле одноименные контакты всех разъемов соединяются вместе.
• Ведущее устройство (Master) – ПУ, в спецификации АТА называемое Device-0.
• Ведомое устройство (Slave) – ПУ, в спецификации называемое Device-1.

О своей роли устройства узнают с помощью предварительно установленных конфигурационных джамперов. Если применяется кабельная выборка, то роль устройства определяется его  положением на специальном кабеле-шлейфе.

Оба устройства воспринимают команды от хост-адаптера одновременно. Однако выходные сигналы  на шину АТА имеет право выводить только выбранное устройство. Такая  система подразумевает, что, начав  операцию обмена с одним из устройств, хост-адаптер не может переключиться на обслуживание другого до завершения начатой операции. Параллельно могут работать только устройства IDE, подключаемые к разным шинам (каналам) АТА.

Выполняемая операция и направление обмена данными  между устройством и хост-адаптером  определяются предварительно записанной командой. Непременным компонентом устройства является буферная память. Ее наличие позволяет выполнять обмен данными в темпе, предлагаемом хост-адаптером (в пределах возможности устройства).

2.2 Адресация устройств

Адресация в АТА тоже имеет «дисковые корни»: для накопителей изначально указывали адрес цилиндра, головки и сектора – так называемая трехмерная адресация CHS (Cyllinder-Head-Sector). Позже по ряду причин стали различать физическую (реальную для накопителя) и логическую (по которой с устройством общается программа) адресацию CHS. При этом одно и то же устройство могло иметь различную логическую геометрию (но, естественно, С×Н×S_лог ≤ С×Н×S_физ). Преобразование логической адресации в физическую выполняется встроенным контроллером устройства. Позже пришли к линейной адресации логических блоков LBA (LogicalBlockAddressing), где адрес блока (сектора) определяется 28-битным числом.

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

Адресация регистров  организована при помощи трёх адресных линий DA0-DA2. 1-й регистр с адресом 0 является 16-разрядный, и используется для передачи данных между диском и контроллером. Остальные регистры 8-битные и используются для управления.

Новейшие спецификации ATA предполагают 48-битную адресацию, расширяя таким образом возможный предел до 128 ПиБ (144 петабайт). Однако файловые системы большинства современных  операционных систем поддерживают диски объёмом лишь до 2 ТиБ (исключением является, например, файловая система Ext4, поддерживающая размер до 256ПиБ).

2.3 Назначение контактов разъема

Все информационные сигналы интерфейса передаются через 40-контактный разъем, у которого ключом является отсутствующий на вилке и закрытый на розетке контакт № 20. Длина кабеля не должна превышать 0,46 м, допустимая емкость проводников не более 35 пФ.

Терминаторы стандартом не предусматриваются (они имеются  в каждом устройстве и хост-адаптере), но если кабель с тремя разъемами (розетками) используют для подключения одного устройства, то и его, и хост-адаптер рекомендуется подключать к противоположным концам кабеля. Все сигналы АТА являются логическими со стандартными ТТЛ-уровнями («0» – до 0,4В, «1» – 2,4-5В).

Устройства  и адаптеры, рассчитанные на использование Ultra DMA, должны иметь в сигнальных цепях последовательные согласующие  резисторы с сопротивлением для  различных цепей 22, 33 или 82 Ом. Спецификация АТА устанавливает 40-контактный сигнальный и 4-контактный разъемы питания (Рисунок 1), но для малогабаритных устройств питание может подаваться по 44-проводному интерфейсному кабелю

Рисунок 1 – Разъемы интерфейса АТА: сигнальный и питания

2.4 Сигналы интерфейса ATA IDE

Типы и виды сигналов интерфейса ATAIDEпредставлены в следующей таблице (Таблица 1):

Таблица 1 – Сигналы интерфейса ATA IDE

Сигнал	Тип 1	Контакт	Контакт	Тип	Сигнал
RESET	I	1	2	―	GND
DD7	I/OTS	3	4	I/OTS	DD8
DD6	I/OTS	5	6	I/OTS	DD9
DD5	I/OTS	7	8	I/OTS	DD10
DD4	I/OTS	9	10	I/OTS	DD11
DD3	I/OTS	11	12	I/OTS	DD12
DD2	I/OTS	13	14	I/OTS	DD13
DD1	I/OTS	15	16	I/OTS	DD14
DD0	I/OTS	17	18	I/OTS	DD15
GND	―	19	20	―	Ключ
DMARQ	OTS2	21	22	―	GND
DIOW | STOP3	I	23	24	―	GND
DIOR | HDMARDY | HSTROBE3	I	25	26	―	GND
IORDY | DDMARDY | DSTROBE3	OTS2	27	28	I/O	SPSYNC | SCEL
DMACK	I	29	30	―	GND
INTRQ	OTS2	31	32	OOK	IOCS16
DA1	I	33	34	I, O4	PDIAG | CBLID3
DA0	I	35	36	I	DA2
CS0	I	37	38	I	CS1
DASP	I\OOK5	39	40	―	GND
+5 В	―	416	426	―	+5 B
GND	―	436	446	―	Зарезервирован