Реферат - Интерфейс ATAPI

Подождите немного. Документ загружается.

Содержание

Введение.................................................................................................................2

Происхождение и назначение шины ATA/ATAPI.....................................................3

Спецификации интерфейсов ATA/ATAPI................................................................3

Адресация блоков данных............................................................................................4

Физический интерфейс.................................................................................................5

80-проводные кабели для UltraDMA........................................................................6

Протоколы взаимодействия с устройствами..............................................................6

Традиционные протоколы (одиночные команды)..................................................6

Перекрытие команд и использование очередей при работе с устройствами

ATA/ATAPI..................................................................................................................7

Система команд ATA/ATAPI.......................................................................................8

Команды доступа к данным АТА............................................................................9

Пакетный интерфейс ATAPI.................................................................................11

Работа со сменными носителями.........................................................................12

Поддержка флэш-памяти и малогабаритных карт..........................................13

Управление энергопотреблением и шумом...........................................................13

Защита данных.......................................................................................................14

Журналы ошибок и событий..................................................................................14

Список литературы.....................................................................................................14

Введение.

Аппаратное и программное обеспечение (элементы соединения и

вспомогательные схемы управления, их физические, электрические и

логические параметры), предназначенное для сопряжения систем или частей

системы (программ или устройств), называют интерфейсом. Под сопряжением

подразумеваются следующие функции: выдача и прием информации;

управление передачей данных; согласование источника и приемника

информации.

ATA (англ. Advanced Technology Attachment, «Присоединение по

продвинутой технологии») — параллельный интерфейс подключения

накопителей (жёстких дисков и оптических приводов) к компьютеру.

Первоначальная версия стандарта была разработана в 1986 году фирмой

Western Digital и по маркетинговым соображениям получила название IDE

(Integrated Drive Electronics, «Электроника, встроенная в привод»). Оно

подчеркивало важное нововведение: контроллер привода располагается в нём

самом, а не в виде отдельной платы расширения, как в предшествующем

стандарте ST-506 и существовавших тогда интерфейсах SCSI и ST412. Это

позволило: улучшить характеристики накопителей (за счет меньшего

расстояния до контроллера), упростить управление им (т.к. контроллер канала

IDE абстрагировался от деталей работы привода) и удешевить производство

(контроллер привода мог быть рассчитан только на "свой" привод, а не на все

возможные; контроллер канала становился стандартным).

Интерфейс ATA (AT Attachment - подключение к ПЭВМ PC AT конца

1980-х - начала 1990-х годов) был разработан для подключения жестких дисков

с собственными встроенными контроллерами (Integrated Device или Drive

Electronics). Поэтому и сейчас, говоря о таких дисках, могут использовать оба

термина: IDE или ATA, подразумевая один и тот же тип дисков, хотя появление

последовательного интерфейса Serial ATA нарушило однозначность

соответствия этих терминов.

ATAPI (ATA Packet Interface) - стандарт, созданный для того, чтобы

позволить таким устройствам, как дисководы CD-ROM или стримеры,

подключаться напрямую к ATA портам - дешево и без необходимости

специальных контроллеров, как это было ранее.

Появились протоколы ATAPI, произошла серьезная чистка ATA от старых

и уже не нужных команд и возможностей, а взамен появилось много других,

небольших, но существенных. Появился новый протокол передачи данных,

multiword DMA mode 3, названный UltraDMA(прямой доступ к памяти) куда

более высокой пропускной способности ATA (до 33 Мбайт/с), а также

позволить обеспечить целостность передаваемых на такой скорости через

стандартный 40-жильный кабель данных (путем использования CRC).

Происхождение и назначение шины ATA/ATAPI.

Стандарт EIDE (англ. Enhanced IDE — «расширенный IDE»), появившийся

вслед за IDE, позволял использование приводов ёмкостью, превышающей 528

Мб (504 МиБ), вплоть до 8,4 Гб. Хотя эти аббревиатуры возникли как торговые,

а не официальные названия стандарта, термины IDE и EIDE часто

употребляются вместо термина ATA. После введения в 2003 году стандарта

Serial ATA («последовательный ATA»), традиционный ATA стали именовать

Parallel ATA, имея в виду способ передачи данных по параллельному 40- или

80-жильному кабелю.

Поначалу этот интерфейс использовался с жёсткими дисками, но затем

стандарт был расширен для работы и с другими устройствами, в основном —

использующими сменные носители. К числу таких устройств относятся

приводы CD-ROM и DVD-ROM, ленточные накопители, а также дискеты

большой ёмкости, такие, как ZIP и магнитооптические диски (LS-120/240). Этот

расширенный стандарт получил название Advanced Technology Attachment

Packet Interface (ATAPI), в связи с чем, полное наименование стандарта

выглядит как ATA/ATAPI.

