Адаптеры и контроллеры шины ATA

Простейший адаптер ATA содержит только буферы сигналов шины и дешифратор зоны адресов. Все регистры контроллера и схемы кодирования размещены в самом устройстве IDE. Шина ATA требует выделения системных ресурсов — двух областей портов ввода-вывода и линии прерывания; дополнительно может потребоваться канал DMA. Интерфейсу ATA первого канала выделили ресурсы, ранее использовавшиеся контроллером жестких дисков. Второму каналу назначили ресурсы альтернативного контроллера жестких дисков. Позже определили ресурсы еще для двух каналов (табл. 9.8). Традиционному контроллеру жестких дисков выделялся канал DMA3, но он является 8-битным, в то время как шина ATA требует 16-битного канала DMA. Производительности стандартных каналов DMA для шины ATA явно недостаточно.

Таблица 9.8 . Системные ресурсы каналов ATA

Канал	CS0	CS1	IRQ
	1F0h-1F7h	3F6h-3F7h
	170h-177h	376h-377h	15 или 10
	1E8h-1Efh	3Eeh-3Efh	12 или 11
	168h-16Fh	36Eh-36Fh	10 или 9

На системных платах с шиной PCI стандартом является установка двухканального адаптера, занимающего ресурсы каналов 1 и 2. В идеальном варианте двухканальные контроллеры имеют шины, полностью изолированные друг от друга буферными и логическими схемами. В самом дешевом варианте они используют общие буферы для линий данных и управляющих сигналов и отдельные только для некоторых сугубо индивидуальных сигналов. С точки зрения логики здесь все в порядке, но следует учитывать нагрузочную способность (влияние паразитных параметров): суммарная длина обоих ленточных кабелей не должна превышать 46 см, а суммарная емкость каждой линии со всеми устройствами не должна превышать 35 пФ. Иначе на высокоскоростных режимах обмена возможны неконтролируемые искажения передаваемых данных. Стандарт ATA/ATAPI-6 предписывает следующее.

♦ В каждом канале должны быть собственные формирователи управляющих сигналов DIOR#, DIOW# и приемник IORDY (рекомендуемый вариант); либо должны быть раздельные формирователи CS0# и CS1# (второй вариант логичнее, но хуже в плане помех). Такая конфигурация позволяет использовать все режимы обмена, кроме Ultra DMA.

♦ Для поддержки Ultra DMA 0, 1 и 2 (до 33 Мбайт/с) к этим требованиям добавляется наличие раздельных формирователей сигнала DMACK#.

♦ Для поддержки Ultra DMA 3 и выше (44-100 Мбайт/с) все линии должны иметь раздельные приемопередатчики. Общими могут быть только сигналы RESET#, INTRQ, DA(2:0), CS0#, CS1# и DASP#, но стандарт этого не рекомендует.

Поскольку скорость программного обмена задается хост-адаптером, интересно индивидуальное программирование режимов PIO Mode для каждого канала/устройства. Ряд чипсетов этого не допускает и при инициализации назначает общий минимальный режим. В результате подключение «тихоходного» устройства замедляет обмен быстрого соседнего устройства.

