Краткий курс анатомии жестких дисков

Краткий курс анатомии жестких дисков
Все понимают, что жесткие диски потому и называются жесткими, что не гнутся. Да и попробуй ты
согни эту коробку из металла! Разве что как Терминатора - прессом...
Многие ли знают, что расположено внутри важнейшего узла компьютера - винчестера? Стоят эти
штуковины сегодня недорого, из-за чего у компьютерного обывателя складывается впечатление,
что внутри коробки и нет ничего интересного. Так, нечто вроде пачки дискет...
Тем временем накопитель на жестких дисках может смело претендовать на звание величайшего
технического достижения человечества во второй половине ХХ века. И не только по
идеологическим причинам, хотя роль этих накопителей настолько велика, что многие
компьютерные авторитеты убеждены, что именно винчестеры вызвали на свет персональные
компьютеры и компьютерную революцию вообще. Уникальны технологии, которые применяются в
этих устройствах. За стенками скромного прямоугольного корпуса скрыто столько передовых
решений, сверхточных механизмов и гениальных изобретений, что не всякому микропроцессору
такое снилось.
Но это тема для большого обстоятельного рассказа, а пока давайте хоть посмотрим, что же за
потроха у этого зверя - винчестера.
1. Сборка дисков/головок
Head/Disk Assembly, HDA. За этим термином скрыто практически вся начинка винчестера. Сюда
входят сами дисковые пластины, шпиндель, к которому они крепятся, головки чтения/записи со
своим приводом.
2. Дисковые пластины
На них, собственно, и записывается информация. Благодаря им винчестеры получили свое
официальное название - накопители на жестких дисках. Жестких потому, что изготавливаются они
из очень прочного материала. Обычно это алюминиевый сплав, а в последнее время идут
интенсивные работы над использованием стеклянных пластин.
К пластинам предъявляются очень высокие и жесткие требования. Вращаются они с
умопомрачительной скоростью - от 3,600 до 10,033 оборотов в минуту, причем разгоняются до нее
за считанные секунды. Возникающие при этом силы и перегрузки очень велики, а даже малейшая
деформация пластин совершенно недопустима, так как данные на них записываются по очень
плотно расположенным друг к другу чрезвычайно узким концентрическим дорожкам (трекам). Чуть
что, и головки не смогут найти нужные данные.
Пластины должны быть идеально ровными и гладкими, так как головки при работе винчестера их
не касаются, а парят на очень малой высоте . Причем чем выше плотность записи (и,
следовательно, емкость), тем меньше эта высота. Сегодня она составляет сотые доли микрона,
что в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса. Любое соприкосновение головок с
пластинами немедленно вызовет необратимые разрушения, и записанные на пластинах данные
будут потеряны.
3. Шпиндель
Пластины жестко крепятся к шпинделю, который обеспечивает их вращение. От встроенного в
шпиндель двигателя требуются не только высокие обороты, но и очень стабильная скорость
вращения. Этот двигатель работает в настольных компьютерах непрерывно, пока включено
питание машины, так что и ресурс у него должен быть неслабым. Осевые биения, которые
раздражают автомобилистов после наезда колесом на крышку люка, в винчестерах совершенно
недопустимы.
4. Основание корпуса
К нему с одной стороны крепится сборка дисков/головок, а с другой - плата контроллеров.
Закрывается корпус крышкой, под которую укладывается герметичная прокладка. Конструкция
винчестера не допускает попадания внутрь малейших пылинок, так как их размер в сотни и тысячи
раз превышает величину зазора между головками и вращающимися пластинами. Представляете,
сколько бед может натворить одна пылинка?
Корпус винчестера нельзя вскрывать с целью что-нибудь в нем починить. Я не знаю, занимаются
ли таким ремонтом сами компании-изготовители, но в кустарных условиях это просто идиотизм.
На крышку, привинченную к основанию корпуса, наклеивается этикетка, на которой перечисляются
параметры винчестера и указываются варианты установки перемычек.
5. Головки чтения/записи
Записывающие головки винчестера похожи на магнитофонные, но только в принципе. На самом
деле они несравненно миниатюрнее и чувствительнее. Считывающие головки сегодня
выполняются не индуктивными или тонкопленочными, а магниторезистивными, что позволило
существенно увеличить плотность записи. Так что на площади с булавочную головку умещаются
сразу две головки - одна для чтения, другая для записи. Подробнее о магниторезистивных
головках вы сможете прочитать в следующем номере "КГ".
