ATA-1

Версия ATA-1 была окончательно утверждена в 1994 году. Стандарт ATA-1 определяет оригинальный интерфейс AT Attachment. В спецификации ATA-1 впервые были определены и документированы следующие основные свойства:

40/44-контактный разъем и кабель;

параметры выбора конфигурации диска - первичный/вторичный;

параметры сигналов для основных режимов PIO (Programmed I/O) и DMA (Direct Memory Access);

трансляция параметров накопителя CHS (Cylinder Head Sector) и LBA (Large Block Address).

Стандарт ATA-1 описан в документе ANSI X.3221-1994 AT Attachment Interface for Disk Drives, который можно найти в Internet. Стандартами ATA определены назначения выводов 40-контактного разъема, назначение и временные диаграммы передаваемых через него сигналов, параметры кабелей и т. п. Некоторые из этих требований рассматриваются в следующем разделе.

ATA-2

Этот стандарт представляет собой расширение первоначального стандарта ATA (IDE); впервые опубликован в 1996 году. Ниже приведены наиболее существенные из внесенных дополнений:

возможность работы в режимах быстрого программного ввода-вывода (faster PIO) и прямого доступа к памяти

(DMA);

поддержка расширенной системы управления питанием;

поддержка съемных устройств;

поддержка устройств PCMCIA (PC Card);

поддержка устройств емкостью до 137,4 Гбайт;

стандарт CHS/LBA, определенный для дисков емкостью до 8,4 Гбайт.

Кроме того, ATA-2 вносит некоторые изменения в команду идентификации жесткого диска, в результате чего появляется возможность передавать в систему более подробные сведения о нем. Это особенно важно как для принципа Plug and Play, так и для совместимости с последующими версиями стандарта.

Стандарт ATA-2 иногда называют Fast-ATA или Fast-ATA-2 (компании Seagate/Quantum), а также EIDE (Enhanced IDE, компания Western Digital). Он описан в документе ANSIX3.279-1996 AT Attachment Interface with Extensions.

ATA-3

Этот стандарт впервые был опубликован в 1997 году. Он обеспечивает:

повышенную надежность, особенно в более быстром режиме передачи (режим 4);

простую схему защиты паролем;

более совершенное управление электропитанием;

технологию самоконтроля с анализом S.M.A.R.T. (Self Monitoring Analysis and Report Technology). Стандарт ATA-3 описан в документе ANSI X3.298-1997 AT Attachment 3 Interface.

Стандарты ATA-2 и ATA-3 часто называют E DE (Enhanced IDE - улучшенный IDE). Спецификация Enhanced IDE была разработана компанией Western Digital. Аналогичные стандарты (Fast-ATA и Fast-ATA-2) были приняты компанией Seagate; этих же стандартов придерживается и Quantum. Но если говорить о жестких дисках и BIOS, то сразу становится очевидным, что это просто разные названия одних и тех же принципов и методов.

Можно выделить четыре области, в которых стандарты ATA-2 (EIDE), ATA-3 и ATA-4 претерпели существенные изменения по сравнению с исходным вариантом ATA/IDE.

Увеличение максимальной емкости жестких дисков.

Повышение скорости обмена данными.

Появление вторичного канала для подключения двух устройств.

Использование интерфейса ATAPI.

Ограничения CHS (преодоление ограничения в 528 Мбайт)

BIOS обращается к драйверу жесткого диска с помощью прерывания INT13h, которое предоставляет функции чтения и записи на диск на уровне секторов. Прерывание INT13h требует указания определенного сектора, при этом каждый сектор адресуется его цилиндром, головкой и расположением сектора. Этот интерфейс обращения к диску называется CHS-адресацией и используется операционной системой и дисковыми утилитами низкого уровня. Изначально

интерфейс прерывания 13h был реализован IBM в BIOS для контроллера жесткого диска компьютера PC XT. Этот интерфейс был создан в 1983 году, а в 1984 был включен в BIOS системной платы PC AT. Интерфейс использует числа для адресации отдельного сектора, цилиндра и головки. В следующей таблице приведены ограничения CHS параметров прерывания INT13h для стандартной BIOS.

Ограничения CHS параметров для прерывания BIOS INT13h

Идея проста: если у вас есть отель, в котором номера комнат ограничены двумя разрядами, вы сможете пронумеровать только 100 комнат - от 0 до 99. Номера CHS, используемые интерфейсом INT13h, записаны в битовом формате. Поскольку цилиндры адресуются 10 битами, то можно использовать максимум 1 024 цилиндра (от 0 до 1 023). Максимальное количество головок, с которыми можно работать через BIOS, равно 256; они нумеруются от 0 до 255. И наконец, секторы, с которыми еще больше проблем. Секторы на дорожке адресуются 6 битами, значит, можно адресовать максимум 64 сектора. Однако, поскольку нумерация начинается не с 0 а с 1, суммарное количество секторов на дорожку, с которым может работать BIOS, не должно превышать 63.

