Сравнение интерфейсов SATA и IDE

Сравнение интерфейсов SATA и IDE

Интерфейс ATA

Интерфейс ATA (AT Attachment) 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.

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. С появлением последовательного интерфейса к обычному интерфейсу ATA стали добавлять

термин параллельный.

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. 

Электрическое подключение ATA (IDE) дисков осуществляется 40-

контактным кабелем (шлейфом) длиной не более 18 дюймов (около 46 см).

Однако, сам кабель может состоять либо из 40, либо из 80 проводов, причем

второй вариант  используется для скоростей передачи выше 33 Мбайт/с. На

кабеле имеется 3 разъема (в упрощенных вариантах – только 2),

позволяющие подключить 2 жестких диска или CD-ROM привода. Один из

подключаемых  дисков называется ведущим (master или устройство 0),

второй – ведомым (slave или устройство 1). Подключаемые к кабелю диски

должны быть соответствующим  образом сконфигурированы имеющимися на

них переключателями  – джамперами. Положения этих переключателей,

соответствующие основным вариантам подключения (кроме  ведущего и

ведомого, возможен еще очень редко используемый вариант кабельной

выборки), показываются на ярлыке, расположенном снаружи  на крышке

корпуса диска. Неправильная их установка приводит к тому, что  ПЭВМ

может “зависнуть”  при запуске. 

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.

Контроллер диска  управляет доступом к нему в соответствии с

командами интерфейса ATA, поступающими от процессора (драйвера

диска). Эти команды  можно разделить на несколько  групп, основными из

которых являются группа команд работы с данными (чтения и записи секторов/блоков, верификации секторов, т.е. чтения их без передачи данных

вовне, чтения и  записи буфера и поиска, т.е. установки  головок на заданный

цилиндр) и служебные  команды (идентификации и конфигурирования,

управления энергопотреблением, мониторинга состояния и защиты данных). 

 Для приема и передачи данных и команд контроллер использует при своей работе управляющие и командные регистры, с которыми и “общается” процессор, занимающие в пространстве ввода/вывода 16 адресов. Подробное описание назначения этих регистров при необходимости можно найти, например, в [4]. Однако некоторые моменты, связанные с адресацией данных на диске, требуют определенных сведений об этих регистрах. К этим регистрам, в частности, относятся регистр номера устройства и головки, регистры старшего и младшего байтов номера цилиндра и регистр номера сектора, используемые для адресации данных на дисках с АТА интерфейсом.

     Принципиально важным при этом оказывается то, что максимальное

количество цилиндров, которое может быть указано в  контроллере, равно 216,

т.е. 65535, количество секторов – 255 (28 –1, так как нулевой номер сектора

не используется), а количество головок – 16 (физически  у диска головок

обычно еще  меньше: от двух до десяти, причем указанное в ярлыке на

корпусе диска количество головок не является физическим).

Таким образом, если адресовать данные на диске, задавая

местоположение (минимально адресуемой единицы) сектора  по номеру

цилиндра, номеру дорожки (головки) и номеру сектора  на дорожке или, как

иначе говорят, в  традиционной геометрии CHS (цилиндр–головка–сектор), то получается, что максимальное количество секторов, которое можно указать на диске, равно 216 × 24 × (28 – 1) = 267386880. Учитывая, что стандартный размер сектора составляет 512 байт, максимальная емкость диска при этой схеме адресации может достигать 136902082560 байт, т.е. порядка 128 Гбайт (если считать за Гбайт 230 байтов).  При работе с дисками персональных ЭВМ часто используется работающий на уровне физических устройств дисковый сервис, предоставляемый базовой системой ввода-вывода – BIOS, что налагает дополнительные ограничения на CHS-схему адресации. При вызовах функций этого сервиса номер цилиндра имеет разрядность только 10 бит, а номер сектора – только 6 бит, зато номер головки – целых 8 бит. Из этого следует, что максимальный объем диска, который номинально можно

адресовать при  этих ограничениях, составит только 210 × 28 × (26 – 1) =

16515072 секторов  или около 8 ГБ. Поэтому некоторые  старые ПЭВМ

“видели” только 8 ГБ пространства жестких дисков большего объема.

