Історія, порівняльні характеристики і перспективи розвитку інтерфейсів Parallel ATA, Serial ATA і Serial ATA II

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОНІКИ ТА ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Обов'язкове домашнє завдання

з дисципліни "Персональний комп'ютер"

на тему: "Історія, порівняльні характеристики і перспективи розвитку інтерфейсів Parallel ATA, Serial ATA і Serial ATA II"

Виконав А.А. Гребинаха

Перевірив І.О. Шпетний

Суми 2012

Вступ

Почнемо з витоків зародження, яке для інтерфейсу Parallel ATA почалося в далекому 1984 році, коли Western Digital і Compaq загорілися ідеєю вбудувати АТ-контролер в електроніку жорсткого диска. Як не дивно, але невелике збільшення ціни носія інформації істотно знижувало загальну вартість дискової підсистеми в цілому. Вже в 1989 році все та ж "трійця" Compaq, Western Digital та Control Data Corporation запропонували новий інтерфейс. Прототип не залежався в столах важливих президентів фірм і в 1994 році вийшов у світ. Був прийнятий перший стандарт АТА, що суміщає в собі специфікації IDE. АТА взагалі розшифровується, як AT Attachment, додаток до АТ, тобто контролеру. Необхідно відзначити, що контролер мав 16-розрядну шину, і був націлений на приєднання до ISA. Пропускна здатність PATA тоді складала менше 3 Мбайт / с. До речі, до виходу стандарту ANSI в 1994 році, дуже часто з'являлися диски, не сумісні між собою, при підключенні яких до одного порту не працював жоден. Саме такий стан справ змусило індустрію створити ініціативну групу Т 13 при National Committee for Informational Technology Standards (NCITS) для подальшого розвитку і стандартизації інтерфейсу АТА. Що стосується технічних подробиць контролерну новинки, то вона підтримувала два канали, які ділилися в собі на master / slave, забезпечувала PIO аж до mode 2, а також включала підтримку прямого доступу до пам'яті single word DMA modes 0,1 і 2 і multiword DMA mode 0.

Швидкісні показники жорстких дисків не стояли на місці, і тому в 1996 році АТА був розширений і знову стандартизований в ANSI. Новий АТА-2 був назад сумісний з попередником. Новий інтерфейс отримав більш швидкісні режими програмного вводу / виводу (PIO modes 3 і 4) і multiword DMA modes 1 і 2. Підвищення продуктивності досягалося в основному введенням block transfer - блокової переадресації даних і логічною адресацією блоків (LBA). Команда Identify Drive була вдосконалена, і диск ідентифікувався набагато краще.

Такий бурхливий розвиток не сповільнило позначитися на популярності АТА-2. Як гриби після дощу посипали псевдонові стандарти і розширення. Так Fast ATA від Seagate з'явився лише маркетинговим ходом, так як замість очікуваного від приставки Fast приросту продуктивності означав скоріше зворотне - відсутність підтримки найшвидших PIO mode 4 і DMA mode 2. Аналогічно вчинив Quantum, перейменувавши АТА-2 в Fast ATA-2, абсолютно нічого не змінивши.

Ще одне доповнення, але вже більш суттєве, вводить Western Digital. Воно отримало назву Enhanced IDE (EIDE), і полягало в розширенні максимального обсягу дисків до 8,4 Гбайт, плюс збільшення швидкості порту до 16 Мбайт / с.

Вихід у 1997 році нового АТА-3 (до речі, не затвердженого ANSI новим стандартом через відсутність нових режимів передачі даних) був вимушеним кроком, за низької надійності сімейства АТА. Оскільки кабель IDE / ATA залишився тим же, що і при народженні стандарту, потрібно було багато чого переосмислити. І в цей час на арену комп'ютерних технологій виходить технологія SMART (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology), необхідність якої складно переоцінити. У стандарт, як уже було сказано, вона не увійшла, проте підтримали нову технологію всі без винятку виробники. Отже, є особливий сенс у запобіганні збоїв в дискової підсистеми. Поширення IDE пристроїв набагато перевершує аналоги для SCSI. Хоча обидва стандарти підтримують створення RAID-масивів, однак це не вихід із ситуації, що склалася. Дані можуть роками накопичуватися не тільки на серверах, а, наприклад, на бухгалтерських робітників кониках, де збереженість звітів протягом фінансового року також архіважливо. Все ж RAID-масиви або більш дорогі SCSI-пристрої для цього типу комп'ютерів поки рідкість. Саме з цього S.M.A.R.T. в індустрії пішов на ура.

Як, напевно, пам'ятає читач, ми підійшли до часу бурхливого зростання популярності лазерних носіїв інформації CD-ROM, дисководи яких, на жаль, не могли бути підключені до контролерам АТА-3. Вирішити цю проблему був покликаний новий стандарт ATA Packet Interface або ATAPI. Можна довго дискутувати на тему його привабливості й досконалості, однак з боку користувачів такий розвиток подій був логічним. До цих пір на ISA звукових картах можна спостерігати порт для підключення CDROM-дисковода. І справді, шлейф на жорсткому диску і лазерному програвачі був однаковий, але не сумісний апаратно! Зрештою, виграли всі. Отже, при підключенні CDROM-а більш не треба було використовувати дорогий інтерфейс, досить було завантажити особливий драйвер новому пристрою. Тепер майже всі материнські плати мають можливість завантаження з ATAPI-пристроїв. Ще разом з ATAPI був розроблений Multiword DMA3 (UDMA), який піднімав планку швидкості АТА до 33 Мбайт / с, за допомогою CRC по старому 40-жильного кабелю.

