Интерфейсы винчестеров

Интерфейсы винчестеров

Министерство общего и профессионального образования

Северо-Кавказский Государственный Технический Университет

Реферат

" Интерфейсы винчестеров "

Выполнил:

студент четвертого курса ФИСТ

Группы ИСЭ-962

Гриценко В. Л.

Проверил:

Оценка : __________

Ставрополь 2000г.

Содержание

1.ST506/412

2.ESDI

3.SCSI

4.ATA

5.Enhanced IDE

6.Fast ATA

7.EIDE в сравнении со стандартным ATA

8.Сравнение Fast ATA и EIDE

9.Сравнение дисковых интерфейсов

ST506/412

Широкое применение винчестеров в качестве устройств долговременного

хранения информации началось после выпуска фирмой Shugart Technology (ныне

эта компания именуется Seagate Technology, Inc.) диска ST506 размером 5.25

дюйма. Устройство емкостью 5Мбайт использовало для подключения к компьютеру

интерфейсную плату ST506, разработанную в конце 70-х годов компанией

Western Digital. Для соединения винчестера с интерфейсной платой

использовался 34-проводный плоский кабель, к которому можно было подключить

два устройства. Для того, чтобы диски можно было адресовать, часть кабеля

перекручивалась (подобно кабелю для подключения дисководов). Кроме того,

для обмена данными с каждым из дисков использовался отдельный 20-проводный

плоский кабель. Крупным недостатком интерфейса ST506 являлось пошаговое

перемещение головок (один шаг на каждую команду перемещения), как это до

сих пор происходит в дисководах для работы с гибкими дисками. Более новая

модель - ST412 - обеспечивала возможность буферизованного поиска (buffered

seek), позволяющего одной командой перемещать головки на несколько шагов

(например, через весь диск).

Основным преимуществом винчестеров с интерфейсом ST506/ST412 является их

низкая стоимость. Почти вся электроника, ответственная за работу диска,

располагалась на интерфейсной плате. Управляющие приводом головок сигналы

передавались по общему для двух подключаемых к контроллеру устройств 34-

проводному кабелю, а 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. Почти все диски с таким интерфейсом имели скорость

вращения 3600 оборотов в минуту.

Интерфейс ST506 поддерживает 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).

Модуляция MFM

Метод MFM является разновидностью обычной частотной модуляции, широко

используемой в радиовещании и связи. Отличие заключается в том, что

модифицированная модуляция позволяет обеспечить двухкратное повышение

плотности записи данных за счет того, что на диск записываются не все

сигналы синхронизации и при записи каждого бита учитывается значение

предшествующего бита. За один переход (смену направления) намагниченности

можно записать от одного до трех бит данных). Сигналы с головки передаются

по кабелю данных в аналоговой форме; данные отделяются от сигналов

синхронизации с помощью специального устройства - сепаратора,

устанавливаемого на плате контроллера.

Основным преимуществом MFM-модуляции является простая бинарная 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.

Однако реальная скорость обмена в несколько раз меньше, поскольку для

таких дисков фактор чередования (Interleave factor) не равен 1. Это было

связано с тем, что контроллер не успевал обработать прочитанные данные до

того, как головка перемещалась 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 обозначении коэффициента

чередования указывает количество оборотов диска, требуемых для полного

прочтения или записи одной дорожки. За счет кэширования записи можно было

установить для дисков ST506 фактор чередования 1:1.

Многие еще наверное не забыли программу Calibrate из комплекта Norton

Utilities, которая оптимизировала работу дисков путем подбора фактора

чередования, наиболее соответствующего скорости вашего диска и контроллера.

Модуляция RLL

Другой способ модуляции (2,7 RLL или просто RLL), предложенный

компанией IBM в 1986 году, использует перекодирование исходной информации с

введением избыточности. Метод RLL преобразует данные в шестнадцатибитовые

слова, позволяющие записывать за один переход состояния намагниченности

диска от 2 до 7 бит (эти цифры и включены в название метода). Использование

RLL-модуляции предъявляет более высокие требования к качеству поверхности

диска и равномерности его вращения. Кроме того, усилители каналов

считывания-записи должны иметь несколько иные характеристики, по сравнению

с MFM-модуляцией. Винчестеры с интерфейсом ST506/412, использующие метод

RLL, как правило, имеют в своем обозначении суффикс R (например, ST157R).

На одну дорожку диска можно записать 26 секторов по 512 байт, что дает

теоретическую возможность обмена со скоростью

(512*26*8*3600):60=6489760бит/сек.

Метод RLL был развит впоследствии до возможности 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 без опаски подключать к контроллерам MFM (правда с

потерей емкости), обратная же операция в общем случае некорректна. Многие,

наверное, помнят такой метод "увеличения" размера диска, практиковавшийся

несколько лет назад, - однако он не позволяет обеспечить достаточную

надежность хранения данных.

Сегодня диски с интерфейсом ST506/412 можно встретить только в очень

старых компьютерах.

