Жесткие диски (винчестеры) стали широко применяться в качестве устройств долговременного хранения информации после выпуска фирмой Shugart Technology (ныне Seagate Technology, Inc.) диска ST506 размером 5.25 дюйма.

Это устройство имело емкость 5 Мбайт и подключалось к компьютеру через интерфейсную платой ST506, разработанной в конце 70-х годов компанией Western Digital. Для соединения между собой диска и платы использовали плоский 34-проводный кабель. Чтобы диски можно было адресовать, часть кабеля перекручивалась (подобно кабелю для подключения дисководов). Для обмена данными с каждым из дисков существовал отдельный 20-проводный кабель. Основным недостатком интерфейса ST506 было пошаговое перемещение головок – один шаг на каждую команду перемещения – подобно тому как это до сих пор делается в дисководах для чтения гибких дисков.

У другой, более современной модели (ST412) была предусмотрена возможность буферизованного поиска (buffered seek), позволяющего одной командой перемещать головки на несколько шагов (например, через весь диск).

Главным преимуществом винчестеров с интерфейсом ST506/ST412 была их низкая стоимость. Большая часть электроники, ответственной за работу диска, располагалась на интерфейсной плате. Сигналы, управляющие приводом головок, передавались по общему для двух подключаемых к контроллеру устройств 34-проводному кабелю. Обмен данными с контроллером осуществлялся по 20-проводным плоским кабелям прямо в виде последовательности импульсов, считанных с диска или записываемых на него. Разъемы, используемые для подключения, описаны в Приложении 3.

Небольшой набор команд интерфейса ST506/412 затруднял создание дисков с большой емкостью. Большая часть (почти все) дисков с таким интерфейсом имела скорость вращения 3600 оборотов в минуту.

Интерфейсом ST506 поддерживались два способа модуляции при записи-воспроизведении данных: MFM (Modified Frequency Modulation - модифицированная частотная модуляция) и RLL (Run Length Limited - кодирование с ограничением длины поля записи).

Этот метод есть ни что иное, как разновидность обычной частотной модуляции, которая широко используется в радиовещании и связи. Отличие модифицированной модуляции в том, что она позволяет обеспечить двукратное повышение плотности записи данных. Это стало возможным за счет того, что на диск записывались не все сигналы синхронизации и при записи каждого бита учитывалось значение предшествующего бита. За одну смену направления намагниченности можно записать 1-3 бита данных. С головки сигналы передаются по кабелю данных в аналоговой форме. От сигналов синхронизации данные отделяются с помощью специального устройства – разделителя (сепаратора), установленного на плате контроллера.

Главное достоинство MFM-модуляции - простая двоичная форма записываемого на диск сигнала. При записи на дорожку использовались 17 секторов по 512 байт каждый. Теоретический предел скорости обмена с дисками, использующими MFM, составляет около 4Мбит/сек

(17секторов*512байт/сектор*8бит*3600об/мин):60сек = 4177920 бит/сек.

Реальная же скорость обмена была в несколько раз меньше, так как для таких дисков фактор чередования (Interleave factor) не равен 1. Так происходило потому, что контроллер не успевал обработать прочитанные данные до перемещения головки к следующему сектору. При факторе чередования 1:1 порядок следования секторов на дорожке естественный: 1, 2, 3,...16, 17. При факторе чередования 3:1 секторы на диске имеют следующий порядок: 1, 7, 13, 2,..., 11, 17. Первое число в коэффициенте чередования – это количество оборотов диска, требуемых для полного прочтения или записи одной дорожки. За счет кэширования записи для дисков ST506 можно было установить фактор чередования 1:1.

Например, существовала программа Calibrate из комплекта Norton Utilities, оптимизировавшая работу дисков путем подбора фактора чередования, наиболее соответствующего скорости вашего диска и контроллера.

Иной метод модуляции (просто RLL или 2,7 RLL), предложенный компанией IBM в 1986 году, использовал перекодирование исходных данных с введением избыточности. Он преобразует данные в шестнадцатибитовые слова. Они позволяют за один переход намагниченности диска записывать от 2 до 7 бит (эти цифры и включены в название метода). RLL-модуляция требует более высокого качества поверхности диска и равномерности его вращения. Помимо этого, усилители каналов считывания-записи должны иметь несколько другие характеристики, по сравнению с MFM-модуляцией. Винчестеры с интерфейсом ST506/412, которые использовали метод RLL, как правило, имели в своем обозначении букву R (например, ST157R). На одну дорожку диска можно записать 26 секторов по 512 байт. Теоретически возможно осуществлять обмен данными со скоростью (512*26*8*3600):60=6489760бит/сек.

