Особенности реализации интерфейса и регистры Serial ATA.
Особенности реализации интерфейса и регистры Serial ATA.
Спецификация SATA (Serial ATA), описывает интерфейс для жестких дисков с последовательным способ обмена информацией. Последовательный SATA интерфейс программно совместим с традиционным — параллельным. Для обмена в нем используются те же регистры и команды, что обеспечивает программную совместимость с предыдущими версиями ATA. Все жесткие диски SATA подключаются независимым информационным кабелем, который состоит из 7 проводов, из которых 3 провода не используются, а оставшиеся 4 используются парами (одна пара для передачи, другая для приема). Кабель стал тонким и круглым, что позволило снизить температуру компонентов внутри системного блока компьютера за счет улучшения вентиляции. Разъем конструктивно предусматривает защиту от неправильного подключения. Нахождение кабеля SATA вблизи источников сильных электромагнитных помех нежелательно, т.к. в кабеле SATA уровень сигналов снижен до 0.4 вольт, что привело к снижению помехозащищенности при передаче информации. Поддержка подключения и замены жестких дисков без выключения компьютера описана в стандарте опционально, и производители жестких дисков стали реализовывать ее по своему усмотрению, что тоже привело к различным проблемам совместимости.
Спецификация Serial ATA версии 2.0 обеспечивала большую пропускную способность и специальные средства для поддержки сетевых устройств хранения. Расширения SATA-2 были направлены на повышение надежности этой системы и оптимизацию обработки запросов, однако подавляющая часть нововведений рассчитана на применение в серверах. Пропускная способность SATA-2 составляет 300 мегабайт в секунду (современный жесткий диск пока способен использовать не более 60-70 процентов от пропускной способности SATA). Спецификация SATA-2 предусматривает возможность подключения к одному порту нескольких жестких дисков при помощи так называемого концентратора или умножителя портов (port multiplier). При этом уменьшается число кабельных соединений, экономится место и достигается возможность гибкого масштабирования системы. Спецификация SATA Revision 3.0 предусматривает возможность передачи данных на скорости до 6 Гбит/с (600 Мбайт/с) и обладает полной обратной совместимостью с устройствами, поддерживающие предыдущие версии стандарта. В спецификации SATA 3.0 добавлены новые возможности, позволяющие улучшить работу NCQ, увеличить энергосбережение и использовать новые, более компактные разъемы.
Интерфейс Serial ATA является хост-центрическим, в нем определяется только взаимодействие хоста с каждым из подключенных устройств, а взаимодействие между ведущим и ведомым устройствами, свойственное традиционному интерфейсу АТА, исключается. Программно хост видит множество устройств, подключенных к контроллеру, как набор каналов АТА, у каждого из которых имеется единственное ведущее устройство (имеется возможность эмуляции пар устройств «ведущее — ведомое» на одном канале, если такая необходимость возникнет).
Программное взаимодействие с устройствами Serial ATA практически совпадает с прежним, набор команд соответствует ATA/ATAPI-5. В то же время аппаратная реализация хост-адаптера Serial ATA сильно отличается от достаточно простого (в исходном варианте) интерфейса АТА.
ATA/ATAPI-7 – определил протокол Ultra DMA-6 (133 Мбайт/с), расширенные режимы самотестирования SMART (Selective, Conveyance), поддержка расширенных журналов SMART, версия последовательного интерфейса ATA — SATA. ATA/ATAPI-8 – добавил аппаратное шифрование (Trusted Computing feature), датчик свободного падения (Free-fall Control), проверка чтением после записи (Write-Read-Verify feature), дополнительный протокол управления параметрами жесткого диска и чтения расширенной информации (SCT Command Transport), флэш память с возможностью управления ее энергосбережением (NV Cache, NV Cache Power Mode), определение номинальной скорости вращения двигателя (Nominal media rotation rate), время раскрутки магнитных пластин до номинальной скорости (Time to Spin Up in Seconds), команду — WRITE UNCORRECTABLE EXT.