Эти ограничения распространяются на все версии BIOS и на все программы, которые используют стандартную адресацию CHS и интерфейс INT13h. Подставив максимальные значения для адресации CHS, мы получим диск с 1 024 цилиндрами, 256 головками и 63 секторами на дорожку. Поскольку размер каждого сектора равен 512 байт, получаются такие результаты:

Максимальные значения

Цилиндров1 024

Головок256

Секторов на дорожку63

Итого секторов16 515 072

Итого байт8 455 716 864 Мегабайт8 456

Mebibytes (MiB)8 064

Гигабайт8,4

Gibibytes (GiB)7,8

Из этих расчетов видно, что максимальный размер диска, который можно адресовать через интерфейс BIOS INT13h, равен приблизительно 8,4 Гбайт (где гигабайт равен 1 миллиарду байт) или же 7,8 GiB (gigabinarybytes).

К несчастью для ATA, не только BIOS накладывает ограничения. Существуют еще и ограничения самого интерфейса

ATA.

Ограничения параметров стандартного интерфейса ATA

Как видите, в интерфейсе ATA для хранения значений адресов CHS используются поля разного размера. Обратите внимание, что ограничения ATA, относящиеся к количеству цилиндров и секторов, выше, чем соответствующие ограничения BIOS, но ниже, чем ограничения базовой системы ввода-вывода по количеству головок. Ограничения CHS по емкости жестких дисков в соответствии со спецификациями ATA имеют следующий вид:

Максимальные значения

Цилиндров65 536

Головок16

Секторов на дорожку255

Итого секторов

267 386 880

Итого байт 136 902082 560

Мегабайт136 902

Mebibytes (MiB)130 560

Гигабайт136,9

Gibibytes (GiB)127,5

При объединении ограничений BIOS и ATA вы столкнетесь с ситуацией, приведенной в следующей таблице.

Объединение ограничений BIOS и ATA

Как видно из этих данных, комбинация ограничений приводит к следующим максимальным значениям: цилиндров - 1 024, головок - 16, секторов - 63; в результате максимальный объем получается равным 528 Мбайт.

CHS-трансляция (преодоление 528-мегабайтового ограничения)

При использовании жестких дисков, объем которых не превышал 528 Мбайт, существующее 528-мегабайтовое ограничение емкости накопителей не играло практически никакой роли. Но к 1994 году технология накопителей достигла уровня, позволившего создавать жесткие диски, емкость которых значительно превышала ограничения, налагаемые базовой системой ввода-вывода и спецификациями АТА. В результате данная проблема приобрела особую остроту.

В 1993 году компания Phoenix Technologies, занимающаяся разработкой BIOS, начала работу над расширениями базовой системы ввода-вывода, которые дали бы возможность преодолеть ограничения CHS. В январе 1994 года эта компания опубликовала спецификацию BIOS Enhanced Disk Drive (EDD), переизданную впоследствии комитетом T13 (который также занимается развитием стандарта ATA) в виде документа BIOS Enhanced Disk Drive Services (EDD). Документы EDD содержат в себе подробное описание различных методов, позволяющих обойти ограничения предыдущих базовых систем ввода-вывода, избегая при этом проблем совместимости с существующим программным обеспечением. Эти методы включают в себя:

расширения базовой системы ввода-вывода INT13h, поддерживающие 64-разрядный LBA;

геометрическая трансляция CHS со смещением разряда;

геометрическая трансляция CHS LBA-assist.

Метод, используемый для реализации ограничений CHS, называется трансляцией, поскольку позволяет ввести в BIOS дополнительные стандартные подпрограммы, необходимые для трансляции параметров CHS от максимальных значений ATA до максимальных значений BIOS (и наоборот). Стремясь превратить эти методы в стандарт, используемый во всех производимых персональных компьютерах, компания Phoenix опубликовала документ EDD и разрешила бесплатное использование описанной технологии всем производителям, в том числе и своим основным конкурентам - компаниям AMI и Award. Впоследствии комитет T13, отвечающий за интерфейс ATA, принял стандарт EDD и включил его в официальные документы ATA.

C 1993-1994 гг. в большинстве версий BIOS начали использовать "ухищрения", позволяющие адресовать до 8,4 Гбайт дискового пространства. Новый способ получил название метод трансляции параметра, который активизируется на уровне BIOS и адаптирует или, другими словами, транслирует параметры цилиндров, головок и секторов в приемлемые для BIOS. Существует два типа трансляции: первый основан на математической обработке параметров CHS (в программе настройки параметров BIOS этот метод называется Large CHS или Extended CHS), второй - на общем числе секторов (в программе настройки параметров BIOS он называется LBA - Logical Block Address). Описанные типы трансляции представлены разными математическими методами, хотя выполняют, по сути, одну и ту же операцию, состоящую в преобразовании одного набора значений CHS в другой.

CHS-трансляция со сдвигом разряда оперирует номерами цилиндров и головок, не изменяя при этом номер сектора. В качестве основы принимается число физических (переданных диском) цилиндров и головок, которое с помощью несложных операций деления и умножения преобразуется в измененные номера цилиндров и головок. Количество секторов, приходящихся на каждую дорожку, не транслируется и передается в неизмененном виде. Математические