Интерфейсы накопителей

Для подключения накопителей к IBM PC-совместимому компьютеру в настоящее время используется либо интерфейс IDE (Integrated Drive Electronics), или ATA (AT Attachment), либо SCSI (Small Computer System Interface), либо оба интерфейса вместе.

Интерфейс ST-506/412

Массовое применение жестких дисков типа винчестер началось только после того, как в 1980 году фирма Shugart Technology (сегодня Seagate Technology) выпустила устройство ST-506 с форм-фактором FH (Full Height) 5,25 дюйма. Форматированная емкость этого винчестера была всего 5 Мбайт, а для связи с компьютером он использовал интерфейс того же названия (ST-506), разработанный фирмой Shugart Technology в конце 70-х годов. Впрочем, "корни" ST-506 можно было обнаружить в двух других интерфейсах: SA450 — для флоппи-дисков и SA1000 — для 8-дюймовых жестких дисков. Как и интерфейс SA450, ST-506 использовал 34-жильный кабель управления (по принципу "дейзи-цепочки", то есть в режиме управляющий-управляемый), а от SA1000 остались 20-жильные "радиальные" кабели для передачи данных индивидуально для каждого накопителя (рис. 12). Впрочем, у оригинального интерфейса ST-506 имелся один существенный недостаток. При поиске нужной дорожки каждая выполняемая приводом команда передвигала головку чтения-записи только на один шаг (подобный принцип работы используется у дисковода флоппи-дисков).

Рис 12 Интерфейс ST 506/412

В новом 10-Мбайтном винчестере ST-412, появившемся в 1981 году, эта проблема была решена введением так называемого буферизированного поиска (buffered seek). Теперь за одну команду мог выполняться "длинный" поиск дорожки, например через всю поверхность диска. Кстати, именно этот винчестер выбрала фирма IBM для своего персонального "детища" PC/XT.

Электроника, расположенная на винчестере с интерфейсом ST506/412, была достаточно проста. Основную нагрузку по обработке данных выполнял сам контроллер. Как уже говорилось, связь между контроллером и винчестером осуществлялась через два плоских кабеля: 20-жильный — для передачи данных и 34-жильный — для управляющих сигналов. Простой набор этих сигналов (Direction In, Step, Head Select и т.д.) затруднял использование накопителей большой емкости. Скорость вращения шпинделя диска винчестера составляла 3600 оборотов в минуту.

Дня первых винчестеров ST506/412 применялся способ модифицированной частотной модуляции (MFM), который позволял записывать 17 стандартных 512-байтных секторов на одну дорожку винчестера. Максимально возможная скорость передачи данных, достигаемая в этом случае, подсчитывается очень просто. Если бы контроллер винчестера успевал читать последовательно один за другим сектора дорожки, она составила бы (17х512х8х3600):60=4; 177 920 Мбит/с, то есть около 5 Мбит/с.

Хотя метод MFM-кодирования относительно прост, надежен и не требует больших затрат при своей реализации, он является далеко не самым лучшим по плотности хранения информации. Дело в том, что помимо информационных необходимы биты синхронизации, которые должны храниться наряду с информационными. Заметим, что сигналы, включающие в себя данные и биты синхронизации, передаются по кабелю в аналоговом виде. Разделение этой информации происходит в специальном устройстве — сепараторе, который для интерфейса ST-506/412 находится в контроллере.

Вообще говоря, метод MFM-кодирования позволяет записывать от одного до трех бит данных на один переход намагниченности. Поиск путей повышения плотности записи на винчестере был связан со стабилизацией вращения диска и улучшением качества его рабочих поверхностей. Благодаря этому новый метод кодирования, впервые предложенный фирмой IBM, — 2,7 RLL (или просто RLL) - позволил увеличить емкость дисков почти в 1,5 раза, а скорость передачи данных возросла (количество секторов на дорожку — 26): (512х26х8х3600):60 = 6 389 76 бит/с. Основа метода RLL состоит в перекодировании исходной группы информации и введении избыточности. Чтобы использовать такие винчестеры, необходимы специальные RLL-контроллеры.