ATAPI представляет собой аппаратно-программный интерфейс, для того,

чтобы устройства, отличные от жестких дисков, могли использовать для

подключения и работы стандартный IDE/ATA интерфейс. Это делает их для

системы практически неотличимыми от обычных жестких дисков.

Спецификация ATAPI позволяет передавать пакет, содержащий

командный блок (откуда и часть названия PI — Package Interface). Структура

командного блока заимствована из SCSI, его содержимое определяется типом

подключенного устройства: ленточного, оптического (CD, DVD),

магнитооптического и т. п.

Набор дополнительных команд CFA (Compact Flash Association) введен для

устройств хранения на флэш-памяти.

Спецификации интерфейсов ATA/ATAPI

Разработкой спецификаций ATA/ATAPI занимается технический комитет

Т13 (прежде — Т10) Интернационального комитета по стандартизации в

области информационных технологий (INCITS). Разработанные им

спецификации оформляются в виде стандартов ANSI. Развитие интерфейса

отражает история спецификаций:

♦АТА (позже названный АТА-1) — первый стандарт (1994 г.),

выработанный американским комитетом ХЗТ10, определяет набор регистров

устройств и назначение сигналов 40-контактного интерфейсного разъема.

♦АТА-2 — расширенная спецификация АТА. Включает 2 канала, 4

устройства, PIO Mode 3, Multiword DMA Mode 1, Block mode, объем диска — до

8 Гбайт (преодоление 528-мегабайтного барьера), поддержка LBA и CHS.

♦Fast АТА-2 разрешает использовать Multiword DMA Mode 2 (13,3 Мбайт/

с), PIO Mode 4.

♦ATA-3 — расширение АТА-2. Включает средства парольной защиты, улуч-

шенного управления питанием, самотестирования с предупреждением при-

ближения отказа (SMART).

♦ATA/ATAPI-4 — расширение АТА-3, включающее режимы UltraDMA

Mode 0...2 со скоростью обмена до 33 Мбайт/с и пакетный интерфейс ATAPI.

Добавлена поддержка очередей и возможность перекрытия команд.

♦ATA/ATAPI-5 — ревизия ATA/ATAPI-4: удалены устаревшие команды и

биты, добавлены новые возможности защиты и управления

энергопотреблением. Введены режимы UltraDMA Mode 3, 4 со скоростью

обмена до 66 Мбайт/с.

♦ATA/ATAPI-6 — дополнения к ATA/ATAPI-5: 48-битная адресация в

режиме LBA, управление акустическим шумом, режим UltraDMA Mode 5 со

скоростью обмена 100 Мбайт/с.

♦ATA/ATAPI-7 — проект стандарта, объединяющего параллельный и

последовательные варианты интерфейса. Стандарт состоит из трех томов:

• том 1 — общий командный уровень (система команд ATA/ATAPI). Опи-

сывается система команд, передаваемых через регистры (АТА), и приводятся

ссылки на стандарты для пакетных команд (SCSI, потоковые, мультимедийные

и для устройств со сменными носителями). В систему команд АТА вводится

потоковое расширение для чтения-записи аудио- и видеоданных, а также

поддержка длинных блоков (размером более 512 байт);

• том 2 — транспортный и физический уровни параллельного интерфейса.

Приводится детальное описание кабелей, коннекторов и интерфейсных цепей.

Введен режим UltraDMA Mode 6 со скоростью обмена до 133 Мбайт/с;

• том 3 — транспортный, канальный и физический уровни

последовательного интерфейса (соответствует спецификации Serial АТА 1.0).

Адресация блоков данных

В устройствах ATA/ATAPI минимальной адресуемой единицей данных

является логический блок, как правило, размером 512 байт. Для традиционных

дисковых устройств АТА блок является сектором. Для дисковых устройств

применимы два способа адресации данных: трехмерная адресация (CHS) и

линейная адресация (LBA). С устройствами ATAPI работа возможна только по

линейному адресу.

Линейная (логическая) адресация (LBA)—адрес блока (сектора)

определяется одним числом в диапазоне 0...N- 1, где N — емкость устройства

хранения (в блоках). Предел адресуемого объема определяется разрядностью

логического адреса и емкостью устройства:

♦32-битный адрес, используемый устройствами ATAPI, позволяет

адресовать до 2

- 1 = 4 294 967 295 секторов, что при размере сектора в 512

байт дает 2 199 023 255 040 байт (около 2,2 Тбайт). Доступная емкость

устройства определяется посылкой пакета с SCSI-командой, соответствующей

классу данного устройства.

