Периферийные устройства ЭВМ Никитин К А ШИНЫ

Периферийные устройства ЭВМ Никитин К. А.

ШИНЫ ПОДКЛЮЧЕНИЯ УСТРЙСТВ ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ Интерфейс ATA (от англ. Advanced Technology (AT) Attachment – прикрепление к AT (одному из первых формфакторов современных материнских плат)) интерфейс для подключения накопителей информации (жёстких дисков, оптических приводов). Интерфейс появился в результате переноса стандартного контроллера жёсткого диска с материнской платы ближе к накопителю, т. е. создания устройств со встроенным контроллером – IDE (от англ. Integrated Drive Electronics).

Архитектура интерфейса ATA • хост-адаптер (хост-контроллер) – средство сопряжения интерфейса ATA с шиной компьютера; • ведущее устройство (Master или device 0); • ведомое устройство (Slave или device 1). Существует два способа задания адреса устройства на канале шины ATA: с помощью кабельной выборки или явным заданием адреса на каждом из устройств. Параллельно могут работать только устройства IDE, подключаемые к разным каналам АТА.

Адресации данных интерфейса АТА Изначально для накопителей использовалась трехмерная адресация CHS, которая включала адрес цилиндра (cylinder), головки (head) и сектора (sector). В этом случае устройство АТА позволяет адресовать до 267 386 880 (65 536 x 16 x 255) секторов (блоков), что при размере сектора в 512 байт дает 136 902 082 560 байт (около 137 Гбайт). В настоящее время используется линейная адресация логического блока LBA (Logical Block Addressing), где адрес блока (сектора) определяется 28 -битным числом, что позволяет адресовать до 268 435 455 (228). Для устройств ATA, поддерживающих и CHS, и LBA, режим адресации определяется для каждой команды битом L (бит 6) регистра выборки (drive/head register); режимы могут чередоваться произвольным образом.

Стандарт Другие названия Добавлены режимы передачи (MБ/с) Макс. поддерживаемый размер диска Другие свойства ATA-1, AT-BUS, IDE PIO 0, 1, 2 (3, 3; 5, 2; 8, 3) Single-word DMA 0, 1, 2 (2, 1; 4, 2; 8, 3) Multi-word DMA 0 (4, 2) до 137 ГБ 28 -битная адресация LBA ATA-2 EIDE, Fast ATA, Fast IDE, Ultra ATA PIO 3; 4 (11, 1; 16, 6) Multi-word DMA 1; 2 (13, 3, 16, 6) Поддержка двух каналов ATA-3 EIDE Удалены Single-word DMA S. M. A. R. T. , средства парольной защиты ATA/ ATAPI-4, ATA-4, Ultra ATA/33 Ultra DMA 0; 1; 2 (16, 7; 25, 0; 33, 3) Поддержка ATAPI, очередей и возможность перекрытия команд, 80 -проводный кабель ATA/ ATAPI-5 ATA-5, Ultra ATA/66 Ultra DMA 3; 4 (44, 4; 66, 7) Не совместим с ATA-1. 80 -проводный кабель обязателен. ATA/ ATAPI-6 ATA-6, Ultra ATA/100 UDMA 5 (100) ATA/ ATAPI-7 ATA-7, /133 UDMA 6 (133) SATA/150 ATA/ ATAPI-8 ATA-8 до 144 ПБ 48 -битная адресация LBA, потоковое расширение для чтения/ записи аудио- и видеоданных, управление акустическим шумом. Удалена адресация CHS. Не совместим с ATA-2. SATA 1. 0 готовится

Адрес в пространстве I/O Сигналы адресации канала (0 – низкий уровень, 1 – высокий уровень) 1 канал CS 0# 2 канал CS 1# Назначение (R – чтение, W –запись) DA 2 DA 1 DA 0 1 1 х х х Нет обращения 0 0 х х х Недопустимый адрес Control Block Registers – блок управляющих регистров 3 F 6 376 1 0 1 1 0 R: Alternate Status (AS) – альтернативный регистр состояния, аналогичен SR 3 F 6 376 1 0 1 1 0 W: Device Control (DC) – регистр управления устройством Command Block Registers – блок командных регистров 1 F 0 170 0 1 0 0 0 R/W: Data (DR) – регистр данных 1 F 1 171 0 0 1 R: Error (ER) – регистр ошибок 1 F 1 171 0 0 1 W: Features (FR) – регистр свойств 1 F 2 172 0 1 0 R/W: Sector Count (SC) – регистр счётчика секторов 1 F 3 173 0 1 1 R/W: Sector Number (SN) – регистр номера сектора или младшего байта лог. адреса 1 F 4 174 0 1 1 0 0 R/W: Cylinder Low (CL) – регистр младшего байта номера цилиндра или среднего байт лог. адреса 1 F 5 175 0 1 1 0 1 R/W: Cylinder High (CH) – регистр старшего байта номера цилиндра или старшего байта лог. адреса 1 F 6 176 0 1 1 1 0 R/W: Device/Head (D/H) – регистр номера устройства и головки (выборки) 1 F 7 177 0 1 1 R: Status (SR) – регистр состояния 1 F 7 177 0 1 1 W: Command (CR) – регистр команд

Режимы передачи данных • Программный доступ PIO (Programmed Input/Output) выполняется в виде следующих друг за другом операций чтения или записи в пространстве вводавывода по адресу регистра данных. Программный обмен на всё время передачи блока занимает и процессор, и системную шину. • Блочный режим DMA за счёт сокращения числа прерываний, которые должен обслуживать процессор, в многозадачной системе позволяет повысить производительность дискового обмена. Обмен по каналу DMA занимает исключительно шины ввода/вывода и памяти. Режимы обмена по каналу DMA бывают одиночными (Singleword DMA ), множественными (Multiword DMA) и Ultra DMA.

