Интерфейсы IDE (ATA), SATA и eSATA

Со времени создания персональных компьютеров было разработано несколь­ко типов интерфейсов для подключения жестких дисков. Два первых интерфейса – ST-506/412 (фирмы Seagate Technologies) и ESDI (Enhanced Small Device Interface — усовершенствованный интерфейс малых устройств) в настоящее время не используются. Развитие интерфейсов шло по пути объединения кон­троллера и накопителя на жестких дисках, что позволило повысить скорость обработки данных, плотность размещения данных на носи­теле и общее быстродействие системы. Поскольку современные интерфейсы используются для обмена данными не только с жесткими дисками, но и другими устройствами внешней памяти (например, оптическими дисководами или накопителями на магнитной ленте) их правильнее называть интерфейсами внешней памяти.

В настоящее время используются два интерфейса внешней памяти: IDE (ATA) и SCSI.

Наиболее распространенным интерфейсом внешней памяти на IBM-совместимых компьютерах является стандарт IDE (IDE расшифровывается как intelligent drive electronics – интеллектуальная электроника устройства или integrated drive electronics – интегрированная электроника устройства). Другое, официальное, название интерфейса – АТА (AT Attachment – подключение к AT), поскольку этот интерфейс впервые был применен в компьютерах серии IBM PC AT.

Стандарты на интерфейс ATA в настоящее время разрабатываются комитетом T13 Международного комитета по стандартам информационных технологий – INCITS (InterNational Committee on Information Technology Standards), в который в основном входят специалисты из фирм, разрабатывающих и производящих устройства внешней памяти (дисководы жестких и оптических дисков). После разработки стандарты утверждаются Американским национальным институтом стандартов – ANSI (American National Standards Institute), под руководством которого функционирует INCITS.

Интерфейс ATA – это интерфейс системного уров­ня, в котором контроллер выполнен в виде микросхемы, установленной на плате накопителя. Стандарт определяет разъемы и кабели для подключения устройств внешней памяти к материнской плате, характеристики сигналов, набор исполнительных регистров, а также команды и протоколы, используемые в устройстве внешней памяти.

Официально принятым в настоящее время стандартом является шестая версия стандарта ATA – ATA/ATAPI-6 (2002 г.) и седьмая версия стандарта ATA – ATA/ATAPI-7 (2004 г.). В конце 2008 г. принят очередной стандарт ATA – ATA/ATAPI-8.

Начиная с версии ATA-4, в спецификацию ATA включена спецификация ATAPI (АТ Attachment Packet Interface – пакетный интерфейс ATA), ранее являвшаяся отдельной спецификацией. Эта спецификация обеспечивает общий интерфейс не только для жестких дисков, но и других устройств: оптических дисководов и стримеров.

В стандартах определены:

· общие требования к устройству ATA;

· регистры ввода-вывода устройства;

· набор команд устройства;

· протоколы обмена данными между устройством и компьютером.

В спецификации определена также технология анализа и вывода мониторинга – SMART (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology), что сделало устройства IDE более надежными. Была добавлена также защита с помощью паролей при доступе к устройствам. Кроме того, предусмотрен режим экономии электроэнергии: двигатель жесткого диска сам останавливается при отсутствии обращения к диску в течение временного интервала, определяемого пользователем системы.

В спецификациях АТА предусмотрено несколько режимов быстрого обмена данными с жесткими дисками, которые называются режимами про­граммного ввода/вывода PIO (Programmed Input/Output) со скоростями передачи данных 3,3-20 Мбайт/с. Эти режимы обеспечивают обмен между оперативной памятью и жесткими дисками с участием процессора.

С появлением процессоров Pentium контроллеры АТА обеспечивают функцию Bus Master. В этом режиме процессор указывает контроллеру АТА, откуда он должен взять данные, и в какую область оперативной памяти их поместить. После этого контроллер захватывает управление шиной PCI и выполняет операции ввода-вывода без участия процессора. Этот режим называется режимом прямого доступа в память – DMA (Direct Memory Access). Особенно заметны преимущества режима Bus Master при одновременной работе нескольких приложений.