Современные системные платы оснащаются высокопроизводительными контроллерами шины ATА, обеспечивающими прямое управление шиной PCI (bus mastering) при обмене с устройствами в режимах DMA и Ultra DMA. Прямое управление шиной повышает суммарную производительность компьютера в многозадачных и многопоточных операционных системах. Сами по себе режимы DMA не дают выигрыша в скорости обмена по шине ATA — только режимы UltraDMA Mode 1 и выше превосходят по скорости режим PIO Mode 4 (см. табл. 9.7). Однако обмен в режиме DMA значительно меньше загружает центральный процессор компьютера, и параллельно с дисковым обменом процессор может заниматься обработкой других потоков (задач). В однозадачных (и однопоточных) системах во время дискового обмена процессор все равно ничем другим не занимается, поэтому для них хорош и режим PIO Mode. Для реального использования режима прямого управления в операционной системе должен быть установлен специальный драйвер Bus-Master, соответствующий используемому контроллеру ATA (как правило, чипсету системной платы). Стандартный контроллер PCI IDE описан ниже. Операционная система MS-DOS режимы DMA (и прямое управление) не использует. Для многозадачных ОС (Windows 9x/NT/2000, OS/2, Unix, Linux, NetWare…) драйверы могут входить в комплект поставки ОС или поставляться производителями системных плат (контроллеров ATA). И наконец, режим DMA должны поддерживать подключаемые устройства. Практически все современные устройства поддерживают Ultra DMA (или Multiword DMA), но если в паре с таким устройством к одному контроллеру подключено старое устройство, не поддерживающее этот режим, то прогрессивные режимы могут оказаться недоступными (по вине чипсета или драйвера) и для нового устройства.

ВНИМАНИЕ

Режим UltraDMA привлекателен не только скоростью и разгрузкой процессора, но и контролем достоверности передач по шине ATA (правда, этот контроль корректно работает не со всеми драйверами).

Поскольку контроллеры ATA подключаются к 32-разрядной шине PCI, в них ввели возможность обращения к регистру данных ATA двойными словами. При этом за одну 32-битную операцию процессора и шины PCI по шине ATA последовательно передаются два 16-битных слова. Возможностью 32-разрядного доступа к регистру данных можно управлять через параметр IDE 32-bit Transfer (Enable/Disable) BIOS Setup.

Более сложные контроллеры (отдельные карты расширения) могут иметь собственную кэш-память и управляющий процессор. Они могут аппаратно поддерживать «зеркальные» диски и организовывать RAID-массивы ATA-дисков. Некоторые адаптеры позволяют соединять несколько физических дисков в один логический на уровне вызовов BIOS.

Адаптеры ATA одно время часто размещали на звуковых картах (для подключения CD-ROM). По умолчанию им назначают ресурсы канала 3 или 4. К этим каналам можно подключать винчестеры, но будет ли их там искать BIOS во время теста POST — вопрос. Современные версии BIOS позволяют хранить конфигурационные параметры четырех жестких дисков, более старые версии — двух. Четыре канала ATA физически позволяют подключить до восьми накопителей, но работа с ними лимитирована программными ограничениями.

Существуют гибридные адаптеры для подключения ATA HDD к шинам XT и MCA или, например, к LPT-порту. В последнее время получили распространение переходные адаптеры, позволяющие подключать устройства ATA/ATAPI к шине USB. При использовании USB 2.0 простота подключения внешнего устройства будет сочетаться и с высокой скоростью передачи данных.

Контроллер PCI IDE

Для шины PCI существует стандартный вариант интерфейса контроллера IDE (название «ATA» здесь не очень уместно, поскольку оно ориентировано на ISA-подобную шину). Спецификация «PCI IDE Controller Specification» появилась еще в 1994 году, она описывала реализацию контроллера, совместимого с интерфейсом ATA. По сравнению с обычным контроллером, у данного контроллера в блоке управляющих регистров имеется лишь один адрес (устаревший регистр адреса недоступен). Чуть позже была опубликована спецификация «Programming Interface for Bus Master IDE Controller», описывающая работу с устройствами в режиме DMA с прямым управлением шиной. Двухканальный контроллер является одной функцией PCI; четырехканальный контроллер будет уже многофункциональным устройством PCI. Для контроллера определены два режима распределения ресурсов:

♦ режим совместимости (compatibility), в котором каналам выделяются традиционные области адресов ввода-вывода и линии прерываний;

♦ естественный режим PCI (native-PCI), в котором базовые адреса блоков регистров и линии прерывания задаются в регистрах конфигурационного пространства и могут быть произвольно перемещаемы в любую область.

