Контроллеры. Интерфейсы периферийных устройств - как все устроено Составные части ide и их назначение

Обзор интерфейсов жестких дисков

ATA (Advanced Technology Attachment)

ATA/PATA - параллельный интерфейс для подключения жестких дисков и оптических приводов, созданный во второй половине 80-х годов прошлого века. После появления последовательного интерфейса SATA получил наименование PATA (параллельный ATA). Стандарт непрерывно развивался, и последняя его версия - Ultra ATA/133 - обладает теоретической скоростью передачи данных около 133 Мб/с. Однако жесткие диски PATA, рассчитанные на массовый рынок, достигли только скорости 66 Мб/с. Данный способ передачи данных уже устарел, однако на современных материнских платах все равно устанавливают один разъем PATA.

На один разъем PATA можно подключить два устройства (жесткие диски и/или оптические приводы). При этом может возникнуть конфликт устройств. «Разводить» ATA-устройства приходится вручную с помощью установки на них переключателей (джамперов). При правильной установке джамперов компьютер сможет понять, какое из устройств ведущее (master), а какое ведомое (slave).

PATA использует 40-проводные или 80-проводные интерфейсные кабели, длина которых по стандартам не должна превышать 46 см. Чем больше в системном блоке устройств ATA, тем сложнее обеспечить их оптимальное взаимодействие. Кроме того, широкие шлейфы препятствуют нормальной циркуляции воздуха в корпусе. Вдобавок их достаточно легко повредить при подключении или отключении кабеля.

SATA (Serial ATA)

SATA - последовательный интерфейс для подключения накопителей данных. Пришел на смену PATA в начале 2000-х годов. В настоящее время безраздельно властвует на большинстве персональных компьютеров. Первая версия SATA revision 1.x (SATA/150) обладала теоретической скоростью передачи данных до 150 Мб/с, последняя - SATA rev. 3.0 (SATA/600) - обеспечивает пропускную способность до 600 Мб/с. Впрочем, скорость эта пока не востребована, так как средняя скорость самых быстрых моделей для массового рынка колеблется в районе 150 Мб/с. Тем не менее в среднем SATA-диски в два раза быстрее своих предшественников.

Три версии последовательного интерфейса часто обозначают как SATA I/SATA II/SATA III, что, по мнению разработчиков, неправильно. В теории разные версии интерфейса обладают обратной совместимостью. То есть SATA rev. 2.x можно подключить к материнской плате с разъемом SATA rev. 1.x. Несмотря на то что разъемы взаимозаменяемы, в реальности разные модели материнских плат с разными моделями жестких дисков могут взаимодействовать по-разному.

В SATA, в отличие от PATA, используется 7-контактный интерфейсный кабель с максимальной длиной 1 метр и с небольшой площадью сечения (то есть он гораздо уже кабеля PATA). Также его гораздо сложнее повредить и легче подключать или отключать. Для обладателей старых компьютеров и винчестеров существуют переходники с SATA на PATA и обратно. «Горячая замена» дисков не поддерживается - при включенном системном блоке нельзя отсоединять и присоединять диски SATA (PATA, впрочем, тоже).

Подключение шлейфов к винчестерам:
PATA (сверху; широкий серый) и SATA (снизу; узкий красный)

eSATA (External SATA)

Интерфейс для подключения внешних накопителей. Создан в 2004 году. Поддерживает режим «горячей замены», для чего необходима активация в BIOS режима AHCI. Разъемы SATA и eSATA не совместимы. Длина кабеля увеличена до 2 метров. Также разработан разъем Power eSATA, который позволяет объединить интерфейсный кабель и кабель питания.

FireWire (IEEE 1394)

Последовательный высокоскоростной интерфейс для подключения к ПК различных устройств и создания компьютерной сети. Стандарт IEEE 1394 был принят в 1995 году. С тех пор были разработаны несколько вариантов интерфейсов с различной пропускной способностью (FireWire 800 до 80 Мб/с и FireWire 1600 до 160 Мб/с) и различной конфигурацией разъемов. В FireWire существует возможность «горячего подключения», кроме того, не нужен отдельный кабель для питания.

Впервые начал использоваться для захвата фильмов с видеокамер стандарта MiniDV. Чаще применяется для подключения различных мультимедийных устройств, реже - для подключения жестких дисков и массивов RAID. Одно время FireWire планировался на роль замены для ATA.

SCSI (Small Computer System Interface)

Параллельный интерфейс для подключения различных устройств (от жестких дисков и оптических приводов до сканеров и принтеров). Стандартизирован в 1986 году и с тех пор непрерывно развивался. Версия интерфейса Ultra-320 SCSI обладает пропускной способностью до 320 Мб/с. Для подключения устройств используется 50- и 68-контактный кабель. В последних версиях SCSI используется 80-контактный разъем и поддерживается «горячая замена».

Этот интерфейс почти незнаком массовому пользователю из-за высокой стоимости SCSI-дисков. Вследствие этого большинство материнских плат выпускаются без встроенного контроллера. Обычная сфера применения SCSI-дисков - серверы, высокопроизводительные рабочие станции, RAID-массивы. Постепенно уходит в прошлое, так как вытесняется интерфейсом SAS.

SAS (Serial Attached SCSI)

Последовательный интерфейс, пришедший на смену SCSI. Технически более совершенен и более быстр (до 600 Мб/с). Существует несколько различных вариантов разъемов SAS. Интерфейс SCSI использует общую шину, поэтому с контроллером одновременно может работать только одно устройство. SAS за счет реализации выделенных каналов лишен этого недостатка. Обратно совместим с интерфейсом SATA (к нему можно подключить SATA rev. 2.x и SATA rev. 3.x, но не наоборот). В отличие от SATA более надежен, но стоит существенно дороже и потребляет больше энергии. В отличие от SCSI имеет разъемы меньшего размера, что позволяет использовать накопители типоразмера 2,5 дюйма.

USB (Universal Serial Bus)

Последовательный интерфейс для передачи данных различных устройств. По одной шине передаются данные и питание. Поддерживается «горячая замена». USB-устройства могут не иметь собственного источника питания: максимальная сила тока - 500 мА для USB 2.0 и 900 мА для USB 3.0. На практике это означает, что внешние жесткие диски типоразмера 1,8 и 2,5 дюйма получают питание по USB-кабелю. 3,5-дюймовые внешние диски уже требуют отдельного блока питания. Несмотря на то что внешний диск подключается через разъем USB и позиционируется как «жесткий диск USB HDD», внутри устройства находятся обычный винчестер SATA и специальный контроллер SATA-USB.

USB чрезвычайно распространен. Наиболее распространена версия USB 2.0. В ближайшие годы стандартом станет USB 3.0, но пока на рынке не так много устройств USB 3.0 и материнских плат с соответствующей поддержкой. Скорость обмена данными по сравнению с USB 2.0 возросла в 10 раз до 4,8 Гбит/с. Реальная скорость USB 3.0, как показывают тесты, - до 380 Мб/с.

Новый интерфейс использует новые кабели: USB Тип А и USB Тип B. Первый совместим с USB 2.0 Тип А.

Thunderbolt (ранее известный как Light Peak)

Перспективный интерфейс для подключения периферийных устройств к ПК. Разработан фирмой Intel для замены интерфейсов, таких как USB, SCSI, SATA и FireWire. В мае 2010 года был продемонстрирован первый компьютер с Light Peak, а с февраля этого года к поддержке интерфейса присоединилась Apple.

Скорость передачи данных до 10 Гбит/с (в 20 раз быстрее USB 2.0), максимальная длина кабеля 3 метра. Возможны одновременное соединение со множеством устройств, поддержка разных протоколов, «горячее» подключение устройств.

Несмотря на отличные показатели скорости передачи данных, пока неизвестно, станет ли интерфейс Thunderbolt стандартом на массовых ПК.

Слева направо: кабели USB 2.0, USB 3.0, Thunderbolt

Сетевые интерфейсы

В последние годы набирают популярность сетевые системы хранения данных. По сути, это отдельный мини-компьютер, выполняющий роль хранилища данных. Называется NAS (англ. Network Attached Storage). Подключается через сетевой кабель, настраивается и управляется с другого ПК через браузер. Некоторые NAS оснащаются дополнительными сервисами (фотогалерея, медиацентр, BitTorrent- и eMule-клиенты, почтовый сервер и т. п.). Покупается для дома в тех случаях, когда необходимо большое дисковое пространство, которым пользуются многие члены семьи (фотографии, видео, аудио). Передача данных от сетевых хранилищ к другим компьютерам сети происходит по кабелю (обычно стандартная гигабитная сеть Ethernet) либо с помощью Wi-Fi.

