Архітектура комп'ютерів

1. Короткий огляд

Інтерфейс, який використовується для підключення жорстких дисків і оптичних накопичувачів до сучасних комп’ютерів, зазвичай називають IDE (Integrated Drive Electronics - вбудований інтерфейс накопичувачів); проте офіційна назва інтерфейсу - АТА (AT Attachment). У ньому відображено те, що даний інтерфейс спочатку був призначений для підключення комбінації накопичувача і контролера до 16-розрядної шини комп’ютера IBM АТ представленого в 1984 році. Шина АТ більше відома як ISA (Industry Standard Architecture - архітектура шини промислового стандарту). Хоча офіційно інтерфейс називається АТА, часто використовується маркетингова назва IDE, яку деякі виробники накопичувачів також застосовують для опису комбінації накопичувача і контролера АТА. Назва Integrated Drive Electronics говорить про те, що електроніка інтерфейсу або контролера вбудована в накопичувач, а не розташована на окремій платі, як в пристроях попередніх поколінь.

Тому, незважаючи на офіційну «технічну» назву АТА, назва IDЕ отримала набагато більшого поширення. Але вихід з подібної ситуації, безумовно, існує: під IDE слід розуміти будь-який інтерфейс накопичувача, який характеризується вбудованим контролером, в той час як під АТА конкретну реалізацію IDE, використовувану в більшості сучасних ПК.

Спочатку АТА являв собою 16-розрядний паралельний інтерфейс, що означає можливість одночасної передачі по кабелю 16 біт даних. Новий інтерфейс, який називається Serial АТА, був офіційно представлений в кінці 2000 року; вперше він з’явився в настільних системах в 2003 році, а в портативних комп’ютерах - наприкінці 2005 року. Інтерфейс Serial АТА (SATA) передає дані по кабелю по одному біту за такт, що означає можливість використання більш тонких кабелів, а також забезпечення більш високої швидкодії завдяки меншим затримкам і швидкості передачі даних. SATA - абсолютно новий фізичний інтерфейс, проте на програмному рівні він сумісний з попередньою реалізацією АТА, яка останнім часом отримала нову назву - Parallel АТА (Паралельний АТА).

2. Історія розвитку інтерфейсу IDE

За час існування ПК було розроблено декілька інтерфейсів. З кожним новим поколінням комп’ютерів з’являються нові інтерфейси, в той же час старі відходять і в сучасних системах не використовуються.

ST-506/412 та ESDI можна вважати справжніми інтерфейсами між контролером і диском, і всі вони застаріли. Версії інтерфейсу IDE (Не АТА) використовувалися в основному в системах PS/2 і теж віджили своє. Сучасні SCSI, АТА і SATA - це інтерфейси системного рівня, в яких контролер одного з перших двох типів виконаний у вигляді набору мікросхем і вбудований в диск. Наприклад, у більшості дисків SCSI, IDE і SATA встановлений пристрій, зібраний за тією ж схемою, що і автономний контролер ESDI. В інтерфейсі SCSI між контролером і системною шиною вводиться ще один рівень організації даних і управління, a IDE і SATA взаємодіють безпосередньо з системною шиною. Незважаючи на ці відмінності, плати SCSI, АТА і Serial АТА йменують не платами контролера, а адаптерами інтерфейсу, так як реальні контролери вбудовуються безпосередньо в накопичувачі на жорстких дисках. Практично всі сучасні накопичувачі підключаються до ПК за допомогою інтерфейсів АТА, Serial АТА і SCSI.

3. Походження IDE

IDE (Integrated Drive Electronics) - це узагальнюючий термін, що застосовується практично до кожного дисководу з вбудованим контролером. Кажучи «IDE», маємо на увазі конкретну реалізацію цього інтерфейсу, звану АТА. Комбінування контролера і приводу в одному пристрої істотно спрощує процес установки, оскільки пристрій і контролер не потрібно з’єднувати окремим шлейфом. При цьому загальна кількість компонентів зменшується, шляхи проходження сигналів стають коротшими, а електричні з’єднання - більш стійкими.

Об’єднуючи контролер з жорстким диском, вдається істотно підвищити надійність відтворення даних у порівнянні з системами, в яких використовуються автономні контролери (ST506 і ESDI). Відбувається це тому, що кодування даних та їх перетворення з цифрової форми в аналогову (і навпаки) здійснюється безпосередньо в жорсткому диску при меншому рівні зовнішніх перешкод. В результаті аналогові сигнали, часові параметри яких досить критичні, не передаються по плоским кабелям, де могли б бути перешкоди; крім того, при передачі сигналів по кабелях можуть виникнути непередбачувані затримки їх розповсюдження. Суміщення контролера і жорсткого диска в єдиному блоці дозволило підвищити тактову частоту шифратора/дешифратора, щільність розміщення даних на носієві і загальну швидкодію системи.

Перші диски IDE називалися жорсткими платами і являли собою контролери та диски які упаковані в один корпус і вставляються в якості єдиного пристрою в спеціальний роз’єм. Деякі компанії прикріплювали невеликі жорсткі диски формату 3,5 дюйма (у стандарті ST-506/412 або ESDI) безпосередньо до плат стандартних контролерів. Отриманий модуль вставлявся в роз’єм шини, як звичайний контролер жорсткого диска.

Деякі компанії переробили конструкцію контролера, встановивши його замість плати управління в стандартному жорсткому диску. При цьому сам жорсткий диск монтувався звичайним чином в призначеному для нього відсіку. Вбудований контролер таких жорстких дисків необхідно було підключати до шини за допомогою кабеля, що з’єднує жорсткий диск з одним з роз’ємів.

4. Походження АТА

Прототип накопичувача АТА IDE, або 40-контактний роз’єм IDE, був розроблений спільними зусиллями компаній CDC, Western Digital і Compaq. Першим пристроєм АТА IDE став жорсткий диск формату 5,25 дюйма і ємністю 40 Мбайт, випущений CDC. У ньому використовувався вбудований контроллер компанії Western Digital, а встановлювалися ці диски в перших комп’ютерах Compaq 386 (1986 рік).

Компанія Compaq вперше представила спеціальний шинний адаптер, що забезпечив підключення 98-контактного крайового роз’єму шини АТ (також відомої як ISA), розташованого на системній платі, до меншого 40- контактного роз’єму, що застосовується для з’єднання з накопичувачем. 40- контактного роз’єму виявилося цілком достатньо, оскільки контролеру жорсткого диска вистачало 40 ліній шини ISA. У менших за розміром 2,5- дюймових накопичувачах АТА, які використовувалися в портативних комп’ютерах, використовується розширений 44-контактний роз’єм, що містить додаткові контакти живлення. Стандартному контролеру жорсткого диска АТ потрібні тільки сигнальні контакти оригінальної шини ISA, які підтримуються шиною АТА. Навіть якщо інтерфейс АТА вбудований в такий компонент набору мікросхем системної логіки, як південний міст або контролер вводу-виводу, і працює на високих тактових частотах шини даних, схема розташування виходів і функціональне призначення контактів не відрізняються від оригінальної конструкції шини ISA.

Багато користувачів вважають, що в комп’ютерах, в яких роз’єм IDE встановлений на системній платі, контролер жорсткого диску розташований на ній же. Насправді - контролер знаходиться в самому жорсткому диску. Незважаючи на те що інтегровані в материнську плату порти АТА часто називають контролерами, з технічної точки зору їх правильніше було б називати адаптерами контролерів, тобто пристроями, які підключають контролер до шини.

Через деякий час 40-контактний роз’єм і метод побудови дискового інтерфейсу були представлені на розгляд до Комітету з стандартам при ANSI. Спільними зусиллями цього інституту і компаній-виробників були усунені деякі нестиковки, і в березні 1989 року був опублікований стандарт на інтерфейси, відомий як САМ АТА. Однак ще до появи цього стандарту багато компаній внесли деякі зміни до первісної конструкції. В результаті більшість старих накопичувачів АТА дуже важко об’єднувати в двохдискову конфігурацію, прийняту в сучасних системах. До початку 1990-х років більшість виробників жорстких дисків привели у відповідність з офіційним стандартом пристрої які випускали, що вирішило усі проблеми сумісності. Деякі розділи стандарту АТА не конкретизовані, і виробникам надана певна свобода творчості при введенні власних команд і функцій.

Стандартна шина РАТА являє собою 16-розрядний паралельний інтерфейс, тобто по інтерфейсному кабелю одночасно передається 16 біт даних (розрядів). Інтерфейс SATA забезпечує одноразову передачу по кабелю тільки одного біта даних, що дозволяє зменшити геометричні розміри кабелю і забезпечити більш високу ефективність його роботи, яка досягається за рахунок підвищення циклічної частоти передачі інформації.

5. Стандарти АТА

В даний час розвитком інтерфейсу АТА займається незалежна група, що включає в себе представників різних компаній-розробників ПК, жорстких дисків і комплектуючих. Ця група, що отримала назву Технічний комітет Т13 (www. tl3. Org), відповідає за розвиток всіх стандартів інтерфейсів Serial і Parallel AT Attachment. Комітет Т13 входить в Інтернаціональний комітет з стандартів інформаційних технологій (International Committee on Information Technology Standards - INCITS), який працює відповідно до правил державної організації ANSI (Національний інститут стандартизації США). Для створення стандартів SATA була сформована група, що отримала назву Serial АТА Workgroup, яка потім передала свої розробки Комітету Т13 для завершення і офіційної публікації. В останні стандарти АТА-7 і АТА-8 увійшли вимоги до послідовного і паралельного інтерфейсів АТА.

Правила, що розробляються цими комітетами, призначені для узгодження стандартів виробників, залучених до цього технологічного сектору ринку. Зокрема, Міжнародний комітет стандартів інформаційних технологій (INCITS) розробляє стандарти систем обробки інформації, в той час як Інститут стандартизації ANSI стверджує процес розробки цих стандартів і публікує їх. Оскільки Комітет Т13 - громадська організація, всі робочі проекти та їх обговорення відкриті для публічного доступу.

Всі версії стандарту АТА зворотно сумісні. Кожен наступний стандарт АТА заснований на попередньому. Це означає, що стандарт АТА-8, наприклад, практично повністю відповідає функціональним особливостям АТА-7, але володіє додатковими функціональними можливостями. Стандарти АТА-7 і АТА-8 містять вимоги до паралельного і послідовного інтерфейсів АТА.

6. Стандарт АТА-1

Стандарт АТА-1 визначає оригінальний інтерфейс AT Attachment (інтегрований інтерфейс шини між дисковими пристроями і адаптером до шини ISA). У специфікації АТА-1 були визначені і документовані наступні основні властивості:

■ 40/44-контактний роз’єм і кабель;

■ параметри вибору конфігурації диска (ведучий/ведений);

■ параметри сигналів для основних режимів РIO (програмоване введення-виведення) і DMA (прямий доступ до пам’яті);

■ перетворення параметрів накопичувача CHS (Cylinder Head Sector) і LBA (Large Block Address) для пристроїв ємністю до 267 386 880 секторів (136,9 Гбайт).

Хоча інтерфейс АТА-1 використовується з 1986 року, роботу по його перетворенню в офіційний стандарт Комітетом САМ (Common Access Method - загальний метод доступу) почав тільки в 1988 році. Стандарт АТА-1 був завершений і офіційно опублікований в 1994 році під назвою ANSI ХЗ.221-1994, AT Attachment Interface for Disk Drives. Офіційно його підтримка була припинена 6 серпня 1999.

Хоча стандарт АТА-1 теоретично підтримує диски ємністю до 136,9 Гбайт, він не дозволив обійти обмеження BIOS, через що максимальний обсяг дисків склав 528 Мбайт. Обмеження BIOS вдалося обійти тільки в наступних версіях стандарту АТА, оскільки на той час жорстких дисків об’ємом більше 528 Мбайт не існувало.

7. Стандарт АТА-2

Цей стандарт, опублікований в 1996 році, являє собою розширення первісного стандарту АТА (IDE). Найбільш суттєві доповнення такі:

■ можливість роботи в режимах швидкого програмного введеннявиведення (Faster РIO) і прямого доступу до пам’яті (DMA);

■ підтримка розширеної системи управління живленням;

■ підтримка знімних пристроїв;

■ підтримка пристроїв PCMCIA (PC Card);

■ підтримка команди Identify Drive, за допомогою якої можна отримати додаткові відомості про диск;

■ стандарт CHS/LBA, визначений для дисків ємністю до 8,4 Гбайт.

Найбільш важливим нововведенням в стандарті АТА-2 була підтримка більш швидкодіючих режимів РIO і DMA, а також накопичувачів об’ємом до 8,4 Гбайт на рівні BIOS, оскільки, незважаючи на підтримку стандартом АТА-1 дисків ємністю до 136,9 Гбайт, перші версії PC BIOS дозволяли працювати з дисками об’ємом не більше 528 Мбайт. Додавання функції трансляції параметрів дозволило збільшити об’єм підтримуваних BIOS накопичувачів до 8,4 Гбайт.

Крім того, АТА-2 вносить деякі зміни в команду ідентифікації жорсткого диска, в результаті чого з’являється можливість передавати в систему більш докладні відомості про нього. Це особливо важливо як для технології Plug and Play, так і для сумісності з подальшими версіями стандарту.

Стандарт АТА-2 іноді називають Fast-ATA або Fast-ATA-2 (компанії Seagate/Quantum), а також EIDE (Enhanced IDE) (компанія Western Digital).

Хоча роботу над стандартом АТА-2 було розпочато в 1993 році, вперше він був опублікований в 1996 році під назвою ANSI ХЗ.279-1996 AT Attachment Interface with Extensions. Офіційна підтримка АТА-2 припинено в 2001 році.

