«Бархатная» революция SerialATA

Serial ATA — стандарт обмена данными, грозящий в самое ближайшее время вытеснить из наших компьютеров привычный Parallel ATA. В чем же суть технологии и каковы ее перспективы?

По данным сайта storagesearch.com, который публикует материалы об этом стандарте начиная с февраля 2001 года, интерес к теме в течение всего этого времени был довольно умеренным (в январе раздел о SerialATA не входил даже в десятку наиболее востребованных), но, начиная с июля текущего года, эта тема вошла в тройку самых популярных, и интерес к ней продолжает постоянно расти. Несмотря на то что о новом стандарте написано уже немало, вопросы у пользователей остаются. Дать ответы на некоторые из них — цель этого материала.

Наверное, правильно было бы начать статью с того, чтобы отдать должное стандарту, который верой и правдой служил без малого целое десятилетие. Столь долгое существование стандарта Parallel ATAPI обусловлено удачными решениями проблем и ограничений, появлявшихся на тех или иных этапах. Его появлению предшествовало ряд технологий, которые тоже было бы логично упомянуть в этой статье.

Новая и новейшая история

Как известно, накопитель на жестких дисках, как и все другие, взаимодействует с системной платой компьютера через свой собственный интерфейс. В самых первых ПК жесткого диска просто не было. Его присутствия, по большому счету, и не требовалось, так как все сопутствующее ПО умещалось на дискетах. Накопители на жестких магнитных дисках использовались только в огромных компьютерах «промышленного» значения. Однако со временем эволюция программного обеспечения потребовала существенных аппаратных улучшений в персональных компьютерах — и таковые не заставили себя долго ждать. Инженерами IBM был сконструирован компьютер со внутренними накопителями на жестких магнитных дисках и с архитектурой х86, названный впоследствии IBM PC XT.

Работу этого винчестера обеспечивал интерфейс MFM (Modified Frequency Modulation). Он поставлялся в виде отдельной платы расширения, рассчитанной на 8-битную шину ISA, и в работе был весьма капризен. Например, необходимо было производить форматирование низкого уровня при каждой смене контроллера, периодически возникала его несовместимость с блоком диско-головок, не говоря уже о том, что передача данных шла на сравнительно низкой скорости. В итоге, MFM не суждено было задержаться надолго, и он вскоре покинул арену, уступив место ESDI (Enhanced Small Device Interface). Последний, по сути, являлся доведенной «до ума» модификацией MFM, к тому же в нем был применен новый тип кодирования информации — RLL (Run Length Limited). Однако и этому интерфейсу предстояло кануть в лету в месте с машинами типа ХТ.

И тут мы подходим непосредственно к стандарту ATA. В 1989 году компании Western Digital, Compaq и Control Data Corporation предложили новый интерфейс, который выгодно отличался от всех предыдущих благодаря использованию контроллеров, встроенных в накопители. Новый стандарт имел ряд несомненных преимуществ: низкую себестоимость, относительно высокие скорости передачи, отличную совместимость, он был также прост в установке и конфигурировании и т. д. И в 1994 г. увидел свет первый стандарт АТА (AT Attachment, т. е. приложение к контроллеру), совмещающий в себе спецификации IDE (Integrated Device Electronics).

Первые микросхемы АТА по своей сути представляли обычную шину ISA, реализованную на плате, немного измененную в электрическом плане и буферизованную. При всех своих положительных качествах IDE имел и «слабое место», а именно: процессорозависимость жестких дисков — поскольку винчестеры в своем контроллере не имели специализированного процессора, и задачи по управлению передачей данных ложились на центральный процессор. Учитывая то, что последние были на тот момент очень дороги, вполне логично было предположить появление такой технологии, как SCSI (Small Computer System Interface), предназначенный для подключения накопителей на жестких, оптических и ленточных носителях, а также сканеров и другой внешней аппаратуры. Спецификации SCSI обязывали каждое устройство, подключенное к шине, иметь свой процессор. Такой подход привнес в обмен данными своего рода интеллектуальность — отныне каждый абонент шины мог по своему разумению начать обмен с другим.

Что же касается собственно IDE, то этот стандарт продолжал эволюционировать вместе с техническими характеристиками винчестеров. После преобразования этого интерфейса в ATAPI (который также зависит от центрального процессора) наступила эра технологии DMA и UltraDMA (Direct Memory Access). DMA позволяет устройству передавать информацию непосредственно в системную память без какого-либо участия центрального процессора. Несмотря на пессимистичные прогнозы аналитиков, эта технология развивалась до начала 2002 г., когда появился ее вариант — UltraDMA133. Теоретически эта технология обеспечивает максимальную скорость обмена «винчестер — контроллер» до 133 Мб/с — предел того, что способен выдержать 80-жильный кабель.

И, в общем-то, особых претензий к параллельному способу на сегодняшний день нет — как нет, впрочем, и фантастических возможностей стандарта SerailATA, который идет на смену. Это тот редкий случай «бархатной» революции в IT-индустрии, когда один стандарт не обрушивается на нас подобно цунами, но приходит постепенно, не сокрушая старые стандарты, а выдерживая вежливую паузу, часто столь необходимую конечным пользователям.