Распределение ресурсов для контроллера приведено в табл. 9.9. В режиме совместимости контроллер может работать только на первичной шине PCI, поскольку мост PCI-PCI не будет транслировать обращения по стандартным адресам на другую шину. В режиме PCI с перемещаемыми ресурсами контроллер может находиться на любой шине. Конкретный контроллер может поддерживать изменение режима или один из режимов. Если контроллер по умолчанию (или всегда) работает в режиме совместимости, то для ПО он «прозрачен» — работа с ним не отличается от традиционного контроллера ATA. Текущий режим и возможность его смены отражается в байте программного интерфейса, являющегося последним элементом идентификатора класса устройства. Байт интерфейса имеет следующее назначение битов:

♦ бит 7 (bus mastering) — возможность работы в режиме прямого управления;

♦ биты 6:4 — 000 (признак стандартного интерфейса, соответствующего PCI IDE Controller Specification);

♦ бит 3 — индикатор программируемости режима для второго канала (возможности изменения бита 2);

♦ бит 2 — режим второго канала: 0 — совместим со стандартным контроллером ATA IDE, 1 — PCI IDE;

♦ бит 1 — индикатор программируемости режима для первого канала (возможности изменения бита 0);

♦ бит 0 — режим первого канала: 0 — совместим с ATA IDE, 1 — PCI IDE.

Таблица 9.9 . Ресурсы контроллера PCI IDE

Ресурс	Режим совместимости: ресурсы для каналов	Естественный режим PCI: базовый адрес (смещение в конфигурационном пространстве) для канала
1
Блок командных регистров	1F0h-1F7h	170h-177h	10h	14h
Блок управляющих регистров	3F6h	376h	18h	1Ch
Прерывание

Типовой контроллер имеет класс 01:01:80h и реализован в чипсетах большинства современных системных плат. Контроллер выглядит как расширение стандартного ATA-контроллера, обеспечивающего доступ к регистрам устройств ATA/ATAPI по известным адресам. Расширение касается прямого управления шиной PCI (bus mastering), благодаря которому можно реализовать обмен данными с устройствами в режимах DMA. Контроллер позволяет использовать все доступные ему режимы обмена PIO (3,3-16,6 Мбайт/с), режимы DMA в стиле контроллера 8237А (2-16,6 Мбайт/с) и режимы UltraDMA (16,6-100 Мбайт/с). Все настройки временных параметров выполняются через конфигурационные регистры PCI, их состав может быть специфичным. Однако с этими регистрами должна иметь дело только процедура POST, устанавливая для каждого обнаруженного устройства ATA/ATAPI оптимальные режимы PIO и DMA/UltraDMA. В эти настройки может вмешаться пользователь, установив какие-либо ограничивающие параметры в BIOS Setup. В итоге после конфигурирования во время POST при обращении программ к устройствам остается выбор лишь между PIO и DMA (если устройство поддерживает DMA). Для обмена в режиме PIO никаких специальных действий не требуется, программа просто выполняет чтение или запись в регистр данных командами REP INS/OUTS. Для обмена в режиме DMA требуется «зарядить» и запустить контроллер прямого управления, о чем и пойдет речь ниже.

Двухканальный контроллер имеет 16-байтный блок регистров, расположенный в пространстве портов ввода-вывода. Базовый адрес блока хранится в конфигурационном пространстве устройства по смещению 20h (берутся младшие 16 бит двойного слова). Расположение регистров в блоке показано в табл. 9.10, имена регистров имеют префикс BMI (Bus Master IDE) и окончание P (Primary) для первого канала, S (Secondary) — для второго; в описании будем использовать окончание x (любой канал).