Контрольні запитання

1. Проаналізуйте історію розвитку інтерфейсу IDE

2. Опишіть походження IDE

3. Опишіть походження АТА

4. Охарактеризуйте стандарт АТА

5. Охарактеризуйте стандарт АТА-1

6. Охарактеризуйте стандарт АТА-2

Тема. СТАНДАРТИ АТА (АТА-3, ATA/ATAPI-4, ATA/ATAPI-5, ATA/ATAPI-6, ATA/ATAPI-7, SATA/ATAPI-8)

1. Стандарт АТА-3

Стандарт АТА-3 запропонував незначні зміни в порівнянні зі своїм попередником. Серед найбільш помітних нововведень наступні:

■ виняток 8-розрядного протоколу передачі даних по каналах DMA;

■ технологія самоконтролю з аналізом SMART (Self Monitoring Analysis and Report Technology) для передбачення зниження швидкодії пристрою;

■ підтримка режиму LBA стала обов’язковою (раніше вона такою не була);

■ доданий режим Security АТА, що дозволяє захистити паролем доступ до пристрою;

■ наведено рекомендації щодо термінаторів шини для забезпечення підвищеної завадостійкості при високих швидкостях передачі даних.

Стандарт АТА-3 базується на стандарті АТА-2, але забезпечує більш високу надійність, особливо при використанні режимів обміну даними PIO Mode 4; проте в ньому не визначено жодного більш швидкодіючого режиму. При цьому були додані такі функції, як захист паролем, розширене управління живленням, а також підтримка технології SMART Це дозволяє накопичувачу контролювати свій стан і у разі виявлення проблем повідомляти про це, завдяки чому запобігається втрата даних. Технологія S.M.A.R.T. спочатку була розроблена компанією IBM.

Робота над стандартом АТА-3 була почата в 1995 році, а опублікований він в 1997 році під назвою ANSI ХЗ.298-1997, AT Attachment 3 Interface. Офіційна підтримка стандарту АТА-3 припинена в 2002 році

2. Стандарт ATA/ATAPI-4

Специфікація АТА-4 була опублікована в 1998 році. Відповідно до неї пакетний інтерфейс ATAPI розглядається як повноправний, а не допоміжний інтерфейс АТА, причому повністю сумісний з ним. Це дозволило підключати до стандартного інтерфейсу такі пристрої, як приводи оптичних CD-ROM і CD-RW, приводи гнучких дисків LS-120 SuperDisk, Zip-пристрої, стрічкові накопичувачі і т.д. До цього часу стандарт ATAPI був формально відокремлений від АТА. Крім того, АТА-4 підтримує режими Ultra-DMA (званий також Ultra-АТ А) для ще більш швидкої передачі даних. Режим з найвищим експлуатаційним показником, званий DMA/33, має пропускну здатність 33 Мбайт/с.

Основні нововведення стандарту АТА-4 наступні:

■ режим передачі даних Ultra-DMA, що забезпечує швидкість до 33 Мбайт/с;

■ інтегрована підтримка АТ АР I;

■ підтримка розширеного управління живленням;

■ новий 80-жильний 40-контактний кабель, що володіє підвищеним захистом від перешкод;

■ підтримка захищеної області жорсткого диска (НРА);

■ підтримка Compact Flash Adapter (CFA);

■ поліпшена BIOS з підтримкою дисків великої ємності (більше 9400000000000, гігабайт), хоча стандарт АТА раніше обмежений максимальним об’ємом 136,9 Гбайт.

Ступінь підтримки та швидкість інтерфейсу АТА в системі визначаються головним чином набором мікросхем системної плати.

Більшість мікросхем системної логіки поставляється з такими компонентами, як мікросхеми південного моста або контролера введення-виведення, що підтримують інтерфейс АТА (а також інші функції). Щоб дізнатися, чи підтримує материнська плата режими АТА/33, АТА/66, АТА/100 і АТА/133, слід прочитати документацію до системної плати або її набору мікросхем.

Можна також запустити програму налаштування BIOS, відкрити меню з настройками жорсткого диска і переглянути перераховані режими Ultra-DMA (якщо такі є). Більшість системних плат, випущених в 1998 році, підтримують АТА/33; починаючи з 2000 року плати підтримують режим АТА/66, а з кінця 2000 року - режим АТА/100. Системні плати, що випускаються із середини 2002 року, підтримують режим АТА/133.

Стандарт АТА-4 ввів підтримку ATAPI. Таким чином, AT API перестав існувати як окремий інтерфейс, незалежний від АТА. Це дозволило використовувати АТА в якості інтерфейсу інших пристроїв. Крім того, в стандарт АТА-4 була додана підтримка високошвидкісних режимів передачі даних Ultra-DMA. Так, режим UDMA/33 мав пропускну здатність 33 Мбайт/с, що вдвічі вище, ніж у радніших режимів PI0 і DMA. Режим UDMA до того ж ще і зменшував навантаження на процесор, що дозволило досягти ще більшого прориву в продуктивності.

Необов’язковий 80-жильний кабель призначений для передачі даних в режимі UDMA/33. Незважаючи на те що в даному випадку цей кабель використовувати необов’язково, у наступних високошвидкісних режимах АТА/55, АТА/100 і АТА/133, введених стандартом АТА-5, він стане обов’язковим.

Підтримка захищеної області жорсткого диска (НРА) була введена з метою підтримки необов’язкової команди SET MAX ADDRESS, що дозволяє виділяти деякий простір жорсткого диска для програм відновлення. Також в стандарт була включена підтримка команд, аналогічних SCSI-2. Це дозволило краще обслуговувати багатозадачні системи, в яких одночасно працюючі програми відправляють свої запити на передачу даних по інтерфейсу АТА.

У 1998 році Комітет Т13 затвердив стандарт ANSI NCITS 316-1998 1394 to AT Attacment - Tailgate, що описує протокол сполучення між шиною IEEE-1394 (iLink/FireWire) і накопичувачем АТА. Цей протокол дає можливість забезпечити взаємодію накопичувачів АТА з шиною FireWire.

Сам шлюз сполучення являє собою адаптер (у вигляді невеликої монтажної плати), що використовується для перетворення сигналів IEEE-1394 (iLink/FireWire) в АТА, що дозволяє підключати накопичувачі АТА до шини FireWire. Це дало можливість виробникам швидко почати розробку зовнішніх дискових накопичувачів, що підключаються по інтерфейсу IEE 1394. В даний час практично у всіх зовнішніх накопичувачах FireWire міститься шлюзовий пристрій і стандартний накопичувач АТА.

3. Стандарт ATA/ATAPI-5

Стандарт АТА-5 був представлений в 1998 році і базується на попередньому стандарті, АТА-4. Він включає в себе специфікацію UltraАТА/66 (також відому як Ultra-DMA 6 або UDMA/66), в якій швидкість пакетної передачі протоколу Ultra-АТА подвоєна за рахунок скорочення часу синхронізації і підвищення частоти. Останнє призвело до збільшення перешкод при передачі по стандартному 40-жильному кабелю, який використовується в інтерфейсах АТА і Ultra-АТА. Для зниження рівня перешкод був розроблений 80-жильний 40-контактний кабель Він був вперше представлений для інтерфейсу АТА-4, однак став обов’язковим для АТА-5 у разі використання режиму UDMA/66. Цей кабель має 40 додаткових заземлюючих проводів між кожною з 40 основних сигнальних і заземлюючих ліній, що допомагає ізолювати сигнали від взаємних наведень. Даний кабель працює не тільки з пристроями Ultra-АТА, а й зі старими пристроями, оскільки всі 40 контактів мають те ж призначення, що й раніше.

Робота над стандартом АТА-5 була розпочата в 1998 році, а офіційно він був опублікований у 2000 році під назвою ANSI NCITS 340-2000, AT Attachment-5 with Packet Interface.

Цей стандарт був доповнений такими можливостями:

■ режим передачі Ultra-DMA (UDMA), розрахований на швидкість до 66 Мбайт/с (так звана специфікація UDMA/66 або Ultra-АТА/66);

■ 80-жильний кабель, необхідний для роботи в режимі UDMA/66;

■ автоматичне визначення кабелю - 40 - або 80-жильний;

■ можливість використання режимів вищих UDMA33 (тільки за наявності 80-жильного кабелю). Новий 40-контактний 80-жильний кабель може працювати в режимі вибору кабелю і має особливу кольорову розмітку роз’ємів. Блакитний (кінцевий) роз’єм підключається до плати інтерфейсу АТА (зазвичай до системної плати). Чорний (з іншого боку кабелю) роз’єм називається майстер-роз’ємом; до нього підключається провідний диск. Сірий (центральний) роз’єм використовується для підключення веденого пристрою.

Щоб використовувати режими UDMA/33 і UDMA/66, інтерфейс АТА, накопичувач, BIOS і кабель повинні бути сумісні з режимом, який ви хочете застосувати. Крім того, операційна система повинна підтримувати прямий доступ до пам’яті. Системи Windows 95 0SR2 і пізніші підтримують режим прямого доступу до пам’яті, однак таким версіями, як Windows 95 і Windows NT (до появи пакета поновлення Service Pack 3), необхідні додаткові драйвери цих швидкісних режимів.

Для підвищення надійності в режимах Ultra-DMA використовується механізм виявлення помилок CRC. Цей алгоритм пошуку обчислює контрольну суму, яка використовується для виявлення помилок в потоці даних. І контролер, і диск обчислюють значення CRC для кожної передачі в каналі Ultra-DMA. Після пересилки даних диск окремо розраховує значення CRC і порівнює його зі значенням, яке надсилає контролер. Якщо ці значення відрізняються, то контролер знижує швидкість передачі і повторно відправляє дані.

4. Стандарт ATA/ATAPI-6

Робота над стандартом АТА-6 була розпочата у 2000 році; даний стандарт підтримує специфікацію Ultra-ATA/100 (також відому як UDMA/100), в якій швидкість пакетної передачі протоколу Ultra-АТА подвоєна за рахунок скорочення часу синхронізації і підвищення частоти. Як і у випадку використання стандарту АТА-5, для забезпечення швидкісних режимів роботи необхідний 80-жильний кабель. Для забезпечення працездатності режиму Ultra-ATA/100 його повинні підтримувати і накопичувач, і системна плата.

Стандарт АТА-6 був офіційно опублікований на початку 2002 року і доповнено такими можливостями:

■ режим 5 Ultra-DMA (UDMA), що дозволяє передавати дані зі швидкістю до 100 Мбайт/с (так звана специфікація UDMA/100, Ultra-ATA/100 або просто АТА/100);

■ кількість секторів, що припадають на кожну команду, збільшилася з 8-розрядних чисел (256 секторів, або 131 Кбайт) до 16-розрядних (65536 секторів, або 33,5 Мбайт), що дозволило підвищити ефективність передачі файлів великого розміру;

■ розширення адресації LBA з 2 до 248 (281474976710656) секторів, що дозволяє підтримувати диски ємністю до 144,12 Пбайт (1 Пбайт дорівнює 1 квадрильйон байтів);

■ адресація CHS визнана застарілою; дисководи повинні використовувати тільки 28 - або 48-розрядну адресацію LBA.

Крім підвищення швидкості передачі даних до 100 Мбайт/с, АТА-6 вчасно збільшив підтримувану ємність диска. АТА-5 і стандарти більш ранніх версій підтримують диски ємністю не більше 136,9 Гбайт, що обмежує збільшення ємності вироблених дисків. У 2001 році з’явилися перші комерційні 3,5-дюймові диски, ємність яких перевищила 137 Гбайт. На той момент існували тільки SCSI-версії цих накопичувачів, що було пов’язано з обмеженнями стандартів АТА. При використанні стандарту АТА-6 адресація

LBA була розширена з 2 до 24 секторів. Це означає, що замість 28- розрядного числа, яке використовувалося логічним блоком адресації, в стандарті АТА-6 при необхідності може використовуватися 48-розрядне число. Це дозволяє при ємності сектора, рівний 512 байт, підвищити максимальну підтримувану ємність накопичувачів до 144,12 Пбайт (тобто більше 144,12 квадрильйона байтів!) Слід зазначити, що 48-розрядна адресація є необов’язковою і використовується тільки для дисководів, ємність яких перевищує 137 Гбайт. Дисководи, ємність яких менша або дорівнює 137 Гбайт, можуть використовувати як 28 -, так і 48-розрядну адресацію.

5. Стандарт ATA/ATAPI-7

Робота над стандартом АТА-7 почалася в кінці 2001 року, а його остаточна версія була опублікована в 2004 році. Як і всі стандарти АТА, він спирається на попередню версію, доповнюючи її деякими можливостями.

Основні нововведення стандарту АТА-7 наведені нижче.

■ Додано режим 6 Ultra DMA, що збільшує швидкість передачі даних до 133 Мбайт/с. Як і в режимах 5 (100 Мбайт/с) і 4 (66 Мбайт/с), обов’язково використання 80-жильного кабелю.

■ Додана підтримка довгих фізичних секторів. Це дозволяє форматувати пристрої так, щоб один фізичний сектор містив декілька логічних секторів. Кожен фізичний сектор зберігає поле коду корекції помилок (ЕСС), так що збільшення ємності фізичного сектора дозволило підвищити ефективність кодів ЕСС, яких стало менше.

■ Додана підтримка довгих логічних секторів. Це дозволило серверним додаткам використовувати в кожному секторі додаткові байти (520 або 528 байт замість 512 байт). Пристрої, що використовують довгі логічні сектори, не мають зворотної сумісності з пристроями і додатками, що використовують стандартні 512-байтові сектори.

■ У стандарт АТА-7 включені вимоги до послідовного інтерфейсу АТА (SATA).

■ Документ стандарту АТА-7 розбитий на три томи. До першого тому увійшли набір команд і логічні регістри. Другий том присвячений протоколам паралельної передачі даних, а третій - протоколам послідовної передачі даних.

