Виды беспроводных сетей

Ide интерфейс жесткого диска. Интерфейсы подключения жестких дисков: SCSI, SAS, Firewire, IDE, SATA

Сегодня, уважаемые читатели, я бы хотел поговорить с Вами о том, что такое ATA/ATAPI контроллеры, откуда появился интерфейс IDE и что это такое?

Для начала давайте с Вами усвоим необходимый минимум теории. Когда-то очень давно (еще в прошлом тысячелетии:)) фирма «Western Digital» разработала параллельный интерфейс подключения .

Новым и важным в этом было то, что контроллер (управлявший всеми операциями ввода-вывода) был интегрирован в сам привод, а не вынесен в виде отдельной платы расширения, как раньше. Это позволяло:

убыстрить работу устройства
удешевить производство
и упростить схему обмена данными с накопителем

Давайте сразу разберем основные аббревиатуры, чтобы потом не путаться. Сначала интерфейс получил название «IDE » (Integrated Drive Electronics - "Диск со встроенным контроллером"), но проблема заключалась в том, что это было слишком общее определение, под которое могло подойти много чего, имеющего «диск» и «контроллер». В связи с этим был разработан стандарт, который получил название «ATA » (анг. AT Attachment). После появления устройств SATA, это название было изменено на PATA (Parallel ATA).

Многие компьютерщики иногда говорят IDE вместо ATA или - наоборот. В принципе, это - одно и то же, просто правильнее - ATA:)

Поначалу стандарт работал только с жёсткими дисками, но затем был изменен для работы и с другими устройствами. К таким устройствам относятся приводы CD и DVD-ROM, магнитооптические диски и ленточные накопители. Этот новый (расширенный) стандарт стал называться «Advanced Technology Attachment Packet Interface» (ATAPI ), и поэтому полное его название выглядит как - «ATA/ATAPI ».

Вот как выглядят разъемы этого образца на материнской плате (два нижних, верхний - флоппи диск):

Данный интерфейс развивался во времени и одним из значимых этапов стал переход от программного ввода-вывода данных (PIO - Programmed input-output) к прямому доступу к памяти (DMA - Direct Memory Access). Что это значит? При использовании программного метода ввода-вывода считыванием данных с диска управлял , что приводило к абсолютно лишней на него нагрузке, так как ЦП приходилось заниматься еще и дисковыми операциями.

В то время пальму первенства держал интерфейс обмена данными, носящий название скази («SCSI » - Small Computer System Interface) . Он выгодно отличался высокой скоростью передачи и применялся в высокопроизводительных серверных платформах. Поэтому режим DMA для устройств IDE стал мощным толчком для дальнейшего развития стандарта.

При прямом доступе к памяти потоком данных управляет уже сам накопитель, считывая данные в память и обратно без участия процессора. Роль последнего сводится лишь к отдаче команд на выполнение того или иного действия. При этом жесткий диск выдает сигнал запроса на операцию прямого доступа к памяти. Если операция доступа данный момент возможна, контроллер дает "добро" и диск начинает выдавать данные, а контроллер считывает их в (без участия CPU).

Вот, к слову, как выглядит плата типичного контроллера, устанавливаемая производителями на свои изделия:

Главный чип здесь - MCU (Microcontroller Unit), он и осуществляет управление всеми операциями ввода-вывода накопителя и контролирует его работу.

Примечание: Операция прямого доступа к памяти возможна только тогда, когда такой режим работы поддерживается одновременно «BIOS», контроллером и операционной системой. Иначе система будет работать используя предыдущий режим программного ввода-вывода (PIO).

Всю хронологию развития и достижений на пути становления ATA интерфейса можно представить в виде следующей сводной таблицы.

Как видите (из второй колонки) скорости обмена данными через интерфейс постоянно увеличивались, что, в свою очередь, на этапе внедрения ревизии «Ultra ATA Mode 4» (он же - Ultra DMA/66 со скоростью передачи 66 мегабайт в секунду) вызвало необходимость внедрения нового интерфейсного кабеля с удвоенным количеством проводников (четвертая колонка в таблице).

Для сравнения - оба кабеля рядом:

На цвет не обращайте внимания:) Кабель слева имеет 80 жил (проводников), справа - 40. Как мы видим из таблицы, раньше все кабели имели именно 40 жил. Но дело в том, что с ростом скоростей передачи данных резко возросла роль взаимных помех и наводок отдельных проводников в кабеле друг на друга.

Именно поэтому был введен новый кабель. Причем все дополнительные двадцать пар его проводов это - проводники заземления (Ground), чередующиеся с проводниками информационными. Такое чередование уменьшает емкостную связь между отдельными жилами и, таким образом, сокращает взаимные наводки. Да и если подумать логически, что там еще может быть, если самих контактов (штырьков) на устройстве осталось все так же 40 (без учета "ключа") - по одному на каждый провод. Последующим (более быстрым режимам) «UDMA5» и «UDMA6» также требовался 80-жильный кабель.

Обратите Ваше внимание на колодки обоих кабелей. У них есть "ключ" (пластмассовый «П» образный выступ), который исключает неправильное подключение к разъему. Мало того, у 80-ти жильного кабеля на интерфейсе отсутствует одно из центральных гнезд (на материнских платах тогда начали устанавливать специальный IDE-разъем без центрального контакта), который также выполняет функцию дополнительного "ключа".

Но, - продолжим, чтобы закончить тему о кабелях. При возросших скоростях передачи данных появляется еще одно ограничение - на максимально допустимую длину кабеля. Стандарт ATA всегда устанавливал эту границу в 46 см. В продаже, к примеру, широко распространены кабели от 44-х до 48-ми сантиметров. Встречаются также изделия откровенно превышающие рекомендованный предел и, как Вы понимаете, их использование вряд ли можно рекомендовать.

Чтобы более полно осветить тему добавлю, что бывают еще, так называемые, "круглые" ATA шлейфы.

Выглядят они более благородно, чем свои "плоские" собратья, но, Вы же понимаете, что это снова - не стандарт, а - изделие сторонних производителей, которое должно обеспечивать работу на соответствующих скоростях и соответствовать заявленным характеристикам. Нам надо понимать, что ключевое слово здесь - должно ! :)

На пути своего развития стандарт ATA преодолел много препятствий, которые были заложены именно "в железе". Сначала это было ограничение, связанное с геометрией накопителя. Стандартный PC BIOS поддерживал жестко определенное предельно возможное число головок, секторов и цилиндров из которых состоят жесткие диски (максимально адресуемый размер пространства равнялся тогда 528 мегабайтам).

Это аппаратное ограничение было преодолено введением не физической (как раньше), а логической (условной) адресации, не имеющей уже ничего общего с реальной геометрией накопителя. Появились режимы работы для "больших" дисков «Large» и его преемник - «LBA» (Logical Block Address). Это позволяло адресовать (использовать) уже 8,46 гигабайта дискового пространства.

Со временем, когда объем жестких дисков опять увеличился, было преодолено и это ограничение и планка поднялась до 32-х гигабайт, а затем (с введением 28-ми битного режима адресации) - до невиданного ранее объема в 137 гигабайт! :) Запись 28-ми битного числа, организована методом вписывания его отдельных частей в соответствующие регистры самого диска. Последние спецификации ATA поддерживали уже 48-ми битную адресацию, расширяя возможный предел адресации до 144-х петабайт (1 петабайт - 1024 терабайта).