Хочеться також роз'яснити ситуацію з EIDE (Enhanced IDE). Як вже було зазначено, це розширення доповнювало специфікації IDE. Однак коли воно розроблялося, то орієнтувалося не тільки на контролер, але також на чіпсет і BIOS, яка не підтримувала в той час диски понад 530 Мбайт. Таким чином, існує поширена помилка, що для функціонування жорсткого диска більше 530 Мбайт необхідна підтримка не Enhanced BIOS, а Enhanced IDE в першу чергу. Бачимо, що EIDE від Western Digital, незабаром стає маркетинговим хитруванням, до речі, підігрітим тоді виробниками карт з Enhanced BIOS, спритно видаваних за enhanced IDE cards.

Багато хто пам'ятає інновацію Quantum, до того ж підтриману Intel, по розширенню пропускної здатності каналу до 66 Мбайт / с - UDMA/66. Але це ще додало проблем збирачам систем - тепер для забезпечення стабільності знадобилося додати 40 ліній заземлення на шлейф.

Трохи пізніше Т 13 випускає стандарт UDMA/100, який забезпечує стабільну передачу даних по 80-жильний кабель зі швидкістю 100 Мбайт / с. Розширений до 64 біт LBA. Чіпсети з підтримкою ATA/100 сьогодні найбільш поширені. Також очікується в недалекому майбутньому вихід UDMA/133. Однак поки тільки в продуктах всюдисущої VIA, Intel відмовляється від подальшого розширення цього стандарту в своїх чіпсетах, і обіцяє в нових платах реалізувати лише SATA-роз'єми для вінчестерів. Мабуть, прокладаючи дорогу Serial ATA. Що ж, подивимося, c RDRAM уже вийшов один провал...

Однак нещодавно фірма Maxtor представила специфікацію на нове покоління жорстких дисків Ultra ATA/133. Сам розробник називає новинку Fast Drives, видно по давно сформованій маркетингової традиції. Планка пропускної здатності має зрости на третину і скласти 133 Мбайт / с. Компанія представляє ліцензію на цю технологію на умовах нерозголошення. Як наголошується в прес-релізі, специфікація спрямована на стандартизацію та затвердження в групу Т 13 вже згадуваного інституту національних стандартів ANSI. Просуванням новинки на ринок зацікавилися такі компанії, як VIA Technologies, Silicon Integrated Systems (SiS), Promise Technology, і Silicon Image. Очікується, що найближчим часом до них приєднаються ACARD Technology, Acer Laboratories (ALi), Adaptec, Agere Systems, HighPoint Technologies і Pacific Digital.

Технологія PATA

Історія виникнення

ATA (англ. Advanced Technology Attachment) - стандартний інтерфейс для підключення зовнішніх пристроїв, на кшталт жорстких дисків та CD-ROM приводів до персональних комп'ютерів. Для нього існує чимало синонімів, серед яких IDE, ATAPI та UDMA.

Після появи на ринку Serial ATA у 2003, оригінальний ATA було перейменовано у Parallel ATA (PATA).

Стандарти Parallel ATA дозволяють використовувати для підключення кабелі довжиною до 48 сантиметрів, незважаючи на те, що у продажу є кабелі довжиною аж до 91сантиметра. Через дане обмеження, ця технологія зазвичай використовується для внутрішніх пристроїв зберігання даних. Для цього вона забезпечує найзагальніший та найдешевший інтерфейс.

Спершу ім'я стандарту задумалося, як PC/AT Attachment, оскільки його призначенням було під'єднання пристроїв до шини ISA, котра також відома, як шина AT; це ім'я було скорочене до не певного AT Attachment, щоб уникнути можливих проблем із торговою маркою.

Рання версія специфікації, задумана Western Digital у ранніх 1980-х була більш відомою, як Integrated Drive Electronics (IDE).

Enhanced IDE (EIDE) - розширення до оригінального стандарту АТА, котре також було розроблене компанієюWestern Digital. EIDE дозволив розробляти зовнішні накопичувачі розміром більше, ніж 524 Мб (504 мегабайта) - аж до 8.4 Ґб.

Інтерфейс стандарту

Рисунок 1 - Плоский кабель з двома роз'ємами

Parallel ATA кабель передачі даних 16 біт за один раз. Традиційний кабель використовує 40-контактні роз'єми прикріплені до стрічкового кабелю. Кожен кабель має два або три роз'єми, один з яких підключається до адаптера взаємодію з іншою частиною комп'ютерної системи. Решта роз'ємів підключаються до дисків.

Кабелі ATA вас було 40 проводів для більшої частини своєї історії (44 провідників для меншого форм-фактора версія для 2,5 "дисків-чотири додаткових за владу), але 80-х провідна версія з'явилася із введенням Ultra DMA/33 (UDMA) режиму. Всі додаткові дроти в нових кабелів землю дроти, чергуються з раніше визначеними дроти для зменшення наслідків ємнісний зв'язком між сусідніми проводами сигнал, зниження перехресних перешкод. Ємнісна зв'язок є більш серйозною проблемою при більш високій швидкості передачі даних, і це зміна було необхідно для того, щоб 66 мегабайт в секунду (МБ / с) швидкості передачі UDMA4 працювати надійно. швидше UDMA5 і UDMA6 режиму також потрібно 80-жильний кабель.