Впоследствии метод RLL был модифицирован и получил возможность записи от 3 до 9 бит за один переход намагниченности (3,9 RLL, ARLL, ERLL), что позволило записывать на дорожку 31 сектор и обеспечило теоретический предел скорости обмена с диском 7618560бит/сек.

Диски RLL можно спокойно подключать и к контроллерам MFM (правда с потерей емкости), обратная же операция вообще некорректна. Был такой метод "увеличения" размера диска, практиковавшийся несколько лет назад, - он, однако, не позволяет обеспечить достаточную надежность хранения данных.

В наши дни диски с интерфейсом ST506/412 практически не встречаются.

С ростом скорости работы компьютеров интерфейс ST506 перестал устраивать пользователей. Это и привело к разработке в 1985 году следующего стандарта – ESDI. Он, по сути, был всего лишь расширением возможностей ST506. Внешне кабели, используемые в спецификации ESDI, походили на кабелей ST506. Однако сигналы по ним передавались уже другие (см. Приложение 3). Если, например, пользуясь сходством кабелей, подключить (по ошибке ли, специально ли) винчестер интерфейса ST506/412 к контроллеру ESDI (или наоборот), результаты могут быть самыми удручающими. Кабели ESDI могли достигать 3 метров в длину, сигналы передавались главным образом как синфазные (с общей землей), кроме данных и синхронизации. Для их передачи был использован дифференциальный метод. Передача данных осуществлялась через последовательную линию 16-битными порциями, сопровождаемых битом четности. Также была обеспечена возможность подтверждения передачи данных.

В новом интерфейсе сепаратор устанавливался непосредственно на плате винчестера и по кабелю данных передавались уже не аналоговые сигналы, а реальная информация в цифровой форме. Это позволяло подобрать параметры сепаратора к конкретному типу устройства, поскольку искажения сигналов в кабеле уже не имели значения. Благодаря такому методу повышалась надежность передачи данных и скорость обмена с контроллером возросла до 10Мбит/сек за счет передачи по кабелю цифровых сигналов. Помимо этого, интерфейс ESDI делал возможным использование винчестеров большой емкости и оптических накопителей.

Интерфейс ESDI обеспечивал три сигнала выбора устройства. Это позволяло подключать к нему до 7 накопителей. Сигналы выбора головки позволяли напрямую адресовать до 16 головок, однако специальная команда Select Head Group позволяла использовать до 256 головок (16 групп по 16 головок).

В конце 70-х годов Shugart Associates предложила первоначальный вариант интерфейса SCSI (Small Computer System Interface) под названием SASI (Shugart Associates System Interface) вместо разработанной компанией IBM системной шины IPI (интеллектуальный периферийный интерфейс). После провала в конкурентной борьбе с фирмой IBM этот интерфейс был предложен комитету ANSI X3T9.2 как интерфейс нижнего уровня под названием SCSI. В 1984 году комитет ANSI закончил разработку спецификации SCSI-1 и уже два года спустя она была опубликована в окончательном виде. Этот интерфейс обеспечивал подключение широкого спектра периферийных устройств, таких как винчестеры, принтеры, сканеры, стриммеры, приводы CD-ROM и др. SCSI является интерфейсом не приборного, а системного уровня. В отличие от ST506/412 и других приборных интерфейсов с последовательной передачей информации, в SCSI используется параллельная передача битов данных. Благодаря этому существенно повышается скорость обмена данными между устройством и хост-адаптером.

Этот интерфейс используется и в семействах Macintosh, SPARC, VAX и других, а не только в IBM-совместимых компьютерах. SCSI не накладывает никаких ограничений на связь между контроллером и периферийным устройством. Это одна из причин его широкого распространения.