Однако же право делать окончательные выводы оставляю за читателем и перехожу непосредственно к рассказу о SerialATA.

Собственно «serial`ность»

Года три-четыре назад заявить, что последовательный принцип передачи данных быстрее параллельного, было все равно что собственноручно расписаться в своей технической некомпетентности. Кому из специалистов могло тогда прийти в голову, что последовательный метод может быть на порядок быстрее и качественнее параллельного?

Все упомянутые в предыдущем разделе интерфейсы — MFM, ESDI, IDE, SCSI — относятся к классу «параллельных», так как данные за единицу времени передаются сразу по нескольким проводникам. В IDE количество контактов интерфейса составляет 40 или 80, в SCSI — 50, 68 или 80. Основной недостаток такого подхода заключается в том, что на высоких скоростях начинают проявляться электромагнитные помехи от соседних проводников, что вызывает ошибки в передаваемых по кабелю сигналах. Теоретически в IDE такой скоростной лимит составляет примерно 40-50 Мб/с. Первая попытка борьбы с этим была предпринята в версии интерфейса IDE, получившей название UltraDMA66 — суть метода состояла в том, что каждый из сорока проводов дублировался дополнительным заземляющим, который позволял избегать помех. Такое решение — 80 проводников и 40 контактов, использовалось во всех последних моделях IDE, вплоть до АТА133. Однако и этот способ имеет свои границы — согласно теории, уже при 150 Мб/с такое решение должно себя исчерпать.

Разумеется, здесь остается простор для новых модификаций IDE — параллельный способ имеет еще некоторый запас прочности, однако, учитывая современные темпы развития IT технологий, этот запас полностью исчерпает себя через два-три года. И это по самым оптимистическим прогнозам.

Единственный очевидный выход в сложившейся ситуации — создание принципиально нового стандарта, который удовлетворял бы все возрастающим потребностям в скоростях передачи. Именно к такому выводу пришли крупнейшие производители жестких дисков и технологические компании — APT Technologies, Dell Computer, IBM, Intel, Maxtor и Seagate. Они не стали дожидаться критического момента в развитии UltraATA, а загодя взялись ковать будущее стандартов обмена данными. Эти компании объединились в группу SerialATA WorkGroup, которая с 2000 года работает над созданием последовательного интерфейса, нареченного SerialATA.

Благодаря последовательному принципу передачи, SerialATA нужны только два канала данных: один для отправки и другой для приема. Вместе с тем, отпало множество проблем, имевших место в UltraATA. SerialATA выглядит очень перспективно с точки зрения помехозащищенности, процессоронезависимости, высокой скорости передачи данных, относительно низкой себестоимости, программной наследственности и т. д.

И вот почему.

SerialATA глазами пользователя

Параллельная передача данных (посылка данных по нескольким параллельным маршрутам) подразумевает использование нескольких проводов, что приводит к образованию широких шлейфов и к ограничению по длине в полметра (ввиду большого количества проводников). Наверное, каждый более или менее опытный пользователь сталкивался с ленточными IDE-шлейфами. Банальная проблема подключения винчестера, CD-ROM или какого-нибудь другого привода при их непосредственном участии превращается в замысловатый «пазл». Непомерно широкие, они все время норовят как-нибудь не так завернуться, угодить своим краем в кулер или, в лучшем случае,— в разъем под углом в 180 градусов. Подсоединение двух IDE-устройств на один короткий шлейф требует весьма образного мышления и стальных нервов. Кроме того, серпантин этих шлейфов жутко усложняет работу, если вы, к примеру, решили заменить модуль памяти или процессор, а также значительно ухудшает вентиляцию. Шлейфы же SerialATA имеют всего 8 мм в толщину, могут подключаться к разъему «вверх ногами» и, что немаловажно, в срезе имеют круглую форму. Взгляните на рис. 2 и, думаю, вопрос о том, с каким шлейфом вы бы предпочли работать, мгновенно приобретет риторический характер.

Еще один момент, который не может не порадовать пользователя: вместе с ATA в прошлое уйдет и последовательный способ подключения устройств, когда каждое из них — либо «Master», либо «Slave». Программное обеспечение посчитает оба устройства главными, «сидящими» на разных портах. Один канал — одно устройство, никаких перемычек, у шлейфа два оконечных разъема — один для контроллера, второй для винчестера или какого иного привода.

Появилась также возможность «горячего» включения. То есть при использовании нового стандарта появится возможность подключения и отключения определенного устройства без выключения компьютера. Подобные операции, конечно же, не рекомендуется совершать с системным диском, однако подключить винчестер товарища, например, теперь не составит труда. При подключении диск будет автоматически распознан любой новой операционной системой, начиная от Windows 98 SE и выше.