Дальнейшим развитием метода записи 2,7 RLL стал так называемый метод Advanced или Enhanced RLL (ARLL, ERLL или 3,9 RLL). Теперь из названия ясно, что изменение магнитного потока возникает не ранее чем после 3 и не позже чем после 9 бит информации. Этот метод позволяет записывать 31 сектор на дорожку и повысить скорость передачи информации до значения (512х31х8х3600):60 = 7 618 560 бит/с.

Максимальные значения емкости винчестеров с интерфейсом ST506/412 составляют для кодирования MFM — 152, для кодирования RLL — 233 Мбайта.

Интерфейс ESDI

Уже в 1985 году в немалой степени благодаря усилиям около 40 компаний, в том числе фирмы Maxtor, появилась первая версия спецификации ESDI, которая определяла, по сути, улучшенную версию интерфейса ST-506/412. Типы разъемов и кабелей, используемых в новом интерфейсе, на первый взгляд ничем не отличались от используемых ранее, однако, разумеется, только на первый взгляд. Одно из существенных отличий интерфейса ESDI состояло в том, что сепаратор данных располагался теперь не на контроллере, а на самом приводе. Такой, казалось бы, простой "перенос" этого устройства давал два больших преимущества. Во-первых, поскольку на сигналах уже никак не сказывались искажения в кабеле, то сепаратор мог быть достаточно точно настроен на индивидуальные характеристики конкретного привода. И, во-вторых, отказ от использования передачи низкоуровневых аналоговых сигналов позволил повысить скорость передачи по сравнению с интерфейсом ST-506/412 в два раза — до 10 Мбит/с (теоретически до 24 Мбит/с). Несомненным преимуществом нового интерфейса являлась также возможность подключения жестких дисков большого объема (сотни Гбайт) и оптических накопителей.

Интерфейс SCSI

Интерфейс SCSI был разработан в конце 70-х годов и предложен организацией Shugart Associates первоначально под названием SASI (Shugart Associates System Interface). После стандартизации этого интерфейса в 1986 году уже под "именем" SCSI (читается "скази") он стал одним из важнейших промышленных стандартов для подключения "разумных" периферийных устройств, таких, как винчестеры, стримеры, сменные жесткие и оптические диски и т.п.

Интерфейс SCSI не разрабатывался специально для работы с дисковыми устройствами, он представляет собой миниатюрную сеть, построенную в пределах одного компьютера. Для подсоединения устройства любого типа с интерфейсом SCSI (а жесткие диски являются только одним из многих видов устройств, подключаемых посредством интерфейса SCSI) к PC необходимо наличие специальной платы расширения, называемой адаптером SCSI (SCSI Host Adapter). Эта, карта расширения используется в качестве моста между системной шиной.PC и шиной SCSI. Накопители с интерфейсом SCSI, с другой стороны, обладают большей емкостью и скоростью, но за это придется не только заплатить дополнительные деньги, но и преодолеть трудности, связанные с их установкой в PC. Необходимо отметить, что SCSI — интерфейс системного, а не приборного уровня, поскольку протокол определяет только логический и физический уровень. В отличие от последовательных приборных интерфейсов ST506/412 и ESDI (где информация между накопителем и контроллером передается бит за битом) SCSI осуществляет параллельную пересылку данных. Это, в частности, позволяет существенно повысить скорость обмена. Контроллеры SCSI применяются не только в IBM PC-совместимых компьютерах, но и других платформах.

По существу, шина SCSI представляет собой две отдельные шины, объединенные мостом. На рис. 13 эта структура отображена графически. Как видно из этого рисунка, управляющий адаптер шины SCSI подключается к системной шине ISA через ее разъем. К этому адаптеру могут подключаться как внутренние (например, жесткий диск), так и внешние устройства, имеющие разъемы шины SCSI. В некотором смысле шину SCSI можно рассматривать как небольшую локальную вычислительную сеть. Основное различие между шиной SCSI и обычной локальной вычислительной сетью (ЛВС) состоит в том, что ЛВС (Local Area Network, LAN) обычно используется для соединения нескольких PC (или, возможно, для подключения их к файловому серверу), в то время как PC, на котором установлен адаптер шины SCSI, является единственным универсальным компьютером, который может быть подключен к этой шине.