И тут, казалось бы, когда все ограничения на объем используемых дисков были так героически преодолены выяснилось, что параллельный интерфейс ATA (в том виде, в котором он существует на данный момент) не подходит для дальнейшего развития стандарта. Попытки увеличить его пропускную способность сводятся на нет возникающими вследствие возросших скоростей наводками в кабеле. Укорачивать сам кабель? Тоже не выход из положения.

И вот тут на сцену выходит новый стандарт передачи данных - «SATA » (Serial ATA).

Это - переработанный, и улучшенный вариант предыдущего стандарта. Как Вы помните, АТА - параллельный интерфейс (Parallel), в то время как SATA - последовательный (Serial). В это время и происходит переименование отживающего свое «ATA » в «PATA » (Parallel ATA), однозначно указывая, таким образом, что это - параллельный интерфейс передачи данных.

Несмотря на то, что последовательный способ передачи медленнее, в данном случае это компенсируется возможностью работы на более высоких частотах. Отпадает необходимость в синхронизации каналов. Также сам интерфейсный кабель гораздо более помехоустойчив (все его 7 жил отдельно экранированы). Это, в свою очередь, дало возможность довести максимальную длину кабеля до одного метра.

В стандарте «SATA» Изменился также сам принцип передачи данных. Он получил название LVDS - низковольтная дифференциальная передача сигналов (англ. low-voltage differential signaling). Повышение скорости передачи и использование самосинхронизирующихся кодов позволяют отправлять больше данных по меньшему количеству проводов, чем в случае параллельной шины.

За время своего существования новая спецификация успела сменить несколько ревизий (поколений), которые характеризуются все увеличивающейся пропускной способностью интерфейса.

SATA-1 150 МБ/с (мегабайт в секунду)
SATA-2 300 МБ/с (мегабайт в секунду)
SATA-3 600 МБ/с (мегабайт в секунду)

Тут надо понять следующее: все эти бешеные скорости это - скорость передачи данных по интерфейсному кабелю (от контроллера, с использованием предварительного кеширования и т.д.). И какая бы большая цифра здесь не была написана, реально нас должна интересовать скорость чтения/записи непосредственно с самих пластин (блинов) жесткого диска. Ведь именно она является узким местом в его быстродействии. Другое дело, что в новых моделях реализованы более совершенные алгоритмы по работе с данными, оптимизирована работа с кеш памятью устройства и т.д.

На данный момент (в стандартных настольных конфигурациях) Вы вряд ли увидите скорость чтения с пластин, превышающую 100-120 мегабайт в секунду. Как видите, эта цифра только сейчас подошла к пределу пропускной способности старого стандарта Ultra ATA 133 (133 мегабайта в секунду). Как мы говорили выше, скорости передачи в SATA достигаются за счет другого, а все эти "300", и "600" мегабайт в секунду (три и шесть гигабит в секунду, соответственно) - работа на перспективу (), а при их чрезмерном выпячивании - бессмысленная реклама, сбивающая с толку неподготовленного пользователя.

О чем это мы? Ах, да! О преимуществах сата: надо также помнить, что каждое SATA устройство располагается на отдельном канале (контроллере), поэтому отпадает необходимость в их конфигурировании с помощью перемычек (джамперов).

Хотя, справедливости ради стоит отметить, что на ранних этапах внедрения нового стандарта на SATA жестких дисках можно было обнаружить джамперы, но они использовались редко и то лишь для принудительного перевода накопителя SATA-2 в режим SATA-1 (для совместимости с первым поколением контроллеров).

Вот так друзья, коротко мы разобрали основные понятия, связанные с интерфейсом ATA/ATAPI. Теперь смело нажимайте на ссылку "следующая", переходим к практической части материала.

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:

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					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	OTS 2	21	22	?	GND
DIOW \| STOP 3	I	23	24	?	GND
DIOR \| HDMARDY \| HSTROBE 3	I	25	26	?	GND
IORDY \| DDMARDY \| DSTROBE 3	OTS 2	27	28	I/O	SPSYNC \| SCEL
DMACK	I	29	30	?	GND
INTRQ	OTS 2	31	32	OOK	IOCS16
DA1	I	33	34	I, O 4	PDIAG \| CBLID 3
DA0	I	35	36	I	DA2
CS0	I	37	38	I	CS1
DASP	I\OOK 5	39	40	?	GND
+5 В	?	41 6	42 6	?	+5 B
GND	?	43 6	44 6	?	Зарезервирован

RESET (Devicereset) – сброс устройства (инвертированный сигнал сброса системной шины). Сигнал длительностью не менее 25 мкс вырабатывается после установления питающих напряжений.
DA (DeviceAddress) – три младших бита системной шины адреса, используемые для выбора регистров устройств.
DD (DeviceData) – двунаправленная 16-битная шина данных между адаптером и устройствами. При 8-битных обменах используются младшие биты D.
DIOR (Device I/O Read) – строб чтения портов ввода/вывода. Данные фиксируются по положительному перепаду сигнала.
DIOW (Device I/O Write) – строб записи портов ввода/вывода. Данные фиксируются по положительному перепаду сигнала.
IORDY (I/O channelready) – готовность устройства завершить цикл обмена. Низким уровнем сигнала во время цикла обмена устройство может ввести такты ожидания шины. Сигнал требуется при обмене в PIO MODE 3 и выше.
IOCS16 – разрешение 16-битных операций. Обращение ко всем регистрам, кроме регистра данных, всегда 8-битное. Для РЮ MODE 0, 1, 2 при активном сигнале обращения 16-битные, при неактивном – 8-битные. Для РЮ MODE 3, 4 и DMA все обмены 16-битные, кроме дополнительных байт (выходящих за границу 512-байтного сектора) «длинного» считывания и записи.
DMARQ (DMA ReQuest) – запрос обмена по каналу DMA (сигнал необязательный). При разрешении обмена сигнал (высокий уровень) вводится устройством по готовности к обмену. Введя сигнал DMARQ, устройство должно дождаться подтверждения от хост-адаптера сигналом DMACK, после чего может снять запрос DMARQ. Для очередной передачи запрос должен быть введен снова. В режиме Multi-Word DMA запрос может удерживаться на время передачи всех данных. Выход должен быть тристабильным, в активном состоянии (0 или 1) он может быть только у выбранного устройства во время работы с DMA. В АТА-1 для этого сигнала мог использоваться как тристабильный, так и стандартный ТТЛ-выход. Работа на одной шине устройств с разнотипными выходами DMARQ может привести к конфликтам.
DMACK (DMA aCKnowledge) – подтверждение DMA. Сигнал вырабатывается хост-адаптером как подтверждение цикла передачи. Передача слова данных управляется сигналами DIOR или DIOW. Во время обмена по каналу DMA сигналы IOCS16, CS0 и CS1 не используются, обмен всегда производится 16-битными словами.
INTRQ (Device interrupt) – запроспрерывания.Выход должен быть тристабильным, активный сигнал (логическую 1) вырабатывает только выбранное устройство, когда у него имеется необслуженный запрос прерывания и его вырабатывание не запрещено битом nIEN в регистре DeviceControl. Запрос сбрасывается по сигналу RESET, установке бита SRST в регистре DeviceControl, записи в регистр команд или чтении регистра состояния. При обменах РЮ запрос устанавливается в начале передачи каждого блока (сектора или группы секторов при многосекторных операциях). Исключения: по командам FormatTrack, WriteSector(S), WriteBuffer и WriteLong в начале передачи первого блока данных запрос прерывания не вырабатывается. При обменах DMA запрос прерывания вырабатывается только по завершении операции.
CSO (ChipSelect 0) – сигнал выбора блока командных регистров (CommandBlockRegisters). Для первого канала он вырабатывается при наличии на системной шине адреса порта ввода/вывода в диапазоне lFOh–lF7h (сигнал также называют CS1FX#).
CS1 (ChipSelect 1) – выбор блока управляющих регистров (ControlBlockRegisters). Для первого канала он вырабатывается при наличии на системной шине адреса порта ввода/вывода в диапазоне 3F6h-3F7h (часто этот сигнал называется CS3FX;.
PDIAG (Passeddiagnostics) – сигнал о прохождении диагностики. Ведущее устройство наблюдает за этим сигналом, который ведомое устройство должно выработать в ответ на сброс или команду диагностики. Если ведомое устройство обнаружено (по сигналу DASP), ведущее устройство ожидает сигнал в течение 31с после сброса и 6 с после команды диагностики. Если за это время сигнал не появился, ведущее устройство отмечает этот факт установкой бита 7 регистра ошибок. Если ведомое устройство не обнаружено, ведущее обнуляет регистр состояния ведомого устройства и сообщает свое состояние сразу после завершения собственной самодиагностики. Сигнал служит только для связи двух устройств и хост-адаптером не используется.
CBUD (Cable assembly type identifier) – идентификациятипакабеля.В 80-проводной сборке контакт 34 на разъеме хост-адаптера соединяется с шиной GND, а контакты 34 разъемов устройств соединяются между собой, но связи с разъемом хост-адаптера не имеют. После прохождения сброса (когда сигнал PDIAG снимается) хост может определить наличие 80-проводного кабеля по низкому" уровню сигнала.
DASP (DeviceActive, SlavePresent) – сигнал двойного назначения: индикатор активности устройства и присутствия ведомого устройства. Устройства имеют выход типа «открытый коллектор» с нагрузочным резистором 10 кОм к шине +5 В. После сброса по сигналу RESET или при инициализации по включении питания оба устройства в течение 1 мс должны деактивировать этот сигнал, после чего не позже чем через 400 мс его вводит ведомое устройство для сообщения о своем присутствии. Ведущее устройство не активирует этот сигнал в течение 450 мс. Сигнал деактивируется ведомым устройством после получения им команды или через 31с автрматически (смотря что произойдет раньше). После этого сигнал может быть введен любым устройством как индикатор активности. Адаптер использует этот сигнал для включения светодиодного индикатора доступа к диску.
SPSYNC/CSEL (SpindleSynchronization/ CableSelect) - синхронизация шпинделя/выборка кабелем. Сигнал двойного назначения, которое должно быть единым для обоих устройств. Сигнал SPSYNC позволяет синхронизировать шпиндели устройств (актуально для RAID-массивов); используется по усмотрению производителя накопителя. Сигнал CSEL позволяет устройствам определять свой адрес по положению на специальном кабеле с разрывом провода 28 между разъемами двух устройств (малораспространенная «кабельная выборка»). Эта линия на хост-адаптере заземлена, и ведущее устройство получает заземленную линию, а ведомое – не подключенную. Состояние сигнала (если он управляется хост-адаптером) должно удерживаться по крайней мере 31с после сигнала RESET.
При использовании режима Ultra DMA четыре линии получают новое назначение сигналов:

2.5 Протокол взаимодействия хоста и устройства

Обычный протокол взаимодействия хоста с устройством выглядит следующим образом:

Для команд, не требующих передачи данных (ND):
Для команд данного типа, кроме шести вышеперечисленных пунктов стандартного взаимодействия хоста и устройства, выполняется ещё одна.

Единичное значение бита BSY может промелькнуть между шагами 6 и 7 так быстро, что хост его не зафиксирует, но для фиксации факта выполнения команды или ее части и предназначен запрос прерывания.

Для команд, требующих чтения данных в режиме PIO (PI):
Для команд данного типа, кроме шести вышеперечисленных пунктов стандартного взаимодействия хоста и устройства, выполняются ещё несколько.

Для операций записи данных после шага 6 для устройства начинается активная фаза записи на носитель, что отмечается установкой бита BSY.

Для команд, требующих записи данных в режиме PIO (PO и P):
Для команд данного типа, кроме шести вышеперечисленных пунктов стандартного взаимодействия хоста и устройства, выполняются ещё несколько.

2.6 Протоколы и режимы передачи данных

Программа общается с устройствами АТА через регистры, используя инструкции ввода/вывода IN и OUT. Для передачи данных с максимальной скоростью применяют программный доступ к регистру данных или DMA. Тип обмена задается командой. Программный доступ обязателен для всех устройств. Команды режима DMA устройствами могут не поддерживаться.
Программный доступ PIO (ProgrammedInput/Output) выполняется в виде следующих друг за другом операций чтения или записи в пространстве ввода/вывода по адресу регистра данных. В отличие от программно-управляемого ввода/вывода, применяемого, например, для общения с LPT-портом, передача блока данных в режиме PIO производится без программного опроса какого-либо бита готовности для передачи каждого слова. Готовность устройства проверяется перед началом передачи блока, после чего хост производит серию операций в определенном темпе. Темп определяется выбранным режимом PIO Mode (Таблица 2).
Для режимов определены допустимые параметры временной диаграммы цикла обмена.
Таблица 2 – Параметры режимов передачи (PIO mode)

Обмен PIO программно реализуется с помощью инструкций ввода/вывода строк REP INS или REP OUTS с занесенным в регистр СХ количеством слов (или байт) в передаваемом блоке. Эти инструкции обеспечивают максимально возможную скорость обмена для данного процессора и системной шины. «Обуздать» процессор в соответствии с выбранным режимом входит в задачу адаптера АТА, который использует для удлинения цикла сигнал готовности шины (для ISA – IOCHRDY). Традиционные режимы 0, 1 и 2 имеют временные параметры, фиксируемые только хост-адаптером. Для прогрессивных режимов АТА-2 (PIO Mode 3 и старше) устройство может затормозить обмен, используя сигнал готовности IORDY. 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 до прерывания от устройства в конце передачи блока он свободен (этим могут воспользоваться многозадачные системы). Стандартные каналы DMA шины ISA для интерфейса АТА практически не используются из-за низкой пропускной способности.
Высокопроизводительные адаптеры АТА могут иметь собственные более эффективные контроллеры. 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#. Если устройство не справляется с потоком, оно может приостановить его снятием сигнала DMARQ, a по готовности установить его снова. Множественный режим позволяет развить более высокую скорость передачи.
Новейшее достижение – режим Ultra DMA, позволяющий достигнуть скорости передачи 33 Мбайт/с и обеспечить достоверность передачи, чего не делалось ни в PIO, ни в стандартных режимах DMA. Стандартом АТА-4 определено 3 режима Ultra DMA (0, 1 и 2), выбор режима осуществляется командой SetFeatures.
В режимах Ultra DMA сигналы DMARQ и DACK# сохраняют свое назначение, а вот смысл сигналов DIOR#, DIOW# и IORDY на время передачи пакета (Ultra DMA Burst) существенно меняется.
В пакете данные на шине сопровождаются стробом, генерируемым источником данных, причем для синхронизации используются оба перепада сигналов. Это позволяет повысить пропускную способность шины, не увеличивая частоту переключений сигналов сверх 8,33 с -1 (этот предел для обычного кабеля достигается в режиме РЮ Mode 4 и Multiword DMA Mode 2).
Каждое переданное слово участвует в подсчете CRC-кода, который передается в конце пакета. Подсчет ведется и источником данных, и приемником. При несовпадении принятого и ожидаемого кода фиксируется ошибка передачи.
Передача в пакете может приостанавливаться, если приемник снимет сигнал готовности (DDMARDY или HDMARDY). Передача пакета может прекращаться по инициативе устройства (снятием сигнала) или хоста (сигналом STOP). Противоположная сторона должна подтвердить окончание цикла сигналом STOP или DMARQ соответственно.
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 режим обмена по умолчанию и более эффективные режимы обмена, поддерживаемые устройством. Командой SetFeatures можно изменить параметры режима. Иногда накопитель не обеспечивает надежной передачи данных в заявленном высокоскоростном режиме. Если данные начинают пропадать, первым делом следует понизить режим обмена.
Параметры стандартных режимов обмена по DMA приведены в таблице (Таблица 3).
Таблица 3 – Параметры циклов DMA для интерфейса ATA

и т.д.................