Завдяки використанню режимів UDMA пропускна здатність інтерфейсу, що з’єднує контролер, вбудований в накопичувач, з системною платою, помітно підвищилася. Але, незважаючи на це, середня максимальна швидкість передачі при читанні даних в більшості накопичувачів АТА, до числа яких відносяться дисководи, підтримують режим UDMA Mode 6 (133 Мбайт/с), все ще не перевищує 60 Мбайт/с. Це означає, що при використанні сучасних накопичувачів АТА, що дозволяють передавати дані від дисковода до системної плати зі швидкістю 133 Мбайт/с, фактична швидкість передачі даних, зчитувальних головками з жорстких дисків накопичувача, буде приблизно вдвічі менше. Можна помітити, що використання накопичувача, що підтримує режим UDMA Mode 6 (133 Мбайт/с), і системної плати, що працює тільки в режимі UDMA Mode 5 (100 Мбайт/с), призводить до дуже незначного зниження фактичної швидкості передачі даних. Аналогічно цьому заміна хост-адаптера АТА, з швидкістю передачі 100 Мбайт/с, пристроєм з пропускною здатністю 133 Мбайт/с не дозволить підвищити фактичну швидкість передачі даних при використанні накопичувача, який зчитує дані з жорстких дисків приблизно з половинною швидкістю. При виборі накопичувача слід звернути увагу на те, що швидкість передачі носіїв є більш важливим показником, ніж швидкість передачі інтерфейсу.

6. Стандарт SATA/ATAPI-8

У 2004 році було розпочато роботу над стандартом SАТА-8, який базується на стандарті АТА-7 і є подальшим розвитком Serial АТА з одночасною повною підтримкою паралельного інтерфейсу АТА. Основні нововведення стандарту SАТА-8 наступні:

■ заміна функцій read long/write long;

■ поліпшене керування захищеною областю диска (НРА). По мірі розвитку стандарту в ньому знаходять відображення пропозиції, спрямовані комітетом SATA-IO, в тому числі підвищена швидкість передачі даних (3 і навіть 6 Гбайт/с).

Контрольні запитання

1. Охарактеризуйте стандарт АТА-3

2. Охарактеризуйте стандарт ATA/ATAPI-4

3. Охарактеризуйте стандарт ATA/ATAPI-5

4. Охарактеризуйте стандарт ATA/ATAPI-6

5. Охарактеризуйте стандарт ATA/ATAPI-7

6. Охарактеризуйте стандарт SATA/ATAPI-8

Тема. Паралельний інтерфейс АТА

1. Роз’єм введення-виведення паралельного АТА

Паралельний інтерфейс АТА (РАТА) має унікальні специфікації і вимоги до фізичного з’єднанню пристроїв і їх роз’ємів.

Щоб запобігти неправильному підключенню, 40-контактний роз’єм інтерфейсу АТА постачають ключем. Цей ключ на штекері кабелю виконують у вигляді виступу, а також заблокованого контакту з номером 20. На самому пристрої для ключа відповідає розріз, а контакт з номером 20 відсутній.

У портативних комп’ютерах для підключення 2,5-дюймового дисковода зазвичай використовується зменшений уніфікований 50- контактний роз’єм, виходи якого розташовані на відстані 2 мм (0,079 дюйма) один від одного. Крім основної 40-контактної частини, яка практично не відрізняється від стандартного роз’єму АТА (за винятком зменшеної відстані між виходами), існують також додаткові виходи живлення і перемичок.

Зазвичай для підключення до роз’єму використовується 44-контактний кабель, що передає живлення і стандартні сигнали АТА. Статус жорсткого диска визначається положенням наявної на ньому перемички або перемикача: ведучий (Master), ведений (Slave) або вибір кабелю (Cable Select).

Зверніть увагу на виходи позицій А-B і віддалені виходи позицій Е і F. Перемичка, яка використовується для визначення статусу жорсткого диска, зазвичай розташовується між контактами позицій В і D. Виходи 41 і 42 роз’єму служать для подачі живлення напругою +5 В до логічної схеми дисковода (на монтажну плату) і електродвигуна; вихід 43 заземлений (тобто підключений до загального проводу); вихід 44 є резервним і в даній конструкції не використовується. Слід також зазначити, що в 2,5-дюймових дисководах, на відміну від дисководів більшого розміру, використовується електродвигун з робочою напругою 5 В, а не 12 В.

Дуже рідко при установці різних апаратних компонентів можна зустріти кабель з блокованим виходом 20 (як це і повинно бути) і роз’єм, в якому вихід 20 все ще існує. При цьому можна видалити вихід 20 з системної плати, а також розблокувати вихід кабелю або скористатися іншим кабелем, що не має блокованого виходу. У деяких кабелях блок являє собою частину корпусу кабельного роз’єму, отже, доведеться або видалити вихід 20 на системній платі, або взяти інший кабель.

Існує просте правило, згідно з яким вихід 1 повинен розташовуватися з боку роз’єму живлення пристрою, що підключається, йому зазвичай відповідає червона смуга на кабелі.

2. Кабель введення-виведення паралельного АТА

Для передачі сигналів між адаптером шини і жорстким диском використовується 40-контактний стрічковий кабель. Щоб по можливості не допускати спотворення форми сигналу, збільшення затримок і рівня перешкод, довжина кабелю не повинна перевищувати 46 см (18 дюймів), хоча тестування показало, що 80-жильні кабелі можуть досягати довжини 69 см (27 дюймів).

Нові високошвидкісні інтерфейси IDЕ найбільш схильні до перешкод, що виникають в кабелях, особливо в надто довгих. У них можливі порушення цілісності даних та інші неприємності. Крім того, будь-який жорсткий диск, що працює в режимі UDMA Mode 4 (66 Мбайт/с), Mode 5 (100 Мбайт/с) або Mode 6 (133 Мбайт/с), повинен підключатися до 80- жильного кабеля. Такий же кабель не завадить використовувати і для жорсткого диска UDMA/33.

В даний час застосовуються два типи кабелів - 40 - і 80-жильні. В обох використовуються 40-контактні роз’єми, а інші провідники в 80-жильному кабелі заземлені. Таке конструктивне рішення дозволяє знизити рівень перешкод у високошвидкісних інтерфейсах UltraATA/66 або більше нових.

Сучасні пристрої та адаптери АТА здатні відрізнити підключення 80- жильного кабелю від 40-жильного; в останньому випадку просто відключається підтримка високошвидкісних режимів (АТА/66, АТА/100 і АТА/133) і відображається відповідне попередження. Новий 80-жильний кабель зворотньосумісний з 40-жильним, тому краще використовувати саме цей тип кабелю, незалежно від інтерфейсу встановленого накопичувача.

Для того щоб відрізнити 40-жильний кабель від 80-жильного слід підрахувати виступи на плоскому кабелі, крім того 80-жильний кабель менш ребристий, тобто більш гладкий.

80-жильні кабелі забезпечені ключами, які дозволяють запобігти неправильному підключенню. У відповідності зі стандартами АТА всі 80- жильні кабелі повинні забезпечуватися ключами (лише якісні 40-жильні кабелі мають ключ).

3. Керуючі сигнали паралельного інтерфейсу АТА

Вихід 20 грає роль ключа для правильної орієнтації роз’єму і він просто відсутній. Цей вихід і відповідний отвір в відповідній частині мають бути відсутні у всіх роз’ємах інтерфейсу АТА. Все це необхідно для того, щоб запобігти неправильному підключенню кабеля. Ніяких сигналів на вихід 20 не подається.

На вихід 39 подається сигнал DA/SP (Drive Active/Slave Present - пристрій активний, ведений диск присутній), що одночасно виконує дві функції. Відразу після включення комп’ютера на вихід 39 надходить напруга, яка свідчить про наявність в системі веденого жорсткого диска. Після цього кожен жорсткий диск періодично відсилає сигнал, що підтверджує його активність. Старі пристрої не підтримували такий протокол і оснащувалися стандартними перемичками для можливості роботи в парі з іншими пристроями на одному каналі IDE. З цієї причини одні пристрої вимагають установки перемички веденого пристрою (SP), а інші - ні.

Через вихід 28 можуть передаватися два сигналу: SPSYNC (Spindle Synchronization - синхронізація шпинделя) і CSEL (Cable Select - вибір кабелю). Однак під час установки можна задати параметри так, щоб використовувалася тільки одна з цих функцій. Сигнал SPSYNC може знадобитися для синхронізації обертання шпиндельного двигуна, та частіше через цей вихід передається другий з можливих сигналів - CSEL. З його допомогою можна визначити жорсткий диск або як ведучий (присвоюється номер 0), або як ведений (присвоюється номер 1), не переставляючи в них ніяких перемичок Якщо лінію CSEL, до якої підключений даний жорсткий диск, заземлити (приєднати до загального проводу), то накопичувач буде первинним; якщо ж залишити її вільною (не підключати до загального проводу), то накопичувач виявиться вторинним.

Лінії CSEL для різних жорстких дисків можна заземлити (підключити до загального проводу) окремо, скориставшись Y-подібним кабелем-роздвоювачем. У ньому роз’єм, підключений до шини IDE, змонтований в середині кабелю, а роз’єми для двох жорстких дисків - на протилежних кінцях. В одній з гілок кабеля лінія CSEL заземлена (первинний жорсткий диск), а в іншій - вільна.

Контрольні запитання

1. Опишіть роз’єм введення-виведення паралельного АТА

2. Опишіть кабель введення-виведення паралельного АТА

3. Охарактеризуйте керуючі сигнали паралельного інтерфейсу АТА

4. Як можна підключити два жорстких диски РАТА?

5. Охарактеризуйте режими обміну даними PIO паралельного АТА

6. Охарактеризуйте режими обміну даними DMA паралельного АТA

Тема. Підключення двох жорстких дисків РАТА. Режими обміну даними PIO та DMA

1. Підключення двох жорстких дисків РАТА

Установка двох накопичувачів IDE в одному комп’ютері може виявитися проблематичною, оскільки кожен з них має власний контролер і обидва повинні функціонувати, будучи підключеними до однієї шині. Тому важливо знайти метод, що дозволяє адресувати кожну конкретну команду тільки одного контролера.

У стандарті АТА передбачено спосіб організації спільної роботи двох послідовно підключених жорстких дисків. Статус жорсткого диска (ведучий або ведений) визначається або шляхом установки наявної в ньому перемички чи перемикача (з позначенням Master для ведучого і Slave для веденого), або шляхом подання по одній з ліній інтерфейсу керуючого сигналу вибору кабелю CSEL.

При установці в системі тільки одного жорсткого диска його контролер реагує на всі команди, що надходять від комп’ютера. Якщо жорстких дисків два (а отже, і два контролера), то команди надходять на обидва контролера одночасно. Їх слід налаштовувати так, щоб кожен жорсткий диск реагував тільки на адресовані йому команди. Саме для цього і служить перемичка (перемикач) Master/Slave і керуючий сигнал CSEL. Коли система передає команду певному накопичувачу, контролер іншого дисковода повинен «зберігати мовчання» до тих пір, поки вибрані накопичувач і контролер продовжують функціонувати. Установка перемички в положення Master або Slave дає можливість розпізнавати контролери, задаючи параметри певного двійкового розряду (розряду DRV) в регістрі Drive/Head Register командного блоку.

Процес конфігурування накопичувачів АТА може бути простим, наприклад при установці тільки одного жорсткого диска, або досить складним, якщо доводиться підключати до одного кабелю два старих накопичувача від різних виробників.

Більшість накопичувачів IDE можна конфігурувати наступним чином:

■ первинний (один накопичувач);

■ первинний (два накопичувача);

■ вторинний (два накопичувача);

■ вибір кабелю.

Багато накопичувачів підтримують тільки три можливі конфігурації: первинний, вторинний і вибір кабелю. Оскільки кожен накопичувач АТА має власний контролер, необхідно однозначно вказати, що один з приводів є ведучим пристроєм, а інший - веденим. Між цими пристроями не існує ніяких функціональних відмінностей, за винятком того, що накопичувач, визначений як ведений, після повернення системи в початковий стан відправить сигнал DASP, який вказує ведучому накопичувачу на існування веденого. Після прийому цього сигналу ведучий накопичувач приділяє увагу лінії вибору дисковода, яку за звичайних умов він ігнорує. Передача повідомлення про те, що певний пристрій є вторинним, також призводить до затримки розкрутки диска на кілька секунд, завдяки чому ведучий накопичувач починає роботу першим.

При використанні режиму, що підтримує вибір кабелю, необхідно встановити перемичку CS в положення «On», а всі інші перемикачі - в положення «Off». У цьому випадку роз’єм кабелю самостійно визначає, який з накопичувачів повинен бути провідним пристроєм, а який - веденим.

Установка перемички Master вказує на те, що даний диск є головним. У той же час деякі пристрої мають перемичку наявності веденого пристрою (Slave Present), яка використовується тільки в конфігурації з двома пристроями, причому тільки на головому диску. У багатьох пристроях установка перемички ведучого пристрою необов’язкова, але встановивши цю перемичку, можна уникнути багатьох непорозумінь.

В деяких накопичувачах перемикачі розташовуються на монтажній платі, яка знаходиться в нижній частині пристрою, тому на задній частині корпусу дані перемички відсутні.

У більшості сучасних систем використовується режим вибору кабелю (Cable Select), який дозволяє уникнути помилок при установці перемикачів «первинний/вторинний». Для використання цього режиму будуть потрібні два елементи. По-перше, потрібен спеціальний кабель АТА, всі контакти якого (за винятком виходу 28) з’єднують роз’єм системної плати з відповідними роз’ємами обох накопичувачів. Вихід 28 використовується для вибору кабелю і підключається до гнізда первинного накопичувача (але не вторинного). По-друге, обидва накопичувача повинні бути налаштовані в режимі вибору кабелю за допомогою установки перемикачів CS у відповідне положення.

У режимі вибору кабелю накопичувач, який отримав сигнал на вихід 28, автоматично стає головним пристроєм, а другий накопичувач - веденим.

