Ultra ATA/66 - очередное устранение скоростных барьеров


Эволюция интерфейса
   Ultra ATA/66 - самый новый из стандартов передачи данных по интерфейсу IDE и, как и сам интерфейс, является недорогим способом подключения жестких дисков, допуская при этом высокую скорость передачи данных. Как и его предшественник Ultra ATA/33, он был предложен компанией Quantum и принят большинством производителей дисков и наборов системной логики. Этот стандарт также известен под именем Ultra DMA/66.
   По сравнению с Ultra ATA/33, Ultra ATA/66 удваивает предельное значение для скорости передачи данных между кэш-буфером жесткого диска и системной шиной - до 66.6 МБ/с, против 33.3 МБ/с у Ultra DMA/33. Несмотря на то, что ограничения на быстродействие дисков накладываются, прежде всего, их механическими характеристиками и технологией изготовления компонентов, задача разработчиков электроники и протоколов передачи данных состоит в том, чтобы не допускать сближения пиковых значений внутренней скорости передачи данных между рабочими поверхностями через головки во внутренний кэш дисков с ограничениями кремния. Благодаря удвоенному .запасу прочности. Ultra ATA/66 гарантирует в еще большей степени, чем Ultra ATA/33, что электроника дисков и материнских плат не окажется узким местом при передаче данных, особенно при операциях последовательного чтения и записи. Кроме этого, Ultra ATA/66 обеспечивает целостность данных, что имеет большое значение для интерфейса EIDE, недостатком которого является слабая помехозащищенность. Для этого вводится добавочное экранирование с использованием 40-контактного 80-жильного кабеля и проверка ошибок по циклически избыточному коду CRC (Cyclic Redundancy Check).
   Дополнительные к обычным 40 линиям сигнала и земли еще 40 линий заземления уменьшают наводки и повышают качество сигнала. Разъем является совместимым по контактам с существующей 40-контактной распайкой, что минимизирует дополнительные расходы на кабель нового типа.
   Предшествующий Ultra ATA/66 протокол передачи данных Ultra ATA/33 гарантирует потоки данных с максимальной пиковой скоростью 33.3 МБ/с. В свою очередь, до появления Ultra ATA/33, его роль играли стандарты передачи данных с участием центрального процессора PIO Mode 4 и пакетных посылок с непосредственным доступом к системной памяти DMA Mode 2 и предельной скоростью 16.6 МБ/с .
   Ultra ATA/66 вдвое превышает возможности Ultra ATA/33 и вчетверо - PIO Mode 4/DMA Mode 2. Развитие возможностей интерфейса происходит на сигнальном уровне, путем изменения спецификации следования данных синхронизирующим импульсам. С изменением механических параметров современных жестких дисков, скоростей их вращения, совершенствованием подвесок головок, изменением их типа, материала и технологии нанесения магнитного слоя на рабочие поверхности дисков, внутренняя скорость передачи данных заметно возросла и будет расти дальше, все больше приближаясь к пределам, задаваемым интерфейсом диска с системной шиной.
   Ultra ATA/66 приводит в разумное соответствие эффективную скорость передачи по системной шине с внутренней скоростью дисков. Новый протокол позволяет гарантировать большую пропускную способность шины, что особенно актуально для режимов последовательной непрерывной передачи данных, характерных для аудио/видеоприложений. Скорость передачи данных в системную шину и из нее должна превышать внутреннюю скорость работы с поверхностью, в противном случае производительность падает - необходимы дополнительные обороты привода для опустошения буфера при считывании с поверхности и наполнения его при записи. Бороться с этим можно, увеличивая размер кэш-буфера диска или повышая эффективность его обменов с системной шиной. Первый способ связан с использованием дорогостоящей памяти и противоречит самому назначению IDE-дисков, производители же всячески минимизируют размер кэша. Приводимый график отражает тенденцию роста внутренней скорости передачи данных, подтверждая необходимость увеличения интерфейсной скорости. Из него следует, что пределы Ultra ATA/33 будут достигнуты во второй половине 1999 года, а значит, время Ultra ATA/66 пришло.