Нельзя не упомянуть и о полной совместимости с существующими ATA-устройствами и контроллерами при использовании соответствующих и (как обещается) относительно недорогих адаптеров — «Dongle adaptor». Что, в общем-то, довольно логично: изменилась лишь начинка, программное же обеспечение переписывать не придется. Новый интерфейс полностью совместим с BIOS материнских плат старых версий, а следовательно — и с не совсем новыми операционками. К слову, в то время как системные платы с возможностью загрузки с жесткого диска, подключенного к FireWire или USB (доступ к ним организовывается через драйверы ОС) еще только-только появляются, SerialATA изначально задумывался как интерфейс, программно полностью совместимый с ATA. Таким образом, для модернизации некой имеющейся системы до системы с накопителем SerialATA достаточно всего лишь добавить внешний PCI-контроллер интерфейса и отключить интегрированный. Даже не возникнет необходимости обновлять системное ПО.

Себестоимость

Как известно, FireWire либо USB-контроллер стоят недешево — порядка $5-7, в отличие от SerialATA, себестоимость которого, по обещаниям разрабатывающей его группы, будет равняться средней стоимости обычного ATA-контроллера, то есть что-то около $1. Уже сейчас разработчики чипсетов, демонстрируя, кстати, завидную схожесть планов, заявляют о поддержке в своих продуктах нового последовательного интерфейса. Когда реально появятся южные мосты (или хабы) с поддержкой SerialATA, пока что не известно, однако в планах производителей чипсетов они уже присутствуют. Ведь ни для кого не секрет, что планы имеют склонность варьироваться в зависимости от востребованности продукта.

Скорость

Последняя версия UltraATA133 поддерживает обмен данными вплоть до 133 Мб/с. Следовательно, чтобы обеспечить скорость в 133 Мб/с интерфейс должен работать с частотой 66 МГц. Для упрощения этой схемы в UltraATA была использована технология «double-data rate», которая предполагает прием информации по двум уровням тактового сигнала — фронта и спада, что вдвое уменьшает частоту и вдвое же повышает количество принимаемых данных (см. рис. 4).

SerialATA же за одну операцию передает всего один бит. Благодаря дифференциальной передаче сигналов и противоположным фазам каналов происходит уничтожение взаимных помех — основного сдерживающего фактора интерфейса ATA. Максимальная пропускная способность SerialATA составляет 1,500 Мбит/с. Это предполагает передачу и прием информации за 0,667 нс. Максимально допустимое время переключения составляет 0,273 нс, что намного быстрее 7,5 нс, которые имеют место в UltraATA.

Максимальная пропускная способность SerialATA 150 Мб/с или 1500 Мбит/с. Как можно заметить, цифры эти несоизмеримы — однако при передаче данных по SerialATA-шине, применяется еще и кодирование информации. Поэтому, по сравнению с привычным IDE, пропускная способность может показаться не столь впечатляющей. На данный момент переход на SerialATA вряд ли заметно скажется на производительности вашего компьютера, но ведь главное не в этом. Индустрия получила вектор развития, и в дальнейшем этот разрыв будет только увеличиваться. Уже сейчас в планах группы увеличение пропускной способности до 3 Гбит/с, а позднее и до 6 Гбит/с (300/600 Мб/с). Для сравнения — последовательные интерфейсы USB 2.0 и FireWire могут обеспечить скорость лишь около 50 Мб/с. По прогнозам аналитиков SerialATA взойдет на рынок высоких технологий, как минимум, на десять лет.

Среди других технических моментов можно отметить тот факт, что сигнальное напряжение на каналах SerialATA составляет 250 мВ, вместо 5 В в параллельном IDE. При этом существует два режима энергосбережения: частичный (partial) и бездействие (slumber). Также добавилось перекрытие инструкций (overlapping) и очередь тегированных команд (tagged command queuing).

(В скобках)

Как я уже говорил, переход на SerialATA — это «бархатная революция». Не тотальная гибель всех старых и параллельно (во всех смыслах) развивающихся стандартов, но вполне предсказуемая эволюция наиболее оптимального по соотношению цена/качество метода. Нет громких лозунгов «свергнем SCSI !», нет прямой агрессии по отношению к USB и FireWire. Контролеры по прежнему останутся АТА-совместимыми (хорошо ли это или плохо) — а значит, не будет ни упомянутой выше «интеллектуальности», ни работы с «внешними устройствами». Однако же сомневаться в неизбежном воцарении SerialATA не приходится — и именно благодаря этой простоте: в идеи и исполнении.

И хотя стандарт обеспечивает более простой и легкий способ работы с информацией, нежели привычный нам IDE, с точки зрения производительности, при переходе к SerialATA сейчас вряд ли будет какой-то выигрыш. В данный момент нет необходимости во внедрении более скоростного интерфейса, и SerialATA обеспечивает точно такую же скорость, как и UltraATA133. В первую очередь потому, что не готовы сами приводы — следующее поколение жестких дисков, которое смогжет соответствовать новым стандартам скорости, еще только готовится появиться на прилавках.

Но несомненно ясно — отказ от использования параллельных интерфейсов — окончательный и бесповоротный. Это продемонстрировали стандарты FireWire (IEEE 1394) и USB 2.0, и это окончательно будет доказано с приходом SerialATA.