У багатьох кабелях ця функція реалізується шляхом видалення металевого покриття на внутрішній частині отвору, розташування якого відповідає виходу 28. В інших кабелях частина жили 28-го контакту вилучена. Незначні зміни, внесені в конструкцію, помітити практично неможливо, тому кабелі такого типу зазвичай мають роз’єми з маркуванням «Master», «Slave» і «System»; вона вказує, що управління цими опціями виконується за допомогою кабелю, а не накопичувача. Всі 80-жильні кабелі Ultra-АТА призначені для використання функції вибору кабелю.

У режимі вибору кабелю досить встановити перемички CS на всіх накопичувачах, а потім підключити приводи до відповідних маркованих роз’ємів кабелю.

Єдиним недоліком режиму вибору кабелю є жорсткіші вимоги до місця установки пристроїв. Це, насамперед, пов’язано з довжиною і конфігурацією самого кабелю.

2. Режими обміну даними PIO паралельного АТА

У стандартах ATA-2/EIDE і АТА-3 передбачено кілька режимів швидкого обміну даними з жорсткими дисками. Більшість сучасних швидкодіючих жорстких дисків може працювати в так званих режимах РIO3 і РIO4, швидкість обміну даними в яких дуже висока. Від вибору режиму РIO (програмованого введення-виведення) залежить швидкість обміну даними з жорстким диском. У самому повільному режимі (режим 0) тривалість одного циклу передачі даних не перевищує 600 нс. У кожному циклі передається 16 біт даних, тому теоретично можлива швидкість обміну в режимі 0 становить 3,3 Мбайт/с. У більшості сучасних жорстких дисків підтримується режим РIO 4, в якому швидкість обміну даними досягає 16,6 Мбайт/с.

На більшості материнських плат, що підтримують стандарт АТА-2 і вище, є два роз’єми АТА. У таких системних платах інтерфейс АТА включений до складу південного моста набору мікросхем системної логіки, який пов’язаний з шиною PCI.

Жорсткий диск у відповідь на запит команди ідентифікації, повертає інформацію про режими РIO і DMA, в яких він може працювати. В більшості покращених версій BIOS передбачений автоматичний перехід програми в режим, який відповідає можливостям жорсткого диска. Якщо встановити швидкість обміну більше тієї, на яку розрахований жорсткий диск, дані будуть втрачені.

У жорстких дисках, що відповідають стандарту АТА-2, передбачений блоковий режим передачі даних (Block Mode РІО) з використанням команд Read/Write Multiple. Завдяки ним вдається істотно скоротити кількість переривань, які відсилаються на адресу центрального процесора, і відповідно зменшити час їх обробки. Це дозволяє ще більше підвищити швидкість обміну даними.

3. Режими обміну даними DMA паралельного АТА

Передача через канал прямого доступу до пам’яті (DMA) означає, що на відміну від режиму РІО дані передаються безпосередньо з жорсткого диска в системну (основну) пам’ять, минаючи центральний процесор. Це звільняє процесор від більшості операцій обміну даними з диском. Під час передачі даних з диска в пам’ять процесор може виконувати іншу роботу.

Існує два типи прямого доступу до пам’яті: однослівний (8-розрядний) і багатослівний (16-розрядний). Однослівні режими DMA були видалені з стандарту АТА-3, а також з специфікацій пізніших версій і в даний час не використовуються. Режими DMA, що використовують хост-адаптер, який підтримує технологію управління шиною, отримали назву режимів Bus Master АТА. У першому випадку обробка запитів, захоплення шини і передача даних здійснюються контролером DMA на системній платі. У другому випадку всі ці операції виконує додаткова високошвидкісна мікросхема, також змонтована на системній платі. Використання режимів DMA знімає навантаження з процесора, що в результаті збільшує загальну швидкодію системи.

Контрольні запитання

1. Як можна підключити два жорстких диски РАТА?

2. Охарактеризуйте режими обміну даними PIO паралельного АТА

3. Охарактеризуйте режими обміну даними DMA паралельного АТA

Тема. SERIAL АТА

1. Serial АТА

Новий послідовний інтерфейс АТА (Serial АТА, або SATA), прийшов на зміну паралельному інтерфейсу фізичних накопичувачів. Він зворотньо сумісний на програмному рівні, тобто програмне забезпечення яке використовується взаємодіє з новою архітектурою без будь-яких обмежень. Іншими словами, існуюча BIOS, операційні системи та утиліти, що працюють з паралельним АТА, точно так само будуть працювати і з послідовним інтерфейсом. SATA підтримує всі існуючі пристрої АТА і ATAPI, в число яких входять дисководи CD-ROM, CD-RW і DVD, накопичувачі на магнітній стрічці, дисководи SuperDisk, а також накопичувачі інших типів, які підтримуються в даний час паралельним АТА.

Існують певні фізичні відмінності: не можна, наприклад, підключити дисководи стандарту АТА до хост-адаптерів послідовного інтерфейсу АТА, і навпаки. У SATA використовуються більш вузькі 7-контактні кабелі, що дозволяють спростити схему підключення системних компонентів і зменшити габарити кабельних роз’ємів. Конструкція мікросхеми SATA відрізняється меншою кількістю контактів і зниженою напругою живлення. Всі ці зміни дозволили уникнути багатьох проблем, характерних для паралельного інтерфейсу АТА.

З часом SATA як фактичний стандарт внутрішніх запам’ятовуючих пристроїв, який використовуються в ПК, повністю витіснить паралельний інтерфейс АТА. Конструктивні особливості сучасних системних плат вказують на те, що перехід від стандартів АТА до SATA буде здійснюватися поступово, причому можливостями паралельного інтерфейсу АТА можна буде користуватися протягом усього перехідного періоду.

У лютому 2000 року відбувся офіційний Форум розробників Intel, на якому було оголошено про створення спеціальної робочої групи, що займається розробкою стандарту SATA. Першими членами цієї групи стали компанії APT Technologies, Dell, IBM, Intel, Maxtor, Quantum і Seagate. Назва цієї групи зазнало ряд змін, і тільки в 2004 році закріпилося останнє з них - Міжнародна організація Serial АТА. Даними групами були випущені наступні специфікації SATA.

■ Перший чорновик специфікації Serial АТА 1.0 був представлений в листопаді 2000 року; остаточну специфікацію опублікували в серпні 2001 року.

■ Перші розширення Serial АТА II Working Group даної специфікації, завдяки яким інтерфейс Serial АТА став більше підходити для використання в мережевих сховищах, були опубліковані в жовтні 2002 року.

■ Специфікація SATA Revision 2 була опублікована в квітні 2004 року. Вона додала швидкість передачі даних 3 Гбіт/с (300 Мбайт/с).

■ Специфікація SATA Revision 2.5 була опублікована в серпні 2005 року. Крім швидкості передачі даних 3 Гбіт/с, вона додала підтримку команд Native Command Queuing (NCQ), поетапне збільшення частоти обертання, «гаряче» підключення, домножувач портів, а також підтримку eSATA.

■ Специфікація SATA Revision 2.6 була опублікована в березні 2007 року. Вона додала нові кабелі і роз’єми Slimline і Micro, а також модифікований набір команд Native Command Queuing (NCQ).

■ Специфікація SATA Revision 3.0 була опублікована в 2009 році. Вона додала швидкість передачі даних 6 Гбіт/с (600 Мбайт/с.

Системи з інтерфейсом Serial АТА вперше були випущені в 2002 році завдяки використанню окремих адаптерів PCI або інтегрованих контролерів. Вперше інтерфейс SATA був інтегрований в набір мікросхем в квітні 2003 року, коли був представлений південний міст Intel ICH5. З тих пір практично всі набори мікросхем підтримують інтерфейс Serial АТА.

Продуктивність SATA просто вражає! В даний час існуєь три версії стандарту SATA, в яких використовуються кабелі і роз’єми одних і тих же розмірів; ці версії відрізняються тільки швидкістю передачі даних. Після появи першої версії стало очевидно, що ефективність інтерфейсу може бути збільшена в два і навіть в чотири рази.

В інтерфейсі використовується вузький 7-жильний кабель з ключовими роз’ємами шириною не більше 14 мм (0,55 дюйма) на кожному кінці. Подібна конструкція дозволяє уникнути проблем з циркуляцією повітря, що виникають при використанні більш широких плоских кабелів стандарту АТА. Кабелі, використовуються для з’єднання пристрою безпосередньо з контролером. У послідовному інтерфейсі перемички «ведучий-ведений» не використовуються, оскільки кожен кабель підтримує тільки один пристрій. Кінці кабелю зовсім однакові, тобто роз’єм системної плати і роз’єм пристрою, що під’єднується практично не відрізняються. Максимальна довжина кабелю SATA досягає одного метра (39,37 дюйма), що значно перевищує 18-дюймовий максимум для паралельного інтерфейсу АТА. Швидкість передачі даних послідовного інтерфейсу, що використовує більш вузький, довгий і менш дорогий кабель, дорівнює 150 Мбайт/с (у півтора рази більше швидкості передачі паралельного АТА/100). У майбутньому ця швидкість збільшиться.

Для кодування і розшифровки даних, що передаються по кабелю, SATA використовують спеціальну схему шифрування, що отримала назву 8В/10В. Спочатку код 8В/10В був розроблений (і запатентований) компанією IBM на початку 1980-х років для використання в швидкодіючій передачі даних. В даний час ця схема використовується в багатьох високошвидкісних стандартах передачі даних. Основною особливістю схеми кодування 8В/10В є те, що кількість послідовно переданих нулів (або одиниць) не повинно перевищувати чотирьох. Схема RLL 0,4 називається кодуванням з обмеженням довжини запису (Run Length Limited - RLL), де 0 вважається мінімальним, а 4 - максимальним числом послідовних нулів в кожному закодованому символі.

В одному закодованому 10-розрядному символі не може бути використано більше шести або менше чотирьох нулів (одиниць). Передача нулів і одиниць здійснюється у вигляді зміни величини напруги, що подається. Тому проміжок між перехідними напругами, які подаються передавачем, виходить досить збалансованим, з більш стійким і регулярним потоком імпульсів. Навантаження схеми стає більш постійною, що призводить до підвищення її надійності. Під час перетворення 8-розрядних даних в 10-розрядні закодовані символи деяка кількість 10-розрядних комбінацій залишається невикористаною. Частина з них використовується для управління потоком, розмежування пакетів даних, перевірки помилок або будь-яких інших спеціальних операцій.

2. Кабелі та роз’єми SATA

У схемі фізичної передачі інтерфейсу SATA використовується так званий диференційований метод «без повернення до нуля» (Non-Return to Zero - NRZ). У цій схемі застосовується збалансована пара проводів, по кожному з яких подається напруга, рівна ± 0,25 В. Сигнали надсилаються диференційовано: якщо по одному дроту пари передається напруга +0,25 В, то по іншому відповідно -0,25 В. Таким чином, різниця напруг постійно складає 0,5 В. Це означає, що передані сигнали завжди знаходяться в протифазі в суміжних проводах. Диференційована передача мінімізує електромагнітне випромінювання і дозволяє спростити читання сигналів на приймаючому кінці.

В інтерфейсі SATA для подачі напруги 5 і 12 В використовується стандартний 4-контактний силовий роз’єм, а також додатковий 15- контактний силовий кабель і роз’єм живлення, які забезпечують подачу електроенергії напругою 3,3 В. Ширина силового роз’єму 15-контактного кабелю в цій конструкції дорівнює всього 24 мм (0,945 дюйма). Сила струму, що подається на контакти рівнів напруги 3,3, 5 і 12 В, досягає 4,5 А, що забезпечує достатню потужність навіть для найбільш енергоємних дисководів. Для сумісності з існуючими джерелами живлення дисководи SATA можуть бути виконані як зі стандартними 4-контактними роз’ємами живлення, так і з новими 15-контактними силовими роз’ємами.

У табл. 7.11 і 7.12 приведені параметри висновків роз’єму даних SATA і додаткових силових роз’ємів.

Виходи заземлення довші, тому вони контактують один з одним раніше, ніж сигнальні або силові контакти. Це дозволяє підключати кабель під час роботи комп’ютера.

Контакти роз’єму розташовані в один ряд на відстані 1,27 мм (0,05 дюйма) один від іншого. Виходи заземлення довші, тому вони контактують один з одним раніше, ніж сигнальні або силові контакти. Це дозволяє підключати кабель під час роботи комп’ютера.

3. Конфігурування пристроїв SATA

Конфігурування пристроїв SATA значно спрощено, так як перемикачі «первинний/вторинний» і «вибір кабелю», що використовуються з паралельним інтерфейсом АТА, більше не застосовуються. Налаштування BIOS при використанні накопичувачів SATA також не забере багато часу. Стандарт SATA створювався на основі інтерфейсу АТА, тому автоматичне розпізнавання параметрів накопичувача в системі з роз’ємами SATA виконується так само, як і в системі з паралельним інтерфейсом АТА. Залежно від характеристик системи SATA може бути активізований за замовчуванням або після установки відповідних параметрів в програмі настройки BIOS.

У перших хост-адаптерах SATA - до них належать моделі HighPoint і 3Ware - використовувалася технологія моста Parallel-Serial АТА, на підтримку якої витрачається не менше половини пропускної здатності шини даних. В інших адаптерах, зокрема в пристроях, розроблених компанією Promise Technology, застосовується власна мікросхема контролера SATA, яка теоретично є оптимальним рішенням, так як дозволяє накопичувачу використовувати пропускну здатність у повному обсязі. Перше покоління накопичувачів SATA зі швидкістю обертання 7200 об/хв має швидкість передачі даних не більше 40-50 Мбайт/с.

4. Інтерфейс AHCI

Інтерфейс SATA розроблявся не тільки як заміна паралельного інтерфейсу АТА, але і як інтерфейс з більш розширеними можливостями і функціями. Спочатку сумісність з паралельним інтерфейсом АТА була одним з найбільш важливих властивостей SATA, так як це дозволяло легко переходити від одного стандарту до іншого. Подібна сумісність поширюється на рівень драйверної підтримки, що дозволяє пристроям SATA використовувати ті ж драйвери і програмне забезпечення рівня BIOS, що й старі пристрої з паралельним інтерфейсом АТА.