Таблица 9.10 . Блок регистров контроллера PCI IDE

Смещение для канала	Длина, байт	Регистр для первого/второго каналов
	2
	8	1	BMICP/BMICS (RW) — регистр команд : бит 0: 1 — запуск, 0 — останов; бит 3 — направление: 0 — чтение памяти, 1 — запись в память; биты 1–2, 3–7 — резерв (0)
	9	1	Резерв (0)
	0Ah	1	BMISP/BMISS — регистр состояния : бит 0 (R/O) — активность канала; бит 1 (RWC) — ошибка обмена по PCI; бит 2 (RWC) — запрос прерывания от устройства; биты 3–4 — резерв (0); бит 5 (RW) — устройство 0 поддерживает DMA; бит 6 (RW) — устройство 1 поддерживает DMA; бит 7 — признак симплексного режима (1, если каналы не могут работать одновременно)
	0Bh	1	Резерв (0)
	0Ch	4	BMIDPTP/BMIDPTS (RW) — адрес таблицы дескрипторов

Регистр команд BMICx, доступный по чтению и записи, используется для запуска контроллера и задания направления передачи. Запуск осуществляется при переходе бита 0 из нуля в единицу, останов для текущего сеанса необратим. Останов контроллера (сброс бита) обычно выполняют по окончании выполнения команды ATA/ATAPI (по прерыванию). Преждевременный останов приведет к ошибке выполнения команды с соответствующим сообщением. Направление должно быть задано до запуска контроллера, изменять его «на ходу» нельзя.

В регистре состояния BMISx биты 1 и 2 устанавливаются аппаратно, а сбрасываются при записи байта с единичным значением в соответствующем бите. После сброса бита запроса прерывания он снова установится только по следующему фронту сигнала прерывания от устройства. Биты 5 и 6 устанавливаются программно, обычно когда POST определяет возможности подключенных устройств и программирует режимы контроллера. Регистр состояния должен быть прочитан после завершения выполнения команды для определения успешности операций на шине PCI.

В регистр BMIDPTx заносят адрес таблицы дескрипторов областей памяти , с которыми производится обмен данными. Контроллер способен при чтении памяти собрать поток данных из произвольного числа областей (gathered read), а при записи «разбросать» поток по этим областям (scatter write). Такая возможность встречалась еще в EISA-системах, она позволяет преодолевать барьеры на границах страниц, свойственные стандартным контроллерам DMA и страничной переадресации процессоров х86. Каждый дескриптор занимает 8 байтов:

♦ байты 0–3 (двойное слово) — физический адрес начала области (четный);

♦ байты 4–5 (слово) — счетчик байтов (четный, 0000 соответствует 65 536);

♦ байты 6–7 (слово) — признак конца таблицы (бит 15), биты 0-14 не используются (0).

Каждая область может быть расположена в произвольном месте памяти (кроме отображаемой на шину ISA) и иметь произвольный размер, но не должна пересекать границы страниц размером 64 Кбайт. Таблица дескрипторов должна быть выровнена по границе двойного слова и не должна пересекать границы страниц, имеющих размер 64 Кбайт. Число дескрипторов в таблице произвольно, последний должен содержать признак конца таблицы. Обмен начинается с области, описанной первым дескриптором; за ней идет область следующего дескриптора и так далее до последнего. Контроллер остановится по исчерпании счетчика в последнем дескрипторе или по инициативе устройства, если в обмене должно участвовать меньшее число данных. Если устройству данных не хватит, оно укажет на ошибку при завершении команды.

После запуска контроллера второй и нулевой биты регистра состояния отражают следующие ситуации:

♦ 0,1 — происходит обмен с памятью, прерывания по концу операции еще нет;

♦ 1,0 — обмен завершен, переданный объем соответствует объему описанных буферов (нормальное завершение);

♦ 1,1 — устройство завершило обмен, но по команде ATA передано меньше данных, чем описано в таблицах (допустимое завершение);

♦ 0,0 — ошибка на шине (бит 1), или в таблицах описано меньше данных, чем в команде ATA.

Конфигурирование устройств

Устройства ATA перед подключением к шине должны быть корректно сконфигурированы. Конфигурирование подразумевает выбор типа интерфейса и определение адреса устройства. Тип интерфейса — XT или AT — определяется моделью накопителя. В изделиях фирмы Seagate, например, тип обозначается последней буквой в шифре модели: А — ATA (16 бит,) X — для XT (8 бит), а сочетание АХ означает возможность выбора AT/XT с помощью джампера.

