...
...

Ultra АТА — массовый интерфейс нового поколения

В будущем историки, несомненно, отметят конец ХХ века как период глобальной компьютеризации человечества. И, наверное, перед ними не будет столь остро стоять проблема выбора эпитетов для описания происходящего, как стоит она перед нами.

Какими словами передать стремительность, с которой достижения компьютерных технологий меняют наши взгляды на деятельность людей и на цивилизацию в целом? Выражение "новое поколение" стало обыденным, теперь оно ежедневно мелькает в сообщениях о последних технических разработках, о достижениях компьютерной науки, об открывающихся перспективах, о новых продуктах индустрии.

"Новые поколения" сменяют друг друга со скоростью кадров на экране монитора перед глазами пользователя. Мы часто не успеваем уследить за событиями в мире компьютерной техники и узнаем о "новом поколении" тогда, когда уже появился на свет его преемник. Как разобраться в этом клубке новых технологий и решений? Для названий принято выбирать звучные эпитеты. Какими скромными выглядят сейчас первые персональные компьютеры, в которых не было ничего fast, slim, wide и т.п. Но и эти слова уже ушли в прошлое. На очередное "новое поколение" их уже не хватает. На помощь пришла приставка "ультра". Теперь уже не просто fast, а ultra fast. Образнее всего тенденция исчерпания словарного запаса проявляется в сфере устройств массовой памяти.

Всего два года назад состоялся дебют интерфейса, получившего название Ultra SCSI, который пришел на смену Fast SCSI, Wide SCSI и Fast Wide SCSI. И вот совсем недавно промышленность освоила выпуск накопителей с еще одним "ультра"-интерфейсом - Ultra ATA. Он значительно превосходит по скорости передачи данных интерфейс Fast ATA-2, до последних дней бывший традиционным выбором пользователей настольных и портативных компьютерных систем.

В чем причины появления Ultra Обгоняющие друг друга достижения компьютерных технологий стимулируют прогресс и в индустрии жестких дисков, постоянно подстегивая фирмы-производители в их погоне за заоблачной емкостью и недосягаемыми ранее уровнями быстродействия винчестеров.

Примеров тому не счесть. Чего стоит, скажем, появление микропроцессоров Intel MMX, которые, существенно расширяя возможности графики для настольных и портативных компьютеров, сегодня ложатся в основу большинства PC-систем. Другой пример ресурсоемкой новинки - пакет программ Virtual CD-ROM производства Logicraft Information Systems, позволяющий пользователям непосредственно с жесткого диска запускать файлы мультимедиа и другие приложения CD-ROM.

Добавим к этому, что цены на цифровые видеокамеры постоянно падают. И если пять лет назад трудно было себе представить, что в недалеком будущем обыкновенный пользователь сможет создавать полные динамики и действия мультимедийные файлы, скорее напоминающие интерактивные видеофильмы, нежели незатейливые бизнес-презентации, то сейчас это стало реальностью.

Владельцы персональных компьютеров уже привыкли к Интернет и работают с ней все более квалифицированно. С помощью web-браузеров они частенько выгружают из Сети на свои винчестеры огромные файлы данных. Привычно манипулируют фотоизображениями с высоким разрешением, вовсю используют передовые звуковые возможности своих систем, создают солидную трехмерную графику и сложные базы данных.

Нетрудно заметить, что эти технически изощренные приложения порождают устойчивый спрос на все большую дисковую память. Однако прогресс в смежных технологиях определяет не только рост емкости винчестеров. Не менее важной "стороной медали" яв-ляется скорость этих устройств.

Объемы данных, образующих встречные информационные потоки между накопителем на жестком диске и хост-системой, стремительно возрастают. А потому от накопителя требуется не только хранить эти данные, но и передавать их на предельно высоких скоростях.