Хоча спочатку передбачалося забезпечення простого переходу від пристроїв з паралельним інтерфейсом АТА до пристроїв SATA, стандарт SATA розроблявся таким чином, щоб забезпечувалося подальше підвищення швидкості передачі даних і розширення можливостей. Тому групою AHCI Contributor Group був розроблений розширений програмний інтерфейс AHCI (Advanced Host Controller Interface). Попередня версія специфікації AHCI v0.95 була представлена групою AHCI Contributor Group в травні 2003 року, а остаточна - у квітні 2004 року.

Специфікація AHCI визначає високопродуктивний інтерфейс для системних драйверів і програмного забезпечення, що дозволяє реалізувати такі розширені функції SATA, як черга команд, «гаряча» заміна і керування живленням. Підтримка AHCI реалізована практично у всіх випущених в 2004 році наборах мікросхем, що підтримують стандарт SATA. Крім того, відповідна підтримка реалізована і на рівні драйверів Windows. Основна ідея, закладена в інтерфейсі ACHI, зводиться до наявності єдиного інтерфейсу рівня драйверів, що підтримує всі розширені адаптери SATA. Це значною мірою спрощує установку операційної системи, усуваючи необхідність у додаткових драйверах SATA.

5. Режими обміну даними SATA

При використанні інтерфейсу SATA дані передаються абсолютно не так, як при використанні паралельного інтерфейсу АТА. Передбачається забезпечення швидкості передачі даних 150, 300 і 600 Мбайт/с; сучасні накопичувачі забезпечують швидкість передачі даних 150 і 300 Мбайт/с. Всі ці режими підтримують зворотну сумісність. Це означає, що пристрої, що підтримують швидкість передачі даних 300 Мбайт/с, підтримуватимуть і 150 Мбайт/с. Слід зазначити, що, оскільки стандарт SATA створювався з підтримкою зворотної сумісності зі стандартом Parallel АТА, може виникнути певна плутанина, так як пристрої SATA можуть звітувати про режими і швидкості, які емулюють налаштування РАТА. Це зроблено для того, щоб «обдурити» старе програмне забезпечення, яке формально не підтримує пристрої SATA.

Стандарти РАТА і SATA повністю відрізняються за своїми електричними і фізичним специфікаціям, проте SATA підтримує режим емуляції паралельного інтерфейсу АТА, завдяки чому на рівні програмного забезпечення ніяких відмінностей не існує. Насправді режим емуляції паралельного інтерфейсу АТА, згідно специфікації SATA, відповідає всім вимогам специфікації АТА-5.

Згідно специфікації SATA 1 емуляція паралельного інтерфейсу АТА - це спільна робота програмного забезпечення накопичувача і контролера, завдяки якій BIOS і драйверам передаються необхідні дані. Зокрема, емулюються регістри команд і блоку управління, режими обміну даними РIO і DMA, переривання та інші параметри. Хост-адаптер містить набір регістрів, які затінюють вміст регістрів традиційних пристроїв; даний блок називається блоком регістрів затінення (Shadow Register Block). Всі пристрої SATA поводяться як пристрої Device 0. Вони ігнорують біт DEV в поле Device/Head серед отриманих даних; за це відповідає хост-адаптер.

Це означає, що блоки регістрів затінення «імітують» регістри паралельного інтерфейсу АТА, завдяки чому стає можливою емуляція команд, режимів та інших параметрів АТА. Стандарт SATA розроблявся таким чином, щоб на програмному рівні бути повністю сумісним зі стандартом ATA/ATAPI-5; саме тому пристрої SATA можуть повідомляти, що працюють у паралельному режимі АТА, хоча насправді це не так.

Контрольні запитання

1. Охарактеризуйте Serial АТА

2. Охарактеризуйте кабелі та роз’єми SATA

3. Опишіть конфігурування пристроїв SATA

4. Охарактеризуйте інтерфейс AHCI

5. Охарактеризуйте режими обміну даними SATA

Тема. ФУНКЦІЇ АТА

1. Команди інтерфейсу АТА

Стандарти АТА пройшли довгий шлях до подолання несумісності і проблем, які викликають конфлікти накопичувачів IDE з системами, оснащеними шинами ISA/PCI. Згідно специфікаціям АТА передбачається використання для передачі даних 40-контактних кабелів, визначаються функції та часові характеристики сигналів, специфікації кабелю і т.д. Одна з переваг інтерфейсу АТА IDE - розширена система команд. Цей інтерфейс розроблявся на базі контролера WD1003, який використовувався в перших комп’ютерах IBM АТ, тому всі без винятку накопичувачі АТА IDE повинні бути сумісними з системою з восьми команд даного контролера. Цим і пояснюється простота установки накопичувачів IDE в комп’ютери. Крім набору команд контролера WD1003, в стандарті АТА передбачено безліч інших команд, що дозволяють підвищити швидкодію і поліпшити параметри жорстких дисків. Ці команди вважаються необов’язковою частиною інтерфейсу АТА, але деякі з них використовуються майже у всіх сучасних жорстких дисках і в значній мірі визначають їх можливості в цілому.

Найбільш важливою є команда ідентифікації жорсткого диска, по якій з нього в систему передається блок даних розміром 512 байт з докладними відомостями про пристрій. Це дозволяє будь-якій програмі визначити тип підключеного жорсткого диска, компанію-виробника, номер моделі, робочі параметри і навіть заводський номер виробу. У багатьох сучасних версіях BIOS ця інформація запитується автоматично, і після її отримання параметри жорсткого диска заносяться в CMOS-пам’ять. Це позбавляє користувача від необхідності вводити їх вручну при конфігуруванні системи.

Дані, отримані при виконанні команди ідентифікації жорсткого диска, включають ряд відомостей, що відносяться до цього дисковода:

■ кількість адрес логічних блоків, доступних при використанні режиму LBA;

■ кількість фізичних циліндрів, головок і секторів, доступних в режимі P-CHS;

■ кількість логічних циліндрів, головок і секторів в поточній трансляції режиму L-CHS;

■ підтримувані режими (і швидкості) передачі;

■ назва компанії-виробника та номер моделі;

■ версія внутрішньої прошивки;

■ серійний номер;

■ тип або розмір буфера, що визначає буферизацію сектора або можливості кешування.

Ще дві дуже важливі команди - Read Multiple і Write Multiple. Вони дозволяють здійснювати так званий багатосекторний обмін даними (тобто обмін порціями, які рівні декільком секторам). У поєднанні з можливістю реалізації пакетного режиму програмного вводу-виводу (Programmed I/O - РIO) це дозволяє багаторазово підвищити загальну продуктивність жорсткого диска (у порівнянні з роботою в односекторному режимі). Деякі старі системи вимагають вказівки точної кількості секторів, підтримуваних пристроєм; більш сучасні системи витягують цю інформацію автоматично.

Крім зазначених, існує безліч інших команд, у тому числі специфічних, що визначаються виробниками конкретних моделей жорстких дисків. Досить часто деякі операції, наприклад форматування низького рівня і створення карт поверхневих дефектів, здійснюються саме за допомогою таких специфічних наборів команд. Тому програми форматування низького рівня часто бувають унікальними, а виробники включають їх в комплект поставки своїх IDE.

2. Режим безпеки АТА

Підтримка захисту паролем жорстких дисків (режим безпеки АТА Security Mode) була включена в специфікацію АТА-3 ще в 1995 році.

Відповідне доповнення до специфікації АТА було запропоновано компанією IBM, яка розробила відповідні функції і реалізувала їх в портативних системах ThinkPad і 2,5-дюймових дисках. Оскільки ця функція в подальшому була включена в офіційний стандарт АТА-3 (остаточно опублікований в 1997 році), її почали підтримувати й інші виробники дисків і комп’ютерних систем, особливо в 2,5-дюймових дисках для портативних систем. Слід зазначити, що подібні паролі виявляються досить надійними: якщо його забути, то, як правило, не залишиться ні найменшої можливості отримати доступ до диску.

Пароль доступу до жорсткого диска задається за допомогою програми налаштування BIOS, хоча дану функцію підтримують не всі системи. Більшість портативних систем підтримують цю функцію, а більшість настільних - ні. Якщо дана функція підтримується, можна задати паролі двох типів: пароль користувача і основний пароль. Перший блокує і розблокує диск, в той час як другий використовується виключно для розблокування. Можна задати тільки пароль користувача або пароль користувача і основний пароль; задати тільки основний пароль не можна.

Коли задається тільки пароль користувача або обидва паролі, доступ до диску блокується (навіть після його установки в іншу систему) до тих пір, поки коректний пароль не буде вказаний при включенні системи. Основний пароль являє собою резервний пароль, призначений для системних адміністраторів. Якщо задані обидва паролі, повідомляється тільки пароль користувача. Отже, при бажанні користувач може змінити свій пароль; при цьому системний адміністратор зможе отримати доступ до диску, вказавши основний пароль.

Якщо визначені обидва паролі, доступ до диску має бути розблокований при завантаженні ще на рівні BIOS. Зовнішній вигляд відповідного повідомлення залежить від конкретної системи, проте в системах IBM для цього завжди використовується графічний інтерфейс. На екрані відображається у вигляді циліндра з номером над ним (який вказує на номер диска) поруч зі значком у вигляді замку. Якщо на екрані відобразиться вікно з запитом пароля доступу до диску, необхідно його ввести; в іншому випадку буде заборонений доступ до диска і подальше завантаження буде неможливе.

Та якщо ви забули пароль користувача (без використання основного пароля) або ж обидва паролі, вам не вдасться отримати доступ до диску навіть у тому випадку, якщо його встановити в іншу систему, в тому числі в таку, яка не підтримує режим АТА Security Mode. Тому в даному випадку диск стає абсолютно марною «залізякою». Як і при використанні переважної більшості засобів безпеки, повинно існувати рішення на той випадок, якщо ви забули пароль. Є мінімум одна компанія, яка може відновити працездатність диска і навіть дані на ньому – компанія Nortek.

Паролі на нових дисках не задані, проте вони цілком можуть бути задані в тому випадку, якщо ви купуєте диск, що був у вжитку. Наприклад, багато продавців, які реалізують старі комп’ютери на електронних аукціонах, таких як eBay, задають системний пароль або пароль жорсткого диска і повідомляють його покупцеві тільки після того, як отримають гроші.

Переважна більшість систем також підтримує пароль включення або системний пароль, який задається за допомогою програми настроювання BIOS. У більшості випадків при визначенні системного пароля такий же пароль задається і для жорсткого диска. Тому найчастіше при введенні системного пароля BIOS автоматично вказує такий же пароль і для жорсткого диска. Тобто пароль жорсткого диска може бути заданий, а ви про це навіть не підозрюєте, так як відповідний запит не відображається на екрані. Однак, якщо диск переставити в іншу систему, він не буде працювати до тих пір, поки не буде введений коректний пароль.

3. Захищена область

Багато сучасних ПК підтримують певні функції автоматичного 5відновлення, які дозволяють користувачу легко відновити працездатність операційної системи або іншого програмного забезпечення. Спочатку для цього використовувався один або кілька спеціальних компакт-дисків, що містять сценарії, які відновлюють вихідні настройки програмного забезпечення, встановленого в системі.

На жаль, компакт-диски можуть бути втрачені або пошкоджені. В результаті виробники вирішили розміщати програмне забезпечення для відновлення в спеціальному прихованому розділі завантажувального жорсткого диска. Як правило, програмне забезпечення для відновлення займає від одного до чотирьох компакт-дисків, що складає близько 1-3 Гбайт.

У 1996 році компанія Gateway запропонувала внести зміни в розроблювальний у той час стандарт АТА-4, які дозволили б резервувати на жорсткому диску спеціальну захищену область. Ці зміни були затверджені, і функція НРА (Host Protected Area) була включена в специфікацію АТА-4, яка була опублікована в 1998 році. У 1999 році була запропонована окрема специфікація інтерфейсу BIOS-PARTIES (Protected Area Run Time Interface Extension Services), згідно якої визначені служби, використовуються операційною системою для доступу до захищеної області НРА. Стандарт PARTIES був завершений і опублікований в 2001 році під назвою NCITS 346- 2001, Protected Area Run Time Interface Extension Services.

Для забезпечення можливості використання захищеної області НРА застосовується команда АТА SET MAX ADDRESS, завдяки чому жорсткий диск сприймається системою як диск трохи меншого розміру. Вся область, якій відповідають адреси від заданого цією командою до адреси фактичного кінця диска, є захищеною областю НРА, доступ до якої можливий тільки за допомогою спеціальних команд PARTIES. Завдяки цьому забезпечується більш високий рівень захисту, ніж при використанні звичайних прихованих розділів, оскільки до захищеної області не можуть звертатися не тільки звичайні програми, а й такі спеціалізовані утиліти для роботи з розділами, як Partition Magic і Partition Commander.

Тому, якщо ви вирішили видалити захищену область НРА, вам доведеться використовувати спеціальні параметри програми налаштування BIOS або окремі команди для зміни вихідного значення МАХ ADDRESS. Після цього можна скористатися утилітою PartitionMagic або Partition Commander, щоб змінити розміри суміжного розділу і включити в нього додатковий простір, яке раніше було приховано або недоступно. Починаючи з 2003 року багато систем, оснащені Phoenix FirstBIOS, який поставляються разом з програмами відновлення й діагностики, які зберігаються в області НРА.