♦48-битный расширенный адрес устройств АТА, введенный в ATA/ATAPI-

6 и Serial АТА, позволяет адресовать до 2

- 1 = 281 474 976 710 655 секторов —

144 115 188 075 854 848 байт (около 144 Пбайт).

Дескрипторы команд SCSI, используемые в ATAPI, поддерживают и 64-

битную адресацию логического блока.

Физический интерфейс

Параллельный интерфейс АТА представляет собой шину, в которой все

сигналы соответствуют стандартной логике ТТЛ:

♦высокий уровень выходного сигнала — не ниже 2,4 В (при токе до 400

мкА, сигнал DMARQ — до 500 мкА), низкий уровень — не выше 0,5 В (при

токе 4 мА, для линии DASP для совместимости со старыми устройствами — 12

мА);

♦высокий уровень входного сигнала — не ниже 2,0 В, низкий уровень — не

выше 0,8 В.

Спецификация АТА «узаконивает» как 40-контактный интерфейсный

разъем, так и 4-контактный разъем питания, но для малогабаритных устройств

питание может подаваться по 44-проводному интерфейсному кабелю. Рядом с

интерфейсным разъемом на устройствах могут располагаться

конфигурационные джамперы адресации (С5, 5L, МЛ), а также аналоговый или

цифровой аудиовыход приводов CD/DVD.

Для большинства устройств применяется 40-контактный разъем с шагом

контактов 2,54 мм. Рядом с ним могут располагаться дополнительные контакты,

служащие для конфигурирования устройства и технологических целей (диагно-

стики и других операций, выполняемых по служебному последовательному ин-

терфейсу). Спецификация ATA/ATAPI предусматривает два варианта. Здесь

пустым квадратом обозначены позиции ключевых (пропущенных) выводов,

контакты 1-40 используются для интерфейса, а контакты А-Н — для установки

джамперов и технологических целей.

Дополнительные контакты на разъемах интерфейса АТА:

а — SFF8057, б — SFF8058, в — SFF8212 (50-контактный разъем)

Для миниатюрных устройств предназначен 50-контактный разъем с шагом

выводов 2 мм.

80-проводные кабели для UltraDMA

Для устойчивой работы в режиме UltraDMA рекомендуется применение 80-

nроводных кабелей, обеспечивающих чередование сигнальных цепей и проводов

схемной земли (GND). Такие кабели требуются для режимов UltraDMA выше 2

(скорость выше 33 Мбайт/с).

Присутствие 80-проводного кабеля должно быть программно определено до

включения режима обмена UltraDMA Mode 3 и выше.

Протоколы взаимодействия с устройствами

Протоколы взаимодействия определяют последовательность действий,

которые должен выполнить драйвер для подачи команд и получения

результатов. Протоколы зависят от выбранного режима передачи данных (PIO,

DMA, UltraDMA или FPDMA), а также от использования (или не использования)

механизма перекрытия команд и очередей. Режим обмена PIO подходит только

для однозадачных ОС; для многозадачных ОС больший интерес представляет

обмен по протоколу DMA и UltraDMA.

Традиционные протоколы (одиночные команды)

Традиционные протоколы работают с устройствами одной шины АТА

поочередно, без перекрытий (отключения устройств от шины) и очередей. В

этих протоколах можно выделить три этапа:

1. Посылка команды устройству.

2. Передача данных.

3. Получение данных о состоянии завершения команды (проверка на

отсутствие ошибок).

Во время выполнения команды устройство может вырабатывать запросы

прерываний в следующих случаях:

♦индикация начала передачи данных для каждого блока (сектора) в режиме

PIO;

♦индикация завершения всей передачи для команды в режиме DMA;

♦индикация завершения (успешного или с ошибкой) выполнения команды.

Протокол взаимодействия хоста с устройством при использовании режима

PIO выглядит следующим образом.

1. Хост читает регистр состояния устройства, дожидаясь нулевого

значения бита BSY. Если присутствуют два устройства, хост обращается к ним

«наугад» — данные о состоянии буд у т сообщаться последним выбранным

устройством.

2. Дождавшись освобождения устройства, хост записывает в регистр

D/H байт, у которого бит DEV указывает на адресуемое устройство. Обратиться

к устройству можно только после освобождения обоих устройств.

3. Хост читает основной или альтернативный регистр состояния

адресованного устройства, дожидаясь признака готовности (DRDY=1).