Рисунок 13 структура шины SCSI

Каждое устройство, имеющее разъем шины SCSI, фактически содержит в своем составе маленький специализированный компьютер, реализующий функции контроллера интерфейса SCSI. Но этот компьютер может решать только одну задачу, а именно, обеспечение связи данного периферийного устройства с адаптером шины, установленным в PC, и возможно с другими устройствами, подключенными к шине SCSI.

Следует заметить, что SCSI не накладывает никаких ограничений на связь между контроллером и периферийным устройством. Устройства, подключаемые к шине SCSI, могут выступать в двух ипостасях: Initiator (ведущий, например компьютер) и Target (ведомый, например винчестер), причем одно и то же устройство может быть как ведущим, так и ведомым. В стандарте выделяются четыре схемы подключения устройств: один ведущий и один ведомый, один ведущий и несколько ведомых, несколько ведущих и один ведомый, несколько ведущих и несколько ведомых. К шине одновременно может быть подключено до восьми устройств, в том числе основной (хост) адаптер SCSI. Если необходимо подключить более семи устройств, то следует использовать второй хост-адаптер. Большинство систем позволяет использовать до 4 хост-адаптеров, таким образом, общее количество периферийных устройств достигает 28. Однако на практике не рекомендуется "смешивать" адаптеры различных фирм-производителей.

Хост-адаптер SCSI имеет собственную BIOS (базовую систему ввода-вывода), которая занимает обычно 16 Кбайт в верхней области памяти UMB (Upper Memory Block). Замена системной BIOS позволяет адаптеру работать не с двумя, а с семью приводами (например, Adaptec I1540C). Тем не менее стоит отметить, что некоторые адаптеры ограничиваются поддержкой только двух накопителей. В этом случае, правда, можно воспользоваться специальным программным драйвером.

Для осуществления обмена с процессором адаптер SCSI использует такие системные ресурсы, как порты ввода-вывода, прерывания IRQ и каналы прямого доступа в память DMA.

Физически SCSI-шина представляет собой плоский кабель с 50-контактными разъемами для подключения периферийных устройств. Хост-адаптер, как правило, имеет разъемы для подключения не только встраиваемых, но и внешних SCSI-устройств. Стандарт SCSI определяет два способа передачи сигналов — синфазный и дифференциальный. В первом случае сигналы на линиях имеют ТТЛ-уровни (транзисторно-транзисторной логики) и отрицательную логику, то есть логической единице соответствует низкий уровень напряжения. Длина кабеля в этом случае ограничена 6 м. Версии шины SCSI с дифференциальной передачей сигнала ("токовой .петлей") дают возможность увеличить длину шины до 25 м. К тому же все "недисковые" SCSI-устройства используют, как правило, интерфейс с синфазными сигналами (общей "землей"). Разумеется, что при использовании устройств как с синфазным, так и с дифференциальным способами передачи сигналов для каждого из них необходим свой хост-адаптер. Хост-адаптер (host adapter) SCSI, который вставляется в разъем системной шины PC, представляет собой аппаратный интерфейс, осуществляющий передачу данных между системной шиной PC и устройствами, подключенными к шине SCSI. В его задачу входит посылка и получение сообщений, посылаемых на языке интерфейса SCSI по шине SCSI, и одновременно посылка и получение сообщений по системной шине PC, использующей свой протокол обмена информацией.

Поскольку поддержка функциональных возможностей интерфейса SCSI не была изначально предусмотрена в PC, в BIOS материнской платы нет программного обеспечения для реализации этой функции. Поэтому, чтобы адаптер шины SCSI мог работать, на нем должна быть установлена микросхема ROM, в которой записана его собственная BIOS, или, прежде чем вы сможете получить доступ к устройствам, подключенным к шине SCSI, вам придется загрузить соответствующее программное обеспечение с не-SCSI диска.