Контрольні запитання

1. Охарактеризуйте команди інтерфейсу АТА

2. Охарактеризуйте режим безпеки АТА

3. Охарактеризуйте інтерфейс ATAPI (АТА Packet Interface)

4. Охарактеризуйте обмеження ємності дисків АТА

5. Які методи адресації CHS і LBA ви знаєте

Тема. ІНТЕРФЕЙС ATAPI (АТА PACKET INTERFACE). ОБМЕЖЕННЯ ЄМНОСТІ ДИСКІВ АТА

1. Інтерфейс ATAPI (АТА Packet Interface)

Даний інтерфейс був розроблений для того, щоб накопичувачі на магнітній стрічці, CD-ROM і інші пристрої, такі як SuperDisk і Zip, можна було підключати до звичайного роз’єму IDE. Основна перевага пристроїв, виконаних у стандарті ATAPI, - це їх дешевизна і можливість підключення до вже встановленого адаптера. Що стосується накопичувачів CD-ROM, то вони використовують ресурси центрального процесора набагато рідше, ніж аналогічні пристрої, підключені до спеціальних адаптерів, але не дають великоъ швидкодії. А ось швидкодія і надійність накопичувачів на магнітній стрічці можуть істотно зрости, якщо їх підключити до інтерфейсу ATAPI, а не до контролерів дисководів на гнучких дисках. Хоча накопичувачі CDROM і підключаються до інтерфейсу жорсткого диска, це не означає, що з точки зору системи вони виглядають, як звичайні жорсткі диски. Навпаки, в контексті програмного забезпечення вони нагадують пристрої SCSI. Всі сучасні накопичувачі АТА CD-ROM підтримують протоколи ATAPI, тому ці терміни можна з повною підставою використовувати в якості синонімів. Іншими словами, накопичувач ATAPI CD-ROM являє собою АТА CD-ROM, і навпаки.

Крім того, зазвичай рекомендується встановлювати різні типи пристроїв АТА на різні канали. Справа в тому, що інтерфейс АТА не підтримує одночасний доступ до декількох пристроїв, які встановлені на одному і тому ж каналі. Це означає, що поки на деякому каналі виконується доступ до одного пристрою, інший пристрій того ж каналу залишається недоступним. Розподіливши привід оптичних дисків і жорсткий диск по різних каналах, можна більш ефективно використовувати дані пристрої.

Деякі жорсткі диски на інтерфейсі РАТА можуть виявитися непрацездатними, якщо в якості ведучого пристрою встановлений привід оптичних дисків. Таким чином, рекомендується завжди встановлювати жорсткий диск РАТА в якості ведучого, а пристрої ATAPI - як ведених (у разі їх підключення до одного кабелю).

2. Обмеження ємності дисків АТА

Версії стандарту інтерфейсу АТА, аж до АТА-5, мають обмеження ємності диска величиною 136,9 Гбайт. Крім того, залежно від версії BIOS значення цього обмеження може бувати ще нижчим. Це може статися в результаті накладення обмежень для АТА на обмеження BIOS. Щоб зрозуміти фізичну сутність цих обмежень, необхідно розглянути взаємодію інтерфейсів апаратного (АТА) і програмного (BIOS) рівнів.

Префікси десяткових і двійкових множників

Одиниці вимірювань стандарту Б1 (міжнародної системи одиниць, або метричної системи) створюються на основі десяткових множників. Така система підходить для вирішення різноманітних завдань, але незручна для комп’ютерів, що мешкають в двійковому світі, в якому всі числа створюються на двійковій основі (тобто на основі множника 2). Це призвело до появи різних значень, які присвоюються одному й тому ж префіксу, наприклад 1 Кбайт (кілобайт) може позначати як 1000 (103 ) байт, так і 1024 (210) байт. У грудні 1998 року Міжнародна електротехнічна комісія (МЕК) затвердила як міжнародний стандарт ряд префіксних назв і позначень двійкових множників, що використовуються при обробці та передачі даних.

Відповідно до прийнятої стандартної термінологією 1 Мбайт (мегабайт) містить 1000000 байт, тоді як 1 МІБ (мебібайт) - 1048576 байт.

3. Обмеження BIOS

Оновлення ROM BIOS системної плати забезпечує підтримку накопичувачів, ємність яких постійно збільшується. BIOS, створені до серпня 1984 року, підтримували накопичувачі, ємність яких не перевищувала 528 Мбайт; BIOS, розроблені до січня 1998 року, обмежують ємність дисків значенням 8,4 Гбайт. Більшість BIOS, які використовуються після 1998 року, підтримують ємність жорстких дисків, яка рівна 137 Гбайт. BIOS, створені після вересня 2002 року, підтримують накопичувачі, ємність яких перевищує 137 Мбайт. У той же час ці відомості є лише загальними правилами; для визначення параметрів конкретної системи слід звернутися до виробника системної плати.

У тому випадку, якщо BIOS не підтримує специфікацію EDD, можливо кілька варіантів дій:

■ поновіть системну BIOS, замінивши її версією, випущеною після 1998 року, яка підтримує накопичувачі ємністю більше 8,4 Гбайт;

■ встановіть плату розширення BIOS, наприклад UltraATA;

■ встановіть програмне оновлення, що забезпечує підтримку накопичувачів, ємність яких перевищує 8,4 Гбайт. Оптимальним є перший спосіб, що не вимагає яких капіталовкладень.

Щоб дізнатися, чи існує нова версія BIOS, яка забезпечує підтримку дисків великого розміру, відвідайте сайт виробника конкретної системної плати.

Якщо потрібної версії не виявилося, можна придбати плату UltraATA від компанії SIIG. До програмного методу вдаватися взагалі не рекомендується, оскільки інсталяція програмного оновлення в завантажувальний сектор жорсткого диска може спричинити за собою численні проблеми, зокрема при завантаженні з різних дисків, установці нових накопичувачів або відновленні даних.

4. Методи адресації CHS і LBA

Існує два основні методи, що використовуються для адресації (або нумерації) секторів накопичувачів АТА. Перший з них називається CHS (Cylinder Head Sector). Це абревіатура від назв трьох координат, що використовуються для адресації кожного сектора дисковода.

У другому методі, який називається LBA (Logical Block Address), для адресації секторів накопичувача використовується тільки одне значення. В основі методу CHS лежить фізична структура накопичувачів (а також спосіб організації його внутрішньої роботи). Метод LBA, в свою чергу, є більш простий і логічний спосіб нумерації секторів, що не залежить від внутрішньої фізичної архітектури накопичувачів.

При послідовному зчитуванні даних з накопичувача в режимі CHS процес читання починається з циліндра 0, головки 0 і сектора 1 (який є першим сектором на даному диску), після чого зчитуються всі інші сектори першої доріжки. Потім вибирається наступна головка і читаються всі сектори, що знаходяться на цій доріжці. Це продовжується до тих пір, поки не будуть зчитані дані з усіх головок першого циліндра. Потім вибирається наступний циліндр, і процес читання триває в такій же послідовності. Метод CHS подібний до принципу одометра (лічильника пройденого шляху): для того щоб змінити номер головки, необхідно «провернути» певну кількість секторів, а для того, щоб перейти на наступний циліндр, необхідно «провернути» кілька головок.

При послідовному зчитуванні даних з накопичувача в режимі LBA процес читання починається з сектора 0, після чого читається сектор 1, сектор 2 і т.д. В режимі CHS першим сектором жорсткого диска є 0,0,1. У режимі LBA цей же сектор буде сектором 0.

Для прикладу уявіть собі накопичувач, що містить один жорсткий диск, дві головки (використовуються обидві сторони жорсткого диска), дві доріжки на кожному жорсткому диску (циліндри) і два сектори на кожній доріжці. У цьому випадку можна сказати, що накопичувач містить два циліндри (дві доріжки на кожній стороні), дві головки (по одній на сторону), а також два сектори на кожній доріжці. У загальній складності ємність накопичувача дорівнює восьми (2x2x2) секторам. Зверніть увагу, що нумерація циліндрів і головок починається з нуля, а нумерація фізичних секторів, що знаходяться на доріжці, - з одиниці. При використанні адресації CHS розташування першого сектора накопичувача визначається виразом «циліндр 0, головка 0, сектор 1 (0,0,1)»; адреса другого сектора - 0,0,2; третій - 0,1,1; четвертого - 0,1,2 і т.д., поки ми не дійдемо до останнього сектора, адреса якого-1,1,2.

Уявіть тепер, що ми взяли вісім секторів і, не звертаючись безпосередньо до фізичних циліндрів, головок і секторів, пронумерували їх від 0 до 7. Таким чином, якщо необхідно звернутися до четвертого сектору накопичувача, можна послатися на нього як на сектор 0,1, 2 в режимі CHS або як на сектор 3 в режимі LBA. Використання нумерації LВА помітно полегшує і спрощує процес обробки даних. Незважаючи на це, при створенні перших ПК вся адресація АТА на рівні пристрою виконувалася методом СН5.

Контрольні запитання

1. Охарактеризуйте команди інтерфейсу АТА

2. Охарактеризуйте режим безпеки АТА

3. Охарактеризуйте інтерфейс ATAPI (АТА Packet Interface)

4. Охарактеризуйте обмеження ємності дисків АТА

5. Які методи адресації CHS і LBA ви знаєте?

Тема. Тема: КОМАНДИ ВIOS І АТА

1. Команди ВIOS і АТА

Крім двох методів адресації секторів (СНS і LВА), існують ще два рівня інтерфейсу, в яких вона виконується. Першим рівнем є область взаємодії операційної системи та ВIOS (за допомогою команд драйвера); другий - область сполучення ВIOS і накопичувача (за допомогою команд АТА). На кожному з цих рівнів використовуються певні команди, які підтримують як режим СНS, так і режим LВА.

Коли операційна система звертається до ВIOS для читання або запису секторів, вона видає відповідні команди через програмне переривання INT13h, яка звертається до стандартної підпрограми ВIOS, яка використовуваної для доступу до диску. Підфункції переривання INT13h дозволяють виконувати читання або запис секторів, використовуючи при цьому адресацію LВА або СНS. Після цього стандартні програми базової системи введення-виведення перетворять команди ВЮ8 в апаратні команди АТА, які передаються через порти шини введення-виведення на контролер дисковода. Апаратні команди АТА також можуть використовувати адресацію СНS або LВА, незважаючи на те, що існують певні обмеження. Чи будуть ВIOS і накопичувач використовувати адресацію СНS або LВА, залежить від ємності жорсткого диска, терміну служби накопичувача і «віку» ВIOS, встановлених параметрів ВIOS і операційної системи.

2. Обмеження СНS (подолання обмеження в 528 Мбайт)

ВIOS звертається до драйвера жорсткого диска за допомогою переривання INT13h, яке надає функції читання і запису на диск на рівні секторів. Переривання INT13h вимагає вказівки певного сектора, при цьому кожен сектор адресується розташуванням циліндра, головки і сектора. Цей інтерфейс звернення до диска називається СНS-адресацією і використовується операційною системою і дисковими утилітами низького рівня.

Концепція визначення максимального значення при заданій кількості цифр проста. Наприклад, якщо у вас є готель, в якому номери кімнат обмежені двома розрядами, ви зможете пронумерувати тільки сто кімнат - від 0 до 99. Номери СНS, які використовуються інтерфейсом INT13h, записані в двійковому форматі. Оскільки циліндри адресуються десятьма бітами, можна використовувати максимум 1024 циліндра (від 0 до 1023). Максимальна кількість головок, з якими можна працювати через ВIOS, дорівнює 256; вони нумеруються від 0 до 255. Сектори на доріжці адресуються шістьма бітами, значить, можна адресувати максимум 64 сектора. Однак, оскільки нумерація починається не з нуля, а з одиниці, сумарна кількість секторів на доріжку, з яким може працювати ВIOS, не повинно перевищувати 63.

Ці обмеження поширюються на всі версії ВIOS і на всі програми, які використовують стандартну адресацію СНS і інтерфейс INT13h. Підставивши максимальні значення для адресації СНS, ми отримаємо диск з 1024 циліндрами, 256 головками і 63 секторами на доріжку. Оскільки розмір кожного сектора дорівнює 512 байт, результати будуть такими, як показано нижче.

З цих розрахунків видно, що максимальний розмір диска, який можна адресувати через інтерфейс ВIOS INT13h, становить приблизно 8,4 Гбайт. На жаль, не тільки ВIOS накладає обмеження - існують ще й обмеження самого інтерфейсу АТА.

В інтерфейсі АТА для зберігання значень адрес СНS використовуються поля іншого розміру. Обмеження АТА, що відносяться до кількості циліндрів і секторів, вища, ніж відповідні обмеження ВIOS, але нижча, ніж обмеження ВIОS за кількістю головок.

Комбінація обмежень призводить до наступних максимальним значенням: циліндрів - 1024, головок - 16, секторів - 63; в результаті максимальний обсяг виходить рівним 528 Мбайт. Це значення стало називатися бар’єром в 528 Мбайт і існує практично у всіх комп’ютерах, випущених в 1993 році і раніше.

3. CHS-трансляція (подолання обмеження в 528 Мбайт)

При використанні жорстких дисків, обсяг яких не перевищував 528 Мбайт, існування бар’єру не грає ніякої ролі. Однак до 1994 року технологія досягла рівня, що дозволив створювати жорсткі диски, ємність яких значно перевищувала обмеження, що накладаються BIOS і специфікаціями АТА. У результаті дана проблема набула особливої гостроти.

У 1993 році компанія Phoenix Technologies розпочала роботу над розширеннями BIOS, які дали б можливість подолати обмеження CHS. У січні 1994 року ця компанія опублікувала специфікацію BIOS Enhanced Disk Drive (EDD), перевидану згодом комітетом Т13 (який також займається розвитком стандарту АТА) у вигляді документа BIOS Enhanced Disk Drive Services (EDD). Документи EDD містять докладний опис різних методів, що дозволяють обійти обмеження попередніх BIOS, уникаючи при цьому проблем сумісності з існуючим програмним забезпеченням. Ці методи включають в себе наступне:

■ розширення базової системи введення-виведення INT13h, що підтримують 64-розрядну адресацію LBA;

■ геометрична трансляція CHS зі зміщенням розряду;

■ геометрична трансляція CHS LBA-assist.

Метод, який використовується для реалізації обмежень CHS, називається трансляцією, оскільки дозволяє ввести в BIOS додаткові стандартні підпрограми, необхідні для перетворення параметрів CHS від максимальних значень АТА до максимальних значень BIOS (і навпаки).