Хоча число проводів в два рази, кількість роз'ємів і висновків залишаються такими ж, як 40-жильний кабель і зовнішній вигляд роз'ємів ідентично. Внутрішні роз'єми різні, роз'єми для підключення 80-жильного кабелю підключення більшого числа заземлюючі проводи меншої кількості землі контактів, у той час як роз'єми для підключення 40-жильного кабелю підключення проводу заземлення до землі контактами один-до-одного. 80-провідний кабель зазвичай приходять з трьома різнобарвними роз'ємами (синій, чорний і сірий для контролера, майстер-диска, і ведений диск відповідно), на відміну від роз'ємів рівномірно забарвлені 40-жильний кабель в (зазвичай все сіре). Сірий роз'єм на 80-жильний кабель має висновок 28 CSEL не пов'язані, що робить його рабом положення для дисків налаштовані вибору кабелю.

Круглий паралельних кабелів ATA (на відміну від стрічкових кабелів) в кінцевому підсумку були доступні для " справи моддеров"з косметичних причин, а також вимоги поліпшення охолодження комп'ютера і були простіше в обігу, однак, тільки стрічковий кабель підтримує специфікації ATA.

Контакт 20

У ATA контактний стандартний 20 визначається як (механічні) ключ і не використовується. Цей роз'єм на роз'єм часто утруднений, що вимагають контакту 20 буде виключена з чоловічою кабель або роз'єм диска, що робить неможливим підключити його в неправильному положенні; штекер з контакту 20 цього не може бути використана. Тим не менш, деякіфлеш-пам'яті диска можна використовувати штифт 20, як VCC_in до влади привід не вимагає спеціального кабелю живлення; ця функція може бути використана тільки якщо обладнання підтримує це використання контактних 20.

Pin 28

Pin 28 з сірого (роб / середній) роз'єм 80-жильний кабель не підключений до будь провідник кабелю. Він кріпиться зазвичай на чорний (майстер-приводу) і синій (материнські плати кінці) роз'єми.

Pin 34

Pin 34 з'єднаний із землею всередині синій роз'єм на 80 жили кабелю, але не прив'язані до якої-небудь провідник кабелю. Він кріпиться зазвичай на сірий і чорний роз'єми.

Рисунок 2 - Відмінності від роз'ємами

На малюнку показані роз'єми PATA після зняття натягу, накрити кришкою і кабелів. Pin один знаходиться в нижній лівій частині роз'єму, контакт 2 є верхній лівий і т.д., крім того, що нижня образ синій роз'єм показаний вид з протилежного боку, і контактний знаходиться в правому верхньому кутку.

Кожен контакт містить пару точок, які разом проколюють ізоляцію стрічковий кабель з такою точністю, що вони роблять з'єднання з потрібним провідника без шкоди для ізоляції сусідніх проводів. У центрі низки контактів всіх підключених до загальної шини заземлення та прикріплений до непарні провідники кабелю. Верхній ряд контактів з парним номером гнізда роз'єму (спаровування з парних контакти судини) і прикріпити до будь-якої іншої парні провідник кабелю. Нижній ряд контактів з непарним номером гнізда роз'єму (спаровування з непарним контакти судини) і прикласти до решти парні провідники кабелю.

Зверніть увагу на підключення до загальної шини заземлення від розетки 2 (угорі ліворуч), 19 (центр нижній ряд), 22, 24, 26, 30 і 40 на всіх роз'ємах. Також зверніть увагу (збільшений фрагмент, внизу, дивлячись з протилежного боку роз'єму), що розетка 34 з блакитною роз'єм не звернутися в будь провідник, але на відміну від гнізда 34 з двох інших роз'ємів, це підключитися до загальної шини заземлення. На роз'єм сірого кольору, зверніть увагу, що роз'єм 28, повністю відсутній, так що штифт 28 з диск, підключений до роз'єму сірого будуть відкриті. На чорний роз'єм, роз'єми 28 і 34 є абсолютно нормально, так що контакти 28 і 34 на диск, підключений до чорного роз'єму буде підключений до кабелю. Pin 28 з чорного диска досягає штифт 28 з приймаючих посудину, але не приколює 28 з сірих дисків, в той час як штифт 34 з чорного диска досягає пальця 34 сірих диска, але не приколює 34 від господаря. Замість цього, контакту 34 з приймаючих заземлений.

Стандартний диктує кольорові роз'єми для легкої ідентифікації та установки та кабель виробника. Всі три роз'єми відрізняються один від одного. Синій (хоста) роз'єм має роз'єм для пальця 34 з'єднаний із землею всередині роз'єму, але не прив'язані до якої-небудь провідник кабелю. Дріт для пальця 34 кріпиться зазвичай на інших типах і не заземлені. Установка кабелю в зворотному напрямку (з чорною роз'єм на системній платі, синій роз'єм на віддаленому пристрої та сірий роз'єм в центрі пристрою) буде заземленням 34 з віддаленого пристрою та підключення хоста пальця 34 до контакту 34 з центру пристрої.Сірий роз'єм центру опускає підключення до контакту 28, але з'єднує пальця 34 нормально, а чорний роз'єм з'єднує обидва кінці контактами 28 і 34 нормально.

