Семейство IDE-контроллеров
8. Контроллеры накопителей и массивы RAID
8.1. Семейство IDE-контроллеров
Термины IDE и ATA являются практически синонимами. И та, и другая аббревиатура относится к дисковым накопителям со встроенными контроллерами. Хотя термины IDE и АТА чаще всего используют как синонимы, между ними, все же, есть разница. АТА — это формальный стандарт (А.Т. Attachment - подключение к AT), в котором определены характеристики и принципы работы интерфейса и накопителей, a IDE — это торговая марка и конструктивное решение (Integrated Drive Electrinics – встроенная в накоптель электронка), разработанное для реализации стандарта АТА (40 - контактный интерфейсный разъем, архитектура контроллера и т.п.).
Интерфейс IDE был разработан в 1988 г. в качестве альтернативного ответа на практически безуспешные в то время попытки фирм производителей создать стандартное программное обеспечение для периферийных SCSI-устройств (Small Computer Systems Interface). Группа промышленных предприятий образовала Комитет общих методов доступа САМС (Common Access Method Committee) с целью разработки интерфейса АТА, который можно было бы встраивать в недорогие, совместимые с AT системные платы. Комитет САМС разработал стандарт интерфейса, который впоследствии был одобрен Национальным институтом стандартизации США (ANSI — American National Standard Institute). Термин АТА - интерфейс в общем случае характеризует тип интерфейса и может относиться как к накопителю, так и к контроллеру. Это означает, что для IDE - накопителя необходим IDE - контроллер.
8.1.1. Характерные черты и архитектура классического IDE-интерфейса
IDE - накопители считаются интеллектуальными устройствами, поскольку почти все функциональные узлы, которые в системах с накопителями старых типов располагались на отдельной плате - адаптере, встроены в сам IDE - накопитель. Данные передаются через единый кабель, подключенный к контроллеру (он может представлять собой как отдельное устройство, так и быть смонтированным на системной плате), который, в свою очередь, подключен к системной шине расширения ISA или PCI. Схемотехника внешних по отношению к IDE - накопителям устройств настолько проста, что практически во всех комплектах интегральных схем (ИС) современных системных плат предусмотрены двухканальные IDE - контроллеры, и надобность в отдельных платах расширения практически отпала. По современным меркам накопители с классическим IDE - интерфейсом работают довольно медленно: скорость передачи данных едва превышает 10 Мбайт/с. Емкость накопителей со стандартным IDE - интерфейсом ограничена величиной 504 Мбайт. (В EIDE и более поздних версиях IDE интерфейса традиционный барьер в 504 Мбайт преодолен, и емкости накопителей могут превышать 32 Гбайт). Интерфейс IDE лишен гибкости и возможностей наращивания. Его часто используют в простых, недорогих компьютерах низкого и среднего класса, возможности которых не предполагается существенно наращивать. Изначально интерфейс IDE разрабатывался для накопителей на жестких дисках, однако впоследствии он стал использоваться и для подключения дисководов CD - ROM и накопителей на магнитной ленте, работающих в соответствии с протоколом обмена данными ATAPI (ATA Packet Interface — пакетный интерфейс АТА). Этот протокол будет обсуждаться чуть позже.
В компьютерной литературе много говорится об интеллектуальных возможностях IDE - интерфейса. Они определяются теми функциями, которые способен выполнять встроенный в накопитель контроллер.
· Во-первых, интеллектуальные IDE - накопители способны работать в режиме преобразования параметров жесткого диска (количество цилиндров, головок и секторов). При этом должно соблюдаться одно условие: суммарное количество секторов в модели не должно превышать реальное количество секторов в накопителе. Преобразование параметров приобретает особое значение в тех случаях, когда реальное количество цилиндров в накопителе превышает 1024 (что характерно для всех современных IDE накопителей). Неинтеллектуальные IDE - накопители могут работать только в “физическом” режиме, т.е. вводимые в память CMOS параметры должны соответствовать реальным параметрам жесткого диска.
- Во-вторых, в интеллектуальных накопителях предусмотрена поддержка нескольких дополнительных команд, которые входят в необязательную часть стандарта АТА.