ESDI

По мере роста скорости работы компьютеров интерфейс ST506 перестал

удовлетворять всем требованиям и в 1985 году был разработан новый стандарт

- ESDI, который, по сути, являлся простым разширением возможностей своего

предшественника. Кабели, используемые в спецификации ESDI, внешне не

отличаются от кабелей ST506, однако сигналы по ним передаются другие (см.

Приложение 3). Если вы, пользуясь сходством кабелей, подключите (по ошибке

или специально) винчестер ST506/412 к контроллеру ESDI (или наоборот),

результаты могут быть самыми плачевными. Длина используемых в интерфейсе

ESDI кабелей могла достигать 9 футов (3 метра), сигналы передавались

главным образом как синфазные (с общей землей), за исключением данных и

синхронизации, для передачи которых использовался дифференциальный метод.

Данные передавались через последовательную линию порциями по 16 бит,

сопровождаемых битом четности. Обеспечивалась также возможность

подтверждения передачи данных.

Сепаратор в соответствии с новой спецификацией устанавливался

непосредственно на плате винчестера и по кабелю данных передавались уже не

аналоговые сигналы, а реальные данные в цифровой форме, что позволяло

подобрать параметры сепаратора к конкретному типу устройства, поскольку

искажения сигналов в кабеле уже не имели значения. Такой метод повышал

надежность передачи данных и увеличивал скорость обмена с контроллером до

10Мбит/сек за счет передачи по кабелю цифровых сигналов. Кроме того,

интерфейс ESDI обеспечивал возможность использования винчестеров большой

емкости и оптических накопителей.

Интерфейс ESDI обеспечивал три сигнала выбора устройства, что

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 каждой).

SCSI

Первоначальный вариант интерфейса SCSI (Small Computer System

Interface) был предложен в конце 70-х годов Shugart Associates под

названием SASI (Shugart Associates System Interface) взамен разработанной

компанией IBM системной шины IPI (интеллектуальный периферийный интерфейс).

После неудачи в конкурентной борьбе с фирмой IBM этот интерфейс был

предложен комитету ANSI X3T9.2 как интерфейс нижнего уровня под названием

SCSI. В 1984 году этот комитет закончил разработку спецификации SCSI-1 и в

1986 году она была опубликована в окончательном виде. Этот интерфейс

обеспечивал подключение широкого класса периферийных устройств, таких как

винчестеры, принтеры, сканеры, стриммеры, приводы CD-ROM и др. SCSI

является интерфейсом системного, а не приборного уровня. В отличие от

ST506/412 и других приборных интерфейсов с последовательной передачей

информации, SCSI передает биты данных параллельно, что обеспечивает

существенное повышение скорости обмена данными между устройством и хост-

адаптером.

Интерфейс SCSI используется не только в IBM-совместимых компьютерах,

но и семействах Macintosh, SPARC, VAX и др. Одна из причин такого широкого

распространения интерфейса SCSI заключается в том, что он не накладывает

никаких ограничений на связь между контроллером и периферийным устройством.

Шину SCSI можно использовать для связи компьютера с несколькими

периферийными устройствами (как внешними, так и внутренними). Более того,

допускается совместное использование одного периферийного устройства

несколькими компьютерами, подключенными к общей шине SCSI (правда это

значительно сложнее сделать, чем написать, но об этом разговор особый).

Подключаемые к шине SCSI устройства могут играть роль ведущих (Initiator)

или ведомых (Target), при этом одно и то же устройство может быть ведомым в

одних случаях и ведущим - в других. Такое 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. Программы для

работы со SCSI-устройствами не используют физические характеристики

конкретного устройства (число головок, цилиндров и т.п.), а имеют дело с

логическими блоками, что дает возможность работы фактически со всеми

блочными устройствами.

Для подключения устройств SCSI используется кабель (как правило

плоский) с 50-контактными разъемами (Приложение 3). Возможны как синфазная,

так и дифференциальная (с помощью "токовой петли") передача данных по

кабелю; при синфазной передаче длина кабеля может достигать 6м, при

дифференциальной - 25м. Для гарантированной передачи сигналов по магистрали

SCSI линию требуется согласовывать с помощью терминаторов (набора

резисторов), устанавливаемых по обоим концам шины SCSI.

Спецификация SCSI предусматривает подключение к шине до восьми

устройств, однако с учетом того, что каждое устройство может содержать 8

логических блоков, а каждый блок - 256 подблоков, возможности расширения

являются фактически неограниченными. Каждое подключаемое к шине SCSI

устройство имеет свой идентификатор, устанавливаемый с помощью перемычек

или переключателей непосредственно в устройстве. Идентификаторы позволяют

адресовать устройства и задают их приоритет (чем больше значение

идентификатора, тем выше 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.).

ATA

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

Ограниченность АТА

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.

Таблица 1.

| |BIOS |IDE |Результат |

|Максимальное число секторов на дорожке |63 |255 |63 |

|Максимальное число головок |255 |16 |16 |

|Максимальное число цилиндров |1024 |65536 |1024 |

|Максимальный размер диска |8.4Гб|136.9Гб|528Мб |

Рисунок 2. Взаимодействие диска IDE с операционной системой.

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

Страницы: 1, 2