6. Сборка рычага головок
Головки крепятся к рычагу, который обеспечивает их перемещение над поверхностью пластин от
трека к треку. В эту сборку (по-английски она называется Slider Assembly) входят головки чтения и
записи, слайдер, который опускается на поверхность пластин при выключении питания и их
остановке, а также сам рычаг привода головок.
Вращающиеся пластины создают внутри герметичного корпуса бешеный поток воздуха, который
отрывает головки от их поверхности. Но этого недостаточно для надежной работы дисковода, так
как головки должны не просто лететь, а на строго определенной высоте. Поэтому рычаг привода и
слайдер рассчитываются по всем законам аэродинамики и представляют собой нечто вроде
самолетного крыла, только в тысячи раз миниатюрнее и точнее.
7. Гибкий проводник
Сигнал, прочитанный головками, необходимо передать дальше - контроллеру. Для этого и служит
гибкая связь между сборкой привода головок и переходным разъемом в основании корпуса. Это
самый гибкий элемент конструкции жесткого диска. Рычаг привода головок стремительно
перемещается над поверхностью пластин, проходя от внутреннего до внешнего ее края всего за
20 миллисекунд. Гибкий проводник не должен сковывать это движение. Позиционирование головок
к тому же выполняется практически постоянно, так что гнуться проводнику приходится тоже почти
все время работы накопителя. Это вам не гвоздь, который сломается после второго перегиба.
8. Привод головок
Это тоже сборный узел, который иногда называют активатором (от английского actuator - привод).
Привод головок обязан обеспечить очень точное позиционирование их над дорожками пластин. О
точности можете судить сами, учитывая, что на одном дюйме (2.54 см) радиуса пластин
размещается около 7,000 треков.
Приводы головок бывают двух типов - с шаговым двигателем (с открытым контуром и с обратной
связью) и с акустической катушкой. Приводы с шаговым двигателем уходят в прошлое, так как они
не удовлетворяют современным требованиям ни по скорости, ни по точности позиционирования.
Приводы без обратной связи вообще уже давно забыты, так как они не могли предоставить
контроллеру сведения о том, насколько точно вышли головки к указанному треку. Сегодня все
приводы корректируют положение головок с помощью записываемой на пластины
сервоинформации.
Приводы с акустической катушкой наиболее быстродействующие из применяемых сегодня и
позволяют точно выставить головки над серединой нужного трека. Задача чертовски трудная, ведь
смещение катушки надо умножить на длину рычага с головками, а сами головки-то должны
переместиться всего на пару микрон...
9. Магниты
Как ни странно, внутри винчестера расположены два мощных магнита. Она входят в состав
привода головок с акустической катушкой.
Вообще-то мы привыкли к тому, что магниты надо держать как можно дальше от магнитных
носителей информации. Помню, как на моей первой работе одна дама была страшно удивлена
тем, что не читались ее 5-дюймовые дискеты. А ведь она их так берегла от пыли и жирных
пальцев, аккуратно складывала в стопочку и сверху ставила тяжеленный скрепкодержатель, чтоб
ветром на пол не снесло. Конечно, в скрепкодержателе был двухсотграммовый магнит...
В винчестере же магниты не мешают. Между ними, то есть в их магнитном поле, расположена
катушка из проволоки. Конструкция напоминает обыкновенный динамик, поэтому и называется
катушка акустической. При пропускании через катушку тока в ней наводится свое
электромагнитное поле, и она смещается в сторону под действием мощных магнитов по бокам.
Это смещение и используется для позиционирования головок.
10. Плата контроллеров
Она осталась "за кадром", то есть спрятана под основанием корпуса винчестера. На этой плате
собрана вся электроника накопителя, включая контроллеры каналов чтения/записи, приводов
головок и пластин, интерфейса винчестера. На этой плате размещена память, входящая в кэшбуфер (в новых производительных моделях используется кэш до 4 мегабайт), и перемычки (в
винчестерах IDE), с помощью которых подключается второй винчестер.
На одном из торцов платы установлены разъемы для подключения интерфейсного шлейфа и
питания. Напомню, что первый контакт интерфейсного разъема, к которому надо подключать
помеченный красным проводник шлейфа, всегда расположен на том крае, что ближе к разъему
питания.
