Обзоры
Serial ATA, или Реквием параллельному ATA-интерфейсу
0

Serial ATA, или Реквием параллельному ATA-интерфейсу

Хотя видимых причин на то не было, события происходили с необычной для подобных
процессов быстротой. В 1999 г. семь лидирующих компаний — APT Technologies, Dell,
IBM, Intel, Maxtor, Quantum и Seagate — создают Serial ATA Working Group, в задачи
которой входит разработка спецификации для последовательных интерфейсов ATA и
ATA Packet Interface (ATAPI). В феврале 2000 г. на IDF, своем форуме для разработчиков,
Intel со товарищи анонсируют предварительную спецификацию Serial ATA (SATA), а
сама компания объявляет о намерении реализовать этот интерфейс для своей следующей
микропроцессорной платформы Willamette. А уже в августе, на летнем форуме, Seagate,
APT Technologies и Vitesse Semiconductor представляют первый жесткий диск с интерфейсом
Serial ATA, позволяя тем самым взглянуть на будущее ATA-технологии. Почему будущее?
Да потому, что РС-индустрия решительно намерена не только скорее, но и навсегда
избавиться от параллельного интерфейса АТА, служившего верой и правдой более 10
лет. И вот в ноябре, в точном соответствии с установленным планом, Serial ATA
Working Group завершает предварительный стандарт Draft Specification 1.0, определяющий
интерфейс SATA с пропускной способностью 1,5 Gbps.

Для того чтобы разобраться, чем же так "насолил" Parallel ATA разработчикам, и построить некоторый базис для сравнения с приходящим ему на смену, бросим взгляд на историю развития, а также на сильные и слабые стороны традиционного интерфейса АТА.

Путь наверх или дорога на эшафот?

Рис. 1

Как полагают, в основе любого развития лежит противоречие. И если это противоречие
не удается разрешить, то мы приходим к тупиковой ветви эволюции. В рассматриваемом
случае в противоречие вступают внутренняя скорость считывания данных с пластин
в буфер HDD и скорость передачи из буфера в контроллер. В идеале внутренняя скорость
считывания данных не должна превышать возможности интерфейса, который поддерживает
система, иначе шина хост—диск будет являться узким местом, или, как говорят,
бутылочным горлышком. Нарушая последовательность событий, обратим внимание читателя
на рис. 1, иллюстрирующий сущность конфликта. Один из возможных путей его преодоления,
который кажется самым легким, — увеличение объема памяти буфера. На самом деле
это не является радикальным решением проблемы, так как чем выше скорость передачи
информации в буфер, тем больший требуется объем его памяти. И этот процесс может
не иметь приемлемого завершения. Другой способ — улучшить пропускную способность
шины между жестким диском и контроллером. В этом случае к разработчикам дисков
не предъявляются никакие дополнительные требования. Этот путь и был выбран РС-индустрией.
Так выглядит проблема в целом. А теперь перейдем к деталям.

Curriculum Vitae

Параллельный интерфейс АТА, или Parallel Advanced Technology Attachment, был предложен в 1989 г. тремя компаниями: Imprimus (в прошлом — подразделение Control Data Corporation), Western Digital и Compaq. И сегодня этот один из старейших РС-стандартов является основным интерфейсом жестких дисков для десктопов и портативных компьютеров. Его долгая, по меркам компьютерных технологий, жизнь объясняется не столько отсутствием проблем, сколько их успешным решением на тех или иных этапах.

Вначале сделаем несколько комментариев относительно используемой терминологии. Читатель, несомненно, неоднократно встречался с аббревиатурой IDE. Ее расшифровывают как Integrated Drive Electronics или Intelligent Drive Electronics, в зависимости от того, кого вы спрашиваете. Вообще говоря, этот термин относится, скорее, к технологии и указывает на то, что контроллер встраивается в электронику привода жесткого диска или CD-ROM. Однако его начали применять и для обозначения АТА-интерфейса, поскольку он использует эту технологию. Поэтому и мы в дальнейшем не будем делать различия.