Контроллер АТА имеет два канала (primary – первичный и secondary – вторичный), к каждому из которых с помощью одного кабеля можно подключить до двух устройств (всего четыре устройства). Чтобы два устройства могли работать на одном кабеле используется режим «хозяин-слуга» («master-slave»). Устройство на первичном канале – «хозяин» разрешает выполнять обмен данными устройству на вторичном канале – «слуге» только в том случае, если «хозяин» не занят обменом данных, поэтому каждый раз, когда устройству, подключенному к вторичному каналу, необходимо выполнить обмен данными, оно обращается за разрешением к устройству на первичном канале. Подключение двух устройств к одному кабелю и, соответственно, к одному порту ввода-вывода называют параллельным ATA (Parallel ATA – P-ATA). В спецификации ATA/ATAPI-7 определен режим Ultra ATA/133, который обеспечивает режим обмена данными до 133 Мбайт/с.

В спецификации ATA определены два типа кабеля: старый, 40-разрядный и новый, 80-разрядный, обеспечивающий более высокую скорость передачи – в режиме Ultra DMA – до 66,67 Мбайт/с (рис 1.3.7а). В старом и новом кабели используются одинаковые 40-контактные разъемы, однако внутренняя разводка проводников в этих кабелях различна. Электронная схема устройства автоматически определяет, какой тип кабеля подключен, и в соответствии с этим определяет максимальную скорость передачи данных.

Для подключения устройств IDE (ATA) к материнской плате используются два вида кабелей: шинный кабель и круглый кабель. Цвета разъемов в кабелях фиксированы: синий разъём предназначен для подключения к материнской плате, чёрный – к устройству на первичном канале, серый – к устройству на вторичном канале (рис. 1.3.7б). Разъем для подключения кабеля IDE (ATA) на материнской плате приведен на рис. 1.3.7в, а разъем для подключения кабеля IDE (ATA) на устройстве – на рис. 1.3.7г.

 

Рис. 1.3.7. Интерфейс IDE (ATA): а) сравнение 80-разрядного кабеля (сверху) и 40-разрядного кабеля (снизу); б) подключение шинного и круглого кабеля (1 – к вторичному устройству; 2 – к первичному устройству; 3 – к материнской плате или контроллеру)

в) разъем для подключения кабеля на материнской плате;

г) разъем для подключения кабеля на устройстве

 

В отличие от интерфейса IDE (ATA), в котором данные передаются параллельно, интерфейс последовательного ATA – SATA (Serial ATA) реализует последовательную передачу данных на двух витых парах. Так же, как в шине PCI Express, этот обмен реализуется с помощью метода LDVS.

Первая версия SATA (SATA I) была определена в 2002 г. в спецификации ATA/ATAPI-7 комитета T13.

В этой версии шина SATA работает на частоте 1,5 ГГц. Реальная пропускная способность шины несколько меньше (из-за используемого метода кодирования данных) и составляет 1,2 Гбит/с или 150 Мбайт/с.

В 2003 г. Рабочая группа Serial ATA (Serial ATA Working Group) комитета T13 начала разработку спецификации SATA II, также называемую SATA 2. На основе этой группы в 2004 г. была создана неприбыльная Международная организация по Serial ATA – SATA-IO (Serial ATA International Organization), которая в настоящее время определяет основные направления и концепции развития интерфейса SATA. Последняя редакция спецификации SATA II – спецификация последовательного ATA редакция 2.6 (Serial ATA Revision 2.6 Specification) была выпущена в 2007 г. Эту спецификацию называют также SATA 2.6.

В SATA II за счет увеличения частоты до 3 ГГц была добавлена скорость передачи данных 300 Мбайт/с. Кроме этого, в качестве необязательного компонента в SATA II была добавлена технология аппаратной установки очередности команд – NCQ (Native Command Queuing). Устройства с поддержкой NCQ могут принимать одновременно несколько запросов на обмен данными, в отличие от параллельного ATA и SATA I. Очередность выполнения запросов определяется с учетом минимизации общего времени доступа к данным, что особенно существенно при одновременном выполнении на компьютере нескольких программ. Необязательной возможностью в SATA II является также «горячее» подключение устройств.