Резюме

Итак, если вы среднестатистический пользователь компьютера, то ваш выбор - внутренний диск SATA rev 2.x либо SATA rev 3.x. Разницы в скорости между ними практически нет. PATA уже не продаются и устарели, SCSI и SAS - слишком дороги. Если в вашем доме несколько компьютеров и используются общие ресурсы, то пора подумать о покупке сетевого файлового хранилища.

Жёсткий диск - простая и маленькая "коробочка" с виду, хранящая огромные объёмы информации в компьютере любого современного пользователя.

Именно таковой она кажется снаружи: достаточно незамысловатой вещицей. Редко кто при записи, удалении, копировании и прочих действий с файлами различной важности задумывается о принципе взаимодействия жёсткого диска с компьютером. А если ещё точнее - непосредственно с самой материнской платой.

Как эти компоненты связаны в единую бесперебойную работу, каким образом устроен сам жесткий диск, какие разъемы подключения у него есть и для чего каждый из них предназначен - это ключевая информация о привычном для всех устройстве хранения данных.

Интерфейс HDD

Именно этим термином можно корректно называть взаимодействие с материнской платой. Само же слово имеет гораздо более широкое значение. К примеру, интерфейс программы. В этом случае подразумевается та часть, которая обеспечивает способ взаимодействия человека с ПО (удобный «дружелюбный» дизайн).

Однако же рознь. В случае с HDD и материнской платой он представляет не приятное графическое оформление для пользователя, а набор специальных линий и протоколов передачи данных. Друг к другу эти компоненты подключаются при помощи шлейфа - кабеля со входами на обоих концах. Они предназначены для соединения с портами на жёстком диске и материнской плате.

Иными же словами, весь интерфейс на этих устройствах - два кабеля. Один подключается в разъем питания жесткого диска с одного конца и к самому БП компьютера с другого. А второй из шлейфов соединяет HDD с материнской платой.

Как в былые времена подключали жёсткий диск - разъем IDE и другие пережитки прошлого

Самое начало, после которого появляются более совершенные интерфейсы HDD. Древний по нынешним меркам появился на рынке примерно в 80-х годах прошлого столетия. IDE дословно в переводе означает «встроенный контроллер».

Будучи параллельным интерфейсом данных, его ещё принято называть ATA - Однако стоило со временем появиться новой технологии SATA и завоевать гигантскую популярность на рынке, как стандартный ATA был переименован в PATA (Parallel ATA) во избежание путаниц.

Крайне медленный и совсем уж сырой по своим техническим возможностям, этот интерфейс в годы своей популярности мог пропускать от 100 до 133 мегабайта в секунду. И то лишь в теории, т. к. в реальной практике эти показатели были ещё скромнее. Конечно же, более новые интерфейсы и разъемы жестких дисков покажут ощутимое отставание IDE от современных разработок.

Думаете, не стоит преуменьшать и привлекательных сторон? Старшие поколения наверняка помнят, что технические возможности PATA позволяли обслуживать сразу два HDD при помощи только одного шлейфа, подключаемого к материнской плате. Но пропускная способность линии в таком случае аналогично распределялась пополам. И это уже не упоминая ширины провода, так или иначе препятствующую своими габаритами потоку свежего воздуха от вентиляторов в системном блоке.

К нашему времени IDE уже закономерно устарел как в физическом, так и в моральном плане. И если до недавнего времени этот разъём встречался на материнских платах низшего и среднего ценового сегмента, то теперь сами производители не видят в нём какой-либо перспективы.

Всеобщий любимец SATA

На длительное время IDE стал наиболее массовым интерфейсом работы с накопителями информации. Но технологии передачи и обработки данных долго на месте не застаивались, предложив вскоре концептуально новое решение. Сейчас его можно встретить практически у любого владельца персонального компьютера. И название ему - SATA (Serial ATA).

Отличительные особенности этого интерфейса - параллельная низкое энергопотребление (сравнительно с IDE), меньший нагрев комплектующих. За всю историю своей популярности SATA пережил развитие в три этапа ревизий:

1. SATA I - 150 мб/c.
2. SATA II - 300 мб/с.
3. SATA III - 600 мб/с.

К третьей ревизии также была разработана пара обновлений:

• 3.1 - более усовершенствованная пропускная способность, но всё так же ограниченная лимитом в 600 мб/с.
• 3.2 со спецификацией SATA Express - успешно реализованное слияние SATA и PCI-Express устройств, позволившее увеличить скорость чтения/записи интерфейса до 1969 мб/с. Грубо говоря, технология является «переходником», который переводит обычный режим SATA на более скоростной, которым и обладают линии PCI-разъёмов.

Реальные же показатели, разумеется, явно отличались от официально заявленных. В первую очередь это обуславливает избыточная пропускная способность интерфейса - многим современным накопителям те же 600 мб/с излишне, т. к. они изначально не разработаны для работы на такой скорости чтения/записи. Лишь с течением времени, когда рынок постепенно будет полниться высокоскоростными накопителями с невероятными для сегодняшнего дня показателями скорости работы, технический потенциал SATA будет задействован в полном объёме.

И наконец, были доработаны многие физические аспекты. SATA рассчитан на использование более длинных кабелей (1 метр против 46 сантиметров, которыми подключались жесткие диски с разъемом IDE) с гораздо компактными размерами и приятным внешним видом. Обеспечена поддержка «горячей замены» HDD - подключать/отсоединять их можно и без отключения питания компьютера (правда, предварительно всё же необходимо активировать режим AHCI в BIOS).

Возросло и удобство подключения шлейфа к разъёмам. При этом все версии интерфейса обратно совместимы друг с другом (жёсткий диск SATA III без проблем подключается к II на материнской плате, SATA I - к SATA II и т. д.). Единственный нюанс - максимальная скорость работы с данными будет ограничена наиболее «старым» звеном.

Обладатели старых устройств также не останутся в стороне - существующие переходники с PATA на SATA переменно спасут от более дорогостоящей покупки современного HDD или новой материнской платы.

External SATA

Но далеко не всегда стандартный жёсткий диск подходит под задачи пользователя. Бывает необходимость в хранении больших объёмов данных, которым требуется использование в разных местах и, соответственно, транспортировка. Для таких случаев, когда с одним накопителем приходится работать не только лишь дома, и разработаны внешние жёсткие диски. В связи со спецификой своего устройства, им требуется совсем другой интерфейс подключения.

Таковым является ещё разновидность SATA, созданной под разъемы внешних жестких дисков, с приставкой external. Физически этот интерфейс не совместим со стандартными SATA-портами, однако при этом обладает аналогичной пропускной способностью.

Присутствует поддержка «горячей замены» HDD, а длина самого кабеля увеличена до двух метров.

В изначальном варианте eSATA позволяет лишь обмениваться информацией, без подачи в соответствующий разъем внешнего жесткого диска необходимой электроэнергии. Этот недостаток, избавляющий от необходимости использования сразу двух шлейфов для подключения, был исправлен с приходом модификации Power eSATA, совместив в себе технологии eSATA (отвечает за передачу данных) с USB (отвечает за питание).

Универсальная последовательная шина

Фактически став наиболее распространённым стандартом последовательного интерфейса подключения цифровой техники, Universal Serial Bus в наши дни известен каждому.

Перенеся долгую историю постоянных крупных изменений, USB - это высокая скорость передачи данных, обеспечение электропитанием беспрецедентное множество периферийных устройств, а также простота и удобство в повседневном использовании.

Разрабатываемый такими компаниями, как Intel, Microsoft, Phillips и US Robotics, интерфейс стал воплощением сразу нескольких технических стремлений:

• Расширение функционала компьютеров. Стандартная периферия до появления USB была достаточно ограничена в разнообразии и под каждый тип требовался отдельный порт (PS/2, порт для подключения джойстика, SCSI и т. д.). С приходом USB задумывалось, что он и станет единой универсальной заменой, существенно упростив взаимодействие устройств с компьютером. Более того, предполагалось также этой новой для своего времени разработкой стимулировать появление нетрадиционных периферийных устройств.
• Обеспечить подключение мобильных телефонов к компьютерам. Распространяющая в те годы тенденция перехода мобильных сетей на цифровую передачу голоса выявила, что ни одни из разработанных тогда интерфейсов не мог обеспечить передачу данных и речи с телефона.
• Изобретение комфортного принципа «подключи и играй», пригодные для «горячего подключения».

Как и в случае с подавляющим большинством цифровой техники, USB-разъем для жесткого диска за долгое время стал полностью привычным для нас явлением. Однако в разные года своего развития этот интерфейс всегда демонстрировал новые вершины скоростных показателей чтения/записи информации.

