Периферийные устройства ПК / interfaces_lections / Параллельный интерфейс ATA / Интерфейс АТА

Интерфейс АТА/АТАРI (IDE)

Интерфейс ATA (AT Attachment for Disk Drives) разрабатывался в 1986-1990 гг. для подключения накопителей на жестких магнитных дисках к компьютерам IBM PC AT с шиной ISA. Интерфейс появился в результате переноса стандартного (для PC/AT) контроллера жесткого диска ближе к накопителю, то есть создания устройств со встроенным контроллером — IDE (Integrated Drive Electronics). Разработкой спецификаций ATA/ATAPI занимается один из технических комитетов американского Национального Комитета по стандартизации в области информационных технологий (NCITS). Разработанные им спецификации оформляются в виде стандартов ANSI. Для устройств IDE существует несколько разновидностей интерфейса.

• АТА, он же AT-BUS, — 16-битный интерфейс подключения к шине компьютера. Базовый 40-проводный сигнальный и 4-проводный питающий интерфейс для подключения дисковых накопителей к РС.

• PC Card АТА — 16-битный интерфейс с 68-контактным разъемом PC Card (PCMCIA) для подключения к блокнотным PC.

• АТА-2 — расширенная спецификация АТА. Включает 2 канала, 4 устройства, PIO Mode 3, Multiword DMA Mode 1, Block mode, объем диска до 8 Гбайт.

• Fast АТА-2 — разрешает использовать Multiword DMA Mode 2 (13,3 Мбайт/с), PIO Mode 4.

• ATA-3 — расширение АТА-2. Включает средства парольной защиты, улучшен­ного управления питанием, самотестирования с предупреждением приближе­ния отказа — SMART (Self Monitoring Analysis and Report Technology).

• ATA/ATAPI-4 — расширение ATA-3, включающее режим Ultra DMA со ско­ростью обмена до 33 Мбайт/с и пакетный интерфейс ATAPI. Появляется под­держка очередей и возможность перекрытия команд.

• ATA/ATAPI-5 — ревизия ATA/ATAPI-4: удаляются устаревшие команды и биты, добавляются новые возможности защиты и управления энергопотреблением. Включает режим Ultra DMA со скоростью обмена до 66 Мбайт/с.

• ATA/ATAPI-6 — дополнения к ATA/ATAPI-5: потоковое расширение для чтения/записи аудио- и видеоданных, режим Ultra DMA со скоростью обмена до 133 Мбайт/с.

• Serial ATA — последовательный интерфейс.

Все существующие версии интерфейса АТА электрически совместимы. Степень логической совместимости достаточно высока (все базовые возможности ATA доступны). Однако для полного использования всех расширений необходимо соответствие спецификаций устройств, хост-адаптера и его ПО.

Спецификация ATA/ATAPI-6 официально объявлена последней версией параллельного интерфейса ATA, за которой следует последовательный интерфейс Serial ATA.

В спецификации интерфейса определены следующие объекты:

• Хост-адаптер — средства сопряжения интерфейса АТА с шиной компьютера. Хостом также называют компьютер с хост-адаптером интерфейса ATA.

• Ведущее устройство (Master) — ПУ, в спецификации АТА официально назы­ваемое Device-0 (устройство 0).

• Ведомое устройство (Slave) — ПУ, в спецификации называемое Device-1 (устройство 1).

Хост-адаптер и устройства объединяются кабелем-шлейфом, соединяющим параллельно одноименные контакты интерфейсных разъемов. Достаточно универсальный набор сигналов позволяет подключать любое устройство со встроенным контроллером. Принятая система команд и регистров, являющаяся частью спецификации АТА, ориентирована на блочный обмен данными с внешними запоминающими устройствами прямого доступа. Для иных устройств существует спецификация АТАРI, основанная на тех же аппаратных средствах, но позволяющая обмениваться пакетами управляющей информации (Package Interface, PI). Структура и наполнение пакетов позаимствованы из универсального интерфейса SCSI. Пакетный интерфейс позволяет расширить границы применения шины АТА.

Если к шине АТА подключены два устройства, одно должно быть ведущим, другое — ведомым, это определяется помощью предва­рительно установленных конфигурационных джамперов (перемычек). Оба устройства воспринимают команды от хост-адаптера одновременно. Однако исполнять команду будет лишь выбранное устройство. Выводить выходные сигналы на шину АТА имеет право 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. Таким образом, параллельно могут работать только устройства IDE, подключаемые к разным шинам (каналам) АТА. Параллельный интерфейс ATA представляет собой 16-тиразрядную шину, в которой все сигналы соответствуют стандартной логике ТТЛ. Все информационные сигналы интерфейса передаются через 40-контактный разъем, у которого ключом является отсутствующий на вилке и закрытый на розетке контакт 20. Для соединения устройств применяется плоский многожильный кабель-шлейф, длина кабеля не должна превышать 0,46 м (18"). 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 устройство и хост-адаптер рекомендуется подключать к противоположным концам кабеля. Для устойчивой работы в режиме Ultra DMA рекомендуется применение 80-проводных кабелей, обеспечивающих чередование сигнальных цепей и проводов схемной земли (GND). На 80-проводном кабеле в разъеме для подключения контроллера контакт 34 соединен с шиной GND и не соединен с проводом шлейфа; этим обеспечивается идентификация типа кабеля. Спецификация АТА узаконивает так же 4-контактный разъем питания (рис. 1).

