Версии стандарта ATA, скорость передачи и свойства

За время существования было выпущено семь версий стандарта. Последние четыре имеют двойное название ATA-4 (Ultra ATA/33), ATA-5 (Ultra ATA/66), ATA-6 (Ultra ATA/100), ATA-7 (Ultra ATA/133). Числа в названии стандарта – это скорость передачи в МБ/сек. Если точнее то число указывает максимальную теоретически возможную скорость в кабеле, т.е. это просто два байта, умноженные на частоту (предполагается, что каждый цикл используется для передачи пользовательских данных). На практике скорость, естественно, меньше. В реальности не существует ATA-дисков, имеющих устойчивую скорость передачи выше 60 МБ/сек.

Для подключения жёстких дисков с интерфейсом PATA обычно используется плоский кабель (именуемый также шлейфом). Каждый шлейф обычно имеет два или три разъёма, один из которых подключается к разъёму контроллера на материнской плате, а один или два других подключаются к дискам. В один момент времени шлейф PATA передаёт 16 бит данных.

Долгое время шлейф ATA содержал 40 проводников, но с введением режима Ultra DMA/66 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.

Стандарт ATA устанавливает максимальную длину кабеля равной 46 см. Это ограничение затрудняет присоединение устройств в больших корпусах и исключает возможность использования дисков PATA в качестве внешних дисков.

Если к одному шлейфу подключены два устройства, одно из них обычно называется ведущим (англ. master), а другое ведомым (англ. slave). Ведущее устройство всегда находится в конце шлейфа.

Теперь поясним те термины, которые используют при описании режимов работы винчестера.

PIO (Programmed Input/Output - программный ввод-вывод) - при работе в этом режиме, обменом информацией с жестким диска занимается центральный процессор системы. Это, соответственно отнимает какую-то часть процессорного времени.

DMA (Direct Memory Access - прямой доступ к памяти). При работе в этом режиме, обмен данными между диском и памятью компьютера осуществляется непосредственно контроллером винчестера. В данной технологии потоком данных управляет сам контроллер, считывая данные в память или из памяти почти без участия процессора, который выдаёт лишь команды на выполнение того или иного действия. Обращения производятся в паузах между обращениями центрального процессора к памяти. Такой режим экономит процессорное время, но несколько снижает скорость обмена.

Принцип работы контроллера ATA

Все современные версии ATA используют метод адресации LBA, однако система адресации по физическим адресам (CHS) дает более наглядную картину происходящего, поэтому все рассмотрение мы будем проводить, именно, отталкиваясь от способа адресации CHS. Итак, разберем, как именно производится чтение сектора с заданным адресом. (См. рис. 7)

 

Рисунок 7 Структура контроллера ATA.

По шине ATA в однокристальный микроконтроллер передается адрес сектора, который требуется прочитать (C_зад.,H _зад.S _зад.), после этого блоку магнитных головок (БМГ) выдается задание на чтение сектора.

Поступающие с магнитной головки сигналы являются аналоговыми (синусоидальными). Прочитанные сигналы поступают на PRML канал считывания. Он состоит из цифровых фильтров, реализованных цифровым сигнальным процессором. PRML канал опрашивает синусоидальный сигнал в нескольких точках и осуществляется сравнение принятого сигнала с некоторыми образцами. Таким образом производится декодирование сигнала.

Декодированный сигнал поступает на сепаратор данных. Сепаратор (разделитель) данных выделяет из входного потока сигналы синхронизации и данных.

Данные поступают в микроконтроллер диска. Информация, прочитанная из сектора, содержит как информацию, хранящуюся в прочитанном секторе, так и сервоинформацию (т.е. информацию о номере головки, цилиндра и текущего сектора на дорожке). Микроконтроллер выделяет из входного потока данных служебную информацию записанную в сервометках и информацию хранящуюся в прочитанном секторе. На основе прочитанной служебной информации контроллер узнает адрес прочитанного сектора (C_проч., H _проч., S _проч..). Далее микроконтроллер осуществляет согласование физической и логической геометрии диска (учет зонно-секционной записи, таблиц переназначения на резервный сектор, трансляции физических номеров головки, цилиндра и сектора).

Микроконтроллер сравнивает адрес прочитанного сектора (C_проч., H _проч., S _проч.) с заданным (C_зад.,H _зад.S _зад.). Если головка находится не над требуемой дорожкой, формируются команды для управляющего микропроцессора. Микропроцессор распознает код команд, поступающих от микроконтроллера, и в соответствии с ним управляет работой привода головок и привода диска.

Если заданные и прочитанные адреса совпадают, т.е. нужный сектор найден, считанные данные поступают в буферную память, называемую также кэшем диска. Из буферной памяти данные по шине АТА передаются в память компьютера.

Serial ATA

Как уже было отмечено, главным ограничением для достижения большой производительности при передаче данных для PATA является емкостная связь в 80-проводном кабеле при высоких скоростях передачи. Именно это привело к появлению в 2003 году стандарта Serial ATA («Последовательный ATA»)

SATA (Serial ATA) – последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации. SATA является развитием параллельного интерфейса ATA.