Помимо этой спецификации, различные версии USB реализованы и под разные типы устройств. Среди разновидностей кабелей и разъёмов этого интерфейса выделяют:

USB 3.0 уже мог предложить ещё один новый тип - С. Кабели этого типа симметричны и вставляются в соответствующее устройство с любой стороны.

С другой стороны, третья ревизия уже не предусматривает Mini и Micro «подвиды» кабелей для типа А.

Альтернативный FireWire

При всей своей популярности, eSATA и USB - ещё не все варианты того, как подключить разъем внешнего жесткого диска к компьютеру.

FireWire - чуть менее известный в народных массах высокоскоростной интерфейс. Обеспечивает последовательное подключение внешних устройств, в поддерживаемое число которых также входит и HDD.

Его свойство изохронной передачи данных главным образом нашло своё применение в мультимедийной технике (видеокамеры, DVD-проигрыватели, цифровая звуковая аппаратура). Жёсткие диски им подключают гораздо реже, отдавая предпочтение SATA или более совершенному USB-интерфейсу.

Свои современные технические показатели эта технология приобретала постепенно. Так, исходная версия FireWire 400 (1394a) была быстрее своего тогдашнего главного конкурента USB 1.0 - 400 мегабит в секунду против 12. Максимально допустимая длина кабеля - 4.5 метра.

Приход USB 2.0 оставил соперника позади, позволяя обменивать данные со скоростью 480 мегабит в секунду. Однако с выходом нового стандарта FireWire 800 (1394b), позволявший передавать 800 мегабит в секунду с максимальной длинной кабеля в 100 метров, USB 2.0 на рынке была менее востребована. Это спровоцировало разработку третьей версии последовательной универсальной шины, расширившей потолок обмена данных до 5 гбит/с.

Кроме этого, отличительной особенностью FireWire является децентрализованность. Передача информации через USB-интерфейс обязательно требует наличие ПК. FireWire же позволяет обмениваться данными между устройствами без обязательного привлечения компьютера к процессу.

Thunderbolt

Своё видение того, какой разъем жесткого диска должен в будущем стать безоговорочным стандартом, показала компания Intel совместно с Apple, представив миру интерфейс Thunderbolt (или, согласно его старому кодовому названию, Light Peak).

Построенная на архитектурах PCI-E и DisplayPort, эта разработка позволяет передавать данные, видео, аудио и электроэнергию через один порт с по-настоящему впечатляющей скоростью - до 10 Гб/с. В реальных тестах этот показатель был чуть скромнее и доходил максимум до 8 Гб/с. Тем не менее даже так Thunderbolt обогнал свои ближайшие аналоги FireWire 800 и USB 3.0, не говоря уже и о eSATA.

Но столь же массового распространения эта перспективная идея единого порта и коннектора пока что не получила. Хотя некоторыми производителями сегодня успешно встраиваются разъемы внешних жестких дисков, интерфейс Thunderbolt. С другой стороны, цена за технические возможности технологии тоже сравнительно немалая, поэтому и встречается эта разработка в основном среди дорогостоящих устройств.

Совместимость с USB и FireWire можно обеспечить при помощи соответствующих переходников. Такой подход не сделает их более быстрыми в плане передачи данных, т. к. пропускная способность обоих интерфейсов всё равно останется неизменной. Преимущество здесь только одно - Thunderbolt не будет ограничивающим звеном при подобном подключении, позволив задействовать все технические возможности USB и FireWire.

SCSI и SAS - то, о чём слышали далеко не все

Ещё один параллельный интерфейс подключения периферийных устройств, сместивший в один момент акцент своего развития с настольных компьютеров на более широкий спектр техники.

«Small Computer System Interface» был разработан чуть ранее SATA II. К моменту выхода последнего, оба интерфейса по своим свойствам были практически идентичными друг другу, способные обеспечить разъем подключения жесткого диска стабильной работой с компьютеров. Однако SCSI использовал в работе общую шину, из-за чего с контроллером могло работать лишь одно из подключённых устройств.

Дальнейшая доработка технологии, которая приобрела новое название SAS (Serial Attached SCSI), уже была лишена своего прежнего недостатка. SAS обеспечивает подключение устройств с набором управляемых команд SCSI по физическому интерфейсу, который аналогичен тому же SATA. Однако более широкие возможности позволяют подключать не только лишь разъемы жестких дисков, но и многую другую периферию (принтеры, сканеры и т. д.).

Поддерживается «горячая замена» устройств, расширители шины с возможностью одновременного подключения нескольких SAS-устройств к одному порту, а также предусмотрена обратная совместимость с SATA.

Перспективы NAS

Интереснейший способ работы с большими объёмами данных, стремительно набирающий популярность в кругах современных пользователей.

Или же сокращённо NAS представляют собой отдельный компьютер с некоторым дисковым массивом, который подключен к сети (зачастую к локальной) и обеспечивает хранение и передачу данных среди других подключённых компьютеров.

Выполняя роль сетевого хранилища, к другим устройствам этот мини-сервер подключается по обыкновенному Ethernet-кабелю. Дальнейший доступ к его настройкам осуществляется через любой браузер с подключением к сетевому адресу NAS. Имеющиеся данные на нём можно использовать как по Ethernet-кабелю, так и при помощи Wi-Fi.

Эта технология позволяет обеспечить достаточно надёжный уровень хранения информации и предоставлять к ней удобный лёгкий доступ для доверенных лиц.

Особенности подключения жёстких дисков к ноутбукам

Принцип работы HDD со стационарным компьютером предельно прост и понятен каждому - в большинстве случаев требуется соответствующим кабелем соединить разъемы питания жесткого диска с блоком питания и аналогичным образом подключить устройство к материнской плате. При использовании внешних накопителей можно вообще обойтись всего одним шлейфом (Power eSATA, Thunderbolt).

Но как правильно использовать разъемы жестких дисков ноутбуков? Ведь иная конструкция обязывает учитывать и несколько иные нюансы.

Во-первых, для подключения накопителей информации прямиком «внутрь» самого устройства следует учитывать то, что форм-фактор HDD должен быть обозначен как 2.5”

Во-вторых, в ноутбуке жесткий диск подсоединяется к материнской плате напрямую. Без каких-либо дополнительных кабелей. Достаточно просто открутить на дне предварительно выключенного ноутбука крышку для HDD. Она имеет прямоугольный вид и обычно крепится парой болтов. Именно в ту ёмкость и нужно помещать устройство хранения.

Все разъемы жестких дисков ноутбуков абсолютно идентичны своим более крупным «собратьям», предназначенных для ПК.

Ещё один вариант подключения - воспользоваться переходником. К примеру, накопитель SATA III можно подключить к USB-портам, установленным на ноутбуке, при помощи переходного устройства SATA-USB (на рынке представлено огромное множество подобных устройств для самых разных интерфейсов).

Достаточно лишь подсоединить HDD к переходнику. Его, в свою очередь, подключить к розетке 220В для подачи электропитания. И уже кабелем USB соединить всю эту конструкцию с ноутбуком, после чего жесткий диск будет отображаться при работе как ещё один раздел.

Рассмотрим наиболее распространенные интерфейсы периферийных устройств (табл. 4.5).

Таблица 4.5. Интерфейсы внешних устройств

Интерфейс IDE и его разновидности

IDE (Integra?ed Device Electronics) - интерфейс устройств со встроенным контроллером (рис. 4.21, 4.22). При создании этого интерфейса разработчики ориентировались на подключение дискового накопителя. За счет минимального удаления контроллера от диска существенно повышается быстродействие.

Проблема накопитель-компьютер состоит из трех частей. Компьютер должен взаимодействовать с контроллером (и наоборот), контроллер должен оперировать данными и взаимодействовать с дисковым накопителем (и наоборот).

В свое время проблема рассматривалась со всех трех сторон, что заставляло производителей накопителей выполнять всю ра-

Шины EIDE, PCI VL или системная плата ПК

Первичный интерфейс EIDE

Накопитель на МЛ, CD-ROM или НЖМД, совместимый с EIDE совместимый с EIDE

Рис. 4.21. Интерфейс EIDE

Рис. 4.22. Параллельный разъем АТА/1 DE (а , б ); последовательный разъем

АТА (в ); разъемы на плате (г)

боту. Большая часть «интеллекта» для передачи данных между компьютером и дисковым накопителем была сосредоточена на плате контроллера и компьютера, поэтому при установке нового или замене старого накопителя требовалось обеспечить полную совместимость контроллера с новым жестким диском. Контроллеры IDE существенно изменили ситуацию, так как в этом стандарте значительно большую роль стал играть контроллер на плате дисководного накопителя, поэтому фактический интерфейс между накопителем и компьютером стал относительно простым.