Создание и внедрение интерфейса Ultra ATA устанавливает новый стандарт быстродействия винчестеров массового применения, поднимая уровень скорости передачи данных до 33.3 мегабайта в секунду - величины, вдвое превосходящей соответствующую характеристику интерфейса-предшественника Fast ATA-2. Можно с уверенностью утверждать, что очень скоро мы станем свидетелями массового перевода винчестеров для настольных и мобильных компьютеров на интерфейс Ultra ATA, который, решительно перешагнув через привычную отметку скорости в 16.6 Мбайт/с, приведет быстродействие этих устройств в соответствие с требованиями дня.

Ultra ATA - это не одно, а множество преимуществ Новый промышленный скоростной интерфейс Ultra ATA, в основу которого легла техническая спецификация Ultra DMA/33, можно назвать общим детищем Intel, Quantum и Seagate, трех "монстров" компьютерной индустрии, совместно спроектировавших и разработавших его.

Цель создания Ultra ATA - это в первую очередь выигрыш в быстродействии дисковой памяти, которым должны воспользоваться широкие круги владельцев настольных и портативных компьютерных систем и с которым связаны перспективы применения многих других технологических новинок. Вместе с тем покупатели устройств Ultra ATA могут рассчитывать на дополнительное "вознаграждение" в виде существенного роста надежности данных. Потенциальных пользователей Ultra ATA наверняка обрадует и то, что новый интерфейс не только обладает обратной совместимостью с более ранними версиями, но и остается весьма экономичным по стоимости.

Известно, что наибольшей мощности от автомобильного двигателя можно добиться лишь тогда, когда все его цилиндры будут работать в унисон. Это верно и для персонального компьютера: чтобы обеспечить ему максимальное быстродействие, разработчики PC делают ставку на новаторские технологии, подобные интерфейсу Ultra ATA. Повышая производительность винчестера, они увеличивают пропускную способность компьютерной системы в целом.

В Ultra ATA реализован механизм обнаружения ошибок, который позволяет системе при необходимости предпринять повторную попытку передачи данных, обеспечивая их целостность. Если встроенная система верификации (проверки) данных CRC (циклический контрольный код) находит ошибку, операция передачи будет повторена снова. Благодаря системе CRC интерфейс Ultra ATA надежно защищает операции чтения и записи данных.

Обладая полной обратной совместимостью с широко распространившимися накопителями и контроллерами Fast ATA-2 (EIDE), интерфейс Ultra ATA может быть легко внедрен в системы с наследуемой архитектурой. Как и прежде, кабельные соединения нового интерфейса поддерживают сигналы обычного 40-контактного шлейфа ATA, не требуя каких-либо изменений в конструкции. Однако, чтобы дать возможность воспользоваться преимуществами нового интерфейса, компьютерная система тоже должна его поддерживать. Дополнительные выгоды, которые сулит использование Ultra ATA, - это лучшая работа нескольких накопителей, подключенных к одному кабелю, и повышение производительности при передаче данных, находящихся при обращении к винчестеру в его кэш-памяти.

Акцент на экономичность персональных компьютерных систем и сегодня сохраняет свою силу для устройств памяти, ориентированных на рынок массовых PC. Ultra ATA предполагает такую же стоимостную структуру системы, как и его предшественник Fast ATA-2. Удвоение скорости интерфейса достигается без дополнительных инвестиций в необходимое для этого оборудование, обучение и другие процедуры, а значит, потребители Ultra ATA смогут получить лучшее за прежние деньги. Это делает новый интерфейс самым эффективным по стоимости способом повышения производительности массовой памяти в персональных компьютерных системах.

Развитие интерфейсной технологии Интерфейс винчестера можно уподобить дороге, по которой данные пользователя "путешествуют" между PC и жестким диском. Но, оказывается, и самим интерфейсам пришлось пройти долгий путь - путь развития. Первоначально интерфейс, согласованный со стандартом ISA, обеспечивал передачу данных на скоростях, лежащих в диапазоне от 4 до 8 Мбайт/с. Позже были разработаны новые интерфейсные протоколы - режимы программируемого ввода/вывода (PIO) и прямого доступа к памяти (DMA), которые позволили использовать преимущества новых архитектур локальной шины, пришедших на смену старушке ISA.