История развития IDE вплоть до ATA100
Цель данной статьи - пройти по истории развития IDE, от начала появления этого интерфейса до
сегодняшнего дня. И попутно, в очередной раз, быть может, прояснить несколько моментов,
связанных с этим набором стандартов.
IDE (самая распространенная расшифровка - Integrated Drive Electronics), он же ATA (Advanced
Technology Attachment), - один из старейших стандартов в PC, применяемых сегодня, был
разработан в 1989 году тремя компаниями: Imprimus - подразделением Control Data Corporation,
Western Digital и Compaq. Compaq было нужно недорогое решение для подключения винчестеров к
их PC, Imprimus был крупным производителем винчестеров, а Western Digital еще с 1984 года
занимался выпуском чипов - контроллеров винчестеров (для IBM).
Правда, Imprimus не производил 3.5" винчестеры, необходимые Compaq, поэтому компания
использовала в качестве их поставщика Conner Peripherals. Именно начало розничной продажи
Conner своих винчестеров и можно считать датой начала зарождения популярности ATA. В том же
1989 году Imprimus был куплен у CDC компанией Seagate, а еще шестью годами позже Seagate
приобрел и Conner Peripheral. Примерно в то же время стал крупным производителем винчестеров
и Western Digital. Параллельно, к производству недорогих ATA винчестеров подключались и другие
производители.
(Небольшое отступление по вопросам терминологии. ATA, и его дальнейшие варианты, вроде
ATA-2, ATA-3, и т.д. - официальные названия стандарта. IDE, EIDE, UltraATA и т.д. - маркетинговые
термины, используемые производителями винчестеров и прочими причастными компаниями, но об
этом подробнее ниже).
Первый стандарт того, что мы знаем под названием IDE, был утвержден в 1994 году
национальным комитетом по стандартам информационных технологий (NCITS), а точнее, его
техническим комитетом T13, созданным специально под ATA. Стандарт ATA-1 определял AT
Attachment Interface - интегрированный 16-бит шинный интерфейс для обмена информацией
между винчестерами и контроллерами на системной шине. В 1999 году, по рекомендации все того
же T13, был убран из списка стандартов ANSI.
Но свою роль ATA-1 сыграл - он позволил привести существовавшие к тому времени на рынке IDE
винчестеры к единому знаменателю. Те, кто имел с ними дело еще в начале 90-х, могут помнить
ситуации, когда, например, комбинация из двух IDE винчестеров разных производителей могла
работать, только когда один из них находился в режиме master, а другой - slave, и при попытке
поменять их ролями связка отказывалась работать. Появление единого официального стандарта
позволило снять проблемы с несовместимостью различных моделей с повестки дня.
Двумя годами позже, в 1996 году, стандарт ATA-1 был доработан, были предусмотрены более
скоростные режимы передачи данных, и получился AT Attachment Interface with Extensions, или
ATA-2. Основными расширениями стали такие вещи, как блочная передача данных (когда серия
запросов на чтение или запись генерируют одно прерывание), логическая адресация блоков (LBA),
улучшенная поддержка идентификации параметров винчестера системой. Стандарт определил
такие режимы, как PIO Mode 3 и 4 и multiword DMA Mode 1 и 2. В результате список режимов
интерфейса ATA стал выглядеть так:
Режим
PIO 0
Пропускная способность Мбайт/с
3.3
PIO 1
5.2
PIO 2
8.3
PIO 3
11.1
PIO 4
16.6
DMA Single Word 0
2.1
DMA Single Word 1
4.2
DMA Single Word 2
8.3
DMA Multiword 0
4.2
DMA Multiword 1
13.3
DMA Multiword 2
16.6
И вот здесь началось кое-что интересное. Существовавшее в то время программное обеспечение
PC было рассчитано на поддержку винчестеров с максимальным объемом 528 Мбайт. Western
Digital в то время выступил со спецификацией Enchanced BIOS, позволяющей преодолеть этот
барьер (а также добавить еще ряд возможностей в систему, вроде поддержки двух портов ATA), и
назвал сочетание поддержки у винчестеров Enchanced BIOS и ATA-2 - Enchanced IDE, или просто
EIDE. Таким образом, строго говоря, EIDE бывают только винчестеры Western Digital. Термин
использовался для раскрутки выводимых на рынок в 1993-1994 году (да, ATA-2 был
ратифицирован в качестве стандарта лишь в 1996, но годная к употреблению спецификация
существовала куда раньше) новых винчестеров.