Семейство интерфейсов накопителей IDE (Integrated Drive Electronics) пришло на смену интерфейсам ST506 и ESDI, использовавшимся для подключения жестких дисков к соответствующим контроллерам. В IDE впервые введена стандартная шина для обмена с контроллером за счет использования совмещенной с диском специальной электроники для управления диском и этой шиной (отсюда и название интерфейса). Трансляцию логических параметров в физические осуществляет электроника диска. В качестве синонима интерфейса IDE применяется термин АТА (AT Attachment).

Физически интерфейс IDE реализован с помощью плоского 40-жильного кабеля, на котором размещаются разъемы для подключения одного или двух устройств. Общая длина кабеля не должна превышать 45 см, причем расстояние между разъемами должно быть не менее 15 см.

Интерфейс IDE имеет первичный и вторичный каналы, к каждому из которых можно подключить два устройства, т. е. всего их может быть четыре. Это может быть жесткий диск, CD-ROM или переключатель дисков.

Интерфейс IDE поддерживает несколько способов обмена. Сначала основным способом обмена был режим PIO (Programmed Input/Output), при котором обмен данными производился через регистры процессора под его непосредственным управлением. Следствием этого является высокая загрузка процессора при операциях ввода-вывода.

Вторым способом является использование режима прямого доступа к памяти DMA (Direct Memory Access), при котором контроллер интерфейса IDE и контроллер прямого доступа к памяти системной платы пересылают данные между диском и оперативной памятью, не загружая центральный процессор.

Существует несколько разновидностей интерфейса IDE, совместимых снизу вверх друг с другом.

Спецификация Enhanced IDE. В целях развития возможностей интерфейса IDE компанией Western Digital была предложена его расширенная спецификация Enhanced IDE (синонимы: E-IDE, Fast АТА, АТА-2 и Fast АТА-2), которая обрела затем статус американского стандарта ANSI под названием АТА-2 (рис. 4.23, табл. 4.6). Она содержит ряд нововведений: поддержку IDE-на-копителей емкостью свыше 504 Мбайт, поддержку в системе нескольких контроллеров IDE и подключение к одному контроллеру до четырех устройств, а также поддержку периферийных устройств, отличных от жестких дисков (приводов CD-ROM, CD-R и DVD-ROM, накопителей LS-120 и ZIP, магнитооптики,

Таблица 4. 6. Разъем параллельного интерфейса АТА

Передача данных как передним, так и задним фронтами импульса

Рис. 4.23. Схемы временных диаграмм интерфейсов АТА-2 и АТА-3 (а );

Ultra АТА (б); Ultra АТА/66 {в)

стримеров и т. п.). Расширение спецификации IDE для поддержки иных типов накопителей с интерфейсом IDE называют также ATAPI (АТА Packed Interface). В Enhanced IDE также введены элементы распараллеливания операций обмена и контроля за целостностью данных при передаче.

В спецификацию интерфейса Enhanced IDE добавлена поддержка режимов РЮ Mode 3 и 4, а также режимы DMA Single Word Mode 2 и Multi Word DMA Mode 1 и 2. Максимальная скорость передачи данных по шине в режиме РЮ Mode 3 составляет 11,1 Мбайт/с, а в режимах РЮ Mode 4 и Single Word DMA Mode 2 - 16,7 Мбайт/с. Режим Multi Word DMA Mode 2 позволяет получить пиковую скорость обмена свыше 20 Мбайт/с.

Следующим шагом в развитии интерфейса IDE/АТА явился стандарт Ultra АТА (он же Ultra DMA, АТА-33, DMA-33, АТА-3). Ultra АТА является стандартом де-факто использования быстрого режима DMA - mode 3, обеспечивающего скорость передачи дан-

Передача данных передним фронтом импульса

362 Глава 4. Интерфейсы

ных 33,3 Мбайт/с. Для обеспечения надежной передачи данных по все тому же кабелю используются специальные схемы контроля и коррекции ошибок, при этом сохраняется обратная совместимость с предыдущими стандартами - АТА и АТА-2.

Наконец, интерфейсы Ultra АТА/66, Ultra АТА/100, Ultra АТА/133, позволяющие осуществлять передачу данных со скоростями 66, 100 и 133-150 Мбайт/с соответственно.

Последовательный интерфейс Serial АТА (SATA). Основные преимущества Serial АТА сравнительно с Parallel АТА (РАТА) включают:

• уменьшено количество контактов разъема (до 7 вместо 40) и снижено напряжение сигнала (до 500 мВ, сравнительно с 5 В для РАТА);
• меньший, более удобный для проводки кабель, длиной до 1 м;
• улучшены возможности обнаружения и коррекции ошибок.

Первое поколение (известное как SATA/150 или SATA. 1)

появилось на рынке в середине 2002 г. и поддерживало скорость передачи данных до 1,5 Гбит/с. SATA. 1 использует схему кодирования 8В/10В на физическом уровне, которая имеет эффективность, равную 80 %, что приводит к реальной скорости в 1,2 Гбит/с или 150 Мбайт/с.

Следующая версия (SATA, 3,0 Гбит/с) также использует схему 8В/ 10В, поэтому максимальная скорость передачи составляет 2,4 Гбит/с или 300 Мбайт/с. Однако сегодняшние устройства НЖМД не поддерживают таких скоростей, поэтому реальное быстродействие системы ограничено возможностями дисковода. Спецификацию 3,0 Гбит/с часто называют «Serial АТА II» («SATA II»), а также SATA 3.0 или SATA/300, продолжая линию АТА/100, АТА/133 и SATA/150.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет автоматики и электромеханики

Кафедра «Автоматизированные и вычислительные системы»

Специальность «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети»

Тема реферата «Внутренние интерфейсы IDE и их разновидности»

Выполнил

ст. гр. ВМ-083 Болдырев Е.В.

Проверил Плотников О.А.

Воронеж 2010

1. Место объекта в ЭВМ и вычислительных системах. Область применения

Первоначальная версия стандарта была разработана в 1986 году фирмой Western Digital и по маркетинговым соображениям получила название IDE (англ. Integrated Drive Electronics - «электроника, встроенная в привод»). Оно подчеркивало важное нововведение: контроллер привода располагается в нём самом, а не в виде отдельной платы расширения, как в предшествующем стандарте ST-506 и существовавших тогда интерфейсах SCSI и ST-412. Это позволило улучшить характеристики накопителей (за счёт меньшего расстояния до контроллера), упростить управление им (так как контроллер канала IDE абстрагировался от деталей работы привода) и удешевить производство (контроллер привода мог быть рассчитан только на «свой» привод, а не на все возможные; контроллер канала же вообще становился стандартным). Следует отметить, что контроллер канала IDE правильнее называть хост-адаптером, поскольку он перешёл от прямого управления приводом к обмену данными с ним по протоколу.

IDE (Integrated Device Electronics) - интерфейс устройств со встроенным контроллером. При создании этого интерфейса разработчики ориентировались на подключение дискового накопителя. Интерфейс EIDE имеет первичный и вторичный каналы, к каждому из которых можно подключить два устройства, то есть всего их может быть четыре. Это может быть жесткий диск, CD-ROM или переключатель дисков.

Фактически он представляет собой связь между системной платой и электроникой или контроллером, встроенными в накопитель. Этот интерфейс постоянно развивается - на сегодняшний день создано несколько модификаций. Интерфейс IDE, широко используемый в запоминающих устройствах современных компьютеров, разрабатывался как интерфейс жесткого диска. Однако сейчас он используется для поддержки не только жестких дисков, но и многих других устройств, например накопителей на магнитной ленте, CD/DVD-ROM, дисководов Zip и др.

Эти устройства должны быть документированы, как:

¾ Enhanced IDE (EIDE)

¾ Fast ATA, Fast ATA-2- это обобщенный термин, который может быть отнесен практически к любому жесткому диску со встроенным контроллером; названия ATA и Serial ATA относятся к определенным типам интерфейсов IDE. Поскольку АТА является наиболее распространенной формой IDE, эти термины довольно часто используются поочередно, что с технической точки зрения неправильно. То, что пользователи обычно называют IDE, правильнее называть интерфейсом ATA.

Физически интерфейс IDE реализован с помощью плоского 40-жильного кабеля, на котором могут быть разъемы для подключения одного или двух устройств. Общая длина кабеля не должна превышать 45 см, причем между разъемами должно быть расстояние не менее 15 сантиметров.

Существует три основные разновидности интерфейса IDE, рассчитанные на взаимодейст вие с тремя стандартными шинами:

¾ Serial AT Attachment (SATA);

¾ параллельный AT Attachment (ATA) IDE (16-разрядная шина ISA);

¾ XT IDE (8-разрядная шина ISA);

¾ MCA IDE (16-разрядная шина MCA).