Чтобы гарантировать качество сигналов на магистрали SCSI, линии шины должны иметь согласование с обеих сторон (наборы согласующих резисторов, или терминаторы). На это следует обращать особое внимание при подключении новых SCSI-устройств. Терминаторы должны быть установлены на хост-адаптере и на последнем устройстве в "гирлянде" магистрали. Обычно используется один из трех методов согласования: пассивное согласование линии при помощи резисторов; улучшенное согласование с исключением перегрузок FPT (Force Perfect Termination), с применением ограничительных диодов; активное согласование, использующее регуляторы напряжения.

SCSI-шина имеет восемь линий данных, сопровождаемых линией четности, и девять управляющих линий. На шине, предназначенной для синфазной передачи, все нечетные контакты должны быть подключены к контакту "корпус" (нулевой потенциал). Многие адаптеры имеют перемычки для разрешения или запрещения использования сигнала четности.

Каждое устройство на магистрали SCSI имеет свой адрес (SCSI ID) в диапазоне от 0 до 7. В качестве адреса платы хост-адаптера обычно используется SCSI ID=7.

Обмен между устройствами на магистрали SCSI происходит в соответствии с протоколом высокого уровня. Стандарт SCSI содержит нормированный список команд CCS (Common Command Set), Этот универсальный набор команд обеспечивает доступ к данным с помощью адресации логических, а не физических блоков, как, например, в интерфейсе ESDI. Программное обеспечение для интерфейса SCSI не оперирует физическими характеристиками винчестера (то есть числом цилиндров, головок и т. д.), а имеет дело только с логическими блоками. Понятно, что именно это и дает возможность работать практически с любыми блочными устройствами.

На магистрали SCSI возможны синхронные и асинхронные передачи. Конечно, передача данных в синхронном режиме осуществляется быстрее. Так, скорость передачи данных по шине 8-разрядной SCSI достигает 1,5 Мбайта/с в асинхронном и 3—4 Мбайт/с в синхронном режиме.

Дальнейшим развитием спецификации SCSI стал стандарт SCSI-2. Он предлагал для данного интерфейса большую гибкость и производительность. В спецификацию CSS были включены команды, поддерживающие такие устройства, как приводы CD-ROM, сканеры, коммуникационные устройства, оптические накопители.

Для повышения производительности в спецификацию SCSI-2 был введен так называемый широкий (Wide) вариант шины данных, предусматривающий наличие дополнительных 24 информационных линий. Так появился Wide SCSI-2. В этом случае 8-разрядные устройства продолжают взаимодействовать по магистрали SCSI, использующей 50-проводный кабель (кабель А), а устройства большей разрядности связываются дополнительным 68-проводным кабелем (кабель В) (рис. 14). Надо отметить, что ограничение "широкого" варианта SCSI-2 состоит в том, что он может надежно работать только при реализации дифференциального варианта SCSI.

Рис 14 Интерфейс SCSI

Для повышения пропускной способности магистрали SCSI было предложено увеличить тактовую частоту обмена примерно в два раза за счет сокращения критических временных параметров шины, применения новейших БИС, высококачественных кабелей и активного согласования линий. Реализуемый таким образом "скоростной" (Fast) SCSI-2 повысил производительность магистрали до 10 Мбайт/с. Совместное использование Fast и Wide (32-разряда) SCSI-2 теоретически позволяет достичь быстродействия до 40 Мбайт/с. Кстати, на практике вместо кабелей А и В производители используют кабели Р (16- и 32-разрядный Wide SCSI) и Q (32-разрядный Wide SCSI), которые определены только в стандарте SCSI-3. Дело в том, что 68-контактный Р-кабель заменяет кабели А и В для 16-разрядного варианта Wide SCSI-2. Новы вариант интерфейса — Ultra SCSI, для 8-разрядной передачи обеспечивает скорость 20 Мбайт/с, а для 16-разрядной — 40 Мбайт/с.

Разумеется, максимальная производительность может быть достигнута, когда плата хост-адаптера реализована для системной EISA-шины и/или локальных VL-bus- и PCI-шин. Устаревшая ISA-шина слишком медленна даже для варианта Fast SCSI-2, поскольку может обеспечить скорость обмена около 2 Мбайт/с. Кстати, одно из преимуществ использования SCSI-винчестеров состоит в том, что они спокойно "уживаются" с другими типами интерфейсов: ST506/412, ESDI, ATA, так как могут использовать отличные от них системные ресурсы компьютера.