Режим

Минимальное время цикла (нс)

Скорость передачи (Мбайт/с)

Singleword DMA Mode 0

960

2,08

Singleword DMA Mode 1

480

4,16

Singleword DMA Mode 2

240

8,33

Multiword DMA Mode 0

480

4,12

Multiword DMA Mode 1

150

13,3

Multiword DMA Mode 2

В этой статье речь пойдет о том, что позволяет подключить жесткий диск к компьютеру, а именно, об интерфейсе жесткого диска. Точнее говорить, об интерфейсах жестких дисков, потому что технологий для подключения этих устройств за все время их существования было изобретено великое множество, и обилие стандартов в данной области может привести в замешательство неискушенного пользователя. Впрочем, обо все по порядку.

Интерфейсы жестких дисков (или строго говоря, интерфейсы внешних накопителей, поскольку в их качестве могут выступать не только , но и другие типы накопителей, например, приводы для оптических дисков) предназначены для обмена информацией между этими устройствами внешней памяти и материнской платой. Интерфейсы жестких дисков, не в меньшей степени, чем физические параметры накопителей, влияют на многие рабочие характеристики накопителей и на их производительность. В частности, интерфейсы накопителей определяют такие их параметры, как скорость обмена данными между жестким диском и материнской платой, количество устройств, которые можно подключить к компьютеру, возможность создания дисковых массивов, возможность горячего подключения, поддержка технологий NCQ и AHCI, и.т.д. Также от интерфейса жесткого диска зависит, какой кабель, шнур или переходник для его подключения к материнской плате вам потребуется.

SCSI - Small Computer System Interface

Интерфейс SCSI является одним из самых старых интерфейсов, разработанных для подключения накопителей в персональных компьютерах. Появился данный стандарт еще в начале 1980-х гг. Одним из его разработчиков был Алан Шугарт, также известный, как изобретатель дисководов для гибких дисков.

Внешний вид интерфейса SCSI на плате и кабеля подключения к нему

Стандарт SCSI (традиционно данная аббревиатура читается в русской транскрипции как «скази») первоначально предназначался для использования в персональных компьютерах, о чем свидетельствует даже само название формата – Small Computer System Interface, или системный интерфейс для небольших компьютеров. Однако так получилось, что накопители данного типа применялись в основном в персональных компьютерах топ-класса, а впоследствии и в серверах. Связано это было с тем, что, несмотря на удачную архитектуру и широкий набор команд, техническая реализация интерфейса была довольно сложна, и не подходила по стоимости для массовых ПК.

Тем не менее, данный стандарт обладал рядом возможностей, недоступных для прочих типов интерфейсов. Например, шнур для подключения устройств Small Computer System Interface может иметь максимальную длину в 12 м, а скорость передачи данных – 640 МБ/c.

Как и появившийся несколько позже интерфейс IDE, интерфейс SCSI является параллельным. Это означает, что в интерфейсе применяются шины, передающие информацию по нескольким проводникам. Данная особенность являлась одним из сдерживающих факторов для развития стандарта, и поэтому в качестве его замены был разработан более совершенный, последовательный стандарт SAS (от Serial Attached SCSI).

SAS - Serial Attached SCSI

Так выглядит интерфейс SAS серверного диска

Serial Attached SCSI разрабатывался в усовершенствования достаточно старого интерфейса подключения жестких дисков Small Computers System Interface. Несмотря на то, что Serial Attached SCSI использует основные достоинства своего предшественника, тем не менее, у него есть немало преимуществ. Среди них стоит отметить следующие:

Использование общей шины всеми устройствами.
Последовательный протокол передачи данных, используемый SAS, позволяет задействовать меньшее количество сигнальных линий.
Отсутствует необходимость в терминации шины.
Практически неограниченное число подключаемых устройств.
Более высокая пропускная способность (до 12 Гбит/c). В будущих реализациях протокола SAS предполагается поддерживать скорость обмена данными до 24 Гбит/c.
Возможность подключения к контроллеру SAS накопителей с интерфейсом Serial ATA.

Как правило, системы Serial Attached SCSI строятся на основе нескольких компонентов. В число основных компонентов входят:

Целевые устройства. В эту категорию включают собственно накопители или дисковые массивы.
Инициаторы – микросхемы, предназначенные для генерации запросов к целевым устройствам.
Система доставки данных – кабели, соединяющие целевые устройства и инициаторы

Разъемы Serial Attached SCSI могут иметь различную форму и размер, в зависимости от типа (внешний или внутренний) и от версий SAS. Ниже представлены внутренний разъем SFF-8482 и внешний разъем SFF-8644, разработанный для SAS-3:

Слева - внутренний разъём SAS SFF-8482; Справа - внешний разъём SAS SFF-8644 с кабелем.

Несколько примеров внешнего вида шнуров и переходников SAS: шнур HD-Mini SAS и шнур-переходник SAS-Serial ATA.

Слева - шнур HD Mini SAS; Справа - переходной шнур с SAS на Serial ATA

Firewire - IEEE 1394

Сегодня достаточно часто можно встретить жесткие диски с интерфейсом Firewire. Хотя через интерфейс Firewire к компьютеру можно подключить любые типы периферийных устройств, и его нельзя назвать специализированным интерфейсом, предназначенным для подключения исключительно жестких дисков, тем не менее, Firewire имеет ряд особенностей, которые делают его чрезвычайно удобным для этой цели.

FireWire - IEEE 1394 - вид на ноутбуке

Интерфейс Firewire был разработан в середине 1990-х гг. Начало разработке положила небезызвестная фирма Apple, нуждавшаяся в собственной, отличной от USB, шине для подключения периферийного оборудования, прежде всего мультимедийного. Спецификация, описывающая работу шины Firewire, получила название IEEE 1394.

На сегодняшний день Firewire представляет собой один из наиболее часто используемых форматов высокоскоростной последовательной внешней шины. К основным особенностям стандарта можно отнести:

Возможность горячего подключения устройств.
Открытая архитектура шины.
Гибкая топология подключения устройств.
Меняющаяся в широких пределах скорость передачи данных – от 100 до 3200 Мбит/c.
Возможность передачи данных между устройствами без участия компьютера.
Возможность организации локальных сетей при помощи шины.
Передача питания по шине.
Большое количество подключаемых устройств (до 63).

Для подключения винчестеров (обычно посредством внешних корпусов для жестких дисков) через шину Firewire, как правило, используется специальный стандарт SBP-2, использующий набор команд протокола Small Computers System Interface. Существует возможность подключения устройств Firewire к обычному разъему USB, но для этого требуется специальный переходник.

IDE - Integrated Drive Electronics

Аббревиатура IDE, несомненно, известна большинству пользователей персональных компьютеров. Стандарт интерфейса для подключения жестких дисков IDE был разработан известной фирмой, производящей жесткие диски – Western Digital. Преимуществом IDE по сравнению с другими существовавшими в то время интерфейсами, в частности, интерфейсом Small Computers System Interface, а также стандартом ST-506, было отсутствие необходимости устанавливать контроллер жесткого диска на материнскую плату. Стандарт IDE подразумевал установку контроллера привода на корпус самого накопителя, а на материнской плате оставался лишь хост-адаптер интерфейса для подключения приводов IDE.