Отделы маркетинга Seagate и Quantum отреагировали на действия конкурента соответственно, так
появились FASTATA и FASTATA-2 (причем, что самое интересное, оба этих понятия
подразумевают под собой ATA-2 винчестеры, хотя в FASTATA несколько урезана поддержка
режимов передачи данных - поддерживаются максимум PIO mode 3 и multiword DMA mode 1).
И если последние две компании к концу 90-х отказались от попыток запутать пользователя, то
Western Digital до сих пор продолжает использовать обозначение EIDE, с каждым годом творчески
перерабатывая его (скажем, первоначально там не было поддержки PIO mode4, а сегодня она там
есть). Уже давно преодолен барьер и в 8.4 Гбайт, уже на дворе появился UltraATA/100, но
винчестеры WD по-прежнему гордо несут знамя EIDE - что WD сегодня понимает под этим
обозначением, уже, наверное, трудно сказать.
Но вернемся к теме. В 1997 году была принята новая версия стандарта - ATA-3. Хотя правильнее,
наверное, было бы назвать его ATA-2.5. Спецификация создавалась с учетом максимальной
совместимости с ATA-2, и фактически, основное новшество, внесенное в ATA-3, было всего лишь
одно - это S.M.A.R.T. И, плюс, вообще несколько повысившаяся надежность. В результате, на
рынке практически нет оборудования, соответствующего этому стандарту - был осуществлен
скачок с ATA-2 сразу на принятый в 1998 году ATA/ATAPI-4.
ATAPI (ATA Packet Interface) - стандарт, созданный с тем, чтобы позволить таким устройствам, как
дисководы CD-ROM или стримеры, подключаться напрямую к ATA портам - дешево и без
необходимости специальных контроллеров, как это было ранее. Спецификация была разработана
максимально заинтересованными лицами - группой производителей дисководов CD-ROM, с
большой помощью от Western Digital и Oak Technology. В результате возникновения ATAPI
устройств появилась возможность подключать дисководы CD-ROM и стримеры непосредственно к
тому же шлейфу, к которому подключен и винчестер - пакетный протокол ATAPI позволяет всей
цепочке устройств работать в режиме, слегка напоминающем SCSI.
Что же касается ATA части в ATA/ATAPI-4, то и здесь произошло достаточно много серьезных
изменений. Во-первых, как уже говорилось, появились протоколы ATAPI. Во-вторых, произошла
серьезная чистка ATA от старых и уже ненужных команд и возможностей, а взамен появились
много других, небольших, но существенных. И в-третьих, новый протокол передачи данных,
multiword DMA mode 3, названный UltraDMA, позволяющий добиться куда более высокой
пропускной способности ATA (до 33 Мбайт/с), а также позволить обеспечить целостность
передаваемых на такой скорости через стандартный 40-жильный кабель данных (путем
использования CRC).
С ATA/ATAPI-4 в чем-то повторилась история ATA-2. Опять вмешались отделы маркетинга, и
винчестеры, удовлетворяющие этому стандарту, вышли на рынок под флагом UltraATA/33. Можно
только радоваться тому факту, что на этот раз компании хотя бы смогли договориться о единой
маркетинговой политике.
Сейчас T13 готовит к ратификации стандарт ATA/ATAPI-5, подобно ATA-3 являющийся
промежуточным - между ATA/ATAPI-4 и ATA/ATAPI-6. Никаких серьезных изменений, удалены
некоторые устаревшие команды и возможности, добавлены некоторые новые. Появилось еще два
новых режима передачи данных - UltraDMA с пропускной способностью 44 Мбайт/с и UltraDMA с
пропускной способностью 66 Мбайт/с.
Такое увеличение скорости передачи данных превысило возможности старого доброго 40жильного кабеля, создававшегося в свое время под скорости порядка 5 Мбайт/с, и разработчики
были вынуждены армировать шлейф еще 40 жилами, не имеющими, впрочем, никакой
информационной нагрузки - все они заземлены и исполняют роль экрана между все теми же 40
несущими жилами.
Мы все знаем, как отреагировали на выпуск ATA/ATAPI-5 винчестеров рекламные отделы
производителей - появилась формулировка "UltraATA/66". Предполагается, что этот стандарт
должен быть окончательно утвержден в этом году.