   Графиком подтверждается, что интерфейсная скорость передачи данных удваивается каждые три года. Ultra ATA/66 прекратит существование где-то к 2002 году.

   Предшествующие этапы, пережитые индустрией, были связаны с реализацией:
    PIO Mode 4 и DMA Mode 2, 16.6 МБ/с в 1994.
    Ultra ATA/33, 33.3 МБ/с в 1997.
    Ultra ATA/66, 66.6 МБ/с в 1999.
   Продолжающееся увеличение емкости дисков и скоростей их вращения, внутренние их скорости также продолжают расти. Передача больших по размеру файлов, особенно записанных последовательно на диск, особенно чувствительна к возможностям интерфейса. При последовательном чтении диск, благодаря высокой внутренней скорости, может наполнять буфер быстрее, чем система считывает из него данные. Производительность дисковой подсистемы чаще всего падает из-за таких узких мест. Ultra ATA/66 - средство усовершенствования интерфейса, актуальное именно сейчас в силу изменения структуры потоков передаваемой информации в сторону мультимедийных данных.
 

   Ultra ATA/66 гарантирует целостность данных
   Стандартная передача данных по ATA-шине в спецификации DMA Mode 2 (16.6 МБ/с состояла из посылок данных, синхронизируемых импульсами, но только по переднему фронту строб-сигнала. Основная идея расширения Ultra ATA/33 состояла в использовании и переднего, и заднего фронтов сигнала для синхронной передачи данных, достигая удвоенной скорости передачи данных без увеличения частоты импульсов. Имея жесткий диск в качестве генератора и импульсов и данных в процессе чтения, спецификация Ultra ATA/33 исключала задержки прямого и обратного прохождения данных, что позволило улучшить временную диаграмму передачи. Ultra ATA/66 использует ту же частоту следования строб-импульсов, но опять удваивает пиковое значение возможной скорости передачи, на этот раз за счет уменьшения времени вхождения в режим передачи. Тактирование данных происходит вдвое быстрее. Однако при этом для обеспечения целостности данных требуется новый 80-жильный кабель. Стандартный 40-контактный 40-жильный кабель не справляется с обработкой временных циклов при скоростях передачи порядка 66 МБ/с. 80-жильный кабель будет использоваться с тем же 40-контактным разъемом, но сигнальные линии в нем будут разделены линиями земли, играющими роль экрана. Никакие новые сигналы генерироваться и передаваться не будут.
   В Ultra ATA/33 впервые была применена проверка ошибок по циклически избыточному коду CRC, новая для интерфейса IDE опция, предназначенная для верификации данных. Ultra ATA/66 использует ту же процедуру: CRC рассчитывается в момент передачи хост-системой и жестким диском и информация размещается в соответствующих CRC-регистрах. После каждого пакета данных хост-система посылает содержимое CRC-регистра жесткому диску, который сравнивает полученное значение со своим. При этом в случае расхождения, переданные данные запрашиваются еще раз.
 