Интерфейс IDE на материнской плате

Данное нововведение позволило улучшить параметры работы накопителя IDE благодаря тому, что сократилось расстояние между контроллером и самим накопителем. Кроме того, установка контроллера IDE внутрь корпуса жесткого диска позволила несколько упростить как материнские платы, так и производство самих винчестеров, поскольку технология давала свободу производителям в плане оптимальной организации логики работы накопителя.

Новая технология первоначально получила название Integrated Drive Electronics (Встроенная в накопитель электроника). Впоследствии был разработан описывающий ее стандарт, названный ATA. Это название происходит от последней части названия семейства компьютеров PC/AT посредством добавления слова Attachment.

Для подключения жесткого диска или другого устройства, например, накопителя для оптических дисков, поддерживающего технологию Integrated Drive Electronics, к материнской плате, используется специальный кабель IDE. Поскольку ATA относится к параллельным интерфейсам (поэтому его также называют Parallel ATA или PATA), то есть, интерфейсам, предусматривающим одновременную передачу данных по нескольким линиям, то его кабель данных имеет большое количество проводников (обычно 40, а в последних версиях протокола имелась возможность использовать 80-жильный кабель). Обычный кабель данных для данного стандарта имеет плоский и широкий вид, но встречаются и кабели круглого сечения. Кабель питания для накопителей Parallel ATA имеет 4-контактный разъем и подсоединен к блоку питания компьютера.

Ниже приведены примеры кабеля IDE и круглого шнура данных PATA:

Внешний вид интерфейсного кабеля: cлева - плоский, справа в круглой оплетке - PATA или IDE.

Благодаря сравнительной дешевизне накопителей Parallel ATA, простоте реализации интерфейса на материнской плате, а также простоте установки и конфигурации устройств PATA для пользователя, накопители типа Integrated Drive Electronics на длительное время вытеснили с рынка винчестеров для персональных компьютеров бюджетного уровня устройства других типов интерфейса.

Однако стандарт PATA имеет и ряд недостатков. Прежде всего, это ограничение по длине, которую может иметь кабель данных Parallel ATA – не более 0,5 м. Кроме того, параллельная организация интерфейса накладывает ряд ограничений на максимальную скорость передачи данных. Не поддерживает стандарт PATA и многие расширенные возможности, которые имеются у других типов интерфейсов, например, горячее подключение устройств.

SATA - Serial ATA

Вид интерфейса SATA на материнской плате

Интерфейс SATA (Serial ATA), как можно догадаться из названия, является усовершенствованием ATA. Заключается это усовершенствование, прежде всего, в переделке традиционного параллельного ATA (Parallel ATA) в последовательный интерфейс. Однако этим отличия стандарта Serial ATA от традиционного не ограничиваются. Помимо изменения типа передачи данных с параллельного на последовательный, изменились также разъемы для передачи данных и электропитания.

Ниже приведен шнур данных SATA:

Шнур передачи данных для SATA интерфейса

Это позволило использовать шнур значительно большей длины и увеличить скорость передачи данных. Однако минусом стало то обстоятельство, что устройства PATA, которые до появления SATA присутствовали на рынке в огромных количествах, стало невозможно напрямую подключить в новые разъемы. Правда, большинство новых материнских плат все же имеют старые разъемы и поддерживают подключение старых устройств. Однако обратная операция – подключение накопителя нового типа к старой материнской плате обычно вызывает куда больше проблем. Для этой операции пользователю обычно требуется переходник Serial ATA to PATA. Переходник для кабеля питания обычно имеет сравнительно простую конструкцию.

Переходник питания Serial ATA to PATA:

Слева общий вид кабеля; Cправа укрупнено внешний вид коннекторов PATA и Serial ATA

Сложнее, однако, дело обстоит с таким устройством, как переходник для подключения устройства последовательного интерфейса в разъем для параллельного интерфейса. Обычно переходник такого типа выполнен в виде небольшой микросхемы.

Внешний вид универсального двунаправленного переходника между интерфейсами SATA - IDE

В настоящее время интерфейс Serial ATA практически вытеснил Parallel ATA, и накопители PATA можно встретить теперь в основном лишь в достаточно старых компьютерах. Еще одной особенностью нового стандарта, обеспечившей его широкую популярность, стала поддержка .

Вид переходника с IDE на SATA

О технологии NCQ можно рассказать чуть подробнее. Основное преимущество NCQ состоит в том, что она позволяет использовать идеи, которые давно были реализованы в протоколе SCSI. В частности, NCQ поддерживает систему упорядочивания операций чтения/записи, поступающих к нескольким накопителям, установленным в системе. Таким образом, NCQ способна значительно повысить производительность работы накопителей, в особенности массивов жестких дисков.

Вид переходника с SATA на IDE

Для использования NCQ необходима поддержка технологии со стороны жесткого диска, а также хост-адаптера материнской платы. Практически все адаптеры, поддерживающие AHCI, поддерживают и NCQ. Кроме того, NCQ поддерживают и некоторые старые проприетарные адаптеры. Также для работы NCQ требуется ее поддержка со стороны операционной системы.

eSATA - External SATA

Отдельно стоит упомянуть о казавшемся многообещающим в свое время, но так и не получившем широкого распространения формате eSATA (External SATA). Как можно догадаться из названия, eSATA представляет собой разновидность Serial ATA, предназначенную для подключения исключительно внешних накопителей. Стандарт eSATA предлагает для внешних устройств большую часть возможностей стандартного, т.е. внутреннего Serial ATA, в частности, одинаковую систему сигналов и команд и столь же высокую скорость.

Разъем eSATA на ноутбуке

Тем не менее, у eSATA есть и некоторые отличия от породившего его стандарта внутренней шины. В частности, eSATA поддерживает более длинный кабель данных (до 2 м), а также имеет более высокие требования к питанию накопителей. Кроме того, разъемы eSATA несколько отличаются от стандартных разъемов Serial ATA.

По сравнению с другими внешними шинами, такими, как USB и Firewire, eSATA, однако, имеет один существенный недостаток. Если эти шины позволяют осуществлять электропитание устройства через сам кабель шины, то накопитель eSATA требует специальные разъемы для питания. Поэтому, несмотря на сравнительно высокую скорость передачи данных, eSATA в настоящее время не пользуется большой популярностью в качестве интерфейса для подключения внешних накопителей.

Заключение

Информация, хранящаяся на жестком диске, не может стать полезной для пользователя и доступной для прикладных программ до тех пор, пока к ней не получит доступ центральный процессор компьютера. Интерфейсы жестких дисков представляют собой средство для связи между этими накопителями и материнской платой. На сегодняшний день существует немало различных типов интерфейсов жестких дисков, каждый из которых имеет свои достоинства, недостатки и характерные особенности. Надеемся, что приведенная в данной статье информация во многом окажется полезной для читателя, ведь выбор современного жесткого диска во многом определяются не только его внутренними характеристиками, такими, как емкость, объем кэш-памяти, скорость доступа и вращения, но и тем интерфейсом, для которого он был разработан.

В терминологии SCSI взаимодействие идет между инициатором и целевым устройством. Инициатор посылает команду целевому устройству, которое затем отправляет ответ инициатору.

