Highspeed IDE: Sériové rozhraní ATA

V současné době se přenos dat ve stále větší míře zajišťuje sériovým způsobem. Tento trend zasáhl také parale...


V současné době se přenos dat ve stále větší míře zajišťuje sériovým způsobem.
Tento trend zasáhl také paralelní rozhraní ATA, přes které bylo až dosud možné
přenášet data rychlostí až 100 MB/s. Tím však bylo z ryze technických důvodů
dosaženo maximálních možností, které tato technologie nabízí. Implementace
technologie sériového rozhraní ATA by měla umožnit dosažení přenosových
rychlostí až 150 MB/s. A další vývoj dokonce předpokládá, že se tato hodnota
ještě zdvojnásobí.
Za účelem dosažení zmíněných hodnot vzniklo sdružení sedmi firem, jmenovitě
jsou to APT Technologies, Dell, IBM, Intel, Maxtor, Seagate a Quantum, které
vypracovalo předběžnou specifikaci. Nová technologie slibuje softwarovou
kompatibilitu, nižší energetickou spotřebu, vyšší přenosovou rychlost, menší (a
tedy levnější) konektory a tenčí a delší propojovací kabely.
Slíbené výhody přiměly dalších asi 60 firem, aby se připojily k pracovní
skupině "Serial ATA Working Group" a včas začaly s implementací specifikace
rozhraní.

Architektura
Paralelní rozhraní ATA se vyznačuje strukturou sběrnice s jedním zařízením typu
Master (počítač) a dvěma typu Slave (diskové, disketové, CD-ROM apod.
jednotky). Současné čipové sady nabízejí většinou dvě sběrnice ATA, díky kterým
lze obsluhovat až čtyři zařízení. Naproti tomu sériové rozhraní ATA používá až
čtyři přímá spojení typu point-to-point mezi čipovou sadou rozhraní umístěnou
přímo na základní desce počítače nebo rozšiřující kartou a jedním externím
zařízením na každý propojovací kabel. Díky tomu odpadají problémy s jumpery a
se zakončováním sběrnice, neboť každé propojovací vedení je vždy zakončeno na
konci čipu. Zároveň je tím vyloučen neblahý vliv jednoho vadného zařízení na
ostatní připojené datové jednotky.
Sériové rozhraní ATA bylo vyvinuto primárně pro práci s datovými jednotkami
(pevné disky, CD-ROM, DVD apod.), které jsou umístěny přímo ve skříni počítače
a připojeny pomocí krátkých kabelů. Nepočítá se s připojováním externích
periferních zařízení, jakými jsou např. skenery či tiskárny. V rámci
specifikace sériového rozhraní ATA je pamatováno rovněž na řízení spotřeby
elektrické energie (nízká, nebo v definovaných úrovních), což je důležité
zejména pro přenosné počítače napájené z baterií.
S cílem zajistit i při vysokých přenosových rychlostech dat co nejnižší
chybovost bude sériové rozhraní ATA rozšířeno také o funkci na zjišťování a
korekturu chyb. Existují také plány na volitelná rozšíření nebo případná
pozdější doplnění. Mezi ně lze počítat např. možnosti výměny zařízení za chodu
(hot-plug).

Elektrická specifikace
Při přenosové rychlosti 150 MB/s vychází nominální doba zpracování jednoho bitu
na 666 ps. V dlouhodobých plánech se počítá s tím, že během doby předpokládané
životnosti sériového rozhraní ATA, tj. během 10 let, dojde ke zvýšení přenosové
rychlosti nejdříve na 300 MB/s a poté na 600 MB/s.
Pro zajištění fyzického přenosu dat bylo zvoleno kódování typu NRZ
(Non-Return-to-Zero) s napěťovými skoky mezi +250 mV a -250 mV kolem společného
středu. Tento způsob kódování odpovídá široce rozšířené technologii LVDS, která
v současné době již tvoří standard v případě všech rychlých a nových variant
rozhraní SCSI. U této technologie prakticky odpadají problémy s
elektromagnetickou kompatibilitou, neboť při tak nepatrných napěťových
rozdílech se přenášejí pouze malé výkony.
Aby se zabránilo jednostrannému nabíjení přenosového kabelu, je nezbytné v
častých intervalech měnit napěťové úrovně. Toho lze dosáhnout např. použitím
kódování 8B/10B na přenosové trase. V rámci tohoto kódování dochází k převodu
jednoho bajtu na jednotku o velikosti 10 bitů. S pomocí dvou takto nově
zavedených bitů je zajištěno, že i v rámci jedné přenosové jednotky se vyskytne
alespoň jedna změna napětí, která se postará o vybití kabelu. Kromě toho logika
během provozu zajišťuje dynamickou korekci parametrů vedení, která se projeví
ve stabilním provozu rozhraní. Již první specifikace sériového rozhraní ATA
bere ohled také na potřeby přenosných PC napájených z vlastních baterií a
pokouší se udržovat spotřebu elektrické energie na co možná nejnižší úrovni. Za
účelem srovnávání byla definována nová měrná jednotka. U běžných systémů ATA
činí spotřeba přibližně 1,85 x 10-9 joulů/bajtů, v případě sériového rozhraní
ATA by tato hodnota měla být pouze 8,6 x 10-11 joulů/bajtů. Tedy ve srovnání se
sériovým rozhraním ATA spotřebovává paralelní přenos dat více než dvacetkrát
větší množství elektrické energie. Toto srovnání však nebere v potaz spotřebu
řídicí elektroniky.

