Интерфейс SATA и PATA

     НАЦИОНАЛЬТЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ УКРАИНЫ  «КПИ» 
ФАКУЛЬТЕТ ПРИКЛАДНОЙ МАТЕМАТИКИ 
Кафедра специализированных компьютерных систем 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Реферат 
«Интерфейс SATA и PATA» 
 
 
 
 
 
 
 
                                                   Выполнил студент 
                                                                                            

      
Киев 2011

     Содержание: 

• Введение         
• Преимущества интерфейса SATA над PATA   
• Обратная совместимость SATA и PATA    
• Общие данные интерфейса SATA    
• Физический уровень       
• Канальный уровень       
• Транспортный и прикладной уровни    
• Перспективы развития        
• Используемая литература      

      Введение.

     ATA (Advanced Technology Attachment) — параллельный  интерфейс подключения накопителей  (жёстких дисков и оптических приводов) к компьютеру. В 1990-е годы был стандартом на платформе IBM PC; в настоящее время вытесняется своим последователем — SATA и с его появлением получил название PATA (Parallel ATA). Предварительное название интерфейса было PC/AT Attachment («Соединение с PC/AT»), так как он предназначался для подсоединения к 16-битной шине ISA, известной тогда как шина AT. 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, Следует отметить, что контроллер канала IDE правильнее называть хост-адаптером, поскольку он перешёл от прямого управления приводом к обмену данными с ним по протоколу.

     В стандарте АТА определён интерфейс  между контроллером и накопителем, а также передаваемые по нему команды. Интерфейс имеет 8 регистров, занимающих 8 адресов в пространстве ввода-вывода. Ширина шины данных составляет 16 бит. Количество каналов, присутствующих в системе, может быть больше 2. Главное, чтобы адреса каналов не пересекались с адресами других устройств ввода-вывода. К каждому каналу можно подключить 2 устройства (master и slave), но в каждый момент времени может работать лишь одно устройство.

     Принцип адресации CHS заложен в названии. Сперва блок головок устанавливается  позиционером на требуемую дорожку (Cylinder), после этого выбирается требуемая головка (Head), а затем считывается информация из требуемого сектора (Sector). 

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.

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

     Преимущества  интерфейса SATA над PATA.

     Прежде  всего, кабель у нового интерфейса принципиально  отличается от прежнего 40- или 80-жильного широкого плоского: количество сигнальных проводов кабеля сокращено до четырех (есть еще и земля), и до метра увеличена его допустимая длина. Это способствует более компактной упаковке и лучшим условиям охлаждения внутри корпуса компьютера, удешевляет конструкцию. Тут компактные семиконтактные разъемы соединяются узким уплощенным кабелем шириной примерно 8 мм и толщиной около 2 мм. Внутри кабеля Serial ATA находятся 2 пары сигнальных проводов (одна пара на прием, другая - на передачу), отделенных тремя жилами общего провода («земли»). На разъеме, расположенном на дисках и материнских платах, три «земляных» контакта выступают чуть дальше сигнальных контактов, чтобы облегчить «горячее» подключение (предусмотрено «горячее» подключение накопителей по Serial ATA без специальных адаптеров).

     Еще одно преимущество Serial ATA - большая полоса пропускания, чем у Parallel ATA. Первая версия интерфейса Serial ATA обладает пропускной способностью до 1,5 Гбит/с (это около 150 Мбайт/с для полезных данных против 100-130 Мбайт/с у параллельного интерфейса). Однако в дальнейшем второе и третье поколение Serial ATA (примерно через 3 и 6 лет) увеличат скорость до 3 и 6 Гбит/с соответственно.