Команды SCSI посылаются в виде блоков описания команды (англ. Command Descriptor Block, CDB ). Длина каждого блока может составлять 6, 10, 12 или 16 байт. В последних версиях SCSI блок может иметь переменную длину. Блок состоит из однобайтового кода команды и параметров команды.

После получения команды целевое устройство возвращает значение 00h в случае успешного получения, 02h в случае ошибки или 08h в случае, если устройство занято. В случае, если устройство вернуло ошибку, инициатор обычно посылает команду запроса состояния. Устройство возвращает Key Code Qualifier (KCQ) .

Все команды SCSI делятся на четыре категории: N (non-data) , W (запись данных от инициатора целевым устройством), R (чтение данных) и B ( двусторонний обмен данными). Всего существует порядка 60 различных команд SCSI , из которых наиболее часто используются:

Test unit ready - проверка готовности устройства, в т.ч. наличия диска в дисководе.
Inquiry - запрос основных характеристик устройства.
Send diagnostic - указание устройству провести самодиагностику и вернуть результат.
Request sense - возвращает код ошибки предыдущей команды.
Read capacity - возвращает емкость устройства.
Format Unit
Read (4 варианта) - чтение.
Write (4 варианта) - запись.
Write and verify - запись и проверка.
Mode select - установка параметров устройства.
Mode sense - возвращает текущие параметры устройства.

ATA

Спецификация IDE/ ATA была предложена в качестве недорогой альтернативы интерфейсам ESDI и SCSI для персональных компьютеров семейств IBM PC XT/AT . В результате сотрудничества компании Western Digital с Compaq Computer Corporation был разработан интерфейс IDE (Integrated Drive Electronics), называемый также АТА (AT attachment) . Первые промышленные устройства на базе IDE/ ATA были выпущены в 1986году. Интерфейс был стандартизован (ANSI X3T9.2/90-143 ) в 1990г. как ATA (AT Attachment) . Основным отличием нового интерфейса была реализация большинства функций контроллера непосредственно на плате дискового накопителя. Такой подход упростил и удешевил хост-адаптеры, используемые для подключения винчестеров к компьютеру, и позволил обеспечить высокий уровень совместимости устройств разных фирм.

Используемые устройствами IDE адреса ввода/вывода совпадают с адресами ST506/412 , но функции контроллера перенесены на плату управления приводом диска и головок винчестера. Информация о геометрии диска (число головок, цилиндров и секторов) хранится в самом устройстве. Зачастую в BIOS передаются логические параметры диска, не совпадающие с его физическими параметрами, т.е. используется трансляция, что позволяет устанавливать винчестеры в компьютеры со старыми BIOS , не обеспечивающими возможность произвольной установки параметров устройства (в большинстве современных реализаций BIOS такая возможность поддерживается как тип 47 - User Defined ).

Базовый набор команд интерфейса IDE полностью соответствовал набору команд контроллера WD1002/1003 компании Western Digital , который был использован в компьютере IBM PC AT . При стандартизации интерфейса IDE к 12 базовым командам было добавлено еще столько же. Перенос большинства функций контроллера на плату управления позволяет несколько повысить скорость обмена данными с диском. Как правило диски IDE имеют небольшую встроенную кэш-память (до 256Кб) и позволяют работать с фактором чередования 1:1 (дорожка может быть прочитана целиком за один оборот диска).

Хост-адаптер для подключения дисков IDE зачастую устанавливается на системной плате (Mother board) или совмещается с контроллером дисководов и портами ввода-вывода (последовательными и параллельным) на специальной, вставляемой в гнездо расширения, плате (мультикарте, как ее зачастую называют). Подключение устройств к хост-адаптеру осуществляется с помощью 40-проводного плоского кабеля, к которому можно присоединить два винчестера. Для корректной адресации устройств один из винчестеров должен быть установлен в режим Master (ведущий), другой - в режим Slave (ведомый). Режим работы диска задается с помощью перемычек, расположенных как правило около сигнального разъема винчестера.

Разводка Parallel ATA

Контакт	Назначение	Контакт	Назначение
1	Reset	2	Ground
3	Data 7	4	Data 8
5	Data 6	6	Data 9
7	Data 5	8	Data 10
9	Data 4	10	Data 11
11	Data 3	12	Data 12
13	Data 2	14	Data 13
15	Data 1	16	Data 14
17	Data 0	18	Data 15
19	Ground	20	Key
21	DDRQ	22	Ground
23	I/O Write	24	Ground
25	I/O Read	26	Ground
27	IOC HRDY	28	Cable Select
29	DDACK	30	Ground
31	IRQ	32	No Connect
33	Addr 1	34	GPIO DMA66 Detect
35	Addr 0	36	Addr 2
37	Chip Select	38	Chip Select 3P

Перемычки для установки режима Master/Slave

Сравнение дисковых интерфейсов

Параметр	ST506/412 MFM	ST506/412 RLL	ESDI	SCSI	IDE/ ATA
Максимальная скорость обмена	5Мбит/сек	7.5Мбит/сек	10/24Мбит/се к	24/40МБайт /сек	10МБайт/се к
Максимальное количество устройств	4	4	7	56	2
Максимальное количество устройств в DOS	2	2	2	36	2
Подключение других устройств	-	-	-	+	-
Число секторов на дорожке	17	26	32-36	Не определено	Не определено
Все операции ввода -вывода осуществляются с использованием процессора	Частичное использование
Многозадачны й ввод-вывод	-	+	+ -[Современны е расширения IDE/ ATA поддерживают многозадачный ввод-вывод]
Автоматическая коррекция ошибок	-	-	+	+	+
Низкоуровневое форматирование	+	+	+	-

Современные реализации ATA/IDE

Предложенный в конце 80-х годов интерфейс ATA (AT Attachment) , известный также под названием очень быстро завоевал широкую популярность среди производителей и пользователей персональных компьютеров. Основными причинами быстрого и широкого распространения нового интерфейса послужили невысокая цена устройств, простота их установки и эксплуатации, а также высокий уровень совместимости устройств IDE . Спецификация АТА уступает по скорости обмена с дисками и ряду других параметров интерфейсу SCSI , однако для большинства пользователей производительность играет меньшую роль, по сравнению с совместимостью, простотой и стоимостью устройств.

Ограниченность АТА

Первоначальная версия стандарта IDE обеспечивала возможность подключения к компьютеру четырех винчестеров и позволяла обмениваться данными с диском на скорости до 10Мбайт/сек, однако реальная скорость ограничивалась прежде всего возможностями самого винчестера. Подключение четырех устройств, предусмотренное спецификацией IDE , в компьютерах семейства IBM PC AT , в спецификации ATA /IDE реализовано не было. Кроме того, совместное использование стандарта ATA и программного интерфейса Int 13 BIOS ограничивало размер дисковых устройств 528Мб. Природу этого ограничения, связанную с форматами чисел, используемых для адресации головок, секторов и цилиндров винчестера ( CHS -адрес) в стандарте IDE и BIOS , можно понять из приведенной ниже таблицы и рисунка 3, иллюстрирующего взаимодействие операционной системы с диском IDE .

Взаимодействие диска IDE с операционной системой.

Другим существенным ограничением стандарта IDE/ ATA является невозможность подключения к контроллеру IDE каких-либо устройств, за исключением винчестеров.

Присущие интерфейсу IDE/ ATA ограничения тормозили развитие недорогих компьютерных систем, рассчитанных на массового пользователя, в связи с чем целый ряд фирм предпринял попытки расширения возможностей классического IDE . Наибольших успехов на этом пути добилась компания Western Digital , разработавшая спецификацию Enhanced IDE ( EIDE ) , позволяющую использовать диски, размер которых превышает 528 Мб, и обеспечившую реальную возможность подключения к компьютеру до четырех устройств IDE (не только винчестеров, но и приводов CD-ROM или стриммеров).