С помощью шины SCSI можно связывать компьютер с несколькими периферийными устройствами (как внешними, так и внутренними). И даже более того, возможно совместное использование одного периферийного устройства несколькими компьютерами, подключенными к общей шине SCSI (правда это достаточно сложно сделать). Подключаемые к шине SCSI устройства могут играть роль ведущих (Initiator) или ведомых (Target). От случая к случаю одно и то же устройство может быть ведомым или ведущим. Подобное разделение функций устройств позволяет организовать передачу данных с одного периферийного устройства на другое, например, резервное копирование данных с винчестера на стриммерную кассету. Обмен между устройствами по магистрали SCSI происходит в соответствии с протоколом высокого уровня и адресация осуществляется на уровне логических, а не физических (как в ESDI) блоков. Физические характеристики конкретного устройства (число головок, цилиндров и т.п.) не используются программами работающими с SCSI. Ониа имеют дело с логическими блоками, что дает возможность работы практически со всеми блочными устройствами.

Для подключения устройств интерфейса SCSI служит плоский, как правило, кабель с 50-контактными разъемами (Приложение 3). Возможны и синфазная, и дифференциальная (с помощью "токовой петли") передача данных по кабелю. При синфазной передаче длина кабеля может достигать 6 м, при дифференциальной – 25 м. Что бы гарантировать передачу сигналов по магистрали SCSI, линию необходимо согласовывать с помощью набора резисторов (т. н. терминаторов). Они устанавливаются по обоим концам шины SCSI.

SCSI предусматривает подключение к шине до восьми устройств. Но с учетом того, что каждое устройство может содержать 8 логических блоков, а каждый блок - 256 подблоков, мы имеем дело с почти неограниченной возможностью расширения. Любое устройство, подключаемое к шине, имеет свой идентификатор. Он устанавливается с помощью перемычек или переключателей непосредственно в самом устройстве. Идентификаторы позволяют адресовать устройства и задают их приоритет. Соответственно большее значение идентификатора означает приоритет устройства.

На протяжении последних лет интерфейс SCSI был существенно расширен - появились спецификации Fast-SCSI и Wide-SCSI, обеспечивающие более высокую скорость обмена данными с устройствами SCSI. В настоящее время интерфейс SCSI используется в основном в высокопроизводительных системах, предназначенных для коллективного использования (диски файловых серверов, сканеры и т.д.).

Спецификация IDE/ATA была предложена в качестве недорогой альтернативы интерфейсам ESDI и SCSI для персональных компьютеров семейств IBM PC XT/AT. В результате сотрудничества компании Western Digital с Compaq Computer Corporation был разработан интерфейс IDE (Integrated Drive Electronics), называемый также АТА (AT attachment). Первые промышленные устройства на базе IDE/ATA были выпущены в 1986 году. Интерфейс был стандартизован (ANSI X3T9.2/90-143) в 1990г. как ATA (AT Attachment). Основным отличием нового интерфейса была реализация большинства функций контроллера непосредственно на плате дискового накопителя. Такой подход упростил и удешевил хост-адаптеры, используемые для подключения винчестеров к компьютеру, и позволил обеспечить высокий уровень совместимости устройств разных фирм.

Используемые устройствами IDE адреса ввода/вывода совпадают с адресами ST506/412, но функции контроллера перенесены на плату управления приводом диска и головок винчестера. Информация о геометрии диска (число головок, цилиндров и секторов) хранится в самом устройстве. Зачастую в BIOS передаются логические параметры диска, не совпадающие с его физическими параметрами, т.е. используется трансляция, что позволяет устанавливать винчестеры в компьютеры со старыми BIOS, не обеспечивающими возможность произвольной установки параметров устройства (в большинстве современных реализаций BIOS такая возможность поддерживается как тип 47 - User Defined).

Базовый набор команд интерфейса IDE полностью соответствовал набору команд контроллера WD1002/1003 компании Western Digital, который был использован в компьютере IBM PC AT. При стандартизации интерфейса IDE к 12 базовым командам было добавлено еще столько же. Перенос большинства функций контроллера на плату управления позволяет несколько повысить скорость обмена данными с диском. Как правило диски IDE имеют небольшую встроенную кэш-память (до 256Кб) и позволяют работать с фактором чередования 1:1 (дорожка может быть прочитана целиком за один оборот диска).