Параметры режимов передачи интерфейса ATA Режим передачи PIO Mode 0 PIO Mode 1 PIO Mode 2 PIO Mode 3 PIO Mode 4 Singleword DMA Mode 0 Singleword DMA Mode 1 Singleword DMA Mode 2 Multiword DMA Mode 0 Multiword DMA Mode 1 Multiword DMA Mode 2 Ultra DMA Mode 0 Ultra DMA Mode 1 Ultra DMA Mode 2 Ultra DMA Mode 3 Ultra DMA Mode 4 Ultra DMA Mode 5 Ultra DMA Mode 6 Мин. время цикла, нс 600 383 240 180 120 960 480 240 480 150 120 80 60 45 30 20 - Скорость передачи, МБ/с 3, 3 5, 2 8, 3 11, 1 16, 6 2, 08 4, 16 8, 33 4, 12 13, 3 16, 6 25 33 44, 4 66, 6 100 133

Электрический интерфейс

ШИНЫ ПОДКЛЮЧЕНИЯ УСТРЙСТВ ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ Интерфейс Serial ATA SATA (англ. Serial ATA) — последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации (как правило, с жёсткими дисками) Спецификации последовательного интерфейса Serial ATA (SATА) версии 1. 0 были опубликованы в августе 2001 г. , а спецификация Serial ATA II — в октябре 2002 г. В мае 2009 г. выпущена спецификация 3. 0 (www. sataio. org). Готовится к выпуску спецификация SATA Express.

Стандарт SATA предусматривает работу шины на частоте 1, 5 ГГц, обеспечивающей пропускную способность приблизительно в 1, 2 Гбит/с (150 МБ/с). Стандарт SATA II (или SATA 2. 0, или SATA/300) работает на частоте 3 ГГц, обеспечивает пропускную способность до 2, 4 Гбит/с (300 МБ/с). Спецификация SATA Revision 3. 0 предусматривает возможность передачи данных на скорости до 6 Гбит/с (с пропускной способностью до 4, 8 Гбит/с 600 МБ/с).

Этапы развития интерфейса SATA

Описание SATA Четырёх уровневая модель интерфейса

Описание SATA На логическом уровне для передачи данных используется двухэтапное кодирование 8 бит/10 бит. Кроме этого, при передаче данных используется метод циклического избыточного контроля CRC-32 (Cyclic Redundancy Check). На физическом уровне используется код NRZ (Non Return to Zero).

Описание SATA Алгоритм Rotational Position Ordering при выстраивании очереди команд учитывает дистанцию поиска и текущее положение головок на окружности пластин. В результате команды выполняются в таком порядке, чтобы сократить до минимума общее время доступа, включающее обе задержки — поиска и вращения. Именно этот алгоритм был положен в основу технологии Native Command Queuing (NCQ). Для реализации изменения порядка следования команд необходима маркировка каждой команды, отличающая ее от других команд в очереди. В NCQ для этого используется 5 -битный тег, поэтому максимальное число команд в очереди не может превышать 32. Базой для реализации NCQ в рамках протокола Serial ATA стали три механизма: • сообщения о статусе завершения команды без состязаний (race-free status return), • агрегирования прерываний (interrupt aggregation) • прямой доступ к памяти по инициативе устройства (First Party DMA).

Технология NCQ

Интерфейс e. SATA (External SATA) – интерфейс подключения внешних устройств, поддерживающий режим «горячей замены» . Был разработан в середине 2004. Основные особенности e. SATA: • поддержка полной скорости SATA-интерфейса; • отсутствуют преобразования протоколов из IDE/SATA в USB/Fire. Wire; • низковольтная передача сигналов по кабелю; • лучшая, чем у SATA защита от статического электричества (ESD) при подключении кабелей, уменьшена электромагнитная интерференция (EMI) сигналов кабеля; • более надёжное и прочное соединение кабеля в разъеме, чем у SATA; • требует для подключения два провода: шину данных и силовой кабель; • ограничен по длине кабеля данных (до 2 м). • средняя практическая скорость передачи данных выше, чем у USB или IEEE 1394; • существенно меньше нагружается центральный процессор.

Разъёмы e. SATA

Разъёмы SATA Разъём данных Разъём питания Контакт Назначение 1 GND 1 -3 +3, 3 В 2 A+ 4 -6 GND 3 A- 7 -9 + 5, 5 В 4 GND 10 GND 5 B- 11 Зарезервировано 6 B+ 12 GND 7 GND 13 -15 +12 В ключ

Разъёмы SATA Express

Краткое сравнение внешних и внутренних дисковых интерфейсов Интерфейс Скорость передачи данных, Мб/с Реальная полезная скорость передачи данных, МБ/с Макс. кол-во дисков на одной шине Макс. длина сигнального кабеля, м USB Ultra 320 Ultra ATA SATA 2. 0 1, 5 Гб/с 3, 0 Гб/с SCSI /133 e. SATA IEEE 1394 a IEEE 1394 b до 2400 786 480 2560 1064 1200 2400 до ~260 до ~40 до ~65 до ~33 до ~230 до ~115 до ~135 до ~260 1 (до 5 с портмультиплик атором) 63 63 127 16 2 1 1 5 16 0, 46 1 1 2 4, 5 (наращивание до 16 кабелей - 72 м) Необходимость отдельного кабеля питания Да Нет Нет Да Да Количество линий в кабеле 7 6 8 4 68 80 7 7