Другим интересным вариантом развития интерфейса IDE является технология Fast ATA , разработанная компанией Seagate Technology при поддержке фирмы Quantum . Эта технология направлена в первую очередь на повышение скорости обмена данными с дисковыми устройствами и не поддерживает возможность подключения CD-ROM или стриммеров, но обеспечивает более высокий уровень совместимости за счет соответствия широко распространенным промышленным стандартам.

Enhanced IDE

Технология Enhanced IDE компании Western Digital была разработана в результате анализа потребностей современного рынка ПК. В 1984 году компания Western Digital создала контроллеры дисководов (WD1002 ) и винчестеров (ST506 ), которые были использованы фирмой IBM при разработке компьютера IBM PC AT . Успех архитектуры АТ привел к значительному расширению рынка IBM -совместимых ПК и сделал контроллеры Western Digital стандартом de facto .

В процессе становления рынка персональных компьютеров фирма Western Digital пришла к выводу о необходимости интеграции электроники контроллера АТ и дискового устройства. В результате сотрудничества с Compaq Computer Corporation был разработан интерфейс IDE (Integrated Drive Electronics) , называемый также АТА (AT Bus attachment) . Первые промышленные устройства на базе IDE/ ATA были выпущены в 1986 году.

Продолжая лидировать в сфере IDE -устройств, компания Western Digital предложила расширение интерфейса IDE . Новая спецификация - Enhanced IDE повышает скорость обмена с диском, допускает применение более скоростных дисков и обеспечивает возможность установки в компьютере до четырех устройств IDE . Кроме того, Enhanced IDE позволяет подключать к контроллеру не только винчестеры, но и другие устройства (приводы CD-ROM , стриммеры), поддерживающие спецификацию ATAPI (AT Attachment Packet Interface) . Эта спецификация определяет интерфейс с приводами CD-ROM и другими недисковыми устройствами, позволяющий использовать стандартные контроллеры и кабели. Стандарт ATAPI получил широкую поддержку среди производителей CD-ROM -устройств и разработчиков операционных систем, что еще более расширило сферу распространения интерфейса IDE/ ATA .

Спецификация EIDE позволяет избавиться от целого ряда ограничений, присущих интерфейсу IDE/ ATA . Такое расширение обеспечивает существенный рост возможностей устройств долговременного хранения информации без роста цен, усложнения использования и потери совместимости. Ограничения, присущие IDE , по сравнению с другими интерфейсами (такими, как SCSI ) не угрожают доминированию IDE на современном рынке недорогих систем. Однако повышение производительности процессоров, разработка новых ОС и высокие запросы современных приложений к дисковому пространству привели к тому, что стандарт IDE уже не может удовлетворять всем современным требованиям. Существенно и то, что стандартный интерфейс IDE менее гибок и более ограничен по сравнению со SCSI :

IDE поддерживает только два винчестера, а SCSI обеспечивает возможность подключения большого количества блочных устройств различных типов (принтеры, CD-ROM , стриммеры и др.);
размер дисков IDE не может превышать 528Мб, поскольку для доступа к диску используется интерфейс Int 13 BIOS , тогда как SCSI не ограничивает размер диска;
IDE обеспечивает скорость обмена с диском 2-3 Мб/сек, а SCSI - 10 или 20Мб/сек (Fast/Wide) .

Технология Enhanced IDE позволяет избавиться от основных ограничений стандарта IDE/ATA :

предельный размер диска 528Мб;
малая скорость обмена с диском;

ATA

системных плат

ATA

EIDE

Ускоренный обмен данными основан на использовании скоростных режимов программируемого ввода-вывода ( PIO mode 3 ) и прямого доступа к памяти (DMA mode 1 ). Эти режимы обеспечивают скорость обмена 11.1 и 13.3 Мб/сек, соответственно. Для реализации скоростного обмена требуется поддержка со стороны винчестера и BIOS. BIOS должна поддерживать один из скоростных режимов обмена с диском ( PIO mode 3 или DMA mode 1 ), как правило это режим PIO . Со стороны дискового устройства также должна обеспечиваться поддержка скоростного обмена. Эту возможность обеспечивает большинство современных винчестеров (в том числе диски Fast ATA ). Скоростные режимы обмена позволяют полнее реализовать возможности дисковых контроллеров, использующих широкополосную локальную шину VESA или PCI .
Поддержка двух портов ATA . Для обеспечения этой возможности используются зарезервированные для второго контроллера адреса портов ввода-вывода и прерывание IRQ15 . Для реализации этой возможности требуется поддержка со стороны контроллера (хост-адаптера), BIOS и операционной системы. К самим устройствам (винчестерам, приводам CD-ROM или стриммерам) не предъявляется никаких дополнительных требований. Контроллер должен обеспечивать возможность установки адресов второго порта (это реализовано отнюдь не во всех современных моделях). Не все BIOS поддерживают возможность использования четырех устройств IDE , однако современные разработки включают этот режим. Важную роль играет поддержка использования четырех устройств со стороны операционной системы. Эта возможность реализована в большинстве 32-разрядных ОС и в последних версиях DOS .
Возможность подключения приводов CD-ROM и стримеров . Этот режим является недорогой альтернативой SCSI . Для обеспечения такой возможности требуется требуется поддержка нескольких новых команд. Спецификация ATAPI ( ATA Packet Interface) , находящаяся в стадии разработки, содержит описание новых команд. Для обеспечения возможности подключения к хост-адаптеру недисковых устройств требуется поддержка спецификации ATAPI со стороны BIOS, хост-адаптера, операционной системы и самих периферийных устройств. В настоящее время большинство устройств CD-ROM уже использует интерфейс IDE/ ATAPI для подключения ко второму порту современных контроллеров. Очевидно, что при таком обилии вариантов расширения возможностей IDE отнюдь не все устройства, рекламируемые как "Enhanced", поддерживают все четыре режима, добавленные в спецификацию Enhanced IDE . Не следует забывать также о том, что для обеспечения полной поддержки EIDE , этой спецификации должны удовлетворять BIOS , хост-адаптер, операционная система и, наконец, сами периферийные устройства.

Обзор интерфейсов жестких дисков

ATA (Advanced Technology Attachment)

ATA/PATA - параллельный интерфейс для подключения жестких дисков и оптических приводов, созданный во второй половине 80-х годов прошлого века. После появления последовательного интерфейса SATA получил наименование PATA (параллельный ATA). Стандарт непрерывно развивался, и последняя его версия - Ultra ATA/133 - обладает теоретической скоростью передачи данных около 133 Мб/с. Однако жесткие диски PATA, рассчитанные на массовый рынок, достигли только скорости 66 Мб/с. Данный способ передачи данных уже устарел, однако на современных материнских платах все равно устанавливают один разъем PATA.

На один разъем PATA можно подключить два устройства (жесткие диски и/или оптические приводы). При этом может возникнуть конфликт устройств. «Разводить» ATA-устройства приходится вручную с помощью установки на них переключателей (джамперов). При правильной установке джамперов компьютер сможет понять, какое из устройств ведущее (master), а какое ведомое (slave).

PATA использует 40-проводные или 80-проводные интерфейсные кабели, длина которых по стандартам не должна превышать 46 см. Чем больше в системном блоке устройств ATA, тем сложнее обеспечить их оптимальное взаимодействие. Кроме того, широкие шлейфы препятствуют нормальной циркуляции воздуха в корпусе. Вдобавок их достаточно легко повредить при подключении или отключении кабеля.

SATA (Serial ATA)

SATA - последовательный интерфейс для подключения накопителей данных. Пришел на смену PATA в начале 2000-х годов. В настоящее время безраздельно властвует на большинстве персональных компьютеров. Первая версия SATA revision 1.x (SATA/150) обладала теоретической скоростью передачи данных до 150 Мб/с, последняя - SATA rev. 3.0 (SATA/600) - обеспечивает пропускную способность до 600 Мб/с. Впрочем, скорость эта пока не востребована, так как средняя скорость самых быстрых моделей для массового рынка колеблется в районе 150 Мб/с. Тем не менее в среднем SATA-диски в два раза быстрее своих предшественников.

Три версии последовательного интерфейса часто обозначают как SATA I/SATA II/SATA III, что, по мнению разработчиков, неправильно. В теории разные версии интерфейса обладают обратной совместимостью. То есть SATA rev. 2.x можно подключить к материнской плате с разъемом SATA rev. 1.x. Несмотря на то что разъемы взаимозаменяемы, в реальности разные модели материнских плат с разными моделями жестких дисков могут взаимодействовать по-разному.

В SATA, в отличие от PATA, используется 7-контактный интерфейсный кабель с максимальной длиной 1 метр и с небольшой площадью сечения (то есть он гораздо уже кабеля PATA). Также его гораздо сложнее повредить и легче подключать или отключать. Для обладателей старых компьютеров и винчестеров существуют переходники с SATA на PATA и обратно. «Горячая замена» дисков не поддерживается - при включенном системном блоке нельзя отсоединять и присоединять диски SATA (PATA, впрочем, тоже).

Подключение шлейфов к винчестерам:
PATA (сверху; широкий серый) и SATA (снизу; узкий красный)

eSATA (External SATA)

Интерфейс для подключения внешних накопителей. Создан в 2004 году. Поддерживает режим «горячей замены», для чего необходима активация в BIOS режима AHCI. Разъемы SATA и eSATA не совместимы. Длина кабеля увеличена до 2 метров. Также разработан разъем Power eSATA, который позволяет объединить интерфейсный кабель и кабель питания.

FireWire (IEEE 1394)

Последовательный высокоскоростной интерфейс для подключения к ПК различных устройств и создания компьютерной сети. Стандарт IEEE 1394 был принят в 1995 году. С тех пор были разработаны несколько вариантов интерфейсов с различной пропускной способностью (FireWire 800 до 80 Мб/с и FireWire 1600 до 160 Мб/с) и различной конфигурацией разъемов. В FireWire существует возможность «горячего подключения», кроме того, не нужен отдельный кабель для питания.

Впервые начал использоваться для захвата фильмов с видеокамер стандарта MiniDV. Чаще применяется для подключения различных мультимедийных устройств, реже - для подключения жестких дисков и массивов RAID. Одно время FireWire планировался на роль замены для ATA.

SCSI (Small Computer System Interface)

Параллельный интерфейс для подключения различных устройств (от жестких дисков и оптических приводов до сканеров и принтеров). Стандартизирован в 1986 году и с тех пор непрерывно развивался. Версия интерфейса Ultra-320 SCSI обладает пропускной способностью до 320 Мб/с. Для подключения устройств используется 50- и 68-контактный кабель. В последних версиях SCSI используется 80-контактный разъем и поддерживается «горячая замена».

Этот интерфейс почти незнаком массовому пользователю из-за высокой стоимости SCSI-дисков. Вследствие этого большинство материнских плат выпускаются без встроенного контроллера. Обычная сфера применения SCSI-дисков - серверы, высокопроизводительные рабочие станции, RAID-массивы. Постепенно уходит в прошлое, так как вытесняется интерфейсом SAS.

SAS (Serial Attached SCSI)

Последовательный интерфейс, пришедший на смену SCSI. Технически более совершенен и более быстр (до 600 Мб/с). Существует несколько различных вариантов разъемов SAS. Интерфейс SCSI использует общую шину, поэтому с контроллером одновременно может работать только одно устройство. SAS за счет реализации выделенных каналов лишен этого недостатка. Обратно совместим с интерфейсом SATA (к нему можно подключить SATA rev. 2.x и SATA rev. 3.x, но не наоборот). В отличие от SATA более надежен, но стоит существенно дороже и потребляет больше энергии. В отличие от SCSI имеет разъемы меньшего размера, что позволяет использовать накопители типоразмера 2,5 дюйма.

USB (Universal Serial Bus)

Последовательный интерфейс для передачи данных различных устройств. По одной шине передаются данные и питание. Поддерживается «горячая замена». USB-устройства могут не иметь собственного источника питания: максимальная сила тока - 500 мА для USB 2.0 и 900 мА для USB 3.0. На практике это означает, что внешние жесткие диски типоразмера 1,8 и 2,5 дюйма получают питание по USB-кабелю. 3,5-дюймовые внешние диски уже требуют отдельного блока питания. Несмотря на то что внешний диск подключается через разъем USB и позиционируется как «жесткий диск USB HDD», внутри устройства находятся обычный винчестер SATA и специальный контроллер SATA-USB.

USB чрезвычайно распространен. Наиболее распространена версия USB 2.0. В ближайшие годы стандартом станет USB 3.0, но пока на рынке не так много устройств USB 3.0 и материнских плат с соответствующей поддержкой. Скорость обмена данными по сравнению с USB 2.0 возросла в 10 раз до 4,8 Гбит/с. Реальная скорость USB 3.0, как показывают тесты, - до 380 Мб/с.

Новый интерфейс использует новые кабели: USB Тип А и USB Тип B. Первый совместим с USB 2.0 Тип А.

Thunderbolt (ранее известный как Light Peak)

Перспективный интерфейс для подключения периферийных устройств к ПК. Разработан фирмой Intel для замены интерфейсов, таких как USB, SCSI, SATA и FireWire. В мае 2010 года был продемонстрирован первый компьютер с Light Peak, а с февраля этого года к поддержке интерфейса присоединилась Apple.

Скорость передачи данных до 10 Гбит/с (в 20 раз быстрее USB 2.0), максимальная длина кабеля 3 метра. Возможны одновременное соединение со множеством устройств, поддержка разных протоколов, «горячее» подключение устройств.

Несмотря на отличные показатели скорости передачи данных, пока неизвестно, станет ли интерфейс Thunderbolt стандартом на массовых ПК.

Слева направо: кабели USB 2.0, USB 3.0, Thunderbolt

Сетевые интерфейсы

В последние годы набирают популярность сетевые системы хранения данных. По сути, это отдельный мини-компьютер, выполняющий роль хранилища данных. Называется NAS (англ. Network Attached Storage). Подключается через сетевой кабель, настраивается и управляется с другого ПК через браузер. Некоторые NAS оснащаются дополнительными сервисами (фотогалерея, медиацентр, BitTorrent- и eMule-клиенты, почтовый сервер и т. п.). Покупается для дома в тех случаях, когда необходимо большое дисковое пространство, которым пользуются многие члены семьи (фотографии, видео, аудио). Передача данных от сетевых хранилищ к другим компьютерам сети происходит по кабелю (обычно стандартная гигабитная сеть Ethernet) либо с помощью Wi-Fi.

Резюме

Итак, если вы среднестатистический пользователь компьютера, то ваш выбор - внутренний диск SATA rev 2.x либо SATA rev 3.x. Разницы в скорости между ними практически нет. PATA уже не продаются и устарели, SCSI и SAS - слишком дороги. Если в вашем доме несколько компьютеров и используются общие ресурсы, то пора подумать о покупке сетевого файлового хранилища.