Параллельно с завершением работы над ATA/ATAPI-5, с конца 1999 года T13 официально ведет
работу по созданию ATA/ATAPI-6. В эту спецификацию должны войти многие предложения, не
включенные в предыдущий стандарт. Это, в частности, увеличение LBA с 28 до 64 битов, введение
новых, более быстрых режимов UltraDMA, с пропускной способностью до 100 Мбайт/с, введение в
ATA новых команд, рассчитанных на передачу аудио/видео потоков, предложенных Quantum,
Western Digital и Philips, методы снижения уровня шума винчестеров.
Как мы уже знаем, всю жизнь ATA производители забегали вперед комитета T13, не дожидаясь
окончательного утверждения им новых спецификаций. Не изменили они себе и на этот раз,
представив винчестеры, во многом соответствующие ATA/ATAPI-6 уже в начале июня 2000 года,
еще до официального утверждения ATA/ATAPI-5. Фактически, их объявление было приурочено к
объявлению 5 июня первого чипсета, поддерживающего UltraATA/100, - i820E.
Можно с большой уверенностью предположить, что теперь, после появления в 2000 году
UltraATA/100 винчестеров и поддерживающих этот интерфейс контроллеров на борту материнских
плат и соответствующих PCI карт, у пользователей будет более чем достаточно времени для
перехода на UltraATA/100. Дело в том, что на сегодняшний день не ожидается дальнейшего
развития ATA в том виде, в каком он развивался все эти годы, - UltraATA/100 должна стать
последним этапом в его жизни.
В прошлом году началась работа над созданием новой спецификации - SerialATA, которая должна
совершить значительный рывок в увеличении пропускной способности интерфейсов передачи
данных, однако ее появление на рынке ожидается не ранее, чем через 3-5 лет.
В будущем историки, несомненно, отметят конец ХХ века как период глобальной компьютеризации
человечества. И, наверное, перед ними не будет столь остро стоять проблема выбора эпитетов
для описания происходящего, как стоит она перед нами.
Какими словами передать стремительность, с которой достижения компьютерных технологий
меняют наши взгляды на деятельность людей и на цивилизацию в целом? Выражение "новое
поколение" стало обыденным, теперь оно ежедневно мелькает в сообщениях о последних
технических разработках, о достижениях компьютерной науки, об открывающихся перспективах, о
новых продуктах индустрии
"Новые поколения" сменяют друг друга со скоростью кадров на экране монитора перед глазами
пользователя. Мы часто не успеваем уследить за событиями в мире компьютерной техники и
узнаем о "новом поколении" тогда, когда уже появился на свет его преемник. Как разобраться в
этом клубке новых технологий и решений
Для названий принято выбирать звучные эпитеты. Какими скромными выглядят сейчас первые
персональные компьютеры, в которых не было ничего fast, slim, wide и т.п. Но и эти слова уже
ушли в прошлое. На очередное "новое поколение" их уже не хватает. На помощь пришла
приставка "ультра". Теперь уже не просто fast, а ultra fast. Образнее всего тенденция исчерпания
словарного запаса проявляется в сфере устройств массовой памяти
Всего два года назад состоялся дебют интерфейса, получившего название Ultra SCSI, который
пришел на смену Fast SCSI, Wide SCSI и Fast Wide SCSI. И вот совсем недавно промышленность
освоила выпуск накопителей с еще одним "ультра"-интерфейсом - Ultra ATA. Он значительно
превосходит по скорости передачи данных интерфейс Fast ATA-2, до последних дней бывший
традиционным выбором пользователей настольных и портативных компьютерных систем.