Первый стандарт ATA, известный также как IDE, введен в действие в 1994 г. NCITS (National Committee for Informational Technology Standards), а если быть более точным, — то его технической группой T13, созданной специально для разработки ATA. Он поддерживал два жестких диска, 16-разрядную шину данных и обеспечивал скорость передачи менее 3 MBps. Двумя годами позже, в 1996 г., появился улучшенный стандарт ATA-2 (ATA with Extensions). Среди новых особенностей следует отметить логическую адресацию блоков (Logical Block Addressing — LBA) и блочную передачу данных (block transfer). Кроме этого, система научилась определять параметры жесткого диска лучше, чем она делала это прежде. Интерфейс обеспечивал более быстрые режимы программного ввода/вывода (PIO 3 и 4), а также режимы прямого доступа к памяти DMA 1 и 2. Затем начали происходить и другие интересные вещи. Вспомним, что BIOS того времени поддерживала жесткие диски объемом не более 528 MB. Western Digital ввела спецификацию Enhanced BIOS, позволяющую не только обойти это ограничение, но и увеличить количество портов ATA до двух. Комбинация Enhanced BIOS и ATA-2 получила название Enhanced IDE (EIDE). Теперь стандарт мог обслуживать диски объемом до 8,4 GB и обеспечивал скорость передачи данных до 16 MBps. Вследствие своей низкой стоимости EIDE потеснил SCSI во многих областях применения. Реакция Seagate и Quantum была незамедлительной. Ее результатами стали интерфейсы Fast ATA (или Fast IDE) и Fast ATA-2. Однако они поддерживали только режимы PIO 3 и DMA 1.

В 1997 г. появилась спецификация ATA-3. По сути, это — легкая модификация ATA-2, среди основных нововведений которой выделялись поддержка технологии S.M.A.R.T. и более надежная передача данных. Но не успел еще рынок реально наполниться продуктами, как в 1998 г. индустрии был предложен стандарт ATA/ATAPI-4. Напомним вкратце причины появления последнего.

Первоначально интерфейс IDE/ATA разрабатывался только для работы с жесткими дисками. Приводы CD-ROM и стримеры использовали либо патентованные интерфейсы, либо интерфейс гибких дисков — медленный и громоздкий. Преимущества от применения единого интерфейса очевидны. Однако структура ATA-команд не позволяла просто подключить устройство, отличное от HDD, к каналу IDE. Поэтому разработали новый стандарт ATAPI, который давал возможность подключать к IDE-кабелю такие устройства, как приводы CD-ROM и стримеры без использования специальных контроллеров. Внутренне, однако, протокол ATAPI не являлся идентичным набору команд ATA для жестких дисков. Поэтому перед обращением к этим устройствам необходимо было сначала загрузить специальный драйвер. Вместе с ATAPI появился и новый протокол передачи данных Multiword DMA 3, или UltraDMA, который обеспечивал целостность данных с помощью CRC и пропускную способность до 33 MBps по обычному 40-контактному кабелю. Заметим, что на рынке соответствующие устройства именуются ATA/33 или UDMA/33.

Читатель знает, что на этом дело не остановилось. С подачи корпорации Quantum и при поддержке Intel была разработана новая версия интерфейса — ATA/66 (UDMA/66), которая, как подсказывает название, позволяет передавать данные со скоростью 66 MBps. Однако, для того чтобы обеспечить стабильность и защиту от помех, пришлось добавить 40 линий заземления, правда, сохранив при этом 40-контактный разъем. Далее группа T13 разработала стандарт ATA/ATAPI-6, или ATA/100, включивший в себя целый ряд новшеств. LBA увеличилась с 28 до 64 bit, режим UltraDMA позволял передавать данные со скоростью 100 MBps, появились команды, поддерживающие потоковые аудио- и видеотрафики. Конечно же, сохранился механизм CRC, обеспечивающий целостность данных и 80-проводниковый кабель. Чипсеты и продукты для этого стандарта уже присутствуют на рынке.

Ложка дегтя

Рис. 2

Казалось бы, все идет хорошо, особенно если учесть тот факт, что внутренняя скорость
считывания для жестких дисков EIDE сегодня не превышает значения 28—30 MBps.
Однако при всех своих достоинствах, включающих простоту и низкую стоимость, интерфейс
ATA обладает рядом недостатков, которые могут препятствовать его применению в
будущем. К ним прежде всего относятся 5-вольтовое питание, большое число контактов,
ограничение длины кабеля (46 см) и его громоздкость, затрудняющая монтаж и вентиляцию
(рис. 2). Кроме этого, несмотря на поддержку в последних версиях механизма CRC,
команды все еще не проверяются, что является потенциальным источником ошибок.
Из рис. 1 также видно, что запас пропускной способности вскоре будет исчерпан.
Все это заставило индустрию не ждать, пока прозвенит звонок, а искать альтернативные
решения.