· В-третьих IDE интерфейс оснащён зонной записью, она позволяет разбивать дорожки на переменное количество секторов. В результате появляется возможность увеличить общее количество секторов, а значит — и суммарную емкость накопителя.
Рекомендуемые материалы
Поскольку BIOS может работать только с жесткими дисками с фиксированным количеством секторов на дорожке, IDE - накопители с зонной записью всегда должны функционировать в режиме преобразования параметров. Если IDE - накопитель работает в режиме преобразования параметров, то вы не в состоянии изменить ни коэффициент чередования секторов, ни коэффициенты послойного и концентрического смещения. Вы также не можете отредактировать заводскую информацию о дефектных участках накопителя.
Стандартный IDE - накопитель подключается к контроллеру с помощью 40 ка (или 80 ти)- жильного кабеля. Этот сигнальный кабель предназначен для передачи данных и управляющих сигналов между накопителем и контроллером. Как и в SCSI - устройствах, в IDE-накопителях для обеспечения параметров линий связи и электрических характеристик сигналов также устанавливаются нагрузочные сопротивления, но они, в отличие от согласующих резисторов в интерфейсе SCSI, обычно впаяны в плату и не могут быть удалены. В большинстве случаев два накопителя IDE типа могут работать совместно при наличии согласующих сопротивлений в каждом из них. Если на накопителе имеются перемычки выбора режима, то с их помощью конкретное устройство можно сделать либо ведущим (master), либо ведомым (slave).
8.1.2. ATAPI
Одним из существенных недостатков стандарта АТА было то, что он предназначался только для жестких дисков. В конце 1980 х годов в связи с широким распространением дисководов CD-ROM перед разработчиками возникла серьезная проблема. Нужно было либо найти способ подключения этих устройств и других накопителей (например, на магнитной ленте) к существующим IDE - интерфейсам, либо изобретать специализированные платы контроллеров. В результате был разработан стандарт АТАРI, (Пакетный интерфейс АТА) являющийся расширением интерфейса АТА и позволяющий подключать к обычному IDE - порту не только жесткие диски, но и другие устройства. Впрочем, разница между жесткими дисками и прочими устройствами все же существует. Если поддержка первых предусмотрена в системной BIOS, то для работы остальных ATAPI - устройств нужны специальные драйверы. Загрузка компьютера с ATAPI-дисковода CD-ROM возможна только с накопителей, соответствующих стандарту ElTorito, и при использовании в компьютере последних версий BIOS.
8.1.3. АТА-2, FAST-ATA и EIDE.
В начале 1990 х годов технологии производства накопителей на жестких дисках достигли такого уровня, что стало ясно — архитектура АТА в самом скором времени перестанет соответствовать их возможностям. Выходом из сложившейся ситуации стала разработка стандарта АТА-2, который можно рассматривать как расширение первоначальной версии АТА. Внесенные в новый стандарт дополнения существенно улучшили параметры интерфейса. В нем определены более быстрые режимы передачи данных программного ввода/вывода (РIO — Programmed I/O) и с использованием прямого доступа к памяти (DMA), добавлены новые команды для накопителя (в частности, команда ”Identify Drive”, позволяющая BIOS автоматически распознавать тип и определять параметры жесткого диска), введен второй канал для подключения дисководов, предусмотрен специальный режим блочной передачи данных (Block Transfer Mode) и определены новые способы обращений к секторам на жестком диске с использованием логической адресации блоков (LEA — Logical Block Addressing). Логическая адресация блоков стала самым эффективным средством для преодоления традиционно существовавшего ограничения емкости жесткого диска в 504 Мбайт. Несмотря на столь впечатляющие усовершенствования, в стандарте АТА 2 для подключения накопителей используются те же самые 40 ка контактные разъемы, что и в предыдущей версии, а старые IDE - накопители полностью совместимы с новым интерфейсом.