В чем причины появления Ultra
Обгоняющие друг друга достижения компьютерных технологий стимулируют прогресс и в
индустрии жестких дисков, постоянно подстегивая фирмы-производители в их погоне за
заоблачной емкостью и недосягаемыми ранее уровнями быстродействия винчестеров
Примеров тому не счесть. Чего стоит, скажем, появление микропроцессоров Intel MMX, которые,
существенно расширяя возможности графики для настольных и портативных компьютеров,
сегодня ложатся в основу большинства PC-систем. Другой пример ресурсоемкой новинки - пакет
программ Virtual CD-ROM производства Logicraft Information Systems, позволяющий пользователям
непосредственно с жесткого диска запускать файлы мультимедиа и другие приложения CD-ROM
Добавим к этому, что цены на цифровые видеокамеры постоянно падают. И если пять лет назад
трудно было себе представить, что в недалеком будущем обыкновенный пользователь сможет
создавать полные динамики и действия мультимедийные файлы, скорее напоминающие
интерактивные видеофильмы, нежели незатейливые бизнес-презентации, то сейчас это стало
реальностью
Владельцы персональных компьютеров уже привыкли к Интернет и работают с ней все более
квалифицированно. С помощью web-браузеров они частенько выгружают из Сети на свои
винчестеры огромные файлы данных. Привычно манипулируют фотоизображениями с высоким
разрешением, вовсю используют передовые звуковые возможности своих систем, создают
солидную трехмерную графику и сложные базы данных
Нетрудно заметить, что эти технически изощренные приложения порождают устойчивый спрос на
все большую дисковую память. Однако прогресс в смежных технологиях определяет не только
рост емкости винчестеров. Не менее важной "стороной медали" яв-ляется скорость этих устройств
Объемы данных, образующих встречные информационные потоки между накопителем на жестком
диске и хост-системой, стремительно возрастают. А потому от накопителя требуется не только
хранить эти данные, но и передавать их на предельно высоких скоростях
Создание и внедрение интерфейса Ultra ATA устанавливает новый стандарт быстродействия
винчестеров массового применения, поднимая уровень скорости передачи данных до 33.3
мегабайта в секунду - величины, вдвое превосходящей соответствующую характеристику
интерфейса-предшественника Fast ATA-2. Можно с уверенностью утверждать, что очень скоро мы
станем свидетелями массового перевода винчестеров для настольных и мобильных компьютеров
на интерфейс Ultra ATA, который, решительно перешагнув через привычную отметку скорости в
16.6 Мбайт/с, приведет быстродействие этих устройств в соответствие с требованиями дня.
Ultra ATA - это не одно, а множество преимуществ
Новый промышленный скоростной интерфейс Ultra ATA, в основу которого легла техническая
спецификация Ultra DMA/33, можно назвать общим детищем Intel, Quantum и Seagate, трех
"монстров" компьютерной индустрии, совместно спроектировавших и разработавших его
Цель создания Ultra ATA - это в первую очередь выигрыш в быстродействии дисковой памяти,
которым должны воспользоваться широкие круги владельцев настольных и портативных
компьютерных систем и с которым связаны перспективы применения многих других
технологических новинок. Вместе с тем покупатели устройств Ultra ATA могут рассчитывать на
дополнительное "вознаграждение" в виде существенного роста надежности данных.
Потенциальных пользователей Ultra ATA наверняка обрадует и то, что новый интерфейс не только
обладает обратной совместимостью с более ранними версиями, но и остается весьма
экономичным по стоимости
Известно, что наибольшей мощности от автомобильного двигателя можно добиться лишь тогда,
когда все его цилиндры будут работать в унисон. Это верно и для персонального компьютера:
чтобы обеспечить ему максимальное быстродействие, разработчики PC делают ставку на
новаторские технологии, подобные интерфейсу Ultra ATA. Повышая производительность
винчестера, они увеличивают пропускную способность компьютерной системы в целом
В Ultra ATA реализован механизм обнаружения ошибок, который позволяет системе при
необходимости предпринять повторную попытку передачи данных, обеспечивая их целостность.
Если встроенная система верификации (проверки) данных CRC (циклический контрольный код)
находит ошибку, операция передачи будет повторена снова. Благодаря системе CRC интерфейс
Ultra ATA надежно защищает операции чтения и записи данных
Обладая полной обратной совместимостью с широко распространившимися накопителями и
контроллерами Fast ATA-2 (EIDE), интерфейс Ultra ATA может быть легко внедрен в системы с
наследуемой архитектурой. Как и прежде, кабельные соединения нового интерфейса
поддерживают сигналы обычного 40-контактного шлейфа ATA, не требуя каких-либо изменений в
конструкции. Однако, чтобы дать возможность воспользоваться преимуществами нового
интерфейса, компьютерная система тоже должна его поддерживать. Дополнительные выгоды,
которые сулит использование Ultra ATA, - это лучшая работа нескольких накопителей,
подключенных к одному кабелю, и повышение производительности при передаче данных,
находящихся при обращении к винчестеру в его кэш-памяти
Акцент на экономичность персональных компьютерных систем и сегодня сохраняет свою силу для
устройств памяти, ориентированных на рынок массовых PC. Ultra ATA предполагает такую же
стоимостную структуру системы, как и его предшественник Fast ATA-2. Удвоение скорости
интерфейса достигается без дополнительных инвестиций в необходимое для этого оборудование,
обучение и другие процедуры, а значит, потребители Ultra ATA смогут получить лучшее за
прежние деньги. Это делает новый интерфейс самым эффективным по стоимости способом
повышения производительности массовой памяти в персональных компьютерных системах.