Хост-адаптер для подключения дисков IDE зачастую устанавливается на системной плате (Mother board) или совмещается с контроллером дисководов и портами ввода-вывода (последовательными и параллельным) на специальной, вставляемой в гнездо расширения, плате (мультикарте, как ее зачастую называют). Подключение устройств к хост-адаптеру осуществляется с помощью 40-проводного плоского, к которому можно присоединить два винчестера. Для корректной адресации устройств один из винчестеров должен быть установлен в режим Master (ведущий), другой - в режим Slave (ведомый). Режим работы диска задается с помощью перемычек, расположенных как правило около сигнального разъема винчестера.

Рисунок 1. Перемычки для установки режима Master/Slave

Первоначальная версия стандарта IDE обеспечивала возможность подключения к компьютеру четырех винчестеров и позволяла обмениваться данными с диском на скорости до 10Мбайт/сек, однако реальная скорость ограничивалась прежде всего возможностями самого винчестера. Подключение четырех устройств, предусмотренное спецификацией IDE, в компьютерах семейства IBM PC AT, в спецификации ATA/IDE реализовано не было. Кроме того, совместное использование стандарта ATA и программного интерфейса Int 13 BIOS ограничивало размер дисковых устройств 528Мб. Природу этого ограничения, связанную с форматами чисел, используемых для адресации головок, секторов и цилиндров винчестера (CHS-адрес) в стандарте IDE и BIOS, можно понять из приведенной ниже таблицы и рисунка 2, иллюстрирующего взаимодействие операционной системы с диском IDE.

Другим существенным ограничением стандарта IDE/ATA является невозможность подключения к контроллеру IDE каких-либо устройств, за исключением винчестеров.

Присущие интерфейсу IDE/ATA ограничения тормозили развитие недорогих компьютерных систем, рассчитанных на массового пользователя, в связи с чем целый ряд фирм предпринял попытки расширения возможностей классического IDE. Наибольших успехов на этом пути добилась компания Western Digital, разработавшая спецификацию Enhanced IDE (EIDE), позволяющую использовать диски, размер которых превышает 528 Мб, и обеспечившую реальную возможность подключения к компьютеру до четырех устройств IDE (не только винчестеров, но и приводов CD-ROM или стриммеров).

Другим интересным вариантом развития интерфейса IDE является технология Fast ATA, разработанная компанией Seagate Technology при поддержке фирмы Quantum. Эта технология направлена в первую очередь на повышение скорости обмена данными с дисковыми устройствами и не поддерживает возможность подключения CD-ROM или стриммеров, но обеспечивает более высокий уровень совместимости за счет соответствия широко распространенным промышленным стандартам.

Спецификация Fast ATA разработана компанией Seagate Technology и поддержана фирмой Quantum и еще рядом компаний. Это расширение стандарта IDE/ATA преследует цель увеличения емкости винчестеров и скорости обмена между диском и программами. К настоящему моменту существует два варианта спецификации Fast ATA и Fast ATA-2. Винчестеры, соответствующие Fast ATA, обеспечивают высокую скорость обмена за счет реализации скоростных режимов PIO mode 3 (11.1 Мб/сек) или Multiword DMA mode 1 (13.3 Мб/сек). Выбор конкретного режима предоставляется производителю устройства. Fast ATA-2 поддерживает PIO mode 4 или Multiword DMA mode 2 (пока не реализован "в железе"), обеспечивающие скорость обмена 16.6 Мб/сек.

Для обеспечения возможности использования дисков, размер которых превышает 528Мб, используется режим трансляции параметров диска (рис. 4.); реальные адреса CHS (цилиндр-головка-сектор) пересчитываются в фиктивные, удовлетворяющие ограничениям BIOS. Контроллер и BIOS используют в этом случае разную геометрию для адресации данных на диске. Если диск содержит 2000 секторов и имеет 16 головок, то в результате трансляции BIOS будет воспринимать его как устройство с 1000 цилиндров и 32 головками.

Enhanced IDE

Технология Enhanced IDE компании Western Digital была разработана в результате анализа потребностей современного рынка ПК. В 1984 году компания Western Digital создала контроллеры дисководов (WD1002) и винчестеров (ST506), которые были использованы фирмой IBM при разработке компьютера IBM PC AT. Успех архитектуры АТ привел к значительному расширению рынка IBM-совместимых ПК и сделал контроллеры Western Digital стандартом de facto.