Kabely a konektory
Dnes používané systémy UltraDMA/66/100 pracují s konektory s 80 kontakty, které
nahradily známé 40pinové konektory definované původní specifikací ATA. Sériové
rozhraní ATA si vystačí s kabelem o 6 nebo 8 žilách. Jako konektor poslouží 6
nebo 8pinový nástupce dosavadních 40pinových propojek.
Sériové rozhraní ATA není sběrnice, jeho topologie je hvězdicovitá. Použita
jsou tedy pouze spojení typu bod-bod bez volby sběrnice
(arbitration/negotiation). Vysílání a příjem dat běží odděleně vždy na jednom
kabelovém páru. Přenosová technologie LVDS využívá diferenční metodu přenosu
(symetrický přenos). Z toho důvodu je pro přenos každého signálu zapotřebí
jeden kabelový pár. V případě paralelních verzí rozhraní ATA jsou signální a
napájecí kabely odděleny a vyvedeny na různých kontaktech konektoru. U
sériového rozhraní ATA je napájení vedeno po stejném kabelu jako signály
reprezentující data a vyústěno na společné kontakty konektoru.

Protokol
Přenosový protokol pro sériovou sběrnici ATA je symetrický s potvrzováním
přenosu. Tímto způsobem je přenos zajištěn a může být řízen z obou stran
kabelu. Hodnota BER (Block Error Rate) se má pohybovat někde na úrovni 10-12.
Jinými slovy, jedna neopravená chyba se v průměru přihodí na úspěšně
přenesených 10 bilionů (1012) bloků.
Technologie sériového přenosu dat pracují převážně bez vlastního taktovacího
vedení podél přenosové trasy. Je tedy na přijímači, aby si takt odvodil z
došlých dat. Nesmí proto docházet k situacím, kdy by se přenášely příliš dlouhé
sekvence dat, aniž by se při tom měnila úroveň napětí. V takových případech by
totiž mohl přijímač ztrácet synchronizaci. Aby se takovým situacím zabránilo,
vstupuje do hry již zmíněné kódování typu 8B/10B aplikované na přenosovou trasu.
Softwarová kompatibilita je definována až na úroveň registrů. Potvrzování je
tedy omezeno na úroveň ležící těsně pod úrovní registrů. Přenos mezi aplikací a
lokálním modulem pro příjem nebo vysílání není, tak jako doposud, nijak zvlášť
zajištěn. Podobně jako je tomu u novějších verzí rozhraní SCSI, mělo by také
sériové rozhraní ATA samo sdělit hodnotu možné přenosové rychlosti.

Produkty
Na konferenci WinHEC pořádané v květnu minulého roku představily společnosti
Vitesse a APT Technologies poprvé přenos dat přes sériové rozhraní ATA
rychlostí 150 MB/s. Přenos dat na spojové a transportní vrstvě sériového
rozhraní ATA zajišťovaly CMOS transceivery s visačkou firmy Vitesse. Za základ
přenosového protokolu posloužil návrh 0.7 specifikace sériového rozhraní ATA.
V srpnu téhož roku, na akci Intel Developer Forum, byly představeny první
výrobky umožňující přenos dat přes sériové rozhraní ATA. Přenos byl
demonstrován mezi pevným diskem s vestavěným sériovým rozhraním ATA od firmy
Seagate na jedné straně a hostitelským PCI adaptérem společnosti APT
zabudovaným do počítače s Pentiem 4 na straně druhé. Rozhraní není dosud
integrováno v žádné ze současných čipových sad.

Normy
Stěžejním požadavkem na sériové rozhraní ATA je absolutní softwarová
kompatibilita s dosavadními paralelními rozhraními ATA. K tomu nemají přibýt
ani žádné speciální novinky. Rozhraní ATA zůstává z pohledu uživatele a
operačního systému zcela neměnné.
Dnešní podoba specifikace je výsledkem několika návrhů vzešlých od různých
firem, které byly postupem doby dopracovány všemi ostatními výrobci zařízení a
základních desek. Teprve poté vstoupil do hry výbor ANSI-T13 a chopil se
normalizace. Od té doby vzhledem k rychlým změnám v této oblasti trhu vychází
doplněná verze specifikace pravidelně každý rok.
Poté definoval výbor s názvem Small Form Factor (SFF) další rozšíření
specifikace také na rozhraní ATAPI a toto předal výboru ANSI-T13 k normalizaci.
Dnes již společná specifikace rozhraní ATA a ATAPI představuje dokument o více
než 400 stranách.
Kabely pro připojení přes paralelní sběrnici ATA se rozšířily na 80 žil (dříve
40 žil). Prameny byly přidány zejména kvůli stínění a zpětnému vedení proudu
kabelem. Oba důvody jsou při současných velmi vysokých přenosových rychlostech
mimořádně závažné a jejich řešení nezbytné. Avšak v případě sériového rozhraní
ATA by se problémy tohoto typu neměly vůbec vyskytovat, proto také ono značné
úsilí uvést novou technologii do života co nejdříve.
V případě sériového rozhraní ATA nedojde ke změně protokolů pro paralelní
přenos dat. Specifikace sériového rozhraní ATA se týká pouze záměny paralelní
přenosové trasy za sériovou a jejího interního protokolu.

Technické údaje o sériovém rozhraní ATA
ParametrHodnota
Napěťové úrovně pro přenos typu LVDS+250/-250 mV
Délka trvání jednoho bitu666,66 ps
Délka kabeluméně než 1 m
Ztráty způsobené odrazy, kabelem a přeslechyméně než 45 % Jitter při 5-500
cyklech21-40 ps
1 1887 / zaj









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.