Наряду с АТА-2, можно встретить два других названия этого интерфейса: EIDE (Enhanced IDE — улучшенный IDE) и Fast - ATA (быстрый АТА). Это не другие стандарты, а просто разные реализации стандарта АТА-2. Версия EIDE была разработана фирмой Western Digital на базе как стандарта АТА-2, так и АТАРI. Она оказалась настолько удачной, что аббревиатурой EIDE стали обозначать все модернизированные варианты интерфейса IDE. Фирмы Seagate и Quantum сосредоточили свои усилия на разработке реализации Fast-ATA стандарта АТА-2. Ее отличие от EIDE заключается в том, что она разрабатывалась только на основе стандарта АТА-2. С практической точки зрения разницы между АТА-2, EIDE и Fast-ATA нет, поэтому часто эти названия используются как синонимы.
8.1.4. АТА-3
Более поздней версией АТА является стандарт АТА-3. В нем не предусмотрены дополнительные режимы передачи данных по сравнению с АТА-2, а лишь повышена надежность программного ввода/вывода (РIО) в режиме 4. В АТА-3 предусмотрена простая схема защиты с помощью пароля, расширены возможности управления энергопотреблением, а также определена методика повышения надежности работы жестких дисков, основанная на предсказании сбоев в их работе (S.M.A.R.Т. — Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology). Стандарт АТА-3 совместим с устройствами АТА-2, ATAPI и АТА. Поскольку в АТА-3 не определены новые режимы передачи данных, то к нему также часто применяют общее название EIDE (хотя с технической точки зрения это некорректно).
8.1.5. ULTRA-ATA/33
Повышение скоростей передачи данных — процесс бесконечный. Его очередным этапом стало появление стандарта Ultra ATA, который представляет собой реализацию АТА/АТАРI-4. В соответствии с этим стандартом в версии, обычно называемой Ultra-DMA/33 или UDMA/33, максимальная скорость передачи данных в режиме DMA при захвате управления шиной (bus mastering) составляет 33 Мбайт/с. Чтобы все возможности интерфейса Ultra ATA были реализованы, требованиям стандарта должны удовлетворять и накопитель, и контроллер, и системная BIOS. При этом Ultra ATA полностью обратно совместим с предшествующими стандартами АТА. Для подключения накопителей UDMA/33 можно использовать обычные IDE кабели с 40 ка контактными разъемами, однако имейте в виду, что в перечисленных ниже ситуациях вы можете столкнуться с определенными проблемами. Используется стандартный кабель, однако его качество невысокое, он поврежден или помят в результате многочисленных переустановок.
В системе повышенный уровень электрических помех. Это возможно в тех случаях, когда в системном блоке установлено несколько дисководов, используется сдвоенный источник питания или компьютер является моноблочным, т.е. со встроенной электроннолучевой трубкой (монитором).
Система “разогнана”, т.е. работает при повышенных тактовых частотах системной платы или процессора, не предусмотренных изготовителем, или сконфигурирована так, что какие-либо параметры выходят за допустимые изготовителем пределы.
8.1.6. ULTRA-ATA/66/100/133[1]
Дальнейшим шагом в повышении быстродействия интерфейсов накопителей стала модернизация стандарта АТА/АТАРI-4. Эта более поздняя реализация Ultra-ATA обычно называется Ultra-DMA/66/100/133 или UDMA/66/100/133, и в ней предусмотрена скорость пакетной передачи данных, равная 66 Мбайт/с в режиме DMA при захвате управления шиной. Как и в реализации Ultra-ATA/ЗЗ, максимальное быстродействие системы достижимо только в том случае, если стандарту удовлетворяют и накопитель, и контроллер, и системная BIOS. UDMA/66/100/133, как и UDMA/33 полностью обратно совместим с предшествующими стандартами АТА. В отличие от интерфейса Ultra-ATA/ЗЗ, для подключения к контроллерам накопителей UDMA/66/100/133 нельзя использовать обычные IDE-кабели. Вместо них необходимо использовать специальные 80 ти жильные кабели с 40 ка контактными разъемами. Кроме того, операционная система компьютера (в частности, Windows) должна быть настроена на передачу данных в режиме DMA.