Прагнучи перетворити ці методи в стандарт, який використовується у всіх вироблених персональних комп’ютерах, компанія Phoenix опублікувала документ EDD і дозволила безкоштовне використання описаної технології всім виробникам. Згодом комітет Т13, що відповідає за інтерфейс АТА, прийняв стандарт EDD і включив його в офіційні документи АТА. З 1993 року в більшості версій BIOS почали використовувати «хитрощі», що дозволяють адресувати до 8,4 Гбайт дискового простору.

Новий спосіб отримав назву метод трансляції параметра, який активізується на рівні BIOS і транслює, параметри циліндрів, головок і секторів в прийнятні для BIOS. Існують два типи трансляції: перший заснований на зсуві розряду CHS (у програмі настройки BIOS цей метод називається Large CHS або Extended CHS), другий - на загальному числі секторів (у програмі настройки BIOS він називається LBA - Logical Block Address). Описані типи трансляції представлені різними математичними методами, хоча виконують, по суті, одну й ту ж операцію, що складається в перетворенні одного набору значень CHS в іншій.

CHS-трансляція зі зсувом розряду оперує номерами циліндрів і головок, не змінюючи при цьому номер сектора. В якості основи приймається число фізичних (переданих диском) циліндрів і головок, яке за допомогою нескладних операцій ділення та множення перетворюється в змінені номери циліндрів і головок. Кількість секторів, що припадають на кожну доріжку, що не транслюється і передається в незміненому вигляді. Математичні операції ділення і множення фактично виконуються в програмному забезпеченні BIOS шляхом зміщення розрядів в адресі CHS.

При використанні CHS-трансляції зі зрушенням розряду повідомлені диском (фізичні) параметри віддаються як P-CHS, а логічні параметри, змінені BIOS, передаються у вигляді L-CHS. Після установки відповідних значень в програмі настройки BIOS виконується автоматичне перетворення логічних адрес СНІ (L-СНS) у фізичні адреси СНS (Р-СНS) на рівні ВIOS. Це дає можливість операційній системі посилати команди в ВIOS, використовуючи логічні параметри L-СНS, які при зверненні ВIOS до накопичувача за допомогою команд АТА автоматично перетворюються у фізичні параметри Р-СНS.

СНS-трансляція зі зсувом розряду грунтується на розподілі кількості фізичних циліндрів на число 2, що дозволяє подолати існуюче обмеження ВIOS INT13h (кількість циліндрів не повинно перевищувати 1024), і наступному множенні кількості головок на те ж число, завдяки чому загальна кількість секторів залишається незмінною. Як показано нижче, ступінь числа 2, використовувана в якості подільника і залежить від кількості циліндрів.

При установці нового жорсткого диска не доведеться виконувати математичну трансляцію для перетворення кількості циліндрів і головок - BIOS зробить це автоматично. Необхідно тільки дозволити BIOS автоматично визначити фізичні параметри CHS, а потім активізувати в програмі настройки BIOS трансляцію ECHS або Large. Все інше BIOS зробить сама.

CHS-трансляція зі зсувом розряду являє собою просту і досить швидку схему, що працює практично з усіма дисководами, яка, не дозволяє правильно транслювати всі теоретично можливі конфігурації жорсткого диска ємністю до 8,4 Гбайт. Для вирішення цієї проблеми в специфікацію АТА-2 було введено спеціальне доповнення, відповідно до якого дисководи повинні були вказувати певні діапазони конфігурацій, що дозволяють виконувати трансляцію зі зрушенням розряду. Таким чином, всі дисководи, які відповідають специфікації АТА-2 (або вище), можуть виконувати трансляцію за допомогою цього методу.

4. Подолання обмежень ємності в 2,1 і 4,2 Гбайт

У деяких базових системах введення-виведення для даних, що позначають кількість полів фізичних циліндрів CHS, відводилося лише 12 біт, що обмежувало обсяг диска 4096 циліндрами. У поєднанні з існуючими стандартними обмеженнями (16 головок і 63 сектора) це не дозволяло підтримувати накопичувачі, ємність яких перевищувала 2,1 Гбайт. Описаний дефект існував тільки в певних системах, що включають в себе BIOS, створену приблизно до середини 1996 року.

Проте все ще існували певні проблеми, пов’язані з трансляцією зі зрушенням розряду. Технологія організації операційних систем DOS і Windows 9х/МЕ не дозволяє правильно обробляти жорсткі диски, що містять 256 головок. Подібна ситуація стала проблемною для накопичувачів місткістю більше 4,2 Гбайт, оскільки правила CHS-трансляції зі зрушенням розряду зазвичай приводили до логічного значення 256 головок.

При спробі інсталяції Wmdows 9х/МЕ на жорсткому диску ємністю більше 4,2 Гбайт виявилося, що подібна схема невдала, оскільки значення «256 головок» є одним з параметрів L-СНЗ. Обмеження ємності диска значенням 4,2 Гбайт було властиво практично кожній BIOS, що реалізує цю схему, тому установка жорсткого диска більшої ємності і вибір СНS-трансляції зі зрушенням розряду і приводили до збоїв накопичувача.

Для вирішення цієї проблеми СНS-трансляція зі зсувом розряду була перероблена і доповнена правилом, згідно з яким при наявності 16 фізичних головок і більш ніж 8192 циліндрів (що привело б до трансляції 256 головок) приймається кількість головок Р-СНS, рівна 15 (замість 16). Щоб уникнути помилок при обчисленні кількість циліндрів Р-СНS множиться на вираження 16/15. Після цього виконується трансляція скоригованої кількості циліндрів і головок.

Правила переробленої СHS-трансляції зі зрушенням розряду дозволяють підтримувати не більше 7,93 Гбайт із загального об’єму жорсткого диска, рівного 8,4 Гбайт.

Контрольні запитання

1. Охарактеризуйте команди ВIOS і АТА

2. Охарактеризуйте обмеження СНS (обмеження в 528 Мбайт)

3. Охарактеризуйте CHS-трансляція (обмеження в 528 Мбайт)

4. Охарактеризуйте подолання обмежень ємності в 2,1 і 4,2 Гбайт

Тема. Тема: ТРАНСЛЯЦІЯ LBA-ASSIST

1. Трансляція LBA-Assist

Метод трансляції LBA-Assist не накладає будь-яких штучних обмежень на фізичні параметри конфігурації жорсткого диска, але працює тільки на тих накопичувачах, які підтримують адресацію LBA на рівні інтерфейсу АТА. Практично всі накопичувачі АТА, ємність яких перевищує 2 Гбайт, підтримують LBA. Трансляція LBA-Assist приймає параметри CHS, передані диском, перемножує їх для того, щоб отримати розрахункове максимальне значення LBA (загальне число секторів), а потім використовує розраховані значення LBA для отримання перетворених (транслювався) параметрів CHS.

Трансляція LBA-Assist встановлює число секторів, рівне 63, незалежно від числа циліндрів і головок, що одержують при поділі та множенні загального числа секторів. У результаті виходить набір логічних параметрів CHS, які використовуються операційною системою при зверненні до BIOS.

Після цього виконується трансляція чисел L-CHS в числа LBA на рівні інтерфейсу АТА. Режим LBA більш підходить для виконання трансляції, тому в більшості випадків замість CHS-трансляції зі зрушенням розряду слід використовувати саме цей режим.

Т-загальна кількість секторів, отримане при перемножуванні переданих жорстким диском фізичних параметрів СНS (СхНхS).

Зазвичай виконання CHS-трансляції зі зрушенням розряду і трансляції LBA-Assist призводить до отримання практично однакових логічних параметрів конфігурації накопичувача. Це справедливо в тих випадках, коли жорсткий диск містить 63 сектора на кожній доріжці і 4, 8 або 16 головок. У наведеному нижче прикладі обидві схеми трансляції призводять до отримання однакових логічних параметрів CHS.

Проте, якщо значення, передані жорстким диском, відрізняються від раніше описаних (63 сектора на доріжці і 4, 8 або 16 головок), то параметри, отримані при виконанні трансляції LBA-Assist і CHS-трансляції зі зрушенням розряду, будуть абсолютно різними.

Трансляція LB A-Assist підтримує жорсткі диски ємністю 8,42 Гбайт, що приблизно на 500 Мбайт більше, ніж підтримує перероблена CHS-трансляція зі зсувом розряду. Набагато важливіше те, що відмінності цих трансляцій можуть привести при зміні режимів трансляції до певних проблем з даними, які знаходяться на жорсткому диску.

Починаючи з 1994 року практично в усіх BIOS, що використовуються в персональних комп’ютерах, функція трансляції введена в програму налаштування параметрів BIOS. Більше того, у всіх BIOS підтримуються опції обох режимів трансляції, а також можливість їх повного відключення.

У тому випадку, якщо пропонуються обидва режими трансляції (тобто CHS із зсувом розряду і LBA-Assist), слід скористатися методом LBA, який є більш гнучким і ефективним. Не забувайте також про те, що трансляція LBA-Assist підтримує, незалежно від існуючих параметрів, не більше 255 логічних головок, що дозволяє усунути проблему обмеження ємності диска в 4,2 Гбайт, що виникла через помилки операційної системи.

Дані для всіх доступних сьогодні чотирьох способів адресації секторів: стандартний CHS (без трансляції), розширена трансляція CHS, адресація LBA і повний режим LBA (EDD BIOS).

У стандартному режимі трансляція може виконуватися тільки в один етап і тільки в межах самого диска. Інформація про циліндри, головки і сектори, яку показує програма налаштування параметрів BIOS, відображає логічну геометрію, а не реальні фізичні параметри диска. Стандартна адресація CHS обмежена 16 головками і 1024 циліндрами, що призводить до ліміту ємності диска в 504/528 Мбайт.

У програмі налаштування параметрів BIOS (цей режим часто називається Normal) і «змушує» BIOS вести себе так, ніби це її стара версія без трансляції. Даний режим застосовується для дисків, що мають менше 1024 циліндрів, або ж при використанні такого диска з операційною системою, яка не підтримує трансляцію.

Параметри ECHS і Large, вказані в програмі настройки BIOS, являють собою CHS-трансляцію зі зрушенням розряду, а починаючи з 1997 року і донині в BIOS найчастіше використовується перероблений і доповнений метод трансляції (не більше 240 логічних головок). Параметр LBA, вибраний у програмі настройки BIOS, визначає трансляцію LBA-Assist, яка не є «чистим» режимом LBA, і дозволяє програмному забезпеченню використовувати логічні параметри CHS при зверненні BIOS до жорсткого диска в режимі LBA.

Існує тільки один спосіб, що дозволяє вибрати «природний» режим LBA як при зверненні операційної системи до BIOS, так і при зверненні BIOS до жорсткого диска, - використання жорсткого диска, ємність якого перевищує 8,4 Гбайт. Всі накопичувачі ємністю більше 137 Гбайт повинні адресуватися за допомогою LBA як на рівні BIOS, так і на рівні жорсткого диска. Слід зауважити, що BIOS за допомогою цього методу автоматично адресує будь-які жорсткі диски ємністю понад 8,4 Гбайт. У цьому випадку не доведеться здавати будь-які спеціальні настройки в програмі установки параметрів BIOS, достатньо лише визначити автоматичне виявлення дисків.

Якщо змінити режим перерахунку секторів (CHS, ECHS або LBA) для дисків ємністю до 8,4 Гбайт, то BIOS може перейти до іншої логічної моделі диска. Те ж саме може відбутися, якщо переставити диск, відформатований в старому комп’ютері (в якому не передбачений режим LBA), в нову систему з можливістю такої адресації. Це призведе до зміни логічної моделі диска, «видимої» з боку операційної системи: при цьому координати розташування блоків даних на диску зміняться.

2. Подолання обмеження ємності в 8,4 Гбайт

Забезпечення підтримки накопичувачів, ємність яких перевищує 8,4 Гбайт, вимагало відмовитися від CHS-трансляції і перейти до адресації LBA на рівні BIOS. Інтерфейс АТА підтримував адресацію LBA навіть в оригінальній специфікації АТА-1. Спочатку підтримка LBA на рівні АТА була факультативною, але основна проблема полягала в тому, що на рівні інтерфейсу BIOS адресація LBA не підтримується. Намагаючись усунути цю проблему, в програмі настройки параметрів BIOS іноді встановлювали трансляцію LBA-Assist, але це призводило лише до перетворення параметрів

LBA в параметри CHS на рівні інтерфейсу BIOS. Фахівці компанії Phoenix Technologies прийшли до рішення про необхідність використовувати інтерфейс BIOS для переходу від CHS до LBA і в 1994 році опублікували специфікацію BIOS Enhanced Disk Drive Specification (EDD), в якій для усунення цієї проблеми використовувалися нові розширені сервіси INT13h BIOS, які працювали не з адресами CHS, а з параметрами LBA.

Щоб забезпечити широку промислову підтримку і сумісність з новими функціями BIOS, в 1996 році компанія Phoenix передала цей документ у технічний комітет Т13 Національного комітету за стандартами інформаційних технологій (NCITS) для подальшого поліпшення та затвердження в якості стандарту, який в результаті отримав назву BIOS Enhanced Disk Drive Specification (EDD). Приблизно c 1998 більшість виробників BIOS почали забезпечувати підтримку EDD у створюваних BIOS, забезпечуючи тим самим підтримку режиму LBA на рівні BIOS для накопичувачів АТА, ємність яких перевищує 8,4 Гбайт.

Специфікація EDD описує нові розширені команди INT13h BIOS, що забезпечують можливість виконання адресації LBA до 264 секторів, що дозволяє підтримувати накопичувачі ємністю більше 9,44 Збайт. Це те ж саме, що 9440000000000. Гбайт або, якщо говорити більш точно, +9444732965739290430000 байт! Йдеться про теоретичну ємність жорстких дисків, так як, незважаючи на те що до 1998 року BIOS могла обробляти до 264 секторів, накопичувачі АТА все ще використовували 28-розрядну адресацію (223 секторів) на рівні інтерфейсу АТА. Це дозволяло накопичувачам АТА містити не більше 268435456 секторів, що призводило до максимальної ємності, яка дорівнює 137438953472 байт, або 137,44 Гбайт. Таким чином, після успішного подолання бар’єру в 8,4 Гбайт виробники зіткнулися з новим обмеженням ємності в 137 Гбайт, що з’явилися в результаті використання 28-розрядної адресації LBA в інтерфейсі АТА.