Версії та властивості стандарту

Затори на хост-шини, до якої адаптер ATA додається може також обмежити максимальну швидкість передачі пакета. Наприклад, максимальна швидкість передачі даних для звичайних PCI шини становить 133 МБ / с, і це є загальним для всіх активних пристроїв на шині.

Крім того, не ATA жорстких дисків існували в 2005 році, які були здатні виміряної постійною швидкістю передачі вище 80 МБ / с. Крім того, стійкий випробувань швидкість передачі даних не дають реалістичні очікування пропускну здатність для більшості завдань: Вони використовують I / O навантаження спеціально розроблений для стикаються практично без затримок від часу пошуку або обертальні затримки. Продуктивність жорсткого диска в більшості навантаження обмежені першим і другим цими двома факторами; швидкість передачі даних по шині на третьому місці за важливістю. Таким чином, передачу обмеження швидкості вище 66 Мбайт / с насправді впливає на продуктивність тільки тоді, коли жорсткий диск може задовольнити всі запити вводу / виводу при читанні зі своєї внутрішньої кеш -дуже незвичайна ситуація, особливо враховуючи те, що такі дані, як правило, вже буфером операційної системи.

З квітня 2010 механічні жорсткі диски можуть передавати дані зі швидкістю до 157 Мб / с, який знаходиться за межами можливостей PATA/133 специфікації. Високопродуктивнітвердотільні накопичувачі можуть передавати дані зі швидкістю до 308 МБ / с.

Тільки Ультра режими DMA використовувати CRC для виявлення помилок при передачі даних між контролером і приводом. Це 16-бітний CRC, і вона використовується для блоків даних тільки. Передача команд і стану блоків не використовувати швидкі методи сигналізації, які зажадають CRC. Для порівняння, в Serial ATA, 32-розрядний CRC використовується для обох команд і даних.

Технологія SATA

Передумови виникнення стандарту

Тепер поговоримо про історію винуватця обговорення Serial ATA. Отже, його історія починається з утворенням Serial ATA Working Group, творцями якої є: Intel, APTechnologies, Dell, IBM, Maxtor, Quantum (тоді ще незалежно від Maxtor) і Seagate. І вже в 2000 році на черговому Intel Developers Forum - серйозному форумі для розробників, анонсується попередня специфікація нового стандарту SATA. Крім того, як тоді планувалося, новий інтерфейс увійде в чіпсет під Willamette. Далі - більше, і на серпневому форумі з'являється перша новинка - жорсткий диск, створений під керівництвом Seagate, APTechnologies і Vitesse Semiconductor. Наприкінці того ж року Serial ATA Working Group завершила Draft Specification 1.0, за яким SATA отримав пропускну здатність в 1,5 Гбіт / с. Які з цього всього можна зробити висновки? Все дуже просто, застарілий стандарт Parallel ATA повинен зійти зі сцени, поступившись місцем своєму молодшому приймача Serial ATA. Intel з товаришами підвели риску під довгою історією інтерфейсу, можливості якого аж ніяк не вичерпано. І остання графа історії - проходив не давно Intel Developer Forum дав крім інших новинок і нову фінальну специфікацію Serial-ATA 1.0, яка дозволить у майбутньому проводити обмін даними з швидкістю до 3 Гбіт / с, а потім і 6 Гбіт / с, і вимагатиме застосування спеціального кабелю і роз'єму на підключається пристрої. Seagate вже через рік планує налагодити масовий випуск пристроїв з цим інтерфейсом. інтерфейс комп'ютер диск

Як показала історія Parallel ATA, його довге існування визначено вдалим рішенням з'явилися на тих чи інших етапах проблем і обмежень. Саме час підсумувати сказане, і виявити справжні причини заміни стандарту.

Як відомо, жорсткі диски характеризуються двома основними параметрами. По-перше, внутрішньої швидкістю зчитування даних з пластин у буфер HDD (internal transfer rate), а по-друге, швидкістю передачі з буфера в контролер. Перша багато в чому залежить від щільності запису, швидкістю обертання і т.д. Ці параметри залежать не від типу інтерфейсу, а від конструкції диска. Друга - саме від використовуваного інтерфейсу, і розрядності його шини до речі, цей показник абсолютно не змінився з часу проектування АТА (досі 16 біт, хоча, перейшовши на PCI "вхід" до хост контроллери став 32 біт). Спочатку загальновживаним способом передачі даних через інтерфейс IDE / ATA був протокол PIO. Останній mode 4 (але п'ятий за рахунком) мав пропускну здатність 16,6 Мбайт / с. Відмінною стороною, і безумовно негативною, було те, що ці режими передачі даних серйозно завантажували центральний процесор, і звичайно ж, були кращим вибором у однозадачних DOS - операційних системах. Однак не вимагали жодних драйверів.

Direct Memory Aceses (DMA) - прямий доступ до пам'яті - назва протоколів, що дозволяють пристрою передавати інформацію безпосередньо в системну пам'ять без будь-якої участі центрального процесора. Сьогодні цей спосіб дає можливість у перспективі збільшити швидкість передачі даних до 133 Мбайт / с - межа того, що здатний витримати 80-жильний кабель.

З вищесказаного випливає, що основними шляхами вдосконалення PATA є два способи. Перший, і найбільш логічний, - це збільшення швидкості передачі інформації в буфер пристрою. Але тут ми підходимо до дилеми: збільшення швидкості передачі інформації в буфер вимагає збільшення розміру останнього (зараз найбільш продуктивний, на думку виробників, розмір буфера близько 2 Мбайт). Нескладно здогадатися, що ідеальну рівновагу такої системи буде при рівності можливих швидкостей на розділі пластина - буфер і жорсткий диск - чіпсет. Інакше дані просто на просто будуть переповнювати буфер диска.