В процессе становления рынка персональных компьютеров фирма Western Digital пришла к выводу о необходимости интеграции электроники контроллера АТ и дискового устройства. В результате сотрудничества с Compaq Computer Corporation был разработан интерфейс IDE (Integrated Drive Electronics), называемый также АТА (AT Bus attachment). Первые промышленные устройства на базе IDE/ATA были выпущены в 1986 году.

Продолжая лидировать в сфере IDE-устройств, компания Western Digital предложила расширение интерфейса IDE. Новая спецификация - Enhanced IDE - повышает скорость обмена с диском, допускает применение более скоростных дисков и обеспечивает возможность установки в компьютере до четырех устройств IDE. Кроме того, Enhanced IDE позволяет подключать к контроллеру не только винчестеры, но и другие устройства (приводы CD-ROM, стриммеры), поддерживающие спецификацию ATAPI (AT Attachment Packet Interface). Эта спецификация определяет интерфейс с приводами CD-ROM и другими недисковыми устройствами, позволяющий использовать стандартные контроллеры и кабели. Стандарт ATAPI получил широкую поддержку среди производителей CD-ROM-устройств и разработчиков операционных систем, что еще более расширило сферу распространения интерфейса IDE/ATA.

Спецификация EIDE позволяет избавиться от целого ряда ограничений, присущих интерфейсу IDE/ATA. Такое расширение обеспечивает существенный рост возможностей устройств долговременного хранения информации без роста цен, усложнения использования и потери совместимости. Ограничения, присущие IDE, по сравнению с другими интерфейсами (такими, как SCSI) не угрожают доминированию IDE на современном рынке недорогих систем. Однако повышение производительности процессоров, разработка новых ОС и высокие запросы современных приложений к дисковому пространству привели к тому, что стандарт IDE уже не может удовлетворять всем современным требованиям. Существенно и то, что стандартный интерфейс IDE менее гибок и более ограничен по сравнению со SCSI:

IDE поддерживает только два винчестера, а SCSI обеспечивает возможность подключения большого количества блочных устройств различных типов (принтеры, CD-ROM, стриммеры и др.);

размер дисков IDE не может превышать 528Мб, поскольку для доступа к диску используется интерфейс Int 13 BIOS, тогда как SCSI не ограничивает размер диска;

IDE обеспечивает скорость обмена с диском 2-3 Мб/сек, а SCSI - 10 или 20Мб/сек (Fast/Wide).

• предельный размер диска 528Мб;
• малая скорость обмена с диском;
• поддержка только двух устройств;
• невозможность подключения приводов CD-ROM и стриммеров.

Как показано на рисунке 4, технология Enhanced IDE включает в себя четыре основных компоненты, реализуемые совместно в периферийных устройствах, контроллерах EIDE, BIOS и операционной системе:

Эта возможность обусловлена внесенными в BIOS изменениями, позволяющими адресовать большие диски. Для работы с дисками более 528Мб требуется поддержка со стороны винчестера, BIOS и операционной системы.

Винчестер должен поддерживать спецификацию ATA (этому требованию удовлетворяет большинство современных винчестеров).

BIOS также должна поддерживать спецификацию ATA; большинство производителей системных плат и разработчиков BIOS уже поддерживают этот режим.

Может потребоваться поддержка работы с большими дисками и со стороны операционной системы. Windows 3.1 не полностью соответствует ATA, поэтому приходится использовать специальные драйверы (Windows "32-bit disk access"), обычно поставляемые вместе с контроллерами EIDE. Большинство 32-разрядных операционных систем (таких, как OS/2) изначально поддерживают работу с большими дисками.

основан на использовании скоростных режимов программируемого ввода-вывода (PIO mode 3) и прямого доступа к памяти (DMA mode 1). Эти режимы обеспечивают скорость обмена 11.1 и 13.3 Мб/сек, соответственно. Для реализации скоростного обмена требуется поддержка со стороны винчестера и BIOS.

BIOS должна поддерживать один из скоростных режимов обмена с диском (PIO mode 3 или DMA mode 1), как правило это режим PIO.

Со стороны дискового устройства также должна обеспечиваться поддержка скоростного обмена. Эту возможность обеспечивает большинство современных винчестеров (в том числе диски Fast ATA).