Главным преимуществом SATA перед PATA является использование последовательной шины вместо параллельной. Несмотря на то, что последовательный способ обмена принципиально медленнее параллельного, в данном случае это компенсируется возможностью работы на более высоких частотах за счёт большей помехоустойчивости кабеля. Это достигается меньшим числом проводников и объединением информационных проводников в две витые пары, экранированные заземлёнными проводниками.

SATA использует 7-контактный разъём вместо 80/40-контактного разъема у PATA. Стандарт SATA отказался от традиционного для PATA подключения по два устройства на шлейф; каждому устройству полагается отдельный кабель.

В зависимости от версии стандарта интерфейс обеспечивает пропускную способность приблизительно от 1,2 Гбит/с (150 МБ/с) для стандарта SATA/150 до 4,8 Гбит/с (600 МБ/с) для SATA 6Gb/s. (SATA 6Gb/s это название интерфейса, соответствующее ему полное правильное название спецификации — SATA Revision 3.0)

ТЕРМИНЫ ПО ЖЕСТКОМУ ДИСКУ

MBR (Master Boot Record) - Главная загрузочная запись, она находится в первом секторе диска и по сути является загрузочным сектором жесткого диска;

Partition Table - Таблица разделов. Эта таблица хранится в главной загрузочной области (а точнее в первом секторе жесткого диска) и содержит информацию о количестве разделов и их типах (типы разделов указаны специальными дескрипторами). Бывает основная таблица разделов и расширенная таблица разделов, описывающая содержимое дополнительного раздела. Запись в PT может содержать лишь информацию о четырех основных разделах, один из которых должен быть активным;

Время доступа (Acces time) - период времени, необходимый накопителю на жестком диске для поиска и передачи данных в память или из памяти. Быс­тродействие накопителей на жестких магнитных дисках часто определяется временем доступа (выборки).

Время перехода с дорожки на дорожку (Track-to-track seek time) - время, необходимое для перехода головки накопителя на соседнюю дорожку.

Время позиционирования (Seek time) - время, необходимое головке для пе­ремещения с дорожки, на которой она установлена, на какую-либо другую нужную дорожку.

Головка накопителя (Drive head) - механизм, который перемещается по по­верхности жесткого диска и обеспечивает электромагнитную запись или счи­тывание данных.

Диск (Platter) - cам металлический диск, покрытый магнитным материалом, на который записываются данные. Накопитель на жестких дисках имеет, как правило, более одного диска.

Дорожка (трек) - на компакт диске, будь то CD или DVD, дорожка выглядит как спиралевидная пружина, имеющая начало (вход) и конец (выход), на жестком диске не спиралевидная дорожка, а как бы кольцевая, замкнутая не имеющая физического начала и конца окружность, и на ней расположены сервометки означающие начало и конец дорожки;

Загрузочный сектор операционной системы (Boot record, Boot sector) - находится в первом секторе системного раздела, в этом секторе содержится микропрограмма, которая на этапе загрузки операционной системы ищет и загружает ядро системы, размер этого загрузчика всего один сектор, то есть 512 байт.

Зазор магнитной головки (Head gap) - расстояние между головкой накопите­ля и поверхностью диска, составляет 0,08 - 0,12 мкм.

Кластер (Cluster) - наименьшая единица пространства, с которой работает файловая система. Обычно кластер состоит из одного или более секторов. Количество секторов зависит от типа диска. Кру­пные кластеры обеспечивают более быструю работу накопителя, поскольку количество кластеров в таком случае меньше, но при этом хуже использует­ся пространство (место) на диске, так как многие файлы могут оказаться меньше кластера и оставшиеся байты кластера не используются.

Контроллер (Controller) - cхемы, обеспечивающие управление работой накопителя на жестком диске, включая перемещение головки и считывание и запись данных.

Логический диск (Logical drive) - определенные части рабочей поверхности жесткого диска, которые рассматривают как отдельные накопители.

Разбивка (Partitioning) - oперация разбивки жесткого диска на логические диски. Разбиваются все диски, хотя небольшие диски могут иметь только один раздел.

Раздел (Partition) - разделом называют участок дисковой поверхности указанный в секторах. Разделы могут быть первичными (основными) и расширенными (дополнительными), а расширенные разделы в свою очередь могут содержать логические диски. Дополнительный раздел также считается первичным, но особого типа, так на одном HDD физически могут существовать только четыре первичных раздела или три первичных и один расширенный. Также первичный раздел может иметь специальный флаг, который делает его активным, после установки этого флага, загрузчик будет сканировать именно этот диск на наличие загрузочных файлов;

Сектор (Sector) - деление дисковых дорожек, представляющее собой основ­ную единицу размера, используемую накопителем. Секторы обычно содер­жат по 512 байтов.

Скорость передачи данных (Transfer rate) - объем информации, передавае­мый между диском и памятью компьютера в единицу времени. В него входит и время поиска дорожки.

Таблица размещения файлов (FAT, File Allocation Table) - запись, которая отслеживает размещение каждого файла на диске и то, какие кластеры использованы, а какие - свободны для записи в них но­вых данных.

Цилиндр (Cylinder) - цилиндром называют совокупность дорожек на одном радиусе пластин (пластины диска могут иметь рабочие поверхности как на обеих сторонах, так и на одной). При создании разделов на границы цилиндров выравниваются разделы;