4. Хост заносит требуемые параметры в блок командных регистров.

5. Хост записывает код команды в регистр команд.

6. Устройство устанавливает бит BSY и переходит к исполнению

команды.

Дальнейшие действия зависят от протокола передачи данных, заданного ко-

мандой.

Команды с передачей данных в режимах DMA и UltraDMA выполняются

похожим образом, но с некоторыми исключениями. Для передачи в условиях

прямого доступа к памяти хост должен инициализировать канал DMA до записи

кода в регистр команд, чтобы при появлении сигнала DMARQ начался обмен.

Инициализация для контроллеров PCI IDE включает еще и формирование

таблицы дескрипторов физических областей. Запрос прерывания в режиме DMA

даже для многосекторных передач производится только один раз — по

выполнении команды, что опять-таки делает этот режим более выгодным для

многозадачных систем.

Перекрытие команд и использование очередей при работе с устройствами ATA/

ATAPI

Получив команду, допускающую перекрытие, устройство может вести себя

двояко:

♦выполнять команду таким же образом, следуя протоколу, описанному в

предыдущем разделе;

♦освободить шину, если полученная команда требует выполнения

длительных внутренних операций (например, позиционирования на носителе).

Перекрытие команд (освобождение шины) допускается только для команд

NOP (с подкомандой 01), Packet, Read DMA Queued (Ext), Service и Write

DMA Queued (Ext).

Для освобождения шины устройство должно сбросить биты DRQ и BSY

регистра состояния. По окончании выполнения внутренней операции устройство

устанавливает бит SERV в своем регистре состояния, что означает его

готовность к продолжению выполнения данной команды. Если хост намерен

использовать освободившуюся шину для обращения к другому устройству, он

должен запретить прерывания от текущего выбранного устройства, установив

бит nIEN в регистре управления. После этого он сможет работать с другим

устройством той же шины, подавая ему команду или обслуживая исполнение

ранее поданной. При этом он должен переключить контекст DMA — указать

контроллеру на таблицу дескрипторов передачи, относящуюся к этому

устройству.

Устройства могут поддерживать очереди команд, но только для команд,

допускающих перекрытие (эти свойства тесно связаны). Если устройство,

получив команду, освободило шину, то ему же в очередь можно поставить

следующую команду. При возникновении любой ошибки вся очередь

сбрасывается.

Новая команда ставится в очередь лишь при освобожденной шине. Перед

посылкой хост должен запретить прерывания, а разрешить их может только

после посылки новой команды. Если для выполнения команды устройству не

нужно освобождать шину, команда выполняется немедленно, а находящиеся в

очереди команды, освободившие шину, будут выполнены позже. Если при

непустой очереди устройство получает команду, не допускающую перекрытия,

команда отвергается (с соответствующим битом в регистре ошибок) и очередь

сбрасывается.

Система команд ATA/ATAPI

Стандарты ATA/ATAPI и SATA описывают систему команд, передаваемых

от хоста к устройству по параллельному или последовательному интерфейсу.

Система команд была изначально ориентирована на фиксированные накопители

на жестких магнитных дисках (HDD), впоследствии она «обрастала»

различными дополнениями, призванными обеспечить поддержку смены

носителей и иных типов носителей (CFA и малогабаритные флэш-карты).

Благодаря лишь одной команде Packet, система команд АТА получила

возможность почти неограниченного расширения (ATAPI) за счет передачи

командного пакета SCSI по интерфейсу ATA/SATA.

В таблице приведена система команд ATA/ATAPI-6 и SATA II: название,

назначение, применимость и использование регистров. Графа «Протокол»

определяет протокол передачи данных, требуемый для команды:

♦ PI — ввод данных от устройства в режиме РIO;

♦РО — вывод данных в устройство в режиме РIO;

♦Р — протокол передачи командного пакета (16 байт вывода в режиме

PIO);

♦ DM — обмен данными по каналу DMA;

♦ DMQ — обмен DMA с очередями;

♦ FPDMA — с очередями NCQ;

♦ ND — нет обмена данными;

♦ DR — протокол сброса;

♦ VS — специфично для устройства.