В параллельном интерфейсе АТА хост-адаптер был простым средством, обеспечивающим программное обращение (доступ) к регистрам, расположенным в самих подключенных устройствах. В Serial ATA ситуация иная: хост-адаптер имеет блоки так называемых «теневых» регистров (Shadow Registers), совпадающих по назначению с обычными регистрами устройств АТА. Каждому подключенному устройству соответствует свой набор регистров. Обращения к этим теневым регистрам вызывают процессы взаимодействия хост-адаптера с подключенными устройствами и исполнение команд.
В стандарте SATA рассматривается многоуровневая модель взаимодействия хоста и устройства, где прикладным уровнем является обмен командами, информацией о состоянии и хранимыми данными. На физическом уровне для передачи информации между контроллером и устройством используются две пары проводов. Данные передаются кадрами. Транспортный уровень формирует и проверяет корректность информационных структур кадров (Frame Information Structure — FIS).
Для облегчения высокоскоростной передачи на канальном уровне данные кодируются по схеме 8В/10В (8 бит данных кодируются 10-битным символом) и скремблируются, после чего по физической линии передаются по простейшему методу NRZ (уровень сигнала соответствует передаваемому биту).
Между канальным и прикладным уровнем имеется транспортный уровень, отвечающий за доставку кадров. На каждом уровне имеются свои средства контроля достоверности и целостности.
В первом поколении Serial ATA данные по кабелю передавались со скоростью 1500 Мбит/с, что с учетом кодирования 8В/10В обеспечивало скорость 150 Мбайт/с (без учета накладных расходов протоколов верхних уровней). В дальнейшем была повышена скорость передачи, и в интерфейсе была заложена возможность согласования скоростей обмена по каждому интерфейсу в соответствии с возможностями хоста и устройства, а также качеством связи.
Хост-адаптер имеет средства управления соединениями, программно эти средства доступны через специальные регистры Serial ATA.
В стандарте предусматривается управление энергорежимом интерфейсов. Каждый интерфейс кроме активного состояния может находиться в состояниях PARTIAL и SLUMBER с пониженным энергопотреблением, для выхода из которых требуется заметное время (10 мс).
Команды, требующие передачи данных, могут исполняться в различных режимах обмена. Обращение в режиме PIO и традиционный способ обмена по DMA (legacy DMA) выполняется аналогично привычному интерфейсу ATА. Однако внутренний протокол обмена между хост-адаптером и устройствами позволяет передавать между ними разноплановую информацию (структуры FIS определены не только для команд, состояния и собственно хранимых данных). В приложении D к спецификации описывается своеобразный способ обмена по DMA, который предполагается основным (First-party DMA) для устройств Serial ATA. В традиционном контроллере DMA адаптера ATА для каждого канала имеется буфер, в который перед выполнением операции обмена загружают дескрипторы блоков памяти, участвующей в обмене. Теперь же предполагается, что адресная информация, относящаяся к оперативной памяти хост компьютера, будет доводиться до устройства хранения, подключенного к адаптеру Serial ATA. Эта информация из устройства хранения при исполнении команд обмена выгружается в контроллер DMA хост-адаптера и используется им для формирования адреса текущей передачи (расплатой за это некоторое упрощение хост-адаптера — особенно многоканального, является усложнение протокола и расширение функций, выполняемых устройством хранения). При традиционном разделении функций, задача устройств внешней памяти была лишь хранить данные, «не интересуясь» тем, в каком месте оперативной памяти компьютера они должны находиться при операциях обмена.
Последовательный интерфейс SATA, как и его параллельный предшественник ATA, предназначен для подключений устройств внутри компьютера. Длина кабелей не превышает 1 м, при этом все соединения радиальные, каждое устройство подключается к хост-адаптеру своим кабелем. В стандарте предусматривается и непосредственное подключение устройств к разъемам кросс-платы с возможностью «горячей» замены.
Стандарт определяет новый однорядный двухсегментный разъем с механическими ключами, препятствующими ошибочному подключению. Сигнальный сегмент имеет 7 контактов (S1-S7), питающий — 15 (Р1- Р15); все контакты расположены в один ряд с шагом 1,27 мм. Назначение контактов приведено в табл.1. Малые размеры разъема (полная длина — около 36 мм) и малое количество цепей облегчают компоновку системных плат и карт расширения. Питающий сегмент может отсутствовать (устройство может получать питание и от обычного 4-контактного разъема ATА).