Як бачимо, перспектив розвитку у Parallel ATA було не так уже й мало: збільшуй число Гб на пластину, нарощуй буфер диска, розширюй пропускну здатність шини і т.д. Особливо якщо врахувати, що сучасні диски не дотягують до межі UDMA/66. Що стосується інших причин, то це, в першу чергу, невигідна пересічному користувачеві заміна великої кількості компонентів системного блоку, від HDD до материнської плати!

Однак у прихильників Serial ATA є і незаперечні докази на користь останнього. Серед них в першу чергу відсутність перешкоджають вентиляції всередині корпусу широких шлейфів. Хоча збирачі комп'ютерів класу brand-name використовують напрямні для повітряних потоків, але все ж це не вирішує проблему. По-друге, це знижена напруга - 3,3 В замість 5. Внаслідок зниження напруги, а також зменшення кількості провідників всього до двох (плюс шість на нітаніе і заземлення), можливе подовження сигнального кабелю до 1 метра, Що більше стандарту для паралельного інтерфейсу в два рази. Також кане в лету і послідовний спосіб підключення пристроїв, при якому кожне або Master, або Slave.Програмне забеспечення вважатиме обидва пристрої головними, "сидячими" на різних портах. Пропускна здатність інтерфейсу складе 1,5 Гбіт / с.

Загальні дані інтерфейсу SATA

У першій версії стандарту Serial ATA (SATA 1.0) передбачена максимальна пропускна здатність 150 Мбайт / с, а про обмеження на розміри дисків можна просто забути на найближчі років десять. У наступних версіях SATA передбачається подвоєння швидкості передачі, тобто спочатку буде 300, а потім і 600 Мбайт / с.

Як вже зазначалося, стандарт SATA передбачає послідовну передачу даних, а тому в кабелях передачі даних за допомогою лише двох диференціальні пари. Одна з них працює на передачу, а інша - на прийом. Всього ж в кабелі SATA допускається (опціонально) використання семи провідників, три з яких "земля" (рис. 3 і 4). Максимальна довжина кабелю при цьому становить 1 м.

Рисунок 3 - Структура кабелю передачі даних SATA.

Рисунок 4 - Гніздо шлейфу даних і живлення в пристроях SATA.

Рисунок 5 -(a) модуль підключення кабелю передачі даних; (b) модуль підключення кабелю живлення; (c) кабель передачі даних; (d) кабель живлення; (e) схема підключення кабелю передачі даних, до модуля підключення (f);

У порівнянні з традиційним паралельним інтерфейсом інтерфейс Serial ATA має більшу перешкодозахищеність і мало сприйнятливий до електромагнітних перешкод завдяки використанню низькорівневих диференціальних сигналів. Рівень сигналу вимірюється не по відношенню до "землі", а по відношенню до рівня сигналу в сусідньому дроті, тобто як різниця сигналів у двох провідниках. Будь-яка наведена перешкода позначається на обох сигналах, проте їх диференційна різниця при цьому не змінюється.

Фізичний рівень

Фізичний рівень займається передачею бітів по фізичних каналах зв'язку. Тут визначаються основні характеристики середовища використовуваної для передачі даних та характеристики електричних сигналів.

Тони. При сучасних технологіях використання 5-ти вольтів сигналів стало дуже важко, і крім того, із зростанням швидкості роботи виникають додаткові складнощі при перемиканні з одного стану в інший. З такою проблемою вже одного разу зіткнулася SCSI, і зараз, в Serial ATA був використаний той самий підхід. Рівень сигналів знижений і складає 250 мВ.

Спосіб передачі. Крім того, замість використовувалася раніше в ATA однополярної передачі, яка має низьку завадостійкістю, застосована двухполярной (або ще її називають диференціальної. Знову ж, так як і SCSI). Перевага її в набагато більшій перешкодозахищеності. При диференціальної передачі по двох проводах передається один і той самий сигнал, але різної полярності. Шуми наводяться у дротах симетричні, і склавши обидва отриманих різнополярних сигналу можна отримати шум, а вивчив його з отриманого сигналу - безпосередньо чистий переданий сигнал. Власне використання диференціальної передачі і дало можливість знизити рівні використовуваного сигналу.

На фізичному рівні для передачі даних використовується двоетапне логічне кодування 8b/10b.

При логічному кодуванні 8b/10b кожні 8 біт вихідної послідовності замінюються на 10 біт відповідно до певних правил. У результаті для 256 можливих комбінацій з 8 вхідних біт отримуємо 1024 можливі комбінації для 10 вихідних біт. Але дозволеними з цих 1024 комбінацій є тільки 256, а решта - забороненими. Як правило, така надмірність використовується для того, щоб підвищити завадостійкість кодування (якщо при прийомі виявляється заборонена послідовність, то розпізнається помилка передачі). Крім того, незначна надмірність покращує спектральні характеристики сигналу, оскільки виключає можливість появи в ланцюжку переданих біт довгих послідовностей нулів та одиниць. Також підвищуються і самосинхронизирующийся властивості коду. При прийомі даних відбувається декодування 8b/10b, тобто кожній групі з 10 біт ставиться у відповідність 8 біт, а зайві біти вирізаються.