8.1.7. Логическая адресация блоков (LBA)
Еще одной особенностью режимов EIDE и UDMA, вызывающей наибольшее количество вопросов, является необходимость использования LBA. Если при CHS адресации необходимо задавать номера цилиндров, головок и секторов, то при адресации по методу LBA задается абсолютный номер сектора (например, “перейти к сектору 324534”). Соответствующие CHS координаты сектора рассчитываются по алгоритму LBA, реализованному в BIOS. Метод LBA является единственно возможным при использовании операционных систем DOS и Windows, работающих с таблицами размещения файлов (FAT— File Allocation Table). Из этого следует, что если вы хотите работать с накопителями большой емкости, то вам необходимо обновить системную BIOS или использовать EIDE/UDMA контроллер с собственной встроенной BIOS. С другой стороны, операционные системы, не использующие FAT (такие, как OS/2 и Novell NetWare), не нуждаются в LBA. Если вы посмотрите на плату EIDE контроллера, то увидите на ней перемычку, с помощью которой можно включить или отключить режим LBA. При использовании DOS или Windows эту перемычку необходимо установить в положение “включено”.
Информация в лекции "12 Реализация цифровых фрагментов" поможет Вам.
При выборе метода адресации (CHS или LBA) следует учитывать структуру используемого накопителя. Если вы выберете метод LBA, то вам придется заново разбить жесткий диск на разделы и отформатировать. Необходимо также помнить, что отформатированный в режиме LBA накопитель будет опознаваться только в тех компьютерах, в которых предусмотрена поддержка LBA. Таким образом, если накопитель, отформатированный в режиме LBA (EIDE), установить в компьютер, в BIOS которого поддержка LBA не предусмотрена (т.е. в старую IDE-систему), то такой накопитель не будет опознан, л вам придется вновь разбивать его на разделы и форматировать. Во всех случаях, прежде чем внедрять в систему интерфейс EIDE, необходимо выполнить полнее резервное копирование всех жестких дисков.
8.1.8. Подключение накопителей к интерфейсу IDE/EIDE
В стандарте АТА предусмотрено параллельное подключение двух накопителей к каждому каналу (кабелю) IDE - интерфейса. По традиции ведущий накопитель подключают к концевому разъему кабеля, а ведомый — к среднему. На самом деле это не более чем дань единообразию, поскольку с точки зрения IDE - интерфейса оба разъема эквивалентны, и любой накопитель может быть подключен к любому из них. Необходимо лишь с помощью перемычек настроить накопитель как ведущий или ведомый. Длина плоского кабеля с 40 ка - контактными разъемами не должна превышать 60 см. Поскольку в IDE - накопителях для обеспечения необходимых параметров электрических сигналов используется так называемая распределенная нагрузка (т.е. нагрузочные резисторы устанавливаются во всех устройствах), нет необходимости устанавливать или удалять какие - либо согласующие сопротивления.
Несмотря на всю простоту IDE - интерфейса, в некоторых случаях вы можете столкнуться с определенными проблемами при совместном подключении двух накопителей. Старые IDE - накопители не вполне соответствуют стандартам САМС ATA EIDE. При подсоединении к одному кабелю двух старых жестких дисков (особенно если они выпущены разными фирмами) из-за различий в интерпретации настроек ведомый/ведущий между ними может возникнуть конфликт, в результате которого оба накопителя в большинстве случаев окажутся неработоспособными. При подключении двух IDE - накопителей старайтесь использовать новые устройства, выпущенные одной и той же фирмой.
Программная поддержка IDE предусмотрена в системной BIOS. Выпущенные после начала 1990 х годов системы полностью совместимы с накопителями типа ATA IDE. При попытке же установить IDE - накопитель в старый компьютер вы можете столкнуться с определенными проблемами. После начала широкого использования IDE - накопителей выяснилось, что для их нормальной работы компьютер должен удовлетворять специфическим требованиям в отношении синхронизации сигналов, несоответствие которым часто приводило к потере данных на диске и невозможности загрузить систему. Разработчики быстро нашли решение этой проблемы, и в начале 1990 х годов появились модифицированные версии BIOS. Если вам попался компьютер с BIOS, разработанной до 1990 г. , и у вас возникают проблемы с установленным в нем накопителем (или вы собираетесь установить в него новый жесткий диск), то вам следует обновить его BIOS. Что касается относительно новых систем, то в них замена системной BIOS может потребоваться в том случае, если контроллер накопителей не в состоянии обеспечить доступ ко всему дисковому пространству (свыше 32 Гбайт).
[1] Udma 133 – только HDD MAXTOR