Для обеспечения «горячего» подключения контакты разъемов имеют разную длину, в первую очередь соединяются контакты «земли» Р4 и Р12, затем остальные «земли» и контакты предзаряда конденсаторов в цепях питания РЗ, Р7 и Р13 (для уменьшения броска потребляемого тока), после чего соединяются основные питающие контакты и сигнальные цепи.
Источник
Способы обмена данными интерфейса ata 1
ATA (AT Attachment) — параллельный интерфейс для подключения накопителей к ПК. В 90-е являлся стандартом, построенным на платформе IBM PC. В настоящее время стремительно вытесняется на рынке своим же последователем — SATA. С момента появления SATA, ATA переименовали в PATA (Parallel ATA).
История
Первоначально интерфейс получил предварительное название PC/AT Attachment («Соединение с PC/AT»), поскольку он предназначался для подключения к 16-битной шине ISA (известна как шина AT). В окончательной версии название переделали в «AT Attachment» во избежании проблем с торговыми марками.
Первая версия стандарта была разработана в 1986 году компанией Western Digital, она имела название IDE (Integrated Drive Electronics — «встроенная в привод электроника»). Название отображало существенное нововведение: контроллер привода располагался в нем самом, а не в виде отдельной платы расширения, как в предшествующем стандарте ST-506 и существовавших тогда интерфейсах SCSI и ST-412. Благодаря этому нововведению были улучшены характеристики накопителей. Меньшее расстояние до контроллера, упрощенное управление им, поскольку контроллер канала IDE абстрагировался от деталей работы привода, более дешевое производство.
Правильное название контроллера канала IDE — хост-адаптер, потому что он перешел от прямого управления приводом к обмену данными с ним по протоколу.
Интерфейс между контроллером и накопителем определен в стандарте АТА. Интерфейс оснащен 8 регистрами, которые занимают 8 адресов в пространстве ввода-вывода. Ширина шины данных равна 16 битам. Число каналов, находящихся в системе, может превышать 2. Важно, чтобы адреса каналов не пересекались с адресами других устройств ввода-вывода. Каждый канал позволяет подключить к себе 2 устройства (master и slave), однако в каждый момент времени может работать лишь одно устройство.
Принцип адресации CHS заключается в следующем: прежде всего блок головок устанавливается позиционером на требуемую дорожку, после чего выбирается требуемая головка, а затем из требуемого сектора считывается информация.
Стандарт EIDE (Enhanced IDE — «расширенный IDE») появился сразу вслед за IDE. Он позволял использовать приводы с емкостью более 528 Мб (504 МиБ), вплоть до 8,4 Гб.
Хоть эти аббревиатуры возникли в качестве торговых линеек, а не официальных названий стандарта, термины IDE и EIDE обычно употребляются вместо термина ATA.
После выхода стандарта Serial ATA («последовательный ATA»), который состоялся в 2003 году, традиционный ATA стал называться Parallel ATA, что подразумивало под собой ничто иное, как способ передачи данных по параллельному 40- или 80-жильному кабелю.
Первоначально, интерфейс применялся с жесткими дисками, однако затем стандарт был расширен для работы и с другими устройствами, преимущественно, со сменными носителями. На шину ATAPI подключали даже FDD. Такой расширенный стандарт получил название Advanced Technology Attachment Packet Interface (ATAPI), а полное наименование стандарта выглядит как ATA/ATAPI. ATAPI почти полностью совпадает со SCSI на уровне команд.
Сперва интерфейсы по подключению приводов CD-ROM не были стандартизованы, являясь исключительно частными разработками производителей приводов. По этой причине, для подключения CD-ROM необходимо было устанавливать отдельную плату расширения, настроенную под конкретного производителя. Некоторые версии звуковых карт, например Sound Blaster, оснащались именно такими портами. Выход на рынок ATAPI позволил стандартизировать всю периферию и дать возможность подключать ее к любому контроллеру.