Таблица Система команд ATA/ATAPI и SATA

Команда

Про-

токол

Тип, история Код Использование регистров

ATA ATAPI FR SC SN CH, CL D/H

Acknowledge Media Change —

подтверждение смены носителя

Д.УЗ,

И5

DBh D

Boot — Post-Boot — после загрузки

носителя

Д. УЗ,

И5

DCh

- - - -

Boot — Pre-Boot — до загрузки

носителя

Д.УЗ,

И5

DDh

- - - -

CFA Erase Sectors — стирание секторов

ND Д4 Н COh

i/o i/o i/o

CFA Request Extended Error Code —

чтение расширенного кода ошибки

ND Д4

03h

0 0 0 0

i/o

CFA Translate Sector — получение

информации о состоянии сектора

PI Д4

87h D

CFA Write Multiple Without Erase —

множественная запись без операции

стирания (в предварительно стертые

секторы)

PO Д4

CDh i/o i/o i/o

CFA Write Sectors Without Erase —

запись без операции стирания (в

предварительно стертые секторы)

PO Д4

н 38h

i/o i/o i/o

Check Media Card Type ND F6 F6 D1h i

0 0 0 0

Check Power Mode — проверка режима

энергопотребления

ND Д, 04 04

E5h

(98h)

—

— —

Device Configuration — управление

конфигурацией устройства

ND/PI F6 F6 B1h

— —

Device Reset — сброс устройства

ATAPI

DR Н 04 08h

0 0 0

Door Lock — запрет смены носителя

VS Д .У 4 Д DEh

- - - -

♦ Графа «Тип, история» определяет характеристику команды

раздельно для устройств АТА и ATAPI: 0 — обязательная, Д — дополнительная,

Н — неприменима, F — обязательная для устройств с поддержкой набора

специальных свойств (feature set), У — устаревшая, И — исключенная. Цифра

после буквы означает номер версии спецификации ATA/ATAPI, в которой тип

менялся (S2 — SATA II). Графа «Код» содержит шестнадцатеричный код,

загружаемый в регистр команды. В графе «Использование регистров» приняты

следующие обозначения: i — регистр содержит параметры для команды, о — в

регистре передается результат. Для регистра D/H применяются дополнительные

обозначения: D — используется только бит D, DO — команда адресуется к

ведущему устройству, но выполняют ее оба устройства, F — задействован

только бит FUA

Команды доступа к данным АТА

Команды доступа к данным АТА предназначены для чтения и записи

устройств хранения, логически соответствующих модели жесткого диска (HDD)

с его регистрами и посекторной адресацией (с размером сектора 512 байт). Для

устройств иных классов имеется альтернативный способ доставки команд и

параметров — команда Packet. По этой команде, используя вывод в режиме РIO

хост-адаптер передает пакет с блоком дескриптора команды.

Команды чтения секторов в режимах обмена РIO и DMA — Read Sector(s)

и Read DMA — позволяют считывать последовательно расположенные секторы,

количество которых задано в регистре SC.

Команда верификации Read Verify Sector(s) в отличие от обычного чтения

не передает данные от устройства. В случае ошибки на адрес сбойного сектора

указывает блок командных регистров. Запрос прерывания выполняется после

исполнения команды.

Команды записи секторов Write DMA, Write Sector(s), Write Long, Write

Multiple работают аналогично соответствующим им командам чтения и также

имеют версии с повторами и без.

Команды блочного обмена Read Multiple и Write Multiple отличаются от

обычных (с обменом PIO) тем, что запросы прерывания вырабатываются не на

каждый сектор, а на блок секторов, размер которого задан командой Set

Multiple Mode.

Команды с расширенной адресацией (с суффиксом Ext) используют

двойные командные регистры CH, CL, SN и SC, в которых размещается

линейный битный адрес (LBA-48). В этих командах регистр D/H используется

только для задания номера устройства.

Команды, выполняемые с постановкой в очередь (Read DMA Queued (Ext),

Write DMA Queued (Ext)), должны сопровождаться командой Service, которая

служит для определения тега исполненной команды.

Вспомогательное назначение имеют команды поиска. По команде поиска

Seek устройство устанавливает головки на заданный цилиндр/трек и считывает

идентификатор сектора.

Потоковое расширение команд

Традиционно главным качеством устройств хранения данных является их

способность надежно (достоверно) хранить данные. Если при чтении (записи)

блока данных происходит ошибка, то устройство автоматически выполняет се-

рию повторных обращений к носителю, в результате чего чаще всего удается по-

лучить достоверный результат. Однако при этом возникает непрогнозируемая

задержка доставки данных, которая крайне нежелательна для мультимедийных

приложений, выполняющих запись или чтение аудио- и видеоданных в реаль-

ном времени. В спецификацию ATA/ATAPI-7 предполагается ввести потоковое

расширение системы команд (streaming feature set). Потоком называется непре-

рывная последовательность логических блоков, которые должны быть считаны

или записаны с определенным допустимым временем. Для потоков вводятся но-