ATA, IDE und EIDE

April 2015

Einleitung

Der Standard ATA (Advanced Technology Attachment) ist eine Standard-Schnittstelle mit der Peripheriespeichergeräte an Computer des Typen PC angeschlossen werden können. Der Standard ATA ist am 12. Mai 1994 durch das ANSI entwickelt worden (Dokument X3.221-1994).

Trotz der offiziellen Bezeichnung "ATA", ist dieser Standard besser bekannt unter dem Handelsnamen IDE (Integrated Drive Electronics) oder Enhanced IDE (EIDE oder E-IDE).

Der ATA-Standard ist ursprünglich für die Verbindung von Festplatten vorgesehen , eine Erweiterung, genannt ATAPI (ATA Packet Interface) ist jedoch entwickelt worden, um andere Peripheriespeichergeräte anschließen zu können (CD-ROM-Laufwerke, DVD-ROM-Laufwerke, etc) über eine ATA-Schnittstelle.

Seit Erscheinen der Norm Serial ATA (geschrieben S-ATA oder SATA), mit der Daten seriell übertragen werden können, ersetzt der Begriff « Parallel ATA » (geschrieben PATA oder P-ATA) manchmal die Bezeichnung "ATA" um den Unterschied zwischen den beiden Normen hervorzuheben.

Prinzip

Die Norm ATA ermöglicht es Peripheriespeichergeräte direkt an das Motherboard anzuschließen, dank eines IDE-Flachkabels (auf englisch ribbon cable) gewöhnlich bestehend aus 40 parallel liegenden Drähten und drei Steckverbindern (ein Steckverbinder für das Motherboard, meist blau, und die anderen Steckverbinder für zwei Peripheriespeichergerät in schwarz, bzw. grau).

connecteur IDE

nappe IDE

Auf dem Flachkabel muss eines der Peripheriegeräte als Herr (master), deklariert werden, die andere als Sklave (slave). In der Regel ist der äußere Steckverbinder (schwarz) für das Master-Peripheriegerät bestimmt, und der mittlere Steckverbinder (grau) für das Slave-Peripheriegerät. Ein Modus der cable select (geschrieben CS oder C/S) genannt wird, ermöglicht die automatische Definition der Master- und Slave-Peripheriegeräte, solang das BIOS des Computers diese Funktion trägt.

PIO-Modus

Die Übertragung der Daten erfolgt mittels eines Protokolls, genannt PIO (Programmed Input/Output) mit dem die Peripheriegeräte Daten mit dem Arbeitsspeicher austauschen können, über Kommandos die direkt vom Prozessor verwaltet werden. Allerdings können umfangreiche Datenübertragungen auch dem Prozessor eine große Arbeitslast auferlegen und so das gesamte System verlangsamen. Es gibt 5 PIO-Modi, die die maximale Übertragungsrate definieren :

PIO-Modus Übertragungsrate (Mo/s)
Modus 0 3.3
Modus1 5.2
Modus 2 8.3
Modus 3 11.1
Modus 4 16.7

Modus DMA

Die Technik des DMA (Direct Memory Access) ermöglicht es den Prozessor zu entlasten, indem jedes Peripheriegerät direkt auf den Speicher zugreifen kann. Man unterscheidet zwei DMA-Modus-Typen DMA :

  • Der sogenannte "single word" DMA (auf deutsch einzelnes Wort) ermöglicht es bei jeder Übertragungssession ein einzelnes Wort (2 Oktett oder 16 Bits) zu übertragen,
  • Der sogenannte "multi-word" DMA (auf deutsch mehrere Worte) ermöglicht es bei jeder Übertragungssession mehrere Worte nacheinander zu übertragen zu übertragen,

Die folgende Tabelle zeigt die verschiedenen DMA-Modi und die entsprechenden Übertragungsraten an :

DMA-Modus Übertragungsrate (Mo/s)
0 (Single word) 2.1
1 (Single word) 4.2
2 (Single word) 8.3
0 (Multiword) 4.2
1 (Multiword) 13.3
2 (Multiword) 16.7

Ultra DMA

Der ATA-Standard basiert ursprünglich auf einem asynchronen Übertragungsmodus, d.h. dass die Kommando-Sendungen und die Daten-Sendungen in der Frequenz des Busses kadenziert sind und jeweils bei steigender Flanke (auf englisch rising edge) des Taktsignals (strobe) erfolgen. Jedoch erfolgt der Versand von Daten und Kommandos nicht simultan, d.h. dass ein Kommando nicht geschickt werden kann, solang die Daten nicht angekommen sind und umgekehrt.