Еще одним немаловажным этапом развития ATA стал переход от PIO (Programmed input/output — программный ввод/вывод) к DMA (Direct memory access — прямой доступ к памяти). В ходе использования PIO управлением считыванием данных с диска занимался центральный процессор, а это, в свою очередь, приводило к повышенной нагрузке на процессор и снижению его производтельности. По этой причине компьютеры, которые использовали интерфейс ATA, выполняли операции, связанные с диском, медленнее, чем компьютеры, работающие на SCSI и прочих интерфейсах. Внедрение DMA значительно сократило затраты процессорного времени на операции с диском.
Потоком данных в этой технологии управляет сам накопитель. Он считывает данные из памяти почти без участия процессора, а тот, в свою очередь, просто выдает команды на выполнение того или иного действия. При этом жесткий диск выдает сигнал запроса DMARQ на операцию DMA контроллеру. Если операция DMA возможна, контроллер посылает сигнал DMACK и жесткий диск выдает данные в 1-й регистр (DATA), с которого контроллер считывает их. Так, процессор практически не задействован в этой цепочке.
Операция DMA возможна только в том случае, если режим поддерживается одновременно BIOS, контроллером и операционной системой. В противном случае, возможен лишь режим PIO. При развитии стандарта (АТА-3), инженерами был введен дополнительный режим UltraDMA 2 (UDMA 33), который имеет временные характеристики DMA Mode 2. Однако, данные передаются и по переднему, и по заднему фронту сигнала DIOR/DIOW, что вдвое увеличивает скорость передачи данных по интерфейсу. Кроме того, введена проверка на четность CRC, что увеличивает надежность передачи.
История развития ATA включала в себя ряд барьеров (в частности, ограничения на максимальный размер диска в 504 МиБ, около 8 ГиБ, около 32 ГиБ, и 128 ГиБ), связанных с организацией доступа к данным. Большинство из этих барьеров, благодаря современным системам адресации, были преодолены. Впрочем, существовали и другие барьеры, в основном связанные с драйверами устройств, и организацией ввода/вывода в ОС, не работающих в ATA.
В оригинальной спецификации АТА предусматривался 28-битный режим адресации, что позволяло адресовать 2 28 (268 435 456) секторов по 512 байт каждый. Это давало максимальную емкость 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 (Cyllinder-Head-Sector) в сочетании со стандартом IDE привело к ограничению адресуемого пространства в 504 МиБ (528 Мб). В целях преодоления этого ограничения была введена схема адресации LBA (Logical Block Address), что позволило адресовать до 7,88 ГиБ. Со временем, данное ограничение было снято. Это дало возможность адресовать сначала 32 ГиБ, а затем и 128 ГиБ, используя все 28 разрядов (в АТА-4) для адресации сектора. Запись 28-битного числа организована путем 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 тремя адресными линиями DA0-DA2. Первый регистр с адресом 0 — 16-разрядный. Он используется в целях передачи данных между диском и контроллером. Остальные регистры 8-битные и применяются для управления.
Новейшие спецификации ATA предполагают 48-битную адресацию, расширяя возможный предел до 128 ПиБ (144 петабайт).
Ограничения на размер проявляются в том, что система идентифицирует объем диска меньше его реального значения, либо же вовсе отказывается загружаться и виснет на стадии инициализации жестких дисков. Иногда проблему удатся решить обновлением BIOS. Другое возможное решение — использование специальных программ (например, Ontrack DiskManager), которые загружают в память свой драйвер до загрузки операционной системы. Недостатком таких решений является то, что используется нестандартная разбивка диска (разделы диска оказываются недоступны, в случае загрузки с обычной DOS-овской загрузочной дискеты). Впрочем, большинство современных ОС может работать с дисками большего размера, даже если BIOS компьютера не определяет размер как требуется.
Чтобы подключить HDD с интерфейсом PATA обычно используется специальный шлейф — 40-проводный кабель. Каждый шлейф обычно оснащен двумя или тремя разъемами, один из которых подключается к разъему контроллера на материнской плате, а остальные два — к дискам. В один момент времени шлейф P-ATA передает 16 бит данных. Иногда встречаются шлейфы IDE, которые позволяют подключать до трех дисков к одному IDE каналу, однако, в этом случае один из дисков работает в режиме read-only.
Источник