В настоящее время из всех перечисленных типов используются только версии ATA. Уже появились более быстрые и мощные версии интерфейсов ATA и Serial ATA; в частности, улучшенные варианты ATA получили название ATA-2 и далее. Иногда эти версии называют также EIDE (Enhanced IDE), Fast-ATA, Ultra-ATA или Ultra-DMA. Несмотря на все возможности последней версии ATA-6, в целом интерфейс Serial ATA демонстрирует большую производительность и функциональность.

В большинстве новых компьютеров разъем ATA установлен непосредственно на систем ной плате. Если его нет, то для подключения к компьютеру накопителя ATA IDE можно использовать дополнительную плату адаптера. Обычно на такой переходной плате нет ничего, кроме двух разъемов (98-контактного печатного разъема шины и 40-контактного разъема IDE) и набора проводников. Эти платы не являются контроллерами, так как последние уже встроены в жесткие диски. Правда, на некоторых из них монтируются дополнительные устройства, например специализированная ROM BIOS или кэш-память.

В целях развития возможностей интерфейса IDE компанией Western Digital была предложена его расширенная спецификация Enhanced IDE (синонимы: E-IDE, Fast AТА, АТА-2 и Fast АТА-2), которая обрела затем статус американского стандарта ANSI под названием АТА-2. Она содержит ряд нововведений: поддержку IDE-накопителей емкостью свыше 504 Мбайт, поддержку в системе нескольких контроллеров IDE и подключение к одному контроллеру до четырех устройств, а также поддержку периферийных устройств, отличных от жестких дисков (приводов CD-ROM, CD-R и DVD-ROM, накопителей LS-120 и ZIP, магнитооптики, стримеров и тому подобное). Расширение спецификации IDE для поддержки иных типов накопителей с интерфейсом IDE называют также ATAPI (АТА Packed Interface). В Enhanced IDE также введены элементы распараллеливания операций обмена и контроля за целостностью данных при передаче.

Для подключения жёстких дисков с интерфейсом PATA обычно используется 40-проводный кабель (именуемый также шлейфом). Каждый шлейф обычно имеет два или три разъёма, один из которых подключается к разъёму контроллера на материнской плате (в более старых компьютерах этот контроллер размещался на отдельной плате расширения), а один или два других подключаются к дискам. В один момент времени шлейф P-ATA передаёт 16 бит данных. Иногда встречаются шлейфы IDE, позволяющие подключение трёх дисков к одному IDE каналу, но в этом случае один из дисков работает в режиме read-only.

Долгое время шлейф ATA содержал 40 проводников, но с введением режима Ultra DMA/66 (UDMA4) появилась его 80-проводная версия. Все дополнительные проводники - это проводники заземления, чередующиеся с информационными проводниками. Такое чередование проводников уменьшает ёмкостную связь между ними, тем самым сокращая взаимные наводки. Ёмкостная связь является проблемой при высоких скоростях передачи, поэтому данное нововведение было необходимо для обеспечения нормальной работы установленной спецификацией UDMA4 скорости передачи 66 МБ/с (мегабайт в секунду). Более быстрые режимы UDMA5 и UDMA6 также требуют 80-проводного кабеля.

Хотя число проводников удвоилось, число контактов осталось прежним, как и внешний вид разъёмов. Внутренняя же разводка, конечно, другая. Разъёмы для 80-проводного кабеля должны присоединять большое число проводников заземления к небольшому числу контактов заземления, в то время как в 40-проводном кабеле проводники присоединяются каждый к своему контакту. У 80-проводных кабелей разъёмы обычно имеют различную расцветку (синий, серый и чёрный), в отличие от 40-проводных, где обычно все разъёмы одного цвета (чаще чёрные).

Стандарт ATA всегда устанавливал максимальную длину кабеля равной 46 см. Это ограничение затрудняет присоединение устройств в больших корпусах, или подключение нескольких приводов к одному компьютеру, и почти полностью исключает возможность использования дисков PATA в качестве внешних дисков. Хотя в продаже широко распространены кабели большей длины, следует иметь в виду, что они не соответствуют стандарту. То же самое можно сказать и по поводу «круглых» кабелей, которые также широко распространены. Стандарт ATA описывает только плоские кабели с конкретными характеристиками полного и ёмкостного сопротивлений. Это, конечно, не означает, что другие кабели не будут работать, но, в любом случае, к использованию нестандартных кабелей следует относиться с осторожностью.

Если к одному шлейфу подключены два устройства, одно из них обычно называется ведущим (англ. master), а другое ведомым (англ. slave). Обычно ведущее устройство идёт перед ведомым в списке дисков, перечисляемых BIOS’ом компьютера или операционной системы. В старых BIOS’ах (486 и раньше) диски часто неверно обозначались буквами: «C» для ведущего диска и «D» для ведомого.

Если на шлейфе только один привод, он в большинстве случаев должен быть сконфигурирован как ведущий. Некоторые диски (в частности, производства Western Digital) имеют специальную настройку, именуемую single (то есть «один диск на кабеле»). Впрочем, в большинстве случаев единственный привод на кабеле может работать и как ведомый (такое часто встречается при подключении CD-ROM’а на отдельный канал).

2. Назначение, основные характеристики и параметры объекта

Стандарт EIDE (англ. Enhanced IDE - «расширенный IDE»), появившийся вслед за IDE, позволял использование приводов ёмкостью, превышающей 528 Мб (504 МиБ), вплоть до 8,4 Гб. Хотя эти аббревиатуры возникли как торговые, а не официальные названия стандарта, термины IDE и EIDE часто употребляются вместо термина ATA. После введения в 2003 году стандарта Serial ATA («последовательный ATA»), традиционный ATA стали именовать Parallel ATA, имея в виду способ передачи данных по параллельному 40- или 80-жильному кабелю.

Поначалу этот интерфейс использовался с жёсткими дисками, но затем стандарт был расширен для работы и с другими устройствами, в основном - использующими сменные носители. К числу таких устройств относятся приводы CD-ROM и DVD-ROM, ленточные накопители, а также дискеты большой ёмкости, такие, как ZIP и магнитооптические диски (LS-120/240). Кроме того, из файла конфигурации ядра FreeBSD можно сделать вывод, что на шину ATAPI подключали даже FDD (дискета). Этот расширенный стандарт получил название Advanced Technology Attachment Packet Interface (ATAPI), в связи с чем полное наименование стандарта выглядит как ATA/ATAPI.

Стандарты ATA позволили избавиться от несовместимости и различных проблем между дисководами IDE и шинами ISA/PCI. Спецификации ATA определяют сигналы выводов 40- контактного разъема, их функции и синхронизацию, стандарты кабеля и т.п. В следующем разделе приведены некоторые элементы и функции, определяемые спецификацией АТА. Разъем ввода-вывода ATA Чтобы правильно подключить 40/44-контактный разъем интерфейса ATA, его обычно (но не всегда) снабжают ключом. В данном случае ключом служит срез вывода 20, причем соответствующее отверстие в ответной части отсутствует. Всем изготовителям настоятельно рекомендуется использовать разъемы и кабели с ключами, поскольку при неправильном подключении кабеля IDE можно вывести из строя как контроллер, так и адаптер шины (и это действительно так, хотя при моих многочисленных ошибках дым из микросхем все-таки не шел).

Кроме основной 40-контактной части, которая практически не отличается от стандартного разъема ATA (за исключением уменьшенного рас стояния между выводами), существуют также дополнительные выводы питания и перемычек. Обычно для подключения к разъему используется 44-контактный кабель, передающий силовое напряжение питания и стандартные сигналы ATA. Статус жесткого диска определяется положением имеющейся на нем перемычки или переключателя: первичный (Master), вторичный (Slave) или выбор кабеля (Select Cable).

В стандарте ATA предусмотрен способ организации совместной работы двух последовательно подключенных жестких дисков. Статус жесткого диска (первичный или вторичный) определяется либо путем перестановки имеющейся в нем перемычки или переключателя (с обозначением Master для первичного и Slave для вторичного), либо подачей по одной из линий интерфейса управляющего сигнала CSEL (Cable SELect - выбор кабеля). При установке в системе только одного жесткого диска его контроллер реагирует на все команды, поступающие от компьютера. Если жестких дисков два (а следовательно, и два контроллера), то команды поступают на оба контроллера одновременно. Их надо настраивать так, чтобы каждый жесткий диск реагировал только на адресованные ему команды. Именно для этого и служит перемычка (переключатель) Master/Slave и управляющий сигнал CSEL.