Um die Datenübertragungsrate zu erhöhen, kann es demnach logisch erscheinen die Frequenz des Taktsignals zu erhöhen. Auf einer Schnittstelle jedoch, in der die Daten parallel gesendet werden, stößt die Frequenzerhöhung auf elektromagnetische Interferenzprobleme.

So ist die Ultra DMA (manchmal auch UDMA geschrieben) mit dem Ziel erdacht worden, die ATA-Schnittstelle zu optimieren. Die erste Idee des Ultra DMA besteht in der Benutzung der steigenden und der fallenden Flanken(falling edges) des Signals für den Transfer, somit ein Geschwindigkeitszuwachs von 100% (mit einer Übertragungsrate die von 16.6 Mo/s auf 33.3 Mo/s steigt). Zusätzlich führt Ultra DMA die Verwendung von CRC-Codierungen ein, um Übertragungsfehler aufzudecken. So definieren die verschiedenen Ultra DMA-Modi die Frequenz der Datenübertragung. Wenn ein Fehler angetroffen wird (wenn der empfangene CRC nicht den Daten entspricht), geht der Transfer in einen niedrigeren Ultra DMA über, oder sogar ohne Ultra DMA.

Ultra DMA-ModusÜbertragungsrate (Mo/s)
UDMA 016.7
UDMA 125.0
UDMA 2 (Ultra-ATA/33)33.3
UDMA 344.4
UDMA 4 (Ultra-ATA/66)66.7
UDMA 5 (Ultra-ATA/100)100
UDMA 6 (Ultra-ATA/133)133

Ab der Ultra DMA Modus 4 ist eine neue Art Flachkabel eingeführt worden um die Interferenzen zu begrenzen; es handelt sich um ein Flachkabel, welches 40 Massedrähte hinzufügt (also insgesamt 80 Stück), die zwischen den Datendrähten liegen um diese zu isolieren, und das die gleichen Steckverbinder besitzt wie das Flachkabel mit 40 Drähten.

nappe IDE 80 connecteurs

Nur die Modi Ultra DMA 2, 4, 5 und 6 sind wirklich implementiert von den Festplatten .

Die ATA-Normen

Der ATA-Standard verfügt über verschiedene Versionen, die nacheinander erschienen sind :

ATA-1

Der Standard ATA-1, bekannt unter dem Namen IDE, ermöglicht den Anschuss von zwei Peripheriegeräten über ein Flachkabel mit 40 Drähten und bietet ein Übertragung von 8 oder 16 Bits mit einer Übertragungsrate von ungefähr 8.3 Mo/s. ATA-1 definiert und erträgt die PIO-Modi (Programmed Input/Output) 0, 1 und 2 sowie der Modus DMA multiword (Direct Memory Access) 0.

ATA-2

Der Standard ATA-2, bekannt unter dem Namen EIDE (manchmal auch Fast ATA, Fast ATA-2 oder Fast IDE), erlaubt den Anschuss von zwei Peripheriegeräten über ein Flachkabel mit 40 Drähten und bietet ein Übertragung von 8 oder 16 Bits mit einer Übertragungsrate von ungefähr 16.6 Mo/s.

ATA-2 erträgt die PIO-Modi 0, 1, 2, 3 und 4 und Modus DMA multiword 0, 1 und 2. Außerdem erlaubt ATA-2 die Begrenzung der maximalen Plattengröße von 528 Mo, die von der Norm ATA-1 definiert ist, auf 8.4 Go zu erweitern, dank des LBA (Large Block Addressing).

ATA-3

Der Standard ATA-3 (ebenfalls ATA Attachment 3 Interface genannt) stellt eine unerhebliche Revision der ATA-2 dar (mit Rückwärtskompatibilität) und wurde 1997 unter dem Standard X3.298-1997 veröffentlicht. Der ATA-3-Standard beinhaltet folgende Verbesserungen :

  • Verbesserte Zuverlässigkeit: ATA-3 verbessert die Zuverlässigkeit bei hoher Geschwindigkeit.
  • Die S.M.A.R.T (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology, zu übersetzen mit Selbstüberwachungs-, Analyse- und Reporttechnologie) : es handelt sich um eine Funktion die die Zuverlässigkeit verbessern und Pannen vorbeugen soll.
  • Sicherheitsfunktion: die Peripheriegeräte können mit einem Passwort geschützt werden, dass im BIOS eingefügt wird. Beim Hochfahren überprüft der Computer ob das im BIOS codierte Passwort mit dem übereinstimmt, das auf der Festplatte gespeichert ist. Dadurch wird insbesondere die Benutzung der Festplatte auf einer anderen Maschine verhindert.
ATA-3 führt keinen neuen Modus ein, erträgt aber die PIO-Modi 0, 1, 2, 3 und 4 sowie die DMA Modi 0, 1 und 2.