а) б)

Рис. 1. Разъемы интерфейса АТА (вилки на устройствах): а — интерфейсный, б — питания

Процессор общается с устройствами АТА через регистры, используя инструкции ввода-вывода IN и OUT. Для передачи данных с максимальной скоростью приме­няют программный доступ PIO к регистру данных инструкциями INS/OUTS или по каналу DMA. Программный доступ РIO обязателен для всех устройств, команды режима DMA устройствами могут не поддерживаться. Параметры различных режимов обмена справочно (!) приведены в табл. 1.

Таблица 1. Параметры режимов передачи

Режим передачи	Минимальное время цикла, нс	Скорость передачи, Мбайт/с	Интерфейс
РIO mode 0	600	3,3	АТА
PIO mode 1	383	5,2	АТА
PIO mode 2	240	8,3	АТА
PIO mode 3	180	11,1	E-IDE, АТА-2
PIO mode 4	120	16,6	E-IDE, Fast АТА-2
Singleword DMA Mode 0	960	2,08	АТА
Singleword DMA Mode 1	480	4,16	АТА
Singleword DMA Mode 2	240	8,33	АТА
Multiword DMA Mode 0	480	4,12	АТА
Multiword DMA Mode 1	150	13,3	АТА-2
Multiword DMA Mode 2	120	16,6	FastАТА-2
Ultra DMA Mode 0	120	16,6	ATA/ATAPI-4
Ultra DMA Mode 1	80	25	ATA/ATAPI-4
Ultra DMA Mode 2	60	33	ATA/ATAPI-4
Ultra DMA Mode 3	45	44,4	ATA/ATAPI-5
Ultra DMA Mode 4	30	66,6	ATA/ATAPI-5
Ultra DMA Mode 5	15	133	ATA/ATAPI-6

Программный доступ PIO (Programmed Input/Output) выполняется в виде следу­ющих друг за другом операций чтения или записи в пространстве ввода-вывода по адресу регистра данных. Готовность устройства проверяется перед началом передачи блока, после чего хост производит серию операций в определенном тем­пе, который определяется выбранным режимом PIO Mode 0-4. Для каждого ре­жима определены допустимые параметры временной диаграммы цикла обмена. Обмен РIO программно реализуется с помощью процессорных инструкций вво­да-вывода строк REP INS или REP OUTS с занесенным в один из регистров контроллера количеством слов в передаваемом блоке. Эти инструкции обеспечивают максималь­но возможную скорость обмена для данного процессора и системной шины. Программный обмен на все время передачи блока занимает и процес­сор, и системную шину.

Обмен по каналу DMA занимает исключительно шины ввода-вывода и памяти. Процессору требуется выполнить только процедуру инициализации канала, после чего он свободен до прерывания от устройства в конце передачи блока (этим могут воспользоваться многозадачные системы). Режимы обмена по каналу DMA бывают одиночными и множественны­ми. При одиночном режиме — Singleword DMA — устройство для передачи каждого слова вырабатывает сигнал запроса DMARQ и сбрасывает его по сигналу DMACK#, подтверждающему цикл обмена. При множественном режиме — Multiword DMA — на сигнал DMARQ хост отвечает потоком циклов, сопровождаемых сигналами DMACK#. Множественный режим позволяет развить более высокую скорость передачи.

В пакете данных режима Ultra DMA за каждый такт передаются два слова данных, один по фронту синхронизирующего сигнала, другой по спаду. Период следования синхросигналов равен удвоенному времени цикла. При этом обеспечивается и контроль достоверности передачи данных по шине. Каждое переданное слово участвует в подсчете CRC-кода, который передается хост-контроллером в конце пакета. Подсчет ведется и источником данных, и приемником. При несовпадении принятого устройством кода с ожидаемым кодом фиксирует­ся ошибка передачи, о которой устройство сообщает в конце исполнения коман­ды. Получив сообщение об ошибке, хост должен повторить команду. Если ошибки появляются постоянно, хост должен понизить скорость обмена (вплоть до выхода из режима Ultra DMA).

Тип режима обмена определяется возможностями хост-адаптера (и его драйвера), устройств и кабеля, и для каждого устройства он будет ограничен минимумом из максимальных возможностей всех этих компонентов. Как правило, режимы устанавливаются системой автоматически, но пользователь имеет возможность при необходимости жестко установить требуемые режимы настройками BIOS Setup. Правильный выбор режима обмена обеспечивает надежность и производительность. Все устройства поддерживают режим PIO Mode 0, в котором считывается блок параметров идентификации. В блоке имеются поля, описывающие режимы обмена по умолчанию и более эффективные режимы обмена, поддерживаемые устройством. Протокол обмена PIO приемлем только для однозадачных ОС. Для многозадачных ОС больший интерес представляет обмен по протоколам DMA/ Ultra DMA.

Простейший адаптер АТА содержит только буферы сигналов шины и дешифратор зоны адресов. Все регистры контроллера и схемы кодирования размещены в самом устройстве IDE. Шина АТА требует выделения системных ресурсов — двух областей портов ввода-вывода и линии прерывания; дополнительно может потребоваться канал DMA. Современные системные платы оснащаются высокопроизводительными двухканальными контроллерами шины АТА, обеспечивающими прямое управление шиной PCI (bus mastering) при обмене с устройствами в режимах DMA и Ultra DMA. Прямое управление шиной повышает суммарную производительность компьютера в многозадачных и многопоточных операционных системах. Более сложные контроллеры могут иметь соб­ственную кэш-память и управляющий процессор. Они могут аппаратно организовывать и поддер­живать RAID-массивы АТА-дисков. В последнее время получили распространение переходные адаптеры, позволяющие подключать устройства ATA/ATAPI к шине USB 2.0, при этом простота подключения внешнего устройства сочетается с высокой скоростью передачи данных.