     Существует  несколько способов повысить пропускную способность интерфейса: увеличить  или разрядность шины данных, или  тактовую частоту передачи, или и  то и другое сразу. Увеличение разрядности шины данных (то есть когда передача становится все более «параллельной») налагает жесткие ограничения на максимальную частоту передачи. Это вызывает сложности синхронизации, возникновение паразитных модуляционных сигналов при одновременном переключении сигналов в соседних проводах, интерференцию сигналов на высоких частотах и т.д. Поэтому для реализации большей пропускной способности был выбран путь последовательной передачи данных, то есть разрядность шины данных свели к минимуму и повысили тактовую частоту передачи. Именно в этом заключается принципиальное отличие нового интерфейса Serial ATA от интерфейса PATA.

     Кроме того, поскольку к каждому кабелю Serial ATA может быть подключен только один накопитель (к параллельным можно подключать два накопителя одновременно), то запас скорости интерфейса сейчас кажется очень большим.

       Действительно, если нынешние IDE-винчестеры  со скоростью чтения полезных  данных с пластин до 50 Мбайт/с  практически насытили интерфейс  UltraATA/100 (два таких диска на одном IDE-шлейфе уже не могут сосуществовать без теоретической потери скорости, поскольку реально UltraATA/100 дает примерно 90 Мбайт/с потоковой пропускной способности) и подступили вплотную к пределу интерфейса UltraATA/133, то добираться до 150 Мбайт/с одиночным дискам придется еще очень долго (по прикидкам - примерно лет 5, а то и больше), то есть даже первой версии Serial ATA обеспечена долгая жизнь. К тому же соседство на одном шлейфе больше не будет мешать дискам в силу устранения латентностей шины IDE на переключение между соседними устройствами, что также должно повысить скорость работы дисков в компьютерах при грамотной реализации контроллеров на системных платах.

     Улучшено  и электрическое обрамление интерфейса: теперь вместо более 20 пятивольтовых линий (а пятивольтовые сигналы в современных системах нередко требуют усложнения и удорожания схемотехники, поскольку большинство нынешних цифровых микросхем уже работают при более низких напряжениях питания) используются всего две дифференциальные линии с перепадом уровня всего 0,5 вольт, а это отлично согласуется с современными интегрированными решениями.

     Еще одной важной особенностью Serial ATA является то, что изменения архитектуры  интерфейса лежат только в области физического интерфейса, а по регистрам и программному обеспечению он будет полностью совместим с нынешним параллельным ATA. Поэтому не будет необходимости кардинально менять драйверы. Более того, в некоторых случай новых драйверов для Serial ATA вообще не потребуется (!): архитектура Serial ATA прозрачна для BIOS и операционной системы. Кроме того, Serial ATA (в отличие от параллельных ATA) обладает средствами исправления ошибок (по ECC), и целостность передаваемых по кабелю данных будет гарантироваться.

     Обратная  совместимость SATA и PATA. 

     Обратная  совместимость последовательного ATA с параллельным  реализована двумя  способами:

     1. Объединением чипсетов, поддерживающих  параллельный ATA-интерфейс, с дискретными  компонентами, реализующими Serial ATA физически.  Эти дискретные компоненты стали доступны в 2001 году, а в 2002 году появились чипсеты со встроенными компонентами Serial ATA.

     2. Применением адаптеров (dongles), превращающих  параллельную шину АТА в последовательную, и наоборот (см. блок-схему).  

     Общие данные интерфейса SATA. 

     В первой версии стандарта Serial ATA (SATA 1.0) предусмотрена  максимальная пропускная способность 150 Мбайт/с, а об ограничениях на размеры  дисков можно просто забыть на ближайшие  лет десять. В следующих версиях SATA предусматривается удвоение скорости передачи, то есть сначала будет 300, а затем и 600 Мбайт/с.

     Как уже отмечалось, стандарт SATA подразумевает  последовательную передачу данных, а  потому в кабелях передачи данных используются всего две дифференциальные пары. Одна из них работает на передачу, а другая — на прием. Всего же в кабеле SATA допускается (опционально) использование семи проводников, три из которых «земля» (рис. 1 и 2). Максимальная длина кабеля при этом составляет 1 м. 

     Рис. 1 Структура кабеля передачи данных SATA. 