Однак у разі протоколу SATA дозволених до використання комбінацій значно більше, ніж 256. При цьому кожній вхідної послідовності може відповідати кілька вихідних, а яка саме вихідна комбінація буде використана, залежить від контрольного сигналу rd, що формується в процесі передачі. Розглянемо докладніше два етапи кодування.

При кодуванні 8 вихідних біт розбиваються на дві підгрупи: з 5 біт і з 3 біт. На першому етапі підгрупа 5 біт піддається кодування 5b/6b, тобто кожні 5 біт замінюються на 6. На другому етапі залишилися 3 біта піддаються кодуванню 3b/4b.

Доцільність використання двоетапного кодування викликана тим, що при кодуванні кожної групи (спочатку 5 біт, а потім залишилися 3 біт) формується спеціальний бінарний контрольний сигнал rd (Running Disparity), який може бути або негативним (rd-), яким позитивним (rd +).

При кодуванні 5b/6b для 32 можливих 5-бітових комбінацій на вході існує 46 6-бітових можливих комбінацій на виході (не 32 і не 64, а саме 46!). Виходять ці 46 можливих комбінацій наступним чином: кожної з 32 можливих 5-бітових комбінацій на вході ставиться у відповідність дві 6-бітові вихідні послідовності: пряма і інверсна, за винятком тих 6-бітових послідовностей, для яких кількість "1" збігається з кількістю " 0 "- звідси саме 46 можливих комбінацій на виході.

При кодуванні 3b/4b для 8 можливих 3-бітових комбінацій на вході існує 14 можливих 4-бітних комбінацій на виході, які формуються так само, як і раніше.

При кодуванні 3b/4b, так само як і при 5b/6b, використання прямої або інверсно вихідний послідовності визначається поточним значенням контрольного сигналу rd. Якщо сигнал rd позитивний, то використовується пряма послідовність, а якщо негативний - то інверсна. При цьому поточне значення сигналу rd визначається за попередньою переданої послідовності з 6 або 4 біт.

Правило для формування сигналу rd досить просте. Сигнал позитивний, якщо кількість одиниць більше кількості нулів у групі закодованих біт. Виняток становлять послідовності з рівним кількість нулів та одиниць. Для послідовностей 000111 (підгрупа 6 біт) і 0011 (підгрупа 4 біт) сигнал вважається позитивним, а для послідовностей 111000 та 1100 - негативним. У всіх інших випадках сигнал rd нейтральний і не змінює свого стану.

Наприклад, якщо вхідна послідовність 5 біт 00001 піддається кодування 5b/6b, то при позитивному поточному сигналі rd + послідовність 00001 буде замінена на послідовність 100010. Якщо поточне значення сигналу rd негативно (rd-), то буде сформована інверсна послідовність 011101. Але в обох випадках подальший стан сигналу rd зміниться на протилежне, тому що при rd + в послідовності 100010 нулів більше, ніж одиниць, і, отже, сигнал rd прийме негативне значення, а при rd-в послідовності 011101 одиниць більше, ніж нулів, і сигнал rd стане позитивним.

Аналогічному кодуванню в залежності від поточного значення сигналу rd піддається і підгрупа з 3 біт (кодуванню 3b/4b), причому з урахуванням того, що спершу відбувається кодування 5b/6b, а потім 3b/4b, поточне значення сигналу rd при кодуванні 3b/4b визначається за результатом кодування 5b/6b.

Таким чином, в стандарті SATA передбачений досить нетривіальний метод логічного кодування.

Крім логічного двоетапного кодування, при передачі даних використовується метод циклічного надмірного контролю CRC-32 (Cyclic Redundancy Check) з утворюючим 32-бітним поліномом

і скремблірованіе з утворюючим поліномом

На фізичному рівні використовується потенційний код NRZ (Non Return to Zero).

Іншою особливістю стандарту SATA є організація взаємодії між контролером і диском за принципом "точка-точка" (peer-to-peer). Нагадаємо, що стандарт Parallel ATA передбачає підключення на один канал до двох пристроїв (Master і Slave); відповідно смуга пропускання для обох пристроїв не перевищує 133 Мбайт / с. У стандарті SATA до одного контролера можна підключити тільки один жорсткий диск, тому кожному пристрою стандарту SATA надається вся смуга пропускання цілком.

Фізична середовище. Ключовий момент, заради якого все й було затіяно: використовується не паралельна фізична шина, а послідовна, що складається з 2-х пар проводів (однієї передачі і однією на прийом) і кілька нульових. Усього сім. Провід якими з'єднуються пристрій послідовної ATA стає таким чином тонким і круглим, гнучким і зручним у використанні, не перешкоджає повітрообміну. З іншого боку, виготовлення проводу функціонуючого на настільки високих швидкостях, як у Serial ATA, і при цьому володіє високими механічними характеристиками, нехай і містить всього 7 проводів, обходиться навряд чи дешевше, ніж звичайного 80-ти жильного. І якщо десь і міститься можливість зниження вартості користування, як обіцяно розробниками спочатку, то навряд чи тут. Зате безумовно завдання узгодження (терминирования) вирішується тепер набагато дешевше. А довжина кабелів може досягати 1 метра. SATA може бути не тільки інтерфейсом внутрішніх пристроїв зберігання, а й... зовнішнім...

До того ж у стандарті SATA передбачена підтримка технології "hot swap" (використання дисків з гарячою заміною), яка вже давно використовується в дорогих серверних SCSI-диски, а з появою пристроїв Serial ATA стане стандартом для всіх пристроїв зберігання даних.