Большинство накопителей IDE можно сконфигурировать следующим образом:

¾ первичный (один накопитель);

¾ первичный (два накопителя);

¾ вторичный (два накопителя);

¾ выбор кабеля.

Каждому из контроллеров двух жестких дисков необходимо сообщить его статус - первичный или вторичный. В большинстве новых накопителей используется только один переключатель (первичный/вторичный), а на некоторых еще и переключатель существования вторичного диска (slave present). Характеристики IDE интерфейса.

Таблица 1 - Характеристики IDE/ATA интерфейсов

Изначально общеупотребительным способом передачи данных через интерфейс IDE/ATA был протокол, называемый Programmed I/O или PIO. Существует пять режимов PIO, различающихся максимальными скоростями пакетной передачи данных (burst transfer rates). Общеупотребительное английское название - PIO modes. Естественно, речь идет о внешней скорости передачи данных и определяет скорость интерфейса, а не диска. До появления режима DMA-33 максимальная скорость передачи данных у режимов PIO и DMA была одинаковой. Главным недостатком режимов PIO является то, что передачей данных управляет процессор, что существенно увеличивает его загрузку. Зато эти режимы не требуют специальных драйверов и идеально подходят для однозадачных операционных систем.

Таблица 2 - скорость передачи данных для интерфейса

Реально максимальная скорость передачи данных для любого диска не превышает 10 MB/s, так как механические характеристики диска обойти невозможно. Большие значения скоростей относятся к работе с внутренним кэшем жесткого диска.

3. Временные диаграммы

Схемы временных диаграмм интерфейсов выглядят следующим образом

Рисунок 1 - Схемы временных диаграмм, (а - АТА 2 и АТА 3; б - Ultra АТА; в - Ultra АТА/66.)

В спецификацию интерфейса Enhanced IDE добавлена поддержка режимов PIO Mode 3 и 4, а также режимы DMA Single Word Mode 2 и Multi Word DMA Mode 1 и 2. Максимальная скорость передачи данных по шине в режиме РIO Mode 3 составляет 4.1 Мбайт/с, а в режимах РIO Mode 4 и Single Word DMA Mode 2 - 16.7 Мбайт/с. Режим Multi Word DMA Mode 2 позволяет получить пиковую скорость обмена свыше 20 Мбайт/с.

Следующим шагом в развитии интерфейса IDE/ATA явился стандарт Ultra АТА (он же Ultra DMA, АТА-33, DMA-33, АТА-3). Ultra АТА является стандартом де-факто использования быстрого Режима DMA - mode 3, обеспечивающего скорость передачи данных 33.3 Мбайт/с. Для обеспечения надежной передачи данных по все тому же кабелю используются специальные схемы контроля и коррекции ошибок, при этом сохраняется обратная совместимость с предыдущими стандартами - АТА и АТА-2.

Рисунок 2 - Временные диаграммы циклов обмена на шине IDE

Основной недостаток интерфейса EIDE - отсутствие "интеллекта". Если на одном канале подключены жесткий диск и накопитель CD-ROM, то в случае обращения к CD-ROM процессор будет ожидать завершения операций с CD-ROM, прежде чем сможет обратиться к жесткому диску. Поэтому очевидно, что нельзя к одному каналу EIDE подключать быстрое и медленное устройство одновременно. CD-ROM всегда следует подключать только ко второму каналу. Каналы EIDE в современных контроллерах EIDE, как правило, достаточно независимы друг от друга.

Для повышения производительности EIDE были разработаны и стандартизованы режимы PIO (Programming Input Output - программируемый ввод/вывод), single word DMA (обмен одиночными словами в режиме DMA - Direct Memory Access - прямого доступа к памяти) и multi word DMA (обмен несколькими словами в режиме DMA).интерфейс имеет несколько разновидностей, которые совместимы друг с другом (достаточно иметь пассивные переходники). 8 бит (50-ти контактный разъем) или 16 бит (68-и контактный разъем для Wide SCSI). Частота шины может быть 5 MHz (SCSI 1), 10 MHz (Fast SCSI), 20 MHz (Fast-20 or Ultra SCSI) or 40 MHz (Ultra-2 SCSI). Сейчас стал активно внедряться стандарт Ultra2 SCSI LVD, являющийся разновидностью Ultra2 SCSI. Полное название стандарта - Ultra2 SCSI (LVD) Low Voltage Differential Parallel SCSI Interface, т.е. низковольтный дифференциальный параллельный SCSI интерфейс. Этот вариант SCSI существенно отличается от всех своих предшественников по двум параметрам:

¾ Скорость передачи увеличена до 80 MB/s

¾ Максимальная длина соединительного кабеля может достигать 12 метров

Кроме этого, к одному шлейфу можно подключить до 15 устройств. Обратная совместимость, как это принято для SCSI устройств, также выдерживается и устройство с Ultra2 SCSI LVD можно подключить к обычному контроллеру SCSI. С этим интерфейсом выпускаются только жесткие диски в вариантах с 68-контактным разъемом (Wide) и SCA.

Но и скорость в 80 MB/s, как оказалось, не является предельной на сегодняшний день. Уже начинает внедряться производителями, как контроллеров, так и жестких дисков следующий вариант SCSI, называемый официально как SPI-3 (SCSI Parallel Interface - 3), неофициально Ultra160/m SCSI. Он разработан на базе Ultra2 SCSI LVD и отличается удвоенной скоростью передачи данных. Каким образом это достигнуто, видно из схематичной временной диаграммы.

Рисунок 3 - Временная диаграмма скорости передачи данных

4. Схема устройства накопителя на жёстких магнитных дисках

Жёсткий диск состоит из гермозоны и блока электроники.

Гермозона включает в себя корпус из прочного сплава, собственно диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электропривод шпинделя.

Блок головок - пакет рычагов из пружинистой стали (по паре на каждый диск). Одним концом они закреплены на оси рядом с краем диска. На других концах (над дисками) закреплены головки.

Диски (пластины), как правило, изготовлены из металлического сплава. Хотя были попытки делать их из пластика и даже стекла, но такие пластины оказались хрупкими и недолговечными. Обе плоскости пластин, подобно магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика - окислов железа, марганца и других металлов. Точный состав и технология нанесения держатся в секрете. Большинство бюджетных устройств содержит 1 или 2 пластины, но существуют модели с большим числом пластин.

Диски жёстко закреплены на шпинделе. Во время работы шпиндель вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту (3600, 4200, 5000, 5400, 5900, 7200, 9600, 10 000, 12 000, 15 000). При такой скорости вблизи поверхности пластины создаётся мощный воздушный поток, который приподнимает головки и заставляет их парить над поверхностью пластины. Форма головок рассчитывается так, чтобы при работе обеспечить оптимальное расстояние от пластины. Пока диски не разогнались до скорости, необходимой для «взлёта» головок, парковочное устройство удерживает головки в зоне парковки. Это предотвращает повреждение головок и рабочей поверхности пластин. Шпиндельный двигатель жёсткого диска трехфазный, что обеспечивает стабильность вращения магнитных дисков, смонтированных на оси (шпинделе) двигателя. Статор двигателя содержит три обмотки, включенные звездой с отводом посередине, а ротор - постоянный секционный магнит. Для обеспечения малого биения на высоких оборотах в двигателе используются гидродинамические подшипники.

Устройство позиционирования головок состоит из неподвижной пары сильных неодимовых постоянных магнитов, а также катушки на подвижном блоке головок. Вопреки расхожему мнению, в подавляющем большинстве устройств внутри гермозоны нет вакуума. Одни производители делают её герметичной (отсюда и название) и заполняют очищенным и осушенным воздухом или нейтральными газами, в частности, азотом; а для выравнивания давления устанавливают тонкую металлическую или пластиковую мембрану. (В таком случае внутри корпуса жёсткого диска предусматривается маленький карман для пакетика силикагеля, который абсорбирует водяные пары, оставшиеся внутри корпуса после его герметизации). Другие производители выравнивают давление через небольшое отверстие с фильтром, способным задерживать очень мелкие (несколько микрометров) частицы. Однако в этом случае выравнивается и влажность, а также могут проникнуть вредные газы. Выравнивание давления необходимо, чтобы предотвратить деформацию корпуса гермозоны при перепадах атмосферного давления (например, в самолёте) и температуры, а также при прогреве устройства во время работы.

Пылинки, оказавшиеся при сборке в гермозоне и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на ещё один фильтр - пылеуловитель.

В ранних жёстких дисках управляющая логика была вынесена на MFM или RLL контроллер компьютера, а плата электроники содержала только модули аналоговой обработки и управления шпиндельным двигателем, позиционером и коммутатором головок. Увеличение скоростей передачи данных вынудило разработчиков уменьшить до предела длину аналогового тракта, и в современных жёстких дисках блок электроники обычно содержит: управляющий блок, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), буферную память, интерфейсный блок и блок цифровой обработки сигнала.