Курс на последовательный интерфейс

В последние годы в качестве возможной замены Parallel ATA рассматривались два последовательных интерфейса. USB версии 1.1 поддерживает две скорости передачи данных: 1,5 и 12 Mbps. В настоящее время он позиционируется как интерфейс для внешних периферийных устройств, не требующих высокой пропускной способности, таких, как клавиатура, мыши и модемы. Версия 2.0 этого интерфейса обеспечивает скорость до 480 Mbps. Относительно высокая скорость передачи данных делает USB 2.0 пригодной для связи с быстрыми внешними устройствами хранения данных.

Другой высокоскоростной интерфейс IEEE 1394, известный также как FireWire, обеспечивает скорости 100, 200 и 400 Mbps. Ожидается, что будущие улучшения позволят достичь пропускной способности от 1,6 до 3,2 Gbps. Сегодня этот стандарт используется в основном для связи с потребительскими электронными устройствами.

Несмотря на то что по своим возможностям данные интерфейсы могут применяться для подключения жестких дисков, ни один из них не предоставляет того сочетания низкой стоимости и производительности, которое обеспечивает Parallel ATA. А с учетом недостаточного запаса их пропускной способности становятся понятными причины появления нового стандарта…

…Serial ATA

Итак, какие же коврижки получат производители ПК, а вместе с ними и пользователи от нового интерфейса? Отметим, что если альтернативные последовательные интерфейсы предназначены для более или менее широкой сферы применения, то SATA разрабатывался исключительно для использования внутри компьютера, для подключения внешних устройств, размещающихся в отсеках корпуса.

Рис. 3

Учитывая высокую пропускную способность SATA, начнем с наиболее очевидного —
с особенностей подключения жестких дисков и замены широкого плоского кабеля на
круглый небольшого диаметра. Напомним, что традиционный интерфейс ATA позволял
подсоединять к одному порту с помощью общего кабеля гирляндой два диска, один
из которых устанавливался в режим "главный", а второй — "подчиненный".
При использовании SATA каждый диск подключается индивидуальным кабелем по схеме
точка—точка, при этом длина кабеля может достигать 1 м.

Программное обеспечение видит два устройства как "главные", подключенные
к различным портам. Вместо 80-жильного кабеля и 40-контактного разъема кабель
нового интерфейса содержит только два сигнальных проводника, еще несколько для
подвода питания и заземления и шести- или восьмиконтактный разъем (рис. 3). Весьма
вероятно, что в дальнейшем кабель будет включать также и питание для самих дисков.

Рис. 4

Использование круглого кабеля намного упрощает монтаж и улучшает вентиляцию внутри
корпуса, а о том, насколько при этом изменяется его "интерьер", можно
судить из рис. 4. Немаловажным является также более низкое напряжение питания
— 3,3 В вместо 5. Это позволит понизить мощность, потребляемую интерфейсом, до
1—2 Вт.

Обычно новые стандарты стараются разрабатывать таким образом, чтобы они были совместимы со старым оборудованием. В SATA изменению подвергся только физический уровень. Это значит, что на уровне BIOS и операционной системы новый интерфейс полностью совместим. Что касается сопряжения со старым оборудованием, то для этого применяются соответствующие адаптеры (dongle adapters). Они позволяют использовать последовательные драйверы с параллельным контроллером и наоборот (рис. 5). Улучшена в SATA и надежность обмена. Интерфейс обеспечивает более полную проверку и коррекцию ошибок, чем параллельный интерфейс ATA.

Рис. 5

В новом интерфейсе заложены и значительные потенциальные возможности. Так, вторая
генерация предусматривает повышение пропускной способности примерно до 3 Gbps,
а третья — до 6 Gbps. Полагают также, что Serial ATA будет доминирующим интерфейсом
жестких дисков по крайней мере в ближайшие 10 лет. Судя по всему, производительность
персональных вычислительных систем еще весьма далека от своего предела.


Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: