Министерство  образования и науки РФ

ГОУ ВПО

Таганрогский  Государственный Технический Университет 
 

Кафедра ВТ 
 

Реферат

По дисциплине «Интерфейсы периферийных устройств»

На тему:

«Интерфейс АТА/ATAPI» 
 
 

Выполнил  студент: 4го курса

3 группы

Иванов  В.К.

Проверил: Сепадин В.М. 
 
 

Таганрог 2011г. 

Интерфейс АТА/ATAPI

Интерфейс ATA (AT Attachment for Disk Drives) разрабатывался в 1986-1990 гг. для подключения накопителей на жестких магнитных дисках к компьютерам IBM PC AT с шиной ISA. Стандарт, выработанный комитетом ХЗТ10, определяет набор регистров устройств и назначение сигналов 40-контактного интерфейсного разъема. Интерфейс появился в результате переноса стандартного (для PC/AT) контроллера жесткого диска ближе к накопителю, то есть создания устройств со встроенным контроллером — IDE (Integrated Drive Electronics). Стандартный контроллер AT позволял подключать до двух накопителей, что в интерфейсе АТА означает параллельное подключение контроллеров двух устройств. В спецификации АТА фигурируют следующие компоненты.

• Хост-адаптер — средства сопряжения интерфейса АТА с шиной компьютера. 
  Хостом мы будем называть компьютер с хост-адаптером интерфейса АТА. 
  Хост-контроллер — более развитый вариант хост-адаптера.
• Ведущее устройство (Master) — ПУ, в спецификации АТА официально называемое Device-О (устройство 0).
• Ведомое устройство (Slave) — ПУ, в спецификации официально называемое Device-1 (устройство 1).

Хост-адаптер  и устройства объединяются кабелем-шлейфом, соединяющим параллельно одноименные контакты интерфейсных разъемов. Регистры обоих контроллеров оказываются расположенными в одних и тех же областях пространства ввода-вывода. Для выбора устройства, исполняющего текущую команду, используется бит выбора накопителя (DEV) в регистре номера устройства и головки (drive/head register). Если бит DEV4), выбрано ведущее устройство, если DEV=1 — ведомое. Запись в этот регистр воспринимается сразу обоими устройствами, на обращения к остальным регистрам реагирует только выбранное. Достаточно универсальный набор сигналов позволяет подключать любое устройство со встроенным контроллером, которому в пространстве портов ввода-вывода достаточно того же набора регистров, способное поддержать режим выбора устройства через вышеупомянутый бит. Принятая система команд и регистров, являющаяся частью спецификации АТА, ориентирована на блочный обмен данными с устройствами прямого доступа. Для иных устройств существует спецификация AT API, основанная на тех же аппаратных средствах, но позволяющая обмениваться пакетами управляющей информации (Package Interface, PI). Структура и наполнение пакетов позаимствованы из универсального интерфейса SCSI. Пакетный интерфейс позволяет расширить границы применения шины АТА.

Адресация в АТА имеет «дисковые корни»: для накопителей изначально указывали адрес цилиндра (cylinder), головки (head) и сектора (sector) — так называемая трехмерная адресация CHS. Сначала эта адресация точно соответствовала реальной геометрии — физически сектор действительно находился по указанному адресу. Позже по ряду причин диски АТА стали описывать внешней геометрией, отличающейся от реальной внутренней (например, разные зоны треков имеют разное число секторов, причем часть секторов может резервироваться на случай замены дефектных). При этом одно и то же устройство может иметь различную внешнюю геометрию. Преобразование адресов в реальные выполняется встроенным контроллером устройства. В системе CHS устройство АТА позволяет адресовать до 267 386 880 (65 536x16x255) секторов (блоков), что при размере сектора в 512 байт дает 136 902 082 560 байт (около 137 Гбайт). Позже пришли к линейной адресации логических блоков LBA (Logical Block Addressing), где адрес блока (сектора) определяется 28-битным числом, что позволяет адресовать до 268 435 455 (2²⁸) блоков (немного больше, чем в CHS). Для устройств AT А, поддерживающих и CHS, и LBA, режим адресации определяется для каждой команды битом L (бит 6) регистра D/H; режимы могут чередоваться произвольным образом. Устройства ATAPI используют принятую в SCSI 32-битную логическую адресацию, позволяющую адресовать до 2 Тбайт (при 512-байтном блоке).

Если  к шине АТА подключено одно устройство, оно должно быть ведущим. Если подключены два устройства, одно должно быть ведущим, другое — ведомым. О своей роли (ведущее или ведомое) устройства «узнают» с помощью предварительно установленных конфигурационных джамперов. Если применяется «кабельная выборка» (см. ниже), роль устройства определяется его положением на специальном ленточном кабеле. Оба устройства воспринимают команды от хост-адаптера одновременно. Однако исполнять команду будет лишь выбранное устройство. Выводить выходные сигналы на шину АТА имеет право только выбранное устройство. Такая система подразумевает, что, начав операцию обмена с одним из устройств, хост-адаптер не может переключиться на обслуживание другого до завершения начатой операции. Параллельно могут работать только устройства IDE, подключаемые к разным шинам (каналам) АТА. Спецификация АТА-4 определяет способ обхода этого ограничения, но эту возможность используют редко.

Для устройств  IDE существует несколько разновидностей интерфейса.

• АТА, он же AT-BUS, — 16-битный интерфейс подключения к шине компьютера AT. Наиболее распространенный 40-проводный сигнальный и 4-проводный питающий интерфейс для подключения дисковых накопителей к компьютерам AT. Для миниатюрных (2,5" и менее) накопителей используют 44-проводный кабель, по которому передается и питание.
• PC Card ATA — 16-битный интерфейс с 68-контактным разъемом PC Card 
  (PCMCIA) для подключения к блокнотным PC. XT IDE (8 бит), он же XT-BUS, — 40-проводный интерфейс, похожий на АТА, но несовместимый с ним.
• MCA IDE (16 бит) — 72-проводный интерфейс, предназначенный специально для шины и накопителей PS/2.
• АТА-2 — расширенная спецификация АТА. Включает 2 канала, 4 устройства, PIO Mode 3, Multiword DMA Mode 1, Block mode, объем диска до 8 Гбайт, поддержка LBA и CHS.
• Fast АТА-2 разрешает использовать Multiword DMA Mode 2 (13,3 Мбайт/с), PIO Mode 4.
• АТА-3 — расширение АТА-2. Включает средства парольной защиты, улучшенного управления питанием, самотестирования с предупреждением приближения отказа — SMART (Self Monitoring Analysis and Report Technology).
• ATA/ATAPI-4 — расширение АТА-3, включающее режим Ultra DMA со скоростью обмена до 33 Мбайт/с и пакетный интерфейс ATAPI. Появляется поддержка очередей и возможность перекрытия команд.
• ATA/ATAPI-5 — ревизия ATA/ATAPI-4: удаляются устаревшие команды 
  и биты, добавляются новые возможности защиты и управления энергопотреб 
  лением. Включает режим Ultra DMA со скоростью обмена до 66 Мбайт/с.
• ATA/ATAPI-6 — дополнения к ATA/ATAPI-5: потоковое расширение для чтения/записи аудио- и видеоданных, управление акустическим шумом, режим Ultra DMA со скоростью обмена до 100 Мбайт/с.
• Serial ATA — последовательный интерфейс.
• E-IDE (Enhanced IDE) — расширенный интерфейс, введенный фирмой Western Digital. Реализуется в адаптерах для шин PCI и VLB. Позволяет подключать до 4 устройств (к двум каналам), включая CD-ROM и стриммеры (ATAPI). Поддерживает РЮ Mode 3, Multiword DMA Mode 1, объем диска до 8 Гбайт, LBA и CHS. С аппаратной точки зрения практически полностью соответствует спецификации АТА-2.

Устройства  ATA IDE, E-IDE, АТА-2, Fast АТА-2, АТА-3^ ATA/ATAPI-4, ATA/ ATAPI-5 и ATA/ATAPI-6 электрически совместимы. Степень логической совместимости достаточно высока (все базовые возможности АТА доступны). Однако для полного использования всех расширений необходимо соответствие спецификаций устройств, хост-адаптера и его ПО.

Разработкой спецификаций ATA/ATAPI занимается технический комитет Т13 американского Национального Комитета но стандартизации в области информационных технологий (NCITS). Разработанные им спецификации оформляются в виде стандартов ANSI. Спецификация ATA/ATAPI-6 объявлена последней версией параллельного интерфейса АТА, за которой следует последовательный интерфейс Serial ATA.

9.2.1. Параллельный интерфейс  АТА

Параллельный  интерфейс АТА представляет собой  шину, в которой все сигналы  соответствуют стандартной логике ТТЛ:

• высокий уровень выходного сигнала не ниже 2,4 В (при токе до 400 мкА, сигнал DMARQ — до 500 мкА), низкий уровень не выше 0,5 В (при токе 4 мА, для линии DASP ради совместимости со старыми устройствами — 12 мА);
• высокий уровень входного сигнала не ниже 2,0 В, низкий уровень не выше 0,8 В.

Все информационные сигналы интерфейса передаются через 40-контактный разъем, у которого ключом является отсутствующий на вилке  и закрытый на розетке контакт 20. Использование в качестве ключа  выступа на корпусе розетки и прорези в бандаже вилки стандартом не приветствуется. Для соединения устройств применяется плоский многожильный кабель-шлейф, длина кабеля не должна превышать 0,46 м(18"), допустимая емкость проводников — неболее 35 пФ. Терминаторы стандартом не предусматриваются (они имеются в каждом устройстве и хост-адаптере), но если кабель с тремя разъемами (розетками) используют для подключения одного устройства, то устройство и хост-адаптер рекомендуется подключать к противоположным концам кабеля. Состав информационных сигналов интерфейса АТА приведен в табл. 9.3, вид кабеля — на рис. 9.2. В большинстве кабелей одноименные контакты всех разъемов соединяются своими проводами и все коннекторы равноправны. Встречаются (редко) ленточные кабели с кабельной выборкой, изображенные на рис. 9.3. В них провод 28 перерезан, так что контакт 28 (CSEL) для ведущего устройства заземлен через хост-адаптер, а для ведомого — не подключен. Кабель должен соответствовать системе адресации, выбранной для обоих устройств.

Таблица 9.3. Интерфейс ATA (IDE) 

¹ Тип сигнала для устройства: I — вход, О— выход, I/O — двунаправленный, TS — тристабильный, ОК — 
открытый коллектор. Для хост-адаптера значения I и О имеют противоположный смысл.

² У старых устройств сигнал может иметь тип ОК (при разнотипных сигналах на одной шине возможен 
конфликт).

³ Сигналы, приведенные после символа /,используются только в режиме Ultra DMA (AT A-4).

⁴ У ведущего устройства —' вход, у ведомого — выход.

⁵ У ведомого устройства — только выход.

⁶ Контакты 41-44 используются только для миниатюрных дисков.

⁷ Начиная с АТА-3 - только CSEL.

⁸ Начиная с АТ А-3 зарезервирован. 

   Рис. 9.3. Ленточный кабель интерфейса АТА с  кабельной выборкой 

Начиная с ATA/ATAPI-4 в шлейфах узаконили кабельную выборку и для подключения устройства 1 определили средний коннектор. В нем контакт 28 либо не соединен с проводом, либо просто отсутствует. Вполне понятно, что при использовании кабельной выборки хост-контроллер подключать к среднему коннектору нельзя (как и к правому на рис. 9.3). Если номер устройства назначается джампером, то для 40-проводного кабеля можно подключать устройства и хост-контроллер к любым коннекторам произвольно (но желательно избегать «висячих» концов). 

Для устойчивой работы в режиме Ultra DMA рекомендуется применение 80-про-водных кабелей, обеспечивающих чередование сигнальных цепей и проводов схемной земли (GND). Такие кабели требуются для режимов UltraDMA выше 2 (скорость выше 33 Мбайт/с). Эти кабели разделываются на специальные разъемы, имеющие 40-контактные гнезда с обычным назначением контактов, но ножевые контакты для врезки 80 проводов. В шлейфе для схемной земли используются либо все четные, либо все нечетные провода — это зависит от применяемых разъемов (на них должна быть маркировка EVN GND или ODD GND соответственно). Установка на одном шлейфе разнотипных разъемов недопустима (тогда все 80 проводов окажутся соединенными вместе). На 80-проводном кабеле в разъеме для подключения контроллера контакт 34 соединен с шиной GND и не соединен с проводом шлейфа; этим обеспечивается идентификация типа кабеля (CBLID). Провод шлейфа соединяет контакты 34 разъемов устройств, что обеспечивает прохождение сигнала PDIAG* от ведомого устройства к ведущему. С учетом возможности кабельной выборки на 80-проводном шлейфе положение коннекторов уже однозначно.

• Коннектор хост-контроллера расположен на конце шлейфа, у него контакт 34 заземлен и не соединен со шлейфом. Корпус коннектора должен быть синего цвета .
• Коннектор устройства 0 расположен на противоположном конце шлейфа, у 
  него все контакты соединены со шлейфом. Корпус коннектора должен быть 
  черного цвета.
• Коннектор устройства 1 (необязательный) расположен в середине шлейфа, у него контакт 28 не соединен со шлейфом. Корпус коннектора должен быть серого цвета.

Если кабельная  выборка не используется, то устройства 0 и 1 можно менять местами.

Спецификация  АТА «узаконивает» как 40-контактный интерфейсный разъем, так и 4-контактный разъем питания (рис. 9.4), но для малогабаритных устройств питание может подаваться по 44-проводному интерфейсному кабелю.

                        А            б

Рис. 9.4. Разъемы интерфейса АТА (вилки на устройствах): а — интерфейсный, б — питания

Для большинства  устройств применяется 40-контактный разъем с шагом контактов 2,54 мм. Рядом с ним могут располагаться дополнительные контакты, служащие для конфигурирования устройства и технологических целей (диагностики и других операций по служебному последовательному интерфейсу). Спецификация AT A/ AT API предусматривает два варианта, приведенные на рис. 9.5, а и б. Здесь пустым квадратиком обозначены позиции ключевых (пропущенных) выводов, контакты 1-40 используются для интерфейса (см. табл. 9.3), а контакты А-Н — для установки джамперов (табл. 9.4) и технологических целей. Для миниатюрных устройств предназначен 50-контактный разъем с шагом выводов 2 мм (рис. 9.5, в), у которого контакты 1-44 соответствуют табл. 9.3, контакты A-D — табл. 9.4 (используются для конфигурирования, а пара пропущенных контактов является дополнительным ключом). Для 50-контактного кабеля принято назначение выводов накопителей IBM Thinkpad/Travelstar:

• контакт А через резистор 10 кОм соединяется с шиной +5 В;
• контакт В для устройства задает его роль: низкий уровень — устройство 0, высокий — устройство 1; контакт С определяет режим устройства по включении питания: низкий уро 
  вень — Standby, высокий — Idle;
• контакт D соединяется с контактом 28 (CSEL) и через резистор 10 кОм — с шиной +5 В.

Это назначение, позволяющее конфигурировать и  адресацию, и режим потребления, применяется не на всех устройствах. На винчестерах фирмы Toshiba контакты А и В могут использоваться как выход и вход последовательного интерфейса (В подтянут к шине +5 В через резистор 47 кОм), С — GND, D — роль устройства (низкий уровень для устройства 1).