Скоростные режимы обмена позволяют полнее реализовать возможности дисковых контроллеров, использующих широкополосную локальную шину VESA или PCI.

Для обеспечения этой возможности используются зарезервированные для второго контроллера адреса портов ввода-вывода и прерывание IRQ15. Для реализации этой возможности требуется поддержка со стороны контроллера (хост-адаптера), BIOS и операционной системы.

К самим устройствам (винчестерам, приводам CD-ROM или стриммерам) не предъявляется никаких дополнительных требований.

Контроллер должен обеспечивать возможность установки адресов второго порта (это реализовано отнюдь не во всех современных моделях).

Не все BIOS поддерживают возможность использования четырех устройств IDE, однако современные разработки включают этот режим.

Важную роль играет поддержка использования четырех устройств со стороны операционной системы. Эта возможность реализована в большинстве 32-разрядных ОС и в последних версиях DOS.

Этот режим является недорогой альтернативой SCSI. Для обеспечения такой возможности требуется требуется поддержка нескольких новых команд. Спецификация ATAPI (ATA Packet Interface), находящаяся в стадии разработки, содержит описание новых команд.

Для обеспечения возможности подключения к хост-адаптеру недисковых устройств требуется поддержка спецификации ATAPI со стороны BIOS, хост-адаптера, операционной системы и самих периферийных устройств.

В настоящее время большинство устройств CD-ROM уже использует интерфейс IDE/ATAPI для подключения ко второму порту современных контроллеров.

Очевидно, что при таком обилии вариантов расширения возможностей IDE отнюдь не все устройства, рекламируемые как "Enhanced", поддерживают все четыре режима, добавленные в спецификацию Enhanced IDE. Не следует забывать также о том, что для обеспечения полной поддержки EIDE, этой спецификации должны удовлетворять BIOS, хост-адаптер, операционная система и, наконец, сами периферийные устройства.

Ограничение размера винчестеров с интерфейсом IDE/ATA (528 Мб) является результатом совместного использования стандарта IDE и программного интерфейса Int 13 BIOS. Технология Enhanced IDE дает возможность внести в BIOS изменения, позволяющие избавиться от этого ограничения.

Природа ограничения размера дисков связана с форматом (числом бит), используемым для задания номеров головок, цилиндров и секторов в интерфейсах Int 13 и IDE (CHS-адресация). Поскольку оба интерфейса используют различные форматы, их совместное применение не позволяет работать с дисками размером более 528 мегабайт. В таблице 2 приведены форматы чисел, используемых для нумерации в BIOS и IDE:

Существует два способа преодолеть ограничение размера диска. Первый способ заключается в использовании трансляции адресов CHS (цилиндр-головка-сектор) - пересчета реальных значений в фиктивные, удовлетворяющие ограничениям BIOS. Контроллер и BIOS используют в этом случае разную геометрию для адресации данных на диске. Если диск содержит 1500 секторов и имеет 16 головок, то в результате трансляции BIOS будет воспринимать его как устройство с 750 цилиндрами и 32 головками.

Технология Enhanced IDE использует другой метод, называемый логической адресацией блоков (LBA - Logical Block Address). В этом случае используется сквозная нумерация секторов и адрес CHS преобразуется в одно 28-битовое число, используемое для нумерации секторов - LBA-адрес. Метод LBA обеспечивает более эффективный способ работы с большими дисками за счет простоты преобразования адреса. Кроме того, этот способ представляется более эффективным при разработке новых операционных систем. Схема адресации с использованием LBA была впервые применена фирмой Western Digital в конце 1993 года, позволив создать диск IDE размеров 540Мб (модель AC2540).

Шина ISA обеспечивает возможность обмена данными с диском на скорости 2-3Мб/сек. По сравнению со скоростями SCSI-контроллеров (5, 10 и 20Мб/сек), эта скорость слишком мала. До недавнего времени ограничение скорости обмена не играло существенной роли, поскольку сами устройства IDE не позволяли считывать или записывать данные со скоростью выше 5 Мбит/сек. По мере совершенствования дисковых технологий скорость контроллера 2-3Мб/сек начала все-таки ограничивать возможности винчестеров IDE. Для повышения производительности дисковой подсистемы компьютеров пришлось использовать буферную память, устанавливаемую на плате винчестера или хост-адаптера. Современные винчестеры могут обеспечивать скорость чтения/записи до 48 Мбит/сек и простая буферизация для повышения производительности работы будет слишком дорогим решением.