Интерфейсный блок обеспечивает сопряжение электроники жёсткого диска с остальной системой.

Блок управления представляет собой систему управления, принимающую электрические сигналы позиционирования головок, и вырабатывающую управляющие воздействия приводом типа «звуковая катушка», коммутации информационных потоков с различных головок, управления работой всех остальных узлов (к примеру, управление скоростью вращения шпинделя), приёма и обработки сигналов с датчиков устройства (система датчиков может включать в себя одноосный акселерометр, используемый в качестве датчика удара, трёхосный акселерометр, используемый в качестве датчика свободного падения, датчик давления, датчик угловых ускорений, датчик температуры).

Блок ПЗУ хранит управляющие программы для блоков управления и цифровой обработки сигнала, а также служебную информацию винчестера.

Буферная память сглаживает разницу скоростей интерфейсной части и накопителя (используется быстродействующая статическая память). Увеличение размера буферной памяти в некоторых случаях позволяет увеличить скорость работы накопителя.

Блок цифровой обработки сигнала осуществляет очистку считанного аналогового сигнала и его декодирование (извлечение цифровой информации). Для цифровой обработки применяются различные методы, например, метод PRML (Partial Response Maximum Likelihood - максимальное правдоподобие при неполном отклике). Осуществляется сравнение принятого сигнала с образцами. При этом выбирается образец, наиболее похожий по форме и временным характеристикам с декодируемым сигналом.

жесткий магнитный диск загрузочный

5. Главная загрузочная запись (master boot record, MBR)

В конце начальной загрузки ROM BIOS считывается и выполняется первый физический сектор гибкого или жесткого диска. Первый сектор жесткого диска называется основной загрузочной записью (иногда употребляют термины «таблица разделов» и «основной загрузочный блок»). В начале этого сектора жесткого диска содержится небольшая программа. Сведения о разделах (таблица разделов) расположены в конце сектора. Программа использует сведения о разделах для определения загрузочного раздела (как правило, это основной раздел DOS) и пытается загрузить из него операционную систему.

Эта программа записывается на диск с помощью команды fdisk /mbr и называется основной загрузочной записью. Обычно программа Fdisk записывает ее на диск только в том случае, если основная загрузочная запись отсутствует.

Главная загрузочная запись (англ. master boot record, MBR) - это код и данные, необходимые для загрузки операционной системы (ОС), расположенные занимает первый сектор жёсткого диска для запуска процедуры загрузки Windows. Она содержит таблицу разделов диска (partition table) и небольшую программу, именуемую «первичный загрузчик» (master boot record), ответственную за размещение активного или загрузочного сектора в таблице разделов. После размещения в таблице загрузочный сектор начинает запуск Windows. Если главная загрузочная запись повреждена, активный сектор не сможет запустить систему.

Цель MBR - ещё не загрузка ОС, а всего лишь выбор, «с какого раздела жёсткого диска следует загружать ОС». На стадии MBR происходит выбор раздела диска и ничего более. Загрузка самой ОС происходит на более поздних этапах.

В процессе запуска компьютера после окончания начального теста (Power On Self Test, POST) MBR загружается базовой системой ввода-вывода (BIOS) в оперативную память (в компьютерах архитектуры IBM PC обычно с адреса 0000:7c00) и передаётся управление находящемуся в MBR загрузочному коду (обычно командой long jump).

6. Технологии записи данных

Принцип работы жёстких дисков похож на работу магнитофонов. Рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки (например, в виде катушки индуктивности с зазором в магнитопроводе). При подаче переменного электрического тока (при записи) на катушку головки, возникающее переменное магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности диска и изменяет направление вектора намагниченности доменов в зависимости от величины сигнала. При считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе головки, что приводит к возникновению переменного электрического сигнала в катушке из-за эффекта электромагнитной индукции.

В последнее время для считывания применяют магниторезистивный эффект и используют в дисках магниторезистивные головки. В них изменение магнитного поля приводит к изменению сопротивления, в зависимости от изменения напряженности магнитного поля. Подобные головки позволяют увеличить вероятность достоверности считывания информации (особенно при больших плотностях записи информации).

Метод продольной записи

Биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая, проходя над поверхностью вращающегося диска, намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей - доменов. При этом вектор намагниченности домена расположен продольно, т.е. параллельно поверхности диска. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от намагниченности.

Максимально достижимая при использовании данного метода плотность записи составляет около 23 Гбит/см². В настоящее время происходит постепенное вытеснение данного метода методом перпендикулярной записи.

Метод перпендикулярной записи

Метод перпендикулярной записи - это технология, при которой биты информации сохраняются в вертикальных доменах. Это позволяет использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Плотность записи у современныхобразцов - 60 Гбит/см².

Жёсткие диски с перпендикулярной записью доступны на рынке с 2005 года.

Метод тепловой магнитной записи

Метод тепловой магнитной записи (англ. Heat-assisted magnetic recording, HAMR) на данный момент самый перспективный из существующих, сейчас он активно разрабатывается. При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность «закрепляется». На рынке ЖД данного типа пока не представлены (на 2009 год), есть лишь экспериментальные образцы, плотность записи которых 150 Гбит/см². Разработка HAMR-технологий ведется уже довольно давно, однако эксперты до сих пор расходятся в оценках максимальной плотности записи. Так, компания Hitachi называет предел в 2,3−3,1 Тбит/см², а представители Seagate Technology предполагают, что они смогут довести плотность записи HAMR-носителей до 7,75 Тбит/см². Широкого распространения данной технологии следует ожидать в 2011-2012 годах.

7. Геометрия магнитного диска

С целью адресации пространства поверхности пластин диска делятся на дорожки - концентрические кольцевые области. Каждая дорожка делится на равные отрезки - секторы. Адресация CHS предполагает, что все дорожки в заданной зоне диска имеют одинаковое число секторов.

Цилиндр - совокупность дорожек, равноотстоящих от центра, на всех рабочих поверхностях пластин жёсткого диска. Номер головки задает используемую рабочую поверхность (то есть конкретную дорожку из цилиндра), а номер сектора - конкретный сектор на дорожке.

Чтобы использовать адресацию CHS, необходимо знать геометрию используемого диска: общее количество цилиндров, головок и секторов в нем. Первоначально эту информацию требовалось задавать вручную; в стандарте ATA-1 была введена функция автоопределения геометрии (команда Identify Drive).

Особенности геометрии жёстких дисков со встроенными контроллерами

Зонирование

На пластинах современных «винчестеров» дорожки сгруппированы в несколько зон (англ. Zoned Recording). Все дорожки одной зоны имеют одинаковое количество секторов. Однако, на дорожках внешних зон секторов больше, чем на дорожках внутренних. Это позволяет, используя бо́льшую длину внешних дорожек, добиться более равномерной плотности записи, увеличивая ёмкость пластины при той же технологии производства.

Резервные секторы

Для увеличения срока службы диска на каждой дорожке могут присутствовать дополнительные резервные секторы. Если в каком либо секторе возникает неисправимая ошибка, то этот сектор может быть подменён резервным (англ. remapping). Данные, хранившиеся в нём, при этом могут быть потеряны или восстановлены при помощи ECC, а ёмкость диска останется прежней. Существует две таблицы переназначения: одна заполняется на заводе, другая - в процессе эксплуатации. Границы зон, количество секторов на дорожку для каждой зоны и таблицы переназначения секторов хранятся в ЗУ блока электроники.

Логическая геометрия

По мере роста емкости выпускаемых жёстких дисков их физическая геометрия перестала вписываться в ограничения, накладываемые программными и аппаратными интерфейсами (см.: Барьеры размеров жёстких дисков). Кроме того, дорожки с различным количеством секторов несовместимы со способом адресации CHS. В результате контроллеры дисков стали сообщать не реальную, а фиктивную, логическую геометрию, вписывающуюся в ограничения интерфейсов, но не соответствующую реальности. Так, максимальные номера секторов и головок для большинства моделей берутся 63 и 255 (максимально возможные значения в функциях прерывания BIOS INT 13h), а число цилиндров подбирается соответственно ёмкости диска. Сама же физическая геометрия диска не может быть получена в штатном режиме работы и другим частям системы неизвестна.

Рисунок 4 - Диаграмма цилиндров, дорожек и секторов на жестком диске.

8. Адресация данных

Минимальной адресуемой областью данных на жёстком диске является сектор. Размер сектора традиционно равен 512 байт. В 2006 году IDEMA объявила о переходе на размер сектора 4096 байт, который планируется завершить к 2010 году. Western Digitals уже сообщил о начале использования новой технологии форматирования, названой Advanced Format, и выпустил накопитель (WD10EARS-00Y5B1) использующий новую технологию.