Развитие интерфейсной технологии
Интерфейс винчестера можно уподобить дороге, по которой данные пользователя "путешествуют"
между PC и жестким диском. Но, оказывается, и самим интерфейсам пришлось пройти долгий путь
- путь развития. Первоначально интерфейс, согласованный со стандартом ISA, обеспечивал
передачу данных на скоростях, лежащих в диапазоне от 4 до 8 Мбайт/с. Позже были разработаны
новые интерфейсные протоколы - режимы программируемого ввода/вывода (PIO) и прямого
доступа к памяти (DMA), которые позволили использовать преимущества новых архитектур
локальной шины, пришедших на смену старушке ISA
В начале восьмидесятых в персональных компьютерах применялись винчестеры с интерфейсом
АТА-1, который принято считать базовым. Он использовал режим программируемого
ввода/вывода PIO 1, обходясь без прямого доступа к памяти, и обеспечивал поток данных до 8
мегабайт в секунду. К контроллеру можно было подключить одним кабелем всего два винчестера
Развитием массового недорогого интерфейса для персональных компьютеров платформы РС
стало семейство Fast ATA-2, или EIDE. Начиная с 1994 года в арсенале персонального
пользователя появился дисковый интерфейс АТА-2, использующий такие средства повышения
пропускной способности, как режимы PIO 3, 4 и DMA 0, 1, 2. За счет этого скорость передачи
данных удалось поднять до 16.6 Мбайт/с. Кроме вдвое большей скорости АТА-2 отличался
упрощенным конфигурированием системы, поддерживая технологию Plug & Play. Чуть позже на
сцене появилась версия АТА-3, в которой больше внимания разработчики уделили повышению
надежности дисковой подсистемы, обеспечив поддержку S.M.A.R.T. и еще нескольких технологий
К началу 1996 года перед персональными пользователями остро встала проблема наращивания
емкости массовой памяти, в значительной степени спровоцированная детищем Microsoft операционной системой Windows 95. Предлагая пользователю кучу "конфеток" в виде
мультимедиа, привлекательного интерфейса и подобных вещей, эта система прославилась
аппетитом к дисковой памяти. Еще более прожорливыми оказались первые приложения для нее
Вопрос удалось решить, создав интерфейс ATAPI/АТА-4, контроллер которого располагал двумя
каналами. К каждому каналу контроллера подключался интерфейсный кабель с разъемами для
двух жестких дисков. В этой спецификации впервые в семействе АТА была заложена поддержка,
кроме винчестеров, и других типов накопителей, включая CD-ROM и стриммеры, а также
обработка очередей перекрывающихся запросов
Тем не менее быстродействие жестких дисков по-прежнему оставалось важнейшей
характеристикой. Последний шаг в этом направлении был сделан, когда была предложена
спецификация Ultra DMA/33, снова в два раза повышающая скорость передачи информации между
жестким диском и хост-системой.
Как перемещаются данные
Сначала давайте рассмотрим схему, принятую в интерфейсах ATA-2 и ATA-3. Чтобы регулировать
передачу данных к дисковому накопителю или от него, хост-система посылает тактовый импульс
(строб). Синхронизирующий сигнал включает по одному импульсу на каждое слово передаваемых
данных. При перемещении данных передний (восходящий) фронт строба открывает доступ к ним,
после чего и производится их передача
Очевидно, что чем выше частота тактовых импульсов, тем скорее передаются данные. Однако с
увеличением частоты стробов система становится все более восприимчивой к интерференции
отдельных сигналов - шуму. Как же повысить скорость интерфейса, избежав неприятных побочных
явлений
С этой целью был предложен новый способ обработки синхросигнала, позволивший применять
большинство существующих тактовых импульсов, не изменяя их частоту. Для отправления и
приема данных решили использовать оба фронта импульса - как передний, так и задний
(нисходящий). Таким образом, один импульс порождает целых два строба (передний и задний
фронты) без действительного увеличения частоты синхросигналов. В результате за тот же
временной период передается вдвое больше данных, чем прежде
Такой подход к синхронизации передачи в чем-то напоминает движение автобусов по
неизменному расписанию: очевидно, двухъярусный автобус сможет доставить к месту назначения
вдвое больше пассажиров, чем обычны
Синхронный против асинхронного
Оригинальный интерфейс ATA создавался на основе технологии шинного интерфейса TTL (логика
"транзистор-транзистор"), которая предполагала асинхронную передачу данных по следующей
схеме: хост-система инициировала передачу данных, после чего они становились доступными и
спустя некоторое время "подбирались" своим получателем.