Разумеется, не все различия между интерфейсами SCSI и SCSI-2 перечислены здесь. Ряд изменений внесен и в логический протокол, например введена возможность организации очереди команд. Заметим, что окончательная редакция стандарта SCSI-2 была принята только в январе 1994 года, а в 1995 была утверждена уже спецификация SCSI-3. Она отличается возможностью подключать большее количество устройств (более 7) и допускает использование более длинного кабеля. В частности, в спецификации выделен последовательный вариант SCSI. Возможны три варианта его реализации: Serial Storage Architecture, P1394, или FireWare, и Fibre Channel. Последний, кстати, основан на оптических линиях связи. Скорость передачи от 51 Мбита/с до 1 Гбита/с.

Здесь следует также отметить, что существует спецификация ASPI (Advanced SCSI Programming Interface), которую разработала фирма Adaptec — ведущий производитель адаптеров SCSI. ASPI определяет стандартный Программный интерфейс для хост-адаптера SCSI, то есть позволяет ему общаться с соответствующей операционной системой. Программные модули ASPI (вторичные драйверы) устанавливаются для каждого отдельного устройства. Они обеспечивают взаимодействие периферийных устройств с главным адаптером. Итак, основным программным модулем ASPI является ASPI хост-менеджер. С нимi связываются вторичные драйверы ASPI, например для таких устройств, как приводы CD-ROM, оптические и сменные жесткие диски, сканеры и т.д.

В случае если производитель SCSI-устройства поставляет ASPI-совместимый драйвер, гарантируется его совместимость со всеми хост-адаптерами или интерфейсными картами Adaptec и большинства других производителей. К сожалению, в ряде случаев производители (например, приводов CD-ROM) поставляют свою карту контроллера с собственным (несовместимым с ASPI) драйвером, называя интерфейс SCSI. Это следует иметь в виду, если вы хотите подключить к SCSI другие устройства.

Другая спецификация — SCAM (SCSI Configuration Auto Magically) — позволяет упростить настройку SCSI-устройств и скрыть от пользователя некоторые ее детали.

Ведущими производителями адаптеров SCSI помимо Adaptec являются такие фирмы, как Future Domain, Distributed Processing Technology (DPT), NCR и т.д.

Интерфейс АТА

Вообще говоря, первыми устройствами типа IDE были накопители на платах расширения (HardCard), то есть устройства, объединяющие привод и контроллер. Так, в отделении Plus Development компании Quantum было разработано устройство, где на одной плате расширения находились 3,5-дюймовый винчестер с интерфейсом ST506/412 и его контроллер.

Интерфейс IDE (в современном понимании этого термина) был предложен пользователям AT- и XT-совместимых компьютеров летом 1988 года известной сегодня фирмой Conner Peripherals как недорогая альтернатива интерфейсам ESDI и SCSI. В его создании непосредственное участие приняли также фирмы CDC, Compaq Computers и Western Digital. Первый документ САМ ATA (Common Access Method AT Attachment), регламентирующий новый интерфейс, был представлен в 1989 году. Стандартизован АТА-интерфейс был в 1990 году (ANSI Х3.221). Этот стандарт определяет временные соотношения сигналов интерфейса, спецификацию кабеля, сигналы на разъеме и т.д. Поскольку АТА-спецификация была долгое время весьма "расплывчатым" документом, а большинство производителей тем не менее выпускали АТА-винчестеры, то с первыми подобными устройствами часто возникали проблемы.

Как уже говорилось, отличительной особенностью нового интерфейса является реализация функций контроллера в самом накопителе. Таким образом, если винчестер имел IDE-интерфейс, это означало, что большая часть компонентов контроллера, совместимого по адресам с интерфейсом ST506/412, расположена вместе с электронной частью винчестера. Кстати, та плата с электронными компонентами, которая обычно включается между системной шиной компьютера и самим накопителем, контроллером, вообще говоря, не является. Как правило, она выполняет функции дешифратора базовых адресов контроллера и формирователя интерфейсных сигналов. Видимо, правильнее называть эту плату адаптером.