Для повышения скорости обмена данными в современных ПК широко используются локальные шины. Локальная шина VESA была разработана для ускорения вывода изображений на экран, а в 1992 году был выпущен первый контроллер IDE с шиной VLB (VESA Local Bus), обеспечивший некоторый рост скорости обмена с диском. Несколько позже была разработана спецификация локальной шины PCI. Контроллеры IDE с локальной шиной VLB поддерживают высокую скорость обмена между диском и буфером, но и они не могут сравниться с контроллерами Fast-SCSI (10Мб/сек.) по причине использования "слепого" обмена в режиме программируемого ввода-вывода (PIO). "Слепой" метод PIO основан на том, что контроллер (ведущее устройство) запрашивает данные у диска (ведомое устройство) или передает их ему. При таком режиме используется только часть полосы пропускания шины, что не позволяет добиться существенного роста скорости контроллеров IDE.

Enhanced IDE включает операции, называемые "управление потоком с использованием IORDY", которые позволяют диску включать пакетный режим передачи для 100% использования полосы пропускания шины. Режим управления потоком передает инициативу устройству (диску) и позволяет избавиться от неэффективных "слепых" режимов PIO за счет установки полосы пропускания контроллера в соответствии с возможностями винчестера. Это означает, что в тех случаях, когда доступна вся полоса, винчестер будет управлять обменом данными с хост-адаптером.

Режим 3 PIO с периодом тактирования 180нсек. обеспечивает скорость обмена 11Мб/сек., превышающую скорость Fast-SCSI (10Мб/сек.). Управление потоком со стороны диска включается контроллером с помощью команды Set Features, в результате чего такой обмен поддерживается одновременно и диском, и контроллером. Винчестер AC2540 (540Мб) выпущенный в 1993 году фирмой Western Digital, поддерживал управление потоком с помощью IORDY, реализованное с помощью специализированной микросхемы-контроллера. Основные возможности этого контроллера позднее были включены в стандартные наборы микросхем IDE.

Хотя режимы программируемого ввода-вывода (PIO) являются стандартным методом, поддерживаемым в серийных устройствах IDE, и отличаются высокой совместимостью, существуют и другие способы повышения скорости обмена с винчестерами. Метод прямого доступа к памяти (DMA) основан на передаче данных между диском и памятью компьютера без использования центрального процессора CPU). Тип B для DMA определен в спецификации EISA и обеспечивает обмен со скоростью 4Мб/сек. Этот метод дает преимущество по сравнению со стандартной скоростью для шины ISA, но значительно уступает Fast-SCSI.

С развитием технологии локальных шин в спецификации PCI был предложен новый вариант обмена с использованием DMA (тип F), обеспечивающий скорость 8.33 и 6.67Мб/сек. В соответствии с возможностями существующих микросхем была предложена спецификация DMA Mode 1 с циклом 150 нсек., обеспечивающая скорость обмена 13Мб/сек. за счет передачи нескольких слов за один запрос. Комплекты микросхем с поддержкой DMA типа B (EISA) и типа F (PCI) поставляются с конца 1993 года.

Режимы PIO в дисковых контроллерах IDE получили более широкое распространение, нежели режимы DMA. По этой причине прерывание BIOS Int 13 и драйверы устройств ОС поддерживают режим PIO, а не DMA. Следовательно, для использования режимов DMA следует заменить BIOS и драйверы устройств.

Технология Enhanced IDE компании Western Digital обеспечивает возможность выбора между режимами PIO с управлением потоком через IORDY (mode 3) и DMA (тип B или F), реализованными с помощью драйверов.

В оригинальном IBM PC AT была зарезервирована поддержка двух контроллеров для работы с винчестерами. Каждый из этих контроллеров позволял подключить два диска. Но использование второго контроллера не поддерживалось BIOS и драйверами операционных систем. Это ограничивало возможности дисковой подсистемы ПК. Сегодняшние операционные системы предоставляют возможность использования в компьютере всех четырех устройств IDE (два порта). Добавление второго порта IDE на плату хост-адаптера почти не увеличивает стоимости последнего. Он уже содержится в большинстве микросхем, используемых для изготовления контроллеров, так же как и устройство декодирования адреса. Поэтому стоимость расширения возможностей контроллера практически сводится к стоимости установки на плате дополнительного 40-контактного разъема для подключения кабеля ($1). Такое расширение дисковой системы компьютера до 4 устройств с помощью новых контроллеров IDE экономически более выгодно по сравнению с использованием устройств SCSI.