Существует два способа задания адреса устройства — кабельной выборкой или явным заданием адреса на каждом из устройств. Режим кабельной выборки включается перемычкой CS (Cable Select — кабельная выборка). В этом случае оба устройства на шине конфигурируются одинаково — в режим CS, а адрес устройства определяется его положением на специальном ленточном кабеле (см. рис. 9.3). Кабельная выборка будет работать, если она поддерживается и задана на всех устройствах канала, включая хост-адаптер, который обеспечивает заземление контакта 28. При этом способе задания адресов синхронизация шпинделей накопителей через тот же провод контакта 28 исключается (актуально в RAID-массивах). Кабельная выборка применяется редко. Ее условное преимущество — унификация конфигурирования устройств, а недостатком является привязка физического положения устройств к кабелю — ведущее устройство должно быть ближе к адаптеру, чем ведомое. Возможно подключение адаптера к среднему разъему, а устройств — к крайним, но это не всегда удобно.

Более распространен режим явной адресации, при котором используется обычный «прямой» кабель (см. рис. 9.2). В этом случае перемычка CS не устанавливается, а адрес устройства задается перемычками, состав которых варьируется. В принципе, достаточно лишь указать устройству его номер (0/1), но в устройствах, разработанных до стандарта ATА, ведущему устройству «подсказывали» о наличии ведомого (по интерфейсу ATA оно могло бы определить это само по сигналу DASP#). Ниже перечислены комбинации джамперов, которые можно увидеть на устройствах IDE.

♦ M/S (Master/Slave — ведущее/ведомое) — переключатель адреса. Если на шине присутствует одно устройство, оно должно быть сконфигурировано как ведущее. Если на шине два устройства — одно должно быть ведущим, другое ведомым. Иногда джампер обозначается как C/D (диск C:/диск D:), но для второго канала IDE такое название некорректно. Когда появились первые IDE-диски емкостью 1 Гбайт, для преодоления барьера в 504 Мбайт некоторые модели допускали конфигурирование в виде двух устройств (0 и 1) половинной емкости. В таком режиме на их ленточный кабель IDE второе физическое устройство подключать нельзя.

♦ SP (Slave Present), DSP (Drive Slave Present), Master but Slave is not ATA-compatible или Master but Slave uses only PDIAG-signal — устанавливается на ведущем устройстве для указания на присутствие ведомого. Если переключатель установлен, а ведомое устройство не подключено, POST даст сообщение об ошибке. Джампер применяется для дисков, не использующих сигнал DASP#.

♦ Single Drive — джампер, устанавливаемый на устройстве, если оно единственное на шине (встречается на дисках Western Digital). Устройство будет ведущим.

♦ ACT (Drive Active) — джампер, соединяющий линию DASP# с формирователем сигнала активности устройства. Устанавливается на устройстве 0, встречается редко.

♦ HSP — джампер, заземляющий линию DASP# (положение, взаимоисключающее ACT). Устанавливается на устройстве 1 для сигнализации о его присутствии (встречается редко).

Для полностью ATA-совместимых дисков правильно сконфигурированные устройства определяются автоматически. Современные контроллеры ATA позволяют подключать даже единственное устройство как ведомое — интерфейсные функции ведущего берет на себя контроллер.

Разобраться с джамперами старых устройств трудно, если нет документации, однако обширная база данных по разным моделям встроена в справочный файл утилиты Disk Manager. У современных устройств лишние джамперы упразднили, а существующие комментируются на наклейке (шильдике). Если джамперы устанавливаются рядом с интерфейсным разъемом, вероятно, они расположены в соответствии со стандартом ATA (см. рис. 9.5).

ВНИМАНИЕ

Следует учитывать, что перестановка джамперов часто воспринимается устройством только по включении питания. Кроме того, установка на один ленточный кабель двух разнотипных устройств, если они не являются ATA-устройствами, часто невозможна.