В 2009 г. SATA-IO приняло новую спецификацию SATA – спецификацию последовательного ATA редакции 3.0 (Serial ATA Revision 3.0 Specification), называемую также спецификацией SATA III или спецификацией SATA 3.0. В этой спецификации добавлена скорость передачи данных 600 Мбайт/с (при увеличении частоты до 6 ГГц). Помимо этого, в NCQ добавлен режим изохронной передачи для мультимедийных приложений, улучшено управление электропитанием устройств, добавлены два новых разъема для устройств небольших размеров.

Передача данных в SATA выполняется по 7-проводному кабелю (4 провода витых пар, 2 провода заземления на каждую пару и провод общего заземления). Каждое устройство подключается к материнской плате с помощью своего кабеля и разъемов (рис. ????а). Максимальная длина кабеля SATA – 1 м. За форму, похожую на букву L, разъем SATA иногда называют L-разъемом.

Для передачи данных и подведения электропитания используется 22-проводный кабель SATA (7 проводов для данных и 15 – для электропитания) (рис. ????б).

В редакции SATA 2.6 был введен 16-проводной внутренний разъем Micro SATA для жестких дисков малых размеров (рис. ????в) и 13-проводной внутренний разъем Slimline SATA для оптических дисководов малой толщины типа Slim (тонкий) (рис. ????г).

В настоящее время подавляющее большинство моделей дисководов жестких дисков, твердотельных дисков и оптических дисководов в системном корпусе подключаются к компьютеру с использованием интерфейса SATA.

 

 

Рис. ?????. Интерфейсы SATA: а) 7-проводной интерфейс SATA: 1 – кабель; 2 – гнездо на материнской плате; 3 – гнездо в устройстве; б) 22-проводной интерфейс SATA:

1 – кабель; 2 – контакты данных; 3 – контакты электропитания; 4 – гнездо в устройстве;

в) 16-проводной штекер Micro SATA: 1 – контакты данных; 2 – контакты электропитания; 3 – гнездо в устройстве; в) 13-проводной штекер Slimline SATA: 1 – контакты данных;

2 – контакты электропитания; 3 – гнездо в устройстве

 

Для подключения внешних устройств к компьютеру по интерфейсу SATA организация SATA-IO разработала технологию внешнего SATA – eSATA (external SATA).

В eSATA устройства подключаются к компьютеру по шине PCI или PCI Express через карту расширения eSATA (рис. ????а) , содержащую контроллер eSATA и гнезда для подключения внешних устройств (рис. ????б). Кабель eSATA для подключения устройств (рис. ????в) так же, как кабель SATA, имеет 7 проводов с теми же назначениями. В отличие от кабеля SATA, кабель eSATA экранирован и поэтому максимальное значение длины для него составляет 2 м. Разъемы eSATA (I-разъемы) отличаются от L-разъемов SATA как по форме, так и по размеру.

Количество подключаемых внешних устройств определяется количеством разъемов на карте расширения eSATA. Для подключения большего количества устройств можно использовать либо вторую карту расширения, либо концентраторы eSATA (рис. ????г). Пример подключения внешних устройств к компьютеру при использовании технологии eSATA приведен на (рис. ????д).

Разрабатываемая SATA-IO технология xSATA предусматривает увеличение длины кабеля для подключения устройства до 8 м, что позволит создавать сети SATA.

 

Рис. ?????. Средства подключения устройств по интерфейсу eSATA: а) кабель eSATA;

б) гнездо подключения устройства eSATA; в) карта расширения eSATA для двух устройств с интерфейсом PCI Express: 1 – гнезда для подключения

внешних устройств; 2 – контроллер eSATA; г) концентратор eSATA: 1 – гнезда для подключения устройств; 2 – гнездо электропитания; 3 – гнездо для подключения к компьютеру; д) пример подключения внешних устройств по интерфейсу eSATA (медиаплеера и, через концентратор, устройства внешней памяти, содержащего два жестких диска с интерфейсом eSATA)