Використання команд нового розширеного 64-розрядного режиму LВА на рівні ВIOS, а також існуючих команд 28-розрядного режиму LВА на рівні накопичувачів АТА не вимагає трансляції, тому параметри LВА передаються в незмінному вигляді. Об’єднання режимів LВА на рівнях ВIOS і інтерфейсу АТА дозволяє остаточно відмовитися від громіздкої адресації СНS. Це означає також, що при встановленні жорсткого диска АТА ємністю понад 8,4 Гбайт в ПК, що містить ВIOS, яка підтримує специфікацію EDD (Тобто ВIOS випущену в 1998 році чи пізніше), відбувається автоматичне налаштування ВIOS і жорсткого диска на використання режиму LBА.

3. Подолання бар’єру в 137 Гбайт

Вирішенням цієї проблеми стала специфікація АТА-6, також розроблена в 2001 році. Ця специфікація, що містить оновлені функції LВА, дозволила перейти від 28-розрядних чисел до 48-розрядних, що дало можливість підтримувати адресацію накопичувачів більшої ємності.

Специфікація АТА-6 розширює інтерфейс LВА, що дозволяє використовувати 48-розрядну адресацію секторів. Це означає, що максимальна місткість жорсткого диска підвищується до 248 (тобто 281474976710656) секторів. 48-розрядна схема адресації ДВА, описана у специфікації АТА-6, підтримує накопичувачі, ємність яких досягає 144 Пбайт (петабайт - квадрильйон байтів).

Функції EDD ВIOS, що використовують 64-розрядну схему адресації, дозволяють ще більше розширити існуючі обмеження.

Незважаючи на те що служби BIOS, що використовують 64-розрядну схему адресації LBA, дозволяють працювати з дисками, що мають ємність до 264 секторів, обмеження в 144 Пбайт, що накладається специфікацією АТА6, є найменшим спільним знаменником, який можна застосувати. Так що на деякий час ми застраховані від проблем.

Відповідно до закону Мура ємність жорстких дисків подвоюється кожні 1,5-2 роки. Беручи до уваги, що накопичувачі АТА ємністю 160 Гбайт з’явилися тільки наприкінці 2001 року, можна припустити, що диски ємністю 144 Пбайт будуть створені приблизно в 2031-2041 роках (якщо допустити, що до цього часу технологія виготовлення жорстких дисків не зміниться).

Доступ до накопичувачів, ємність яких перевищує 137 Гбайт, здійснюється при використанні 48-розрядної адресації LBA. Підтримка такої адресації обов’язково повинна існувати на рівні операційної системи, але може бути реалізована і на рівні BIOS. Для підтримки 48-розрядної адресації LBA на рівні BIOS потрібно наступне:

■ BIOS з підтримкою 48-розрядної адресації LBA (датована зазвичай вереснем 2002 року і пізніше);

■ адаптер контролера АТА з BIOS, що включає підтримку 48-розрядної адресації LBA.

Контрольні запитання

1. Охарактеризуйте трансляцію LBA-Assist

2. Охарактеризуйте подолання обмеження ємності в 8,4 Гбайт

3. Охарактеризуйте подолання бар’єру в 137 Гбайт

Тема. PATA/SATA RAID

1. PATA/SATA RAID

Надмірний масив незалежних дискових накопичувачів (Redundant Array of Independ-ent/Inexpensive Disks - RAID) розроблявся з метою підвищення відмовостійкості та ефективності систем комп’ютерних запам’ятовуючих пристроїв. Технологія RAID розроблена в Каліфорнійському університеті в 1987 році. В її основу покладено принцип використання декількох дисків невеликого обсягу, що взаємодіють за допомогою спеціального програмного і апаратного забезпечення, в якості одного диска великої ємності.

Первісна конструкція RAID передбачала просте з’єднання областей пам’яті декількох окремих дисків. Але, як виявилося, подібна схема знижує надійність матриці і практично не впливає на її швидкодію. Наприклад, чотири диски, об’єднані в матрицю, яка працює, як один диск, будуть «давати збої» в чотири рази частіше, ніж один диск тієї ж ємності. Для підвищення надійності та швидкодії матриці вчені університету Берклі запропонували шість рівнів RAID, кожен з яких характеризується певною стійкістю, ємністю запам’ятовуючого пристрою і швидкодією.

У липні 1992 року була створена організація RAID Advisory Board (RAB), яка займається розробкою специфікацій RAID, узгодженням програм для його різних рівнів, а також систематизацією класу програм для апаратного забезпечення RAID.

Нині організація RAB визначила сім стандартних рівнів RAID - від RAID 0 до RAID 6. Надмірний масив незалежних дискових накопичувачів (RAID) зазвичай реалізується за допомогою відповідної плати контролера. Крім того, реалізація RAID може бути забезпечена за допомогою відповідних програм.

Існуючі рівні RAID

■ RAID 0 - полосування. Вміст файлу записується одночасно на декілька дисків масиву, що працюють, як один дисковод великої ємності. Цей рівень забезечує високу швидкість виконання операцій читання/запису, але дуже низьку надійність. Для реалізації рівня необхідні мінімум два дисковода.

■ RAID 1 - дзеркальне відображення. Дані, записані на одному диску, дублюються на іншому, що забезпечує чудову відмовостійкість (при пошкодженні одного диску дані зчитуються з іншого). При цьому помітного підвищення ефективності матриці порівняно з окремим дисководом не відбувається. Для реалізації рівня необхідно мінімум два диска.

■ RAID 2 - код корекції помилок на рівні бітів. Одночасно відбувається побітне дроблення даних і запис коду корекції помилок (ЕСС) на декількох дисках. Цей рівень призначений для запам’ятовуючих пристроїв, що не підтримують ЕСС (всі дисководи SCSI і АТА мають вбудований внутрішній код корекції помилок). Він забезпечує високу швидкість передачі даних і достатню надійність матриці. Для досягнення хоча б 50%-ної ефективності необхідно мінімум сім дисків. Для реалізації цього рівня потрібно кілька дисководів.

■ RAID 3 – голосування з контролем парності. Об’єднання рівня RAID 0 з додатковим дисководом, який використовується для обробки інформації контролю парності. Цей рівень фактично являє собою видозмінений рівень RAID 0, для якого характерно зменшення загальної корисної ємності матриці при збережені числа дисководів. Однак при цьому досягається високий ступінь цілісності даних і відмовостійкості, так як у випадку пошкодження одного з дисків дані можуть бути відновлені. Для реалізації цього рівня необхідні мінімум три дисковода (два або більше - для даних і один - для контролю парності).

■ RAID 4 - блокові дані з контролем парності. Цей рівень відрізняється від RAID 3 тільки тим, що запис інформації здійснюється на незалежні дисководи у вигляді великих блоків даних, що призводить до збільшення швидкості читання великих файлів. Для реалізації цього рівня необхідні мінімум три дисковода (два або більше - для даних і один - для контролю парності).

■ RAID 5 - блокові дані з розподіленим контролем парності. Цей рівень схожий до RAID 4, але передбачає більш високу продуктивність, яка досягається за рахунок розподілу системи контролю парності по жорстких дисках. Для реалізації цього рівня необхідні мінімум три дисковода (два або більше - для даних і один - для контролю парності).

■ RAID 6 - блокові дані з подвійним розподіленим контролем парності. Подібний до рівня RAID 5, але відрізняється тим, що дані контролю парності записуються двічі за рахунок використання двох різних схем контролю парності. Це забезпечує більш високу надійність матриці у випадку множинних відмов дисководу. Для реалізації цього рівня необхідні мінімум чотири дисковода (два або більше - для даних і два - для контролю парності).

Існують і вкладені рівні RAID, які одержані в результаті об’єднання декількох форм RAID

* RAID Level 01: чергування з дзеркалом. Накопичувачі спочатку об’єднуються в масив ви RAID 0, після чого масиви RAID 0 об’єднуються в конфігурацію RAID 1. Необхідно як мінімум чотири накопичувача; загальна кількість накопичувачів повинна бути парною. Більшість реалізацій на ПК допускає використання максимум чотирьох накопичувачів. Загальний простір, який використовується рівний половині кількості накопичувачів в масиві, помноженої на ємність диска з найменшою ємністю. Масиви RAID 01 допускають відмову одного накопичувача, а деякі реалізації - декількох накопичувачів. Даний варіант не рекомендується до використання, так як масиви RAID 10 забезпечують більшу надмірність і продуктивність.

■ RAID Level 10: віддзеркалення з чергуванням. Накопичувачі спочатку об’єднуються в масиви RAID 1, після чого масиви RAID 1 об’єднуються в конфігурацію RAID 0. Необхідно як мінімум чотири накопичувачі; загальна кількість накопичувачів повинна бути парною.

Більшість реалізацій на ПК допускає використання максимум чотирьох накопичувачів. Загальний використовуваний простір дорівнює половині кількості накопичувачів в масиві, помноженої на ємність диска з найменшою ємністю. Масиви RAID 10 допускають відмову одного накопичувача, а деякі реалізації - декількох накопичувачів. Схожі на RAID 01 за винятком збільшеної надійності завдяки відмовостійкості в більшій кількості варіантів відмови декількох накопичувачів, а також можливості швидше замінити диск і відновити масив після збою.

Існують також додаткові рівні RAID, які є нестандартними реалізаціями певних компаній. Наприклад, з 1993-го по 2004-й рік існувало поняття «RAID 7» для опис фірмової реалізації RAID, випущеної компанією Storage Computer Сorp. (Нині припинила своє існування) Ці рівні офіційно не підтримуються RAID Advisory Board.

Якщо необхідна максимальна продуктивність, зазвичай використовуються масиви RAID рівня 0, який передбачає чергування даних. Масиви RAID 0 ненадійні, так як при відмові одного накопичувача втрачаються всі дані. Переваги - висока продуктивність, яка збільшується пропорційно кількості дисків в масиві. Наприклад, продуктивність масиву з чотирьох дисків при використанні контролерів може практично в чотири рази перевищувати продуктивність окремого диску. Однак не можна забувати про такі чинники, як затримки, тобто час, необхідний для пошуку даних. Продуктивність RAID 0 завжди вища ніж продуктивність одного диска.

Для досягнення більш високої надійності адаптери АТА RAID підтримують рівень RAID 1, який забезпечує дзеркальне відображення (тобто дублювання) даних, записаних на одному з дисків. При пошкодженні якого-небудь дисковода система може працювати з інформацією, яка збережена на іншому диску. На жаль, ефективність масиву при цьому практично не змінюється; більше того, використовується тільки половина існуючого дискового простору. Іншими словами, встановлюються два диска, а по суті виходить тільки один (другий диск є дзеркальною копією першого). Проте в епоху накопичувачів великої ємності, що мають невисоку вартість, це не має істотного значення.

Для того щоб об’єднати високу ефективність з підвищенням надійності матриці, слід скористатися рівнем RAID 3 або RAID 5. Наприклад, практично всі професійні контролери RAID, які використовуються в мережевих файлових серверах, призначені для роботи на рівні RAID 5. При цьому вартість подібних контролерів значно вища. Крім того, для реалізації рівня RAID 5 необхідні мінімум три накопичувача.

Використовуючи чотири диска об’ємом 500 Гбайт в конфігурації RAID 5, ви отримаєте сховище загальним обсягом 1,5 Тбайт; при цьому допускається відмова одного накопичувача. Після відмови диска дані можуть бути зчитані з масиву або записані в нього. Однак швидкість операцій читання/запису буде надзвичайно низькою до тих пір, поки не буде замінений диск і відновлено масив. Процес відновлення масиву може зайняти відносно багато часу, а якщо відбудеться відмова ще одного диска, всі дані будуть втрачені.

При використанні чотирьох накопичувачів в конфігурації RAID 10 ви отримаєте сховище загальним обсягом 1 Тбайт, однак при цьому допускається відмова декількох накопичувачів. Крім того, після відмови накопичувача робота з даними можлива, причому без будь-яких втрат швидкодії. Після заміни накопичувача відновлення масиву займає достатньо мало часу, особливо в порівнянні з масивом RAID 5. Завдяки їхнім перевагам масиви RAID 10 часто рекомендуються як альтернатива RAID 5, особливо коли необхідна надмірність і продуктивність.

Типовий недорогий контролер SATA RAID дозволяє підключити до семи дисків; з його допомогою можна організувати масиви рівнів 0, 1, 5 і 0 +1; доступні також чотирохканальні плати РАТА RAID. Проте в даний час основний акцент змістився на випуск контролерів SATA RAID, так як відповідні диски не мають проблем з розподілом функцій ведучого і веденого дисків. На платах SATA RAID для підключення кожного з дисків використовується окремий канал (кабель), що призводить до максимального підвищення продуктивності.

При пошуку потрібного контролера SATA RAID в першу чергу слід звернути увагу на наступні параметри:

■ підтримувані рівні RAID (найкращі моделі підтримують рівні 0,1, 5 і 0 +1; відсутність підтримки RAID 5 вказує на продукт низької якості);

■ чотири, шість або вісім каналів;

■ підтримка швидкості передачі даних 3 Гбіт/с;

■ з точки зору продуктивності і сумісності найкращими є плати контролерів з інтерфейсом PCI.

Контрольні запитання

1. Охарактеризуйте подолання обмеження ємності в 8,4 Гбайт

2. Охарактеризуйте подолання бар’єру в 137 Гбайт

3. Охарактеризуйте PATA/SATA RAID

Контрольні запитання

Тема. ФОРМИ ПОДАННЯ ДАНИХ