В начале восьмидесятых в персональных компьютерах применялись винчестеры с интерфейсом АТА-1, который принято считать базовым. Он использовал режим программируемого ввода/вывода PIO 1, обходясь без прямого доступа к памяти, и обеспечивал поток данных до 8 мегабайт в секунду. К контроллеру можно было подключить одним кабелем всего два винчестера.

Развитием массового недорогого интерфейса для персональных компьютеров платформы РС стало семейство Fast ATA-2, или EIDE. Начиная с 1994 года в арсенале персонального пользователя появился дисковый интерфейс АТА-2, использующий такие средства повышения пропускной способности, как режимы PIO 3, 4 и DMA 0, 1, 2. За счет этого скорость передачи данных удалось поднять до 16.6 Мбайт/с. Кроме вдвое большей скорости АТА-2 отличался упрощенным конфигурированием системы, поддерживая технологию Plug & Play. Чуть позже на сцене появилась версия АТА-3, в которой больше внимания разработчики уделили повышению надежности дисковой подсистемы, обеспечив поддержку S.M.A.R.T. и еще нескольких технологий.

К началу 1996 года перед персональными пользователями остро встала проблема наращивания емкости массовой памяти, в значительной степени спровоцированная детищем Microsoft - операционной системой Windows 95. Предлагая пользователю кучу "конфеток" в виде мультимедиа, привлекательного интерфейса и подобных вещей, эта система прославилась аппетитом к дисковой памяти. Еще более прожорливыми оказались первые приложения для нее.

Вопрос удалось решить, создав интерфейс ATAPI/АТА-4, контроллер которого располагал двумя каналами. К каждому каналу контроллера подключался интерфейсный кабель с разъемами для двух жестких дисков. В этой спецификации впервые в семействе АТА была заложена поддержка, кроме винчестеров, и других типов накопителей, включая CD-ROM и стриммеры, а также обработка очередей перекрывающихся запросов.

Тем не менее быстродействие жестких дисков по-прежнему оставалось важнейшей характеристикой. Последний шаг в этом направлении был сделан, когда была предложена спецификация Ultra DMA/33, снова в два раза повышающая скорость передачи информации между жестким диском и хост-системой.

Как перемещаются данные Сначала давайте рассмотрим схему, принятую в интерфейсах ATA-2 и ATA-3. Чтобы регулировать передачу данных к дисковому накопителю или от него, хост-система посылает тактовый импульс (строб). Синхронизирующий сигнал включает по одному импульсу на каждое слово передаваемых данных. При перемещении данных передний (восходящий) фронт строба открывает доступ к ним, после чего и производится их передача.

Очевидно, что чем выше частота тактовых импульсов, тем скорее передаются данные. Однако с увеличением частоты стробов система становится все более восприимчивой к интерференции отдельных сигналов - шуму. Как же повысить скорость интерфейса, избежав неприятных побочных явлений? С этой целью был предложен новый способ обработки синхросигнала, позволивший применять большинство существующих тактовых импульсов, не изменяя их частоту. Для отправления и приема данных решили использовать оба фронта импульса - как передний, так и задний (нисходящий). Таким образом, один импульс порождает целых два строба (передний и задний фронты) без действительного увеличения частоты синхросигналов. В результате за тот же временной период передается вдвое больше данных, чем прежде.

Такой подход к синхронизации передачи в чем-то напоминает движение автобусов по неизменному расписанию: очевидно, двухъярусный автобус сможет доставить к месту назначения вдвое больше пассажиров, чем обычный.

Синхронный против асинхронного Оригинальный интерфейс ATA создавался на основе технологии шинного интерфейса TTL (логика "транзистор-транзистор"), которая предполагала асинхронную передачу данных по следующей схеме: хост-система инициировала передачу данных, после чего они становились доступными и спустя некоторое время "подбирались" своим получателем.