ATA-4

Der Standard ATA-4, oder Ultra-ATA/33, ist 1998 unter dem Standard ANSI NCITS 317-1998 definiert worden. ATA-4 ändert den Modus LBA um die maximale Kapazität der Platten auf 128 Go zu erhöhen.

Der LBA-Modus erlaubt eine codierte Adressierung durch ein binäre Zahl von 28 Bits. Jeder Sektor stellt jedoch 512 Oktetts dar, so dass die exakte maximale Kapazität einer Festplatte im LBA-Modus folgende ist :

228*512 = 137 438 953 472 Oktetts
137 438 953 472/(1024*1024*1024)= 128 Go

ATA-5

1999 definiert der Standard ATA-5 zwei neue Transfermodi : Ultra-DMA -Modus 3 und 4 (der Modus 4 wird auch Ultra ATA/66 oder Ultra DMA/66 genannt) Er bietet zusätzlich die automatische Erkennung des verwendeten Flachkabeltypen (80 oder 40 Drähte).

ATA-6

Seit 2001 definiert ATA-6 den Träger für Ultra DMA/100 (auch Ultra DMA-Modus 5 oder Ultra-ATA100 genannt) der ein theoretische Übertragungsgeschwindigkeit von 100 Mo/s erreicht.

ATA-6 definiert auch eine neue Funktion Automatic Acoustic Management (AAM) genannt, die es ermöglicht automatisch die Zugriffsgeschwindigkeit auf die Festplatten anzupassen, die diese Funktion ertragen um so deren Funktionsgeräusch zu vermindern.

Die Norm ATA-6 erlaubt schließlich einen Adressiermodus der Festplattensektoren auf 48 Bits, LBA48 (Logical Block Addressing 48 bits) genannt. Dank des LBA48, ist es möglich Festplatten mit 2^48 Sektoren von 512 Oktett zu verwenden, also eine maximale Kapazität von 2 Peta-Oktett.

ATA-7

ATA-7 definiert den Träger von Ultra DMA/133 (auch Ultra DMA-Modus 6 oder Ultra-ATA133 genannt) mit dem theoretische Übertragungsgeschwindigkeiten von 133 Mo/s erreicht werden.

Zusammenfassende Tabelle

Name ANSI-Norm Synonym Modus (PIO/DMA) Übertragungsgeschwindigkeit (Mo/s) Kommentare
ATA-1 ANSI X3.221-1994 IDE PIO Modus 0 3,3  
PIO Modus 1 5,2
PIO Modus 2 8,3
DMA Modus 0 8,3
ATA-2 ANSI X3.279-1996 EIDE, Fast ATA, Fast ATA-2 PIO Modus 3 11,1 LBA 28 bits
PIO Modus 4 16,7
DMA Modus 1 13,3
DMA Modus 2 16,7
ATA-3 ANSI X3.298-1997   PIO Modus 3 11,1 SMART, LBA 28 Bits
PIO Modus 4 16,7
DMA Modus 1 13,3
DMA Modus 2 16,7
ATA-4/ATAPI-4 ANSI NCITS 317-1998 Ultra-ATA/33, UDMA 33, Ultra DMA 33 UDMA Modus 0 16,7 Ultra DMA 33 und Träger der CD-ROM (ATAPI)
UDMA Modus 1 25,0
UDMA Modus 2 33,3
ATA-5/ATAPI-5 ANSI NCITS 340-2000 Ultra-ATA/66, UDMA 66, Ultra DMA 66 UDMA Modus 3 44,4 Ultra DMA 66, Verwendung eines Kabels mit 80 Stiften
UDMA Modus 4 66,7
ATA-6/ATAPI-6 ANSI NCITS 347-2001 Ultra-ATA/100, UDMA 100, Ultra DMA 100 UDMA Modus 5 100 Ultra DMA 100, LBA48 und Norm AAC (Automatic Acoustic Management)
ATA-7/ATAPI-7 ANSI NCITS 361-2002 Ultra-ATA/133, UDMA 133, Ultra DMA 133 UDMA Modus 6 133 Ultra DMA 133

Weitere Informationen

Alle technischen Angaben finden Sie auf der Website von T13, dem Organismus der mit dem Erhalt des Standards ATA beauftragt ist :

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Ata-ide-und-eide.pdf

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