Интерфейсы внешней памяти

Связь жесткого диска с остальными устройствами ЭВМ обеспечивает его контроллер, который реализует управление всеми основными процессами диска и протоколы обмена данными с шинами расширения.

Непосредственное подключение жестких дисков к ЭВМ осуществляется по специальным интерфейсам, из которых наиболее распространенными были ATA, SCSI и SerialATA. Хотя внешние диски могут подключаться по интерфейсам параллельного порта LPT, шинам USB и IEEE 1394 (FireWare).

Каждый из них, как обычно, предусматривает определенный набор шин, протокол обмена по ним, спецификацию параметров электрических сигналов и набор команд для управления операциями чтения/записи и обмена данными.

Интерфейс ATA

Интерфейс ATA (AT Attachment - подключение к ПЭВМ PC AT конца 1980-х - начала 1990-х годов) был разработан для подключения жестких дисков с собственными встроенными контроллерами (Integrated Device или Drive Electronics). Поэтому и сейчас, говоря о таких дисках, могут использовать оба термина: IDE или ATA, подразумевая один и тот же тип дисков, хотя появление последовательного интерфейса Serial ATA нарушило однозначность соответствия этих терминов. После введения в 2003 году стандарта SerialATA(«ПоследовательныйATA»), традиционныйATAстали именоватьParallelATA, имея в виду, способ передачи данных по 40-жильному кабелю.

Спецификация IDEопределяет, что на системной плате устанавливается контроллерIDE-интерфейса с двумя одинаковыми каналами, к каждому из которых моджно подключить до 2 равноправных устройств. Таким образом, в персональном компьютере может одновременно работать до 4 винчестеров (или любых других устройств сIDE-интерфейсом). Заметим, что для увеличения количества подключаемыхIDE-устройств можно использовать дополнительные платыIDE-контроллеров, устанавливаемые в слотыPCI.

Будучи "долгожителем" (а более 15 лет - это большой срок в вычислительной технике), интерфейс ATA имел несколько версий, начиная с первоначального для подключения к PC AT, и до серии модификаций ATA/ATAPI (PI означает пакетный интерфейс - Package Interface, используемый устройствами типа CD-ROM) с существенно большей скоростью обмена и возросшим набором функций.

Фактически ATA - это стандарт интерфейса с дисками, а IDE и EIDE (Enhanced IDE) - это стандарты проектирования дисков; прямой доступ к памяти - DMA (Direct Memory Access) и UDMA (Ultra DMA) - это методы доступа, используемые для дисков, обеспечивающие передачу данных между диском и памятью, без непосредственного участия процессора.

Данные передаются по интерфейсу по 2 байта (16-информационных линий). Передачи могут осуществляться в режимах программно-управляемого ввода/вывода PIO (programmable input/output) и (сверхбыстрого) прямого доступа к памяти (Ultra)DMA (direct memory access), к обозначениям которых добавляются номера, соответствующие максимальным скоростям передачи данных для режимов.

Максимальная скорость передачи данных по интерфейсу ATA достигнута в версии ATA/ATAPI-6 и составляет 133 Мбайт/с в режиме UltraDMA.

Важным этапом в развитии ATAстал переход отPIO(Programmedinput/output, Программный ввод/вывод) кDMA(Directmemoryaccess, Прямой доступ к памяти). При использованииPIOсчитыванием данных с диска управлял центральный процессор компьютера (CPU), что приводило к повышенной нагрузке на процессор и замедлению работы в целом. По причине этого компьютеры, использующие интерфейсATA, обычно выполняли операции, связанные с диском, медленнее, чем компьютеры, использующиеSCSIи другие интерфейсы. ВведениеDMAсущественно снизило затраты процессорного времени на операции с диском. В данной технологии потоком данных управляет сам накопитель, считывая даные в память или из памяти почти без участияCPU, который выдает лишь команды на выполнение того или иного действия.

В дальнейшем развитии стандарта (АТА-3) был введен дополнительный режим UltraDMA2 (UDMA33). Этот режим имеет временные характеристикиDMAMode2, однако данные передаются и по переднему, и по заднему фронту сигналаDIOR/DIOW. Это вдвое увеличивает скорость передачи данных по интерфейсу. Также введена проверка на четностьCRC, что повышает надежность передачи информации.

В истории развития ATAбыл ряд барьеров, связанных с организацией доступа к данным. Большинство из этих барьеров, благодаря современным системам адресации и технике программирования были преодолены. К их числу относятся ограничения на максимальным размер диска в 504 МиБ, ~8 ГиБ, ~32 ГиБ, и 128 ГиБ. Существовали и другие барьеры, в основном связанные с драйверами устройств, и организацией ввода/вывода в операционных системах, не соответствующих стандартамATA.

Новейшие спецификации ATAпредполагают 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.

Интерфейс PATA

Для подключения жёстких дисков с интерфейсом PATAобычно 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 шлейфP-ATAпередаёт 16 бит данных. Иногда встречаются шлейфыIDE, позволяющие подключение трёх дисков к одномуIDEканалу, но в этом случае один из дисков работает в режимеread-only.

Долгое время шлейф ATAсодержал 40 проводников, но с введением режимаUltraDMA/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 являются проблемой при высоких скоростях передачи, поэтому данное нововведение было необходимо для обеспечения нормальной работы установленной спецификациейUDMA4 скорости передачи 66 МБ/с (мегабайт в секунду). Более быстрые режимыUDMA5 иUDMA6 также требуют 80-проводного кабеля.

Версии стандарта ATA, скорость передачи и свойства

Следует отметить, что скорость передачи, указываемая для каждого стандарта (например, 66,7 МБ/с для UDMA4, именуемого обычно «Ultra-DMA66») указывает максимальную теоретически возможную скорость в кабеле. Это просто два байта, умноженные на фактическую частоту, и предполагает, что каждый цикл используется для передачи пользовательских данных. На практике скорость, естественно, меньше.

Перегрузка на шине, к которой подключён ATA-контроллер, также может ограничивать максимальный уровень передачи. Например, максимальная пропускная способность шиныPCI, работающей на частоте 33 МГц и имеющей разрядность 32 бита, составляет 133 МБ/с, и эта скорость делится между всеми подключёнными к шине устройствами.

Более того, по данным на октябрь 2005 г., не существует ATA-дисков, имеющих устойчивую скорость передачи выше 80 МБ/с. Да и эти тесты не дают реальной картины, поскольку спроектированы так, что при их работе практически не встречается задержек на поиск или время ожидания. В большинстве реальных ситуаций эти два фактора являются во многом определяющими; третьим по важности фактором является пропускная способность шиныATA. Следовательно, скорости свыше 66 МБ/с только тогда оказывают реальное влияние на производительность, когда диск все операции ввода/вывода производит со своим внутренним кэшем.