Способ синхронизации, используемый в асинхронном режиме, приводил к некоторому дрейфу между отдельными операциями в предположении, что идет передача данных. Асинхронную передачу можно сравнить с переходом эстафетной палочки от одного бегуна к другому, если тот пытается взять палочку не оглядываясь.

С другой стороны, синхронная передача обеспечивает лучшие временные рамки операций перемещения данных за счет более жесткого управления этим процессом. При ней отправитель посылает вместе с данными тактовый импульс - строб. В результате передача перестает быть открытым циклом, поскольку накопитель контролирует строб, перемещение и восстановление данных. Строго установлена связь между стробом и данными, что позволяет начисто забыть о времени распространения и доступа. Другими словами, спортсмен из нашего примера оглядывается прежде, чем взять эстафетную палочку у другого участника забега.

Сравните механизмы передачи данных в интерфейсах Fast ATA-2 и Ultra ATA. Традиционный метод, реализованный в Fast ATA-2, для индикации передачи данных (синхроимпульса) использует передний фронт сигнала. Интерфейс Ultra ATA действует по той же схеме и с той же частотой, но способен распознать синхроимпульсы как по переднему (восходящему), так и по заднему (нисходящему) фронту.



Из рисунка следует, что для Ultra ATA продолжительность цикла передачи может быть снижена от 120 до 60 наносекунд без увеличения частоты строба. Половинная продолжительность цикла обеспечивает двукратный рост пропускной способности интерфейса, то есть за тот же промежуток времени он может передать вдвое больше данных. Теперь ясно, каким образом разработчикам Ultra ATA удалось удвоить его пропускную способность, которая совершила скачок до 33.3 Мбайт/с.

Надежность данных Для защиты данных пользователя разработчики Ultra ATA предприняли особые шаги, сделав надежность важным преимуществом нового интерфейса. Как показано на следующем рисунке, с обеих сторон подключения к интерфейсу Ultra ATA - у хоста и у винчестера - существуют специальные регистры, в которых находится значение кода проверки ошибок CRC.

Первоначальное значение регистра устанавливается принудительно. Последующие передачи данных используют вычисленное значение CRC. Оно рассчитывается для каждого передаваемого пакета данных с помощью полинома CRC, который применяется к текущему значению регистра CRC. Затем накопитель сравнивает данные CRC, поступающие от хоста, с расчетным содержимым своего CRC-регистра. При несоответствии этих значений накопитель фиксирует ошибку и сообщает о ней при пересылке данных в конце команды.

После получения предупреждения для обеспечения надежности данных их передача может быть повторена. Поскольку весь контроль ошибок выполняется на винчестере, а не на хосте, предусмотрена поддержка обратной совместимости. В случае, если ошибку обнаруживает хост, он устанавливает флаг накопителя для подтверждения приема и перестройки четности данных.

Как этим воспользоваться Почему современному пользователю нужен высокопроизводительный интерфейс для жестких дисков, объяснять не требуется. Важность поддержания постоянного мощного потока информации между хост-системой и дисковой памятью чрезвычайно возросла по мере доступа обычных пользователей к богатым мультимедийным документам, высококачественной 2D- и 3D-графике, видео и звуку.

У персонального компьютера за последние год-два появились те же черты и возможности, которыми не так давно обладали только рабочие станции. Сегодня вычислительная, изобразительная и информационная мощность персонального компьютера во многих случаях поднялась до еще более высокой отметки, но при этом одними из главных остались экономические категории.

У массового пользователя бюджет безграничен, поэтому для него важно не только сохранить уже сделанные инвестиции, но и получить новые технологии и производительность как можно с меньшими затратами. Обладая вдвое большей, чем у предшественника, скоростью, полной обратной совместимостью и повышенной надежностью передачи данных, интерфейс Ultra АТА с полным правом может претендовать на роль представителя нового поколения.

И это будет поколение "ультра"...

Роман Соболенко, по материалам Seagate

© Компьютерная газета

полезные ссылки
IP камеры видеонаблюдения
Корпусные камеры видеонаблюдения