     Рис. 2 Разъем шлейфа данных и питания в устройствах SATA.

     Рис. 3 (a) модуль подключения кабеля передачи данных; (b) модуль подключения кабеля питания; (c) кабель передачи данных; (d) кабель питания; (e) схема подключения кабеля передачи данных, к модулю подключения (f);

     По  сравнению с традиционным параллельным интерфейсом интерфейс Serial ATA имеет  большую помехозащищенность и мало восприимчив к электромагнитным помехам благодаря использованию  низкоуровневых дифференциальных сигналов. Уровень сигнала измеряется не по отношению к «земле», а по отношению к уровню сигнала в соседнем проводе, то есть как разница сигналов в двух проводниках. Любая наведенная помеха сказывается на обоих сигналах, однако их дифференциальная разница при этом не меняется.  

     Физический  уровень.

     Физический  уровень занимается передачей битов по физическим каналам связи. Здесь определяются основные характеристики среды используемой для передачи данных и характеристики электрических сигналов.

     Сигналы. При современных технологиях использование 5-ти вольтовых сигналов стало очень затруднительно, и кроме того, с ростом скорости работы возникают дополнительные сложности при переключении из одного состояния в другое. С такой проблемой уже однажды столкнулась SCSI, и сейчас, в Serial ATA был использован тот же подход. Уровень сигналов снижен и составляет 250 мв.

     Способ  передачи. Кроме того, вместо использовавшейся раннее в ATA однополярной передачи, обладающей низкой помехоустойчивостью, применена двухполярная (или еще ее называют дифференциальной. Снова же, так как и SCSI). Преимущество ее в гораздо большей помехозащищенности. При дифференциальной передаче по двум проводам передается один и тот же сигнал, но разной полярности. Шумы наводимые в проводах симметричны, и сложив оба полученных разнополярных сигнала можно получить шум, а вычев его из полученного сигнала - непосредственно чистый переданный сигнал. Собственно использование дифференциальной передачи и дало возможность снизить уровни используемого сигнала.

     На  физическом уровне для передачи данных используется двухэтапное логическое кодирование 8b/10b.

     При логическом кодировании 8b/10b каждые 8 бит  исходной последовательности заменяются на 10 бит в соответствии с определенными  правилами. В результате для 256 возможных  комбинаций из 8 входных бит получаем 1024 возможные комбинации для 10 выходных бит. Но разрешенными из этих 1024 комбинаций являются только 256, а остальные — запрещенными. Как правило, такая избыточность используется для того, чтобы повысить помехоустойчивость кодирования (если при приеме обнаруживается запрещенная последовательность, то распознается ошибка передачи). Кроме того, незначительная избыточность улучшает спектральные характеристики сигнала, поскольку исключает возможность появления в цепочке передаваемых бит длинных последовательностей нулей и единиц. Также повышаются и самосинхронизирующие свойства кода. При приеме данных происходит декодирование 8b/10b, то есть каждой группе из 10 бит ставится в соответствие 8 бит, а лишние биты вырезаются.

     Однако  в случае протокола SATA разрешенных  к использованию комбинаций значительно больше, чем 256. При этом каждой входной последовательности может соответствовать несколько выходных, а какая именно выходная комбинация будет использована, зависит от контрольного сигнала rd, формируемого в процессе передачи. Рассмотрим подробнее два этапа кодирования.

     При кодировании 8 исходных бит разбиваются  на две подгруппы: из 5 бит и из 3 бит. На первом этапе подгруппа 5 бит  подвергается кодированию 5b/6b, то есть каждые 5 бит заменяются на 6. На втором этапе оставшиеся 3 бита подвергаются кодированию 3b/4b.

     Целесообразность  использования двухэтапного кодирования  вызвана тем, что при кодировании  каждой группы (сначала 5 бит, а потом  оставшихся 3 бит) формируется специальный  бинарный контрольный сигнал rd (Running Disparity), который может быть либо отрицательным (rd-), либо положительным (rd+).