Как и любой винчестер, накопитель АТА имеет пакет магнитных дисков, блок магнитных головок, систему позиционирования и канал считывания-записи. Кроме этого, его важнейшими составными частями являются сепаратор данных и однокристальный микроконтроллер.

Отметим, что вся служебная информация, необходимая для функционирования АТА- винчестеров, записывается на магнитные диски на заводе-изготовителе. Эта информация может быть нескольких типов: сервисная информация, рабочие программы, формат нижнего уровня, паспорт диска и таблица сбойных секторов. В частности, сервисная информация необходима для работы сервосистемы привода магнитных головок. В накопителях АТА используются как выделенные, так и встроенные сервосистемы, тем не менее в современных моделях предпочтение отдается последним. Рабочие программы предназначены для управляющего микропроцессора и представляют собой необходимый набор кодов для работы аппаратуры накопителя. Паспорт диска накопителя АТА содержит справочную информацию о конфигурации и характеристиках накопителя, а также название модели и ее серийный номер. Таким образом, вся информация о "геометрии" АТА-винчестера (количестве цилиндров, головок, секторов) хранится на самом диске. В частности, паспорт диска предназначен для автоматического конфигурирования системы и настройки программного обеспечения при работе с АТА-накопителем.

В накопителях АТА избыточность по емкости скрыта от пользователя. Часть этой избыточной емкости отводится для рабочих программ, паспорта диска и таблицы сбойных секторов. Оставшаяся часть резервируется для замены сбойных секторов. Кстати, заполнение таблицы сбойных секторов производится на заводе-изготовителе при форматировании винчестера. Таким образом, если происходит обращение к сбойному сектору, то накопитель сам переадресует обращение к резервному. По этой причине все новые АТА-накопители не имеют ни одного сбойного сектора.

Подсоединение АТА-винчестера к компьютеру выполняется посредством 40-контактного плоского кабеля. Рекомендуемая длина кабеля не должна превышать 50 см.

                                                   Рис 15 Интерфейс АТА

Благодаря тесному взаимодействию пары контроллер—винчестер предусматривается, как правило, ряд особенностей, повышающих производительность винчестера, например использование аппаратной кэш-памяти для получения коэффициента чередования 1:1, режима трансляции физических параметров диска в логические, что позволяет использовать "нестандартные" параметры накопителя, и т.п. Кстати, современные накопители поддерживают так называемый универсальный режим трансляции, когда основным критерием для выбора логических параметров винчестера (количество цилиндров, головок, секторов на дорожке) является общее количество секторов на носителе. Как известно, под трансляцией понимают замену физических параметров накопителя (число головок, цилиндров, секторов на дорожку) логическими.

Теоретически скорость обмена данными для накопителей АТА составляет от 5 до 10 Мбайт/с. Наивысшей производительностью обладают системы с кэшированными адаптерами и использованием локальных шин. С массовым выпуском малогабаритных компьютеров типа лэптоп и ноутбук большее значение стали иметь размеры как самого винчестера, так и его контроллера, поэтому новая концепция интерфейса стала доминировать и в этой области.

В соответствии со спецификацией к одному разъему АТА можно подключить два винчестера, используя соединение "дэйзи-цепочка" (управляющий — Master, управляемый — Slave)(рис. 15). Правда, все контроллеры допускают подключение четырех устройств. "Трюк" в данном случае состоит в использовании адресов вторичного контроллера.

Так как винчестеры с АТА используют те же адреса, что и винчестеры с интерфейсом ST506/412, то, как правило, их нельзя использовать вместе. Еще одним ограничением АТА-винчестеров является верхний предел их емкости. Так как все операции ввода-вывода данных устройств выполняются через прерывание 13h системной BIOS, общая емкость АТА-винчестеров не может превышать примерно 1 Гбайта (около 504 Мбайт на один накопитель). Чтобы обойти это ограничение, разработчики шли на различные "трюки", которые, например, позволяли представить один физический диск как два.

Использовались и особенности самого интерфейса. Дело в том, что в одном из регистров интерфейса АТА бит номера устройства следует непосредственно за тремя битами номера головки. Следовательно, можно предположить, что подключены не два накопителя, а один, но с 32 головками.