Совместимость и требования к системе
   Протокол и команды Ultra ATA/66 совместимы с существующими ATA-устройствами и системами. Диски, реализующие Ultra ATA/66, полностью совместимы назад с предыдущими ATA-режимами, включая Ultra ATA/33. Более медленные режимы будут обслуживаться с другими тактовыми сигналами и распределением временных интервалов. При переносе диска в систему нового стандарта потребуется замена стандартного 40-контактного интерфейсного кабеля на новый, 40-контактный 80-жильный. Обратное также верно: для дисков стандарта Ultra ATA/33 и старше, подключаемых к системам, логика которых в состоянии реализовывать Ultra ATA/66, скорость передачи данных не может превысить 33 МБ/с. Для реализации в полной мере спецификации Ultra ATA/66 требуется соответствующие диск, набор системной логики и кабель нового образца. (Необходимо отметить, что по технологии UDMA/66 как PC, так и жесткий диск проверяют наличие 80-жильного кабеля, и без него дисковая подсистема будет работать в старом стандарте). Для PC, изначально не поддерживающих Ultra ATA/66, возможна модернизация за счет замены диска на новый, использования Ultra ATA/66 PCI -адаптера и нового кабеля. При этом потребуется масштабирование временных характеристик для реализации нового протокола. Что касается поддержки со стороны операционной системы, то требуется только реализация передачи данных в режиме прямого доступа к памяти DMA. Windows позволяет это осуществлять и не делает различия, в Ultra ATA/33 или Ultra ATA/66 передаются данные.
   Скорости протоколов передачи определяются HDD, контроллером и BIOS материнской платы. Сказанное верно для операционных систем: Windows 98, Windows NT Service Pack 3, Windows 95 OEM Service Release 2.
   Итак, для использования технологии Ultra ATA/66 необходимы:
    - Ultra ATA/66-совместимая логика или на системной плате, или на Ultra DMA PCI-адаптере.
    - Ultra DMA cовместимый BIOS. - DMA-драйвер устройства под операционную систему.
    - Ultra ATA/66-совместимое IDE-устройство (жесткий диск, CD-ROM, и.т.д).
    - 40-контактный 80-жильный кабель.
 
Время пришло...
   Время для интерфейса Ultra ATA/66 пришло по двум причинам. Активно обсуждавшийся переход к высокоскоростной последовательной шине IEEE 1394 (FireWire) и перевод дисков в настольных системах на этот интерфейс до сих пор не перешел в стадию принятия спецификаций. В частности, корпорация Intel исключила из разработки мостовой части своих новых чипсетов PIIX6 упоминание о 1394, что говорит о задержке внедрения этого интерфейса. В то же время непрерывный рост типичных скоростей передачи данных в жестких дисках за счет увеличения линейной плотности записи на поверхность и ускорения приводов обещает к концу 1999 года выйти на ограничения Ultra ATA/33. Для поддержания роста производительности предельная скорость интерфейса должна также возрасти. Как результат, в индустрии ожидается в 1999 году поддержка Ultra ATA/66 новыми продуктами: Western Digital, Fujitsu, IBM, Maxtor, Quantum, Seagate, Toshiba и другими.
 
  Компания Western Digital стала пионером-первопроходцем стандарта Ultra ATA/66 среди всех производителей накопителей, оснастив последнее семейство EIDE-дисков Caviar, с емкостью 4.3 ГБ на пластину (старший представитель AC313000 - 13 ГБ) электроникой Ultra ATA/66.
   Очевидно, в самом скором времени появятся соответствующие продукты конкурирующих производителей. Несмотря на то, что диски первой волны, оснащенные новой электроникой, не развивают тех скоростей, для которых критично введение спецификации, их появление надо рассматривать как внедрение и обкатку стандарта будущего. Точно так же обстояли дела с появлением Ultra ATA/33. До сих пор большинство дисков, не то что не приближаются к его ограничениям 33 МБ/с, но даже в пиковом режиме не превосходят значений DMA Mode 2 16.6 МБ/с, но зато разработка и расчетное поведение новых продуктов никак не сдерживается ограничениями электроники дисков или системной логики материнских плат. Что касается поддержки Ultra ATA/66 на уровне системной логики, то пока что она реализована только альтернативными Intel разработчиками чипсетов - VIA Technologies и Silicon Integrated Systems (SiS). Ultra ATA/66 - совместимыми являются наборы логики VIA MVP4 под Socket 7 и VIA Apollo Pro под Slot 1 (в состав обоих входит South Bridge VT82c596, отвечающий за поддержку периферийных устройств). Компания SiS реализовала поддержку стандарта в чипе SiS 530 под Socket 7, в состав которого входит Ultra ATA/66 IDE-контроллер. Надо полагать, BIOSы материнских плат, разработанных на новых наборах, будут позволять работать с временными характеристиками новой спецификации. Что же касается Intel, то поддержка Ultra ATA/66 будет реализована в контроллере PIIX6, который войдет в состав нового чипсета i820 во втором квартале следующего года.

Материал подготовлен автором web-сайта iXBT.com