Технология Enhanced IDE компании Western Digital позволяет BIOS определить второй контроллер по номеру диска, переданному прерыванию Int 13. DOS версии 3.30 и выше позволяет использовать в компьютере до семи устройств. Поэтому поддержка дополнительных дисков IDE требует лишь смены BIOS, чтобы обеспечить возможность использования второго канала IDE. Операционные системы типа OS/2 и Windows NT позволяют использовать четыре устройства IDE, не меняя BIOS; Novell NetWare позволяет устанавливать в компьютер четыре контроллера IDE, к которым можно подключить восемь устройств.

Установка второго порта IDE не только позволяет увеличить число дисков. Второй порт еще и обеспечивает возможность подключения не только винчестеров, но и иных устройств, таких как приводы CD-ROM или стриммеры. Даже при отсутствии раздельного тактирования устройств подключение медленных устройств типа CD-ROM ко второму порту обеспечивает возможность работы винчестера без задержек. При отсутствии раздельного тактирования скорость обмена с подключенными к одному порту устройствами определяется более медленным из них.

Western Digital разработала спецификацию ATAPI (ATA Packet Interface) для подключения к контроллеру IDE новых устройств хранения, подобных приводам CD-ROM и стриммерам. Традиционная компьютерная архитектура использует механизм переноса данных, основанный на регистрах. Современные же варианты архитектуры используют механизм передачи на основе пакетов. Спецификация ATAPI является расширением стандарта IDE, обеспечивающим возможность работы с пакетами, она добавляет к IDE единственную новую команду, расширяющую функции контроллера, а так же две новых команды адресации.

Устройства и контроллеры IDE вполне успешно конкурируют со стандартом SCSI, благодаря своим современным технологиям. IDE обеспечивает хорошую совместимость и простоту использования вместе с невысокой ценой. Кроме того, современные варианты IDE обеспечивают не менее высокую скорость, чем SCSI (проигрывая только Fast/Wide SCSI). Также существенна возможность подключения недисковых устройств к современным контроллерам ATA/IDE.

В таблице 3 приведены сравнительные данные интерфейсов IDE и Enhanced IDE:

Режимы быстрого обмена данными (PIO 1-4 и DMA 0-2) это основы технологий Fast ATA и EIDE. Термин Fast ATA был введен компанией Seagate и поддерживается ею совместно с фирмой Quantum; Western Digital использует термин Enchanced IDE.

EIDE поддерживает режимы ускоренного обмена вместе с:

• режимом LBA;
• возможностью использования четырех устройств ATA (второй порт);
• трансляцией, позволяющей использовать диски с числом цилиндров, превышающим 1024 (WD EBIOS);
• поддержкой приводов CD-ROM и стриммеров через контроллер ATA (ATAPI).
• Fast ATA и Fast ATA-2 также поддерживают быстрый обмен вместе с:
• командами множественного чтения/записи;

Главным образом разница между схемами заключена в возможностях EIDE. EIDE включает множество аспектов технологии дисков и драйверов, которые еще не полностью реализованы "в железе". Слово "Enhanced" в названии могут иметь многие устройства, даже если они не поддерживают всех возможностей EIDE, что может привести к затруднениям при покупке.

Термин Fast ATA-2 тоже определен недостаточно четко. Спецификация предполагает использование PIO mode 4 и DMA mode 2 (16MB/s), тогда как Fast ATA использует только PIO mode 3 (11MB/s) и DMA mode 1 (13MB/s). Обе спецификации полностью совместимы со стандартом ATA-2, и Fast ATA-2 следует понимать как [Fast ATA]-2, а не Fast [ATA-2].

В следующей таблице собраны сравнительные характеристики различных интерфейсов, используемых для подключения дисковых устройств. Информация о ST506.412 и ESDI приведена лишь для сравнения их возможностей со SCSI и IDE, так как сегодня они почти не используются.

Таблица 4.