Канальний рівень

Канальний рівень виконує функції арбітражу та результату виконання операцій передачі даних, скремблювання, а також реалізує механізми виявлення й корекції помилок.

Арбітраж та контроль передачі. Сам по собі фізичний рівень може тільки передавати дані, що надійшли на його вхід. Для запобігання конфліктів, коли це й пристрій, і хост контролер хочуть передати дані, на канальному рівні передбачений спеціальний механізм контролю, який отримав назву арбітражу. Крім того в обов'язки канального рівня входить стеження за тим, чи були дані успішно передані і повідомлення про це вищестоящому - транспортному рівню. Легко збагнути навіщо це потрібно.

Виявлення і корекція помилок. На відміну від стандарту ATA, який різними механізмами виявлення та виправлення обростав в міру росту швидкодії, тобто тоді, коли припирають і без них було не обійтися, в Serial ATA кілька механізмів закладені спочатку. По-перше, хорошою распознаваемость володіє використовуваний на фізичному рівні NRZ. Але це не головне, ряд помилок може успішно його минути. Як говорилося вище, застосовується надлишкове кодування 8B/10B. Суть його проста: 8 біт вихідних даних доповнюються 2-ма додатковими бітами. Разом виходить 10 біт - тобто 1024 можливих бітових комбінацій може бути в отриманому коді, в той час як у вихідному - тільки 256. З результуючого коду відбирають 256 комбінацій, які будуть відповідати 256-ти комбінаціям вихідного коду, а інші вважають забороненими. Це дозволяє розпізнавати спотворення даних - якщо прийнята заборонена послідовність, то при передачі відбулася помилка. Крім того, в Serial ATA використовується CRC код. До речі те, що жорсткі диски з SATA мають максимальну швидкість обміну по інтерфейсу в 150 Мбайт в секунду, при тому, що для SATA заявлена швидкість передачі на фізичному рівні в 1.5 Гбіт / с, пояснюється використанням надлишкового 8B/10B кодування, що знижує корисну пропускну здатність інтерфейсу до 1.2 Гбіт / с.

Скремблювання. Код NRZ, використовуваний на фізичному рівні не володіє властивістю самосинхронізації, так як при послідовності нулів або одиниць сигнал в лінії просто перетворюється на постійний сигнал певного рівня. Скремблювання допомагає боротися з цим явищем, перемішуючи дані, що підлягають передачі певним чином так, щоб ймовірність появи одиниць і нулів на виході була приблизно однаковою. Працює канальний рівень так: отримує інформаційний кадр від транспортного, виконуючи логічне кодування та обчислення CRC, і спускає вниз - до фізичного рівня. При отриманні даних від фізичного порядок дії зворотний.

Транспортний і прикладної рівні.

Завданням транспортного рівня є забезпечення вищерозміщеним протоколах передачі з тим ступенем надійності, яка їм потрібна. Він упаковує надійшли від прикладного рівня ATA команди в кадри і зраджує їх наступному, або розпаковує надійшли знизу дані і передає на прикладний рівень.

Завданням прикладного рівня є організація взаємодії між драйвером контролера і всього програмного, що за ним далі варто й самим контролером через блок регістрів і портів.

Порівняння PATA, SATA та SATA II

Переваги інтерфейсу SATA над PATA

Перш за все, кабель у нового інтерфейсу принципово відрізняється від колишнього 40 - або 80-жильного широкого плоского: кількість сигнальних проводів кабелю скорочено до чотирьох (є ще й земля), і до метра збільшена його допустима довжина. Це сприяє більш компактній упаковці і кращих умов охолодження всередині корпусу комп'ютера, здешевлює конструкцію. Тут компактні семиконтактні роз'єми з'єднуються вузькою сплощеним кабелем шириною приблизно 8 мм і товщиною близько 2 мм. Всередині кабелю Serial ATA знаходяться 2 пари сигнальних проводів (одна пара на прийом, інша - на передачу), відокремлених трьома жилами загального проводу ("землі"). На роз'ємі, розташованому на дисках і материнських платах, три "земляних" контакту виступають трохи далі сигнальних контактів, щоб полегшити "гаряче" підключення (передбачено "гаряче" підключення накопичувачів по Serial ATA без спеціальних адаптерів).

Ще одна перевага Serial ATA - велика смуга пропускання, ніж у Parallel ATA. Перша версія інтерфейсу Serial ATA має пропускну здатність до 1,5 Гбіт / с (це близько 150 Мбайт / с для корисних даних проти 100-130 Мбайт / с в паралельного інтерфейсу). Проте надалі друге і третє покоління Serial ATA (приблизно через 3 і 6 років) збільшать швидкість до 3 і 6 Гбіт / с відповідно.

Існує кілька способів підвищити пропускну спроможність інтерфейсу: збільшити або розрядність шини даних, або тактову частоту передачі, або і те і інше відразу. Збільшення розрядності шини даних (тобто коли передача стає все більш "паралельної") накладає жорсткі обмеження на максимальну частоту передачі. Це викликає складнощі синхронізації, виникнення паразитних модуляційних сигналів при одночасному перемиканні сигналів у сусідніх проводах, інтерференцію сигналів на високих частотах і т.д. Тому для реалізації більшої пропускної здатності був обраний шлях послідовної передачі даних, тобто розрядність шини даних звели до мінімуму і підвищили тактову частоту передачі. Саме в цьому полягає принципова відмінність нового інтерфейсу Serial ATA від інтерфейсу PATA.