Способ синхронизации, используемый в асинхронном режиме, приводил к некоторому дрейфу
между отдельными операциями в предположении, что идет передача данных. Асинхронную
передачу можно сравнить с переходом эстафетной палочки от одного бегуна к другому, если тот
пытается взять палочку не оглядываясь
С другой стороны, синхронная передача обеспечивает лучшие временные рамки операций
перемещения данных за счет более жесткого управления этим процессом. При ней отправитель
посылает вместе с данными тактовый импульс - строб. В результате передача перестает быть
открытым циклом, поскольку накопитель контролирует строб, перемещение и восстановление
данных. Строго установлена связь между стробом и данными, что позволяет начисто забыть о
времени распространения и доступа. Другими словами, спортсмен из нашего примера
оглядывается прежде, чем взять эстафетную палочку у другого участника забега
Сравните механизмы передачи данных в интерфейсах Fast ATA-2 и Ultra ATA. Традиционный
метод, реализованный в Fast ATA-2, для индикации передачи данных (синхроимпульса)
использует передний фронт сигнала. Интерфейс Ultra ATA действует по той же схеме и с той же
частотой, но способен распознать синхроимпульсы как по переднему (восходящему), так и по
заднему (нисходящему) фронту.
Из рисунка следует, что для Ultra ATA продолжительность цикла передачи может быть снижена от
120 до 60 наносекунд без увеличения частоты строба. Половинная продолжительность цикла
обеспечивает двукратный рост пропускной способности интерфейса, то есть за тот же промежуток
времени он может передать вдвое больше данных. Теперь ясно, каким образом разработчикам
Ultra ATA удалось удвоить его пропускную способность, которая совершила скачок до 33.3 Мбайт/с
Надежность данных
Для защиты данных пользователя разработчики Ultra ATA предприняли особые шаги, сделав
надежность важным преимуществом нового интерфейса. Как показано на следующем рисунке, с
обеих сторон подключения к интерфейсу Ultra ATA - у хоста и у винчестера - существуют
специальные регистры, в которых находится значение кода проверки ошибок CRC
Первоначальное значение регистра устанавливается принудительно. Последующие передачи
данных используют вычисленное значение CRC. Оно рассчитывается для каждого передаваемого
пакета данных с помощью полинома CRC, который применяется к текущему значению регистра
CRC. Затем накопитель сравнивает данные CRC, поступающие от хоста, с расчетным
содержимым своего CRC-регистра. При несоответствии этих значений накопитель фиксирует
ошибку и сообщает о ней при пересылке данных в конце команды
После получения предупреждения для обеспечения надежности данных их передача может быть
повторена. Поскольку весь контроль ошибок выполняется на винчестере, а не на хосте,
предусмотрена поддержка обратной совместимости. В случае, если ошибку обнаруживает хост, он
устанавливает флаг накопителя для подтверждения приема и перестройки четности данных.
Как этим воспользоваться
Почему современному пользователю нужен высокопроизводительный интерфейс для жестких
дисков, объяснять не требуется. Важность поддержания постоянного мощного потока информации
между хост-системой и дисковой памятью чрезвычайно возросла по мере доступа обычных
пользователей к богатым мультимедийным документам, высококачественной 2D- и 3D-графике,
видео и звуку
У персонального компьютера за последние год-два появились те же черты и возможности,
которыми не так давно обладали только рабочие станции. Сегодня вычислительная,
изобразительная и информационная мощность персонального компьютера во многих случаях
поднялась до еще более высокой отметки, но при этом одними из главных остались
экономические категории
У массового пользователя бюджет безграничен, поэтому для него важно не только сохранить уже
сделанные инвестиции, но и получить новые технологии и производительность как можно с
меньшими затратами. Обладая вдвое большей, чем у предшественника, скоростью, полной
обратной совместимостью и повышенной надежностью передачи данных, интерфейс Ultra АТА с
полным правом может претендовать на роль представителя нового поколения
И это будет поколение "ультра"...