Существовало  и еще одно ограничение на объем  жесткого диска,

возникающее из-за возможности указания контроллеру только 16 головок

чтения/записи. Если использовать в качестве максимального  количества

цилиндров значение 1024, в качестве максимального количества головок –

значение 16, а  в качестве максимального количества секторов на дорожке –

63, являющиеся  наименьшими для параметров пары  контроллер – сервис

BIOS, то получится  всего 210 × 24 × (26 – 1) = 1032192 сектора, что

соответствует объему 528482304 байта, часто называемому барьером 528

Мбайт, хотя “честных” M (220) байт в нем всего 516.

Форматы CHS-адреса для ATA-контроллера и дискового  сервиса BIOS

показаны на рис.31. Обойти имеющиеся ограничения для адресации дисков объемом более 528 Мбайт в обычном дисковом сервисе BIOS (вызываемом по

программному  прерыванию Int13h) можно пересчетом (трансляцией) адреса.

При этом есть два  пути:

- сохранить CHS-схему,  но избыточные разряды номера  головки в

обращении BIOS использовать для формирования расширенного (свыше 10

разрядов) номера цилиндра; - перейти на последовательную (линейную) нумерацию секторов,

пересчитывая CHS-адрес  обращения BIOS в номер сектора  по следующему

соотношению (номер цилиндра × количество дорожек в цилиндре + номер

дорожки) × количество секторов на дорожке + номер сектора; причем в

этом соотношении  количество дорожек в цилиндре равно  физическому

количеству головок.

Первый способ получил название расширенной CHS-адресации (ECHS

– Extended CHS), а второй – логической адресации блоков (LBA – Logical

Block Addressing). Собственно трансляция выполняется самой BIOS, причем

обычно можно  выбрать желаемый способ, конечно, если контроллер диска

поддерживает LBA-схему. Как правило, ATA-контроллер диска, кроме

самых старых, предоставляет такую возможность и использует для указания

логических адресов  блоков (секторов) все 28 разрядов (16 разрядов от номера

цилиндра + 4 от номера головки + 8 от номера сектора), что, как  отмечалось

выше, позволяет  адресовать диск объемом до 128 Гбайт.

Указывая способ трансляции адреса в BIOS, надо учитывать, что для

ECHS-схемы существуют  различные правила трансляции  адреса, что может

послужить причиной невозможности подключить диск к  системе с другим

правилом трансляции. Ограничение традиционного дискового сервиса объемом 8Мбайт

привело к появлению  расширенного сервиса BIOS, с номерами функций

выше 40h, который принципиально позволяет обращаться к дискам с

объемом до 264 секторов. Для схемы LBA-адресации предусматривается

режим 48-разрядного адреса, позволяющий обойти ограничение  объема в 128

Гбайт.

Мощные операционные системы могут использовать для  работы с

дисками собственные  драйверы, не обращаясь к функциям дискового сервиса

BIOS и соответственно  не подвергаясь его ограничениям. 

Интерфейс SerialATA

Интерфейс SerialATA (последовательный ATA) является дальнейшим

развитием семейства ATA, для которого последней версией  параллельной

спецификации  стала ATA/ATAPI-6 (часто называемая по величине

максимальной  скорости передачи ATA/133).

Основные цели, которые преследовали его разработчики, заключались

в создании недорогого интерфейса, более высокопроизводительного, чем

ATA, полностью  с ним программно совместимого, имеющего перспективы

развития примерно на десятилетие, обеспечивающего более  удобное

подключение дисков к компьютеру и большую длину  кабеля, а также

низковольтного и экономичного в энергопотреблении. Интерфейс SerialATA