В окончательной версии Windows Vista, вышедшей в 2007 году, присутствует ограниченная поддержка дисков с таким размером сектора.

Существует 2 основных способа адресации секторов на диске: цилиндр-головка-сектор (англ. cylinder-head-sector, CHS) и линейная адресация блоков (англ. linear block addressing, LBA).

При этом способе сектор адресуется по его физическому положению на диске 3 координатами - номером цилиндра, номером головки и номером сектора. В современных[когда?] дисках со встроенными контроллерами эти координаты уже не соответствуют физическому положению сектора на диске и являются «логическими координатами» (см. выше).

При этом способе адрес блоков данных на носителе задаётся с помощью логического линейного адреса. LBA-адресация начала внедряться и использоваться в 1994 году совместно со стандартом EIDE (Extended IDE). Стандарты ATA требуют однозначного соответствия между режимами CHS и LBA:

LBA = [ (Cylinder * no of heads + heads) * sectors/track ] + (Sector-1)

Метод LBA соответствует Sector Mapping для SCSI. BIOS SCSI-контроллера выполняет эти задачи автоматически, то есть для SCSI-интерфейса метод логической адресации был характерен изначально.

9. Современные технологии проектирования и производства

К данному моменту времени производство и разработка интерфейса IDE сошло или сходит на нет, ввиду замен его более современными видами интерфейсов. Например SATA (Serial ATA) - последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации. SATA является развитием параллельного интерфейса ATA (IDE), который после появления SATA был переименован в PATA (Parallel ATA).

Данный интерфейс наиболее популярен для современных жестких дисков и оптических приводов домашнего использования. Обеспечивает высокую скорость передачи данных. Также этот интерфейс применяется при подключении внутренних жестких дисков к мультимедиа проигрывателям.

SATA использует 7-контактный разъём вместо 40-контактного разъёма у PATA. SATA-кабель имеет меньшую площадь, за счёт чего уменьшается сопротивление воздуху, обдувающему комплектующие компьютера, упрощается разводка проводов внутри системного блока.

SATA-кабель за счёт своей формы более устойчив к многократному подключению. Питающий шнур SATA также разработан с учётом многократных подключений. Разъём питания SATA подаёт 3 напряжения питания: +12 В, +5 В и +3,3 В; однако современные устройства могут работать без напряжения +3,3 В, что даёт возможность использовать пассивный переходник со стандартного разъёма питания IDE на SATA. Ряд SATA-устройств поставляется с двумя разъёмами питания: SATA и Molex.

Стандарт SATA отказался от традиционного для PATA подключения по два устройства на шлейф; каждому устройству полагается отдельный кабель, что снимает проблему невозможности одновременной работы устройств, находящихся на одном кабеле (и возникавших отсюда задержек), уменьшает возможные проблемы при сборке (проблема конфликта Slave/Master устройств для SATA отсутствует), устраняет возможность ошибок при использовании нетерминированных PATA-шлейфов.

Стандарт SATA поддерживает функцию очереди команд (NCQ, начиная с SATA Revision 2.x).

Стандарт SATA не предусматривает горячую замену активного устройства (используемого Операционной Системой) (вплоть до SATA Revision 3.x), дополнительно подключенные диски отключать можно постепенно - питание, шлейф, а подключать в обратном порядке - шлейф, питание. После отключения\подключения диска нужно в диспетчере устройств обновить конфигурацию.

SATA Revision 3.x (до 6 Гбит/с)

Спецификация SATA Revision 3.0 предусматривает возможность передачи данных на скорости до 6 Гбит/с (практически до 4,8 Гбит/с - 600 МБ/с). В числе улучшений SATA Revision 3.0 по сравнению с предыдущей версией спецификации, помимо более высокой скорости, можно отметить улучшенное управление питанием. Также будет сохранена совместимость, как на уровне разъёмов и кабелей SATA, так и на уровне протоколов обмена. Кстати, консорциум SATA-IO предостерегает от применения для обозначения поколений SATA доморощенных терминов вроде SATA III, SATA 3.0 или SATA Gen 3. Полное правильное название спецификации - SATA Revision 3.0; название интерфейса - SATA 6Gb/s

10. Обзор рынка

Винчестеры с интерфейсом IDE

Винчестеры Seagate. Фирма Seagate в своих новых моделях впервые применила жидкостные подшипники, благодаря чему и подняла скорость вращения шпинделя до 7200 об/мин. Но, к сожалению, последние модели, выпускаемые фирмой Seagate, не отличаются надежностью, хотя и считаются одними из самых быстрых и довольно тихих.

¾ защиту от статического электричества (состоит из пластины, защищающей плату винчестера);

¾ систему слежения за изменениями и исправления мелких ошибок и сбоев.

Винчестеры Barracuda ATA II (еще одна лидирующая серия) стали лучшими. Скорость вращения шпинделя у них составляет 7200 об/мин, а плотность записи 250Гб на пластину. Производители дают этой серии не только гарантированную работоспособность, но и надежность.

Компания Seagate официально представила новую серию жестких дисков бизнес-класса, получившую название Cheetah. Доступны винчестеры следующего объема: 300 ГБ, 450 ГБ, 600 ГБ.

Скорость вращения шпинделя жестких дисков Seagate Cheetah составляет 15000 оборотов в минуту. Они имеют 16 МБ DRAM кеша и два интерфейса на выбор - 4Gbps Fiber Channel или 6Gbps SAS 2.0.

Гарантированное время работы (MTBF) винчестеров Seagate Cheetah составляет 1,6 миллиона часов.

Винчестеры Western Digital

У фирмы Western Digital были и падения, и взлеты, что также сказывалось и на их продукции. Но в итоге винчестеры IDE, работающие на частотном диапазоне от 83 до 133 МГц, заняли достойное место на рынке.

Например, возьмем винчестеры серии Western Digital Caviar, которые в свое время были лучшими. С технической стороны здесь все довольно просто - скорость вращения шпинделя 5400 об/мин, головки магнито-резиновые и интерфейс АТА-66. Но особенностью является система Data Lifeguard. Это система защиты информации от сбоев. Винчестеры этой серии могут быть прекрасным решением для компьютеров начального и среднего уровня.

Компания Western Digital собирается выпустить новый жесткий диск емкостью в 1 Терабайт с плотностью записи 334Гб на одной пластине. Но, уже почти год назад, южнокорейская корпорация Samsung добилась такого же результата.

Когда производители жестких дисков (HDD) пытаются достигнуть все большей плотности записи, от этого выигрывают все вокруг: чем выше плотность записи на пластину - тем меньше жестких дисков необходимо, чтобы достигнуть одинакового объема. А это, в свою очередь означает, что HDD потребляет меньше энергии, и меньше движущихся элементов приводиться в действие для выполнения дисковых операций.Digital потихоньку обновляет свою линейку HDD Caviar GP, дополнив её экземпляром с плотностью записи в 334Гб и емкостью в 1ТВ. Но эти HDD все также будут оснащаться кэш памятью в 16Мб.

Но Western Digital не единственная компания, которая работает над тем, чтобы уместить 334Гб на одной пластине. На этой неделе корпорация Samsung анонсировала новый 1ТВ HDD EcoGreen, который нацелен на аудио-видео приложения, и использует пластины с емкостью в 334Гб. Samsung утверждает, что его диск EcoGreen F1 обеспечивает на 15% меньшее энергопотребление в сравнении с другими энергосберегающими жесткими дисками, и на 50% - по сравнению с традиционными 1TB жесткими дисками, с частотой оборотов шпинделя 7200rpm. Samsung EcoGreen F1 вращается со скоростью 5400rpm, и использует 3Гб/с SATA2 интерфейс. Его цена равняется $199.

В январе 2008 года Western Digital представила 320Гб HDD с одной пластиной, который имел самую высокую плотность, по сравнению с другими HDD компании. Но Samsung запустил в продажу свой 1ТВ HDD с плотностью в 334Гб на пластину еще июне 2007 года.

Список литературы

1. - Интерфейс ATA

. - Интерфейс IDE

А. К. Гультяев. Восстановление данных. Питер, 2006 г., 352с. (83 с.)

Кристофер Негус. Linux. Библия пользователя, 5-е издание. Диалектика, 2006г., 700с. (259с.)

. - разделы для разработчиков, для подписчиков.

. - Главная Загрузочная Запись - Master Boot Record (MBR)

Смирнов Ю. К. - Секреты эксплуатации жестких дисков ПК, BHV - Санкт-Петербург, 2006г.,

. -Интерфейс IDE