Крім того, оскільки до кожного кабелю Serial ATA може бути підключений тільки один накопичувач (до паралельних можна підключати два накопичувачі одночасно), то запас швидкості інтерфейсу зараз здається дуже великим.

Дійсно, якщо нинішні IDE-вінчестери зі швидкістю читання корисних даних з пластин до 50 Мбайт / с практично наситили інтерфейс UltraATA/100 (два таких диска на одному IDE-шлейфі вже не можуть співіснувати без теоретичної втрати швидкості, оскільки реально UltraATA/100 дає приблизно 90 Мбайт / с потокової пропускної спроможності) і підступили впритул до межі інтерфейсу UltraATA/133, то добиратися до 150 Мбайт / з одиночним дискам доведеться ще дуже довго (за прикидками - приблизно років 5, а то й більше), тобто навіть першої версії Serial ATA забезпечена довге життя. До того ж сусідство на одному шлейфі більше не буде заважати дискам чинності усунення латентності шини IDE на перемикання між сусідніми пристроями, що також повинно підвищити швидкість роботи дисків в комп'ютерах при грамотній реалізації контролерів на системних платах.

Покращено та електричне обрамлення інтерфейсу: тепер замість понад 20 пятівольтових ліній (а пятівольтовие сигнали в сучасних системах нерідко вимагають ускладнення і подорожчання схемотехніки, оскільки більшість нинішніх цифрових мікросхем вже працюють при більш низьких напругах живлення) за допомогою лише двох диференціальні лінії з перепадом рівня всього 0, 5 вольт, а це відмінно узгоджується з сучасними інтегрованими рішеннями.

Ще однією важливою особливістю Serial ATA є те, що зміни архітектури інтерфейсу лежать тільки в області фізичного інтерфейсу, а по регістрах і програмному забезпеченню він буде повністю сумісний з нинішнім паралельним ATA. Тому не буде необхідності кардинально змінювати драйвери. Більш того, в деякихвипадок нових драйверів для Serial ATA взагалі не буде потрібно ! Архітектура Serial ATA прозора для BIOS і операційної системи. Крім того, Serial ATA (на відміну від паралельних ATA) володіє засобами виправлення помилок (за ECC), і цілісність переданих кабелем даних буде гарантуватися.

Зворотна сумісність SATA і PATA

Зворотна сумісність послідовного ATA з паралельним реалізована двома способами:

1. Об'єднанням чіпсетів, що підтримують паралельний ATA-інтерфейс, з дискретними компонентами, що реалізовують Serial ATA фізично. Ці дискретні компоненти стали доступні в 2001 році, а в 2002 році з'явилися чипсети з вбудованими компонентами Serial ATA.

2. Застосуванням адаптерів (dongles), що перетворюють паралельну шину АТА у послідовну, і навпаки (Рис.6).

Рисунок 6 - Застосуванням адаптерів, що перетворюють паралельну шину АТА у послідовну

Перспективи розвитку

Порівняно недавно почалася робота над наступним стандартом - Serial ATA II, 1 який визначає розширення Serial ATA 1.0. Вони включають в себе велику швидкість передачі даних - 3 Гб / сек (або 300 Мб / сек). Очікується, що наступні специфікації будуть визначати швидкості передачі даних до 6 Гб / сек (або 600 Мб / сек). Розробляються також і такі характеристики, як організація черги команд, спрямована в основному на корпоративні додатки зберігання. Ці нові характеристики спрямовані на те, щоб відповідати потребам середовищ зберігання даних, які потребують простоті конфігурації та оптимальному співвідношенні ціна / ємність.

За аналогією з ATA, також відбувається розвиток послідовного варіанта технології Parallel SCSI. Serial-Attached SCSI (SAS) створений для тих середовищ зберігання даних, які вимагають високої продуктивності, масштабованості і надійності. Крім того, системи SAS будуть підтримувати як диски SAS, так і диски Serial ATA.

Основною метою робочої групи Serial ATA II є збереження невеликій вартості дисків Serial ATA, подібної з нинішніми цінами Parallel ATA. З цієї причини, ні одна з нових характеристик не буде змінювати специфікації Serial ATA 1.0 або вимагати внесення змін в жорсткі диски Serial ATA 1.0.

Serial ATA дозволить в майбутньому збільшити продуктивність клієнтських систем, необхідних для того, щоб не відставати від вимог і удосконалень інших систем. Цей перехід також полегшить впровадження, споживану потужність і питання дизайну для компаній, що виробляють комп'ютерні системи.

Список літератури

1. www.storus.ru ("Інтерфейс Serial ATA для клієнтських систем")

2. 2. www.ixbt.com ("Serial ATA: в очікуванні дива")

3. 3. www.cdivss.ru ("SATA і SATA II (за матеріалами весняного форуму IDF 2003)")

4. 4. www.ferra.ru ("UltraATA/100: останній писк")

5. 5. www.computerra.ru ("Serial ATA: перші ознаки життя")

6. 6. www.3dnews.ru ("Реалізація стандарту Serial ATA")

7. 7. www.3dnews.ru ("Parallel ATA помер, хай живе Serial ATA!")

8. 8. www.serialata.org (Специфікація інтерфейсу Serial ATA)

Размещено на Allbest.ru