跳转至

ATA 硬盘简介

导读

ATA / IDE（Advanced Technology Attachment / Integrated Drive Electronics）是一种计算机总线接口，用于连接存储设备，如硬盘驱动器和光盘驱动器。一般说来，ATA 是一个控制器技术，而 IDE 是一个匹配它的磁盘驱动器技术；但随着时间的推移，这两个术语已经被广泛地交替使用。

ATA 接口经历了多个版本的发展，包括 ATA、ATAPI（用于附加设备）以及更现代的 PATA（Parallel ATA）和 SATA（Serial ATA）。ATA 接口的设计旨在提供高速数据传输，同时保持与旧设备的兼容性。

常见的 ATA 设备

由上介绍，ATA 硬盘使用 IDE 接口，分为 PATA 和 SATA 两种类型。

  • PATA 硬盘（Parallel ATA）：即并行 ATA 硬盘接口规范，有着非常悠久的迭代历史，但已经不常见。
  • SATA 硬盘（Serial ATA）：即串行 ATA 硬盘接口规范，为常见类型，如今我们常说的外存设备 HDD 或 SSD 多数为 SATA 接口。

PATA 之所以被 SATA 取代，其中一个重要原因是 SATA 接口的传输速度更快。到目前为止，ATA-7 是 ATA 接口的最后一个版本，也叫 ATA133 。 ATA133 最大支持 133 MB/s 数据传输速度。但 SATA 接口的第一代就已经达到了 150 MB/s 的传输速度，第二代则达到了 300 MB/s，第三代则达到了 600 MB/s。从数据上可以直观发现，SATA 硬盘的最大传输速度远远超过了 PATA 硬盘。

SATA 与 PCIE

尽管 SATA 接口相较 ATA 接口有着明显速度优势，但其已经逐渐被 PCIE (Peripheral Component Interconnect Express) 接口所取代。

PCIE 接口是一种高速串行接口，它的速度远远超过了 SATA 接口。目前顶级的 SSD 硬盘大多使用 PCIE 4.0 x 4 接口，其传输速度可达 7000 MB/s，是 SATA 接口的数倍。

为什么 PATA 接口会比 SATA 接口慢呢？更进一步，为什么现在流行的高速接口都是串行接口呢？直观上感觉，相同情况下 ATA 的多通道应该比 SATA 的单通道应该更快才对。这里我们需要了解一些比特数据传输与速率限制的知识。相较 PATA 的多通道，SATA 的单数据通道速度频率限制：

  • 由于多通道并行，PATA 必须在数据线中一次传输 16 个信号，如果信号没有及时到达，就会产生错误传输结果。因此，比特流传输的速度必须减缓以纠正错误。
  • 而 SATA 一次只传输一个比特的数据，此时比特流的传递速度要快得多。

因此，SATA 传输线的传输速度比 PATA 要快了近 30 倍。此外，SATA 另一个进步在于它的数据连线，它的体积更小，散热也更好，与硬盘的连接相当方便。与 PATA 相比，SATA 的功耗更低，同时配备的 CRC 技术让数据传输也更为安全。

ATA 的 PIO 模式

本实验将使用 ATA 设备的 PIO 模式来完成磁盘读写操作。教程已在 串口输出简介 中介绍了 PIO 基本概念，本章将不再赘述，而是介绍 ATA 设备的 PIO 模式。

PIO (Programmed Input/Output) 是过 CPU 执行 I/O 端口指令来进行数据的读写的数据交换模式，是 ATA 设备数据传输的一种方式。PIO 模式通过 CPU 的 I/O 端口总线进行数据传输，而不是通过内存。

根据 ATA 规范，所有符合 ATA 标准的驱动器都必须支持 PIO 模式作为默认的数据传输机制。然而，PIO 模式在传输数据时会占用大量 CPU 时间，进而导致在多任务模式下其他进程无法获得 CPU 时间。尽管如此，在计算机启动初期，由于没有其他进程运行，PIO 模式是一个简单且有效的接口，可以用于启动期间支持系统完成初始化。

从硬件视角来说，在 PIO 模式下 ATA 的控制芯片将 CPU 的 I/O 总线直接接入到 IDE 接口，使 CPU 直接控制数据传输，不涉及 DMA（直接内存访问）。这意味着 CPU 必须积极参与每个数据字节的读写过程，这也是为什么 PIO 模式会占用大量 CPU 资源的直接原因。PIO 模式下的 ATA 设备硬件工作原理涉及多个方面，包括数据传输机制、主从驱动器配置、总线操作、命令发送与状态读取、以及错误处理等。以下是对这些方面的深入介绍：

  1. 主从驱动器配置

    ATA 接口支持在一个总线上连接两个设备，分别称为主设备和从设备。通过单一的数据线选择，可以控制这两个设备。在 PIO 模式下，主从配置允许操作系统通过设置特定的 I/O 端口位来选择激活哪个设备。

  2. 总线操作

    ATA 设备使用 16 位或更宽的并行数据总线进行数据传输。除了数据总线，还有多个控制端口用于发送命令和读取状态信息。例如，命令端口用于发送读写命令，而状态端口则用于读取设备的状态，如忙碌、就绪或错误状态。

  3. 命令发送与状态读取

    在 PIO 模式下，发送命令到 ATA 设备是通过写入命令端口来完成的。命令可以是读取、写入数据或者初始化设备等。发送命令后，系统需要等待设备准备好进行数据传输。这通常通过轮询状态端口来实现，直到设备设置为就绪状态。

  4. 错误处理

    在 PIO 模式下，如果发生错误，ATA 设备会通过状态端口报告错误。错误寄存器记录了最后一条执行命令的错误状态。例如，如果发生不可纠正的数据错误，设备会设置错误寄存器中的相应位。操作系统需要检查这些错误位，并根据需要采取相应的错误处理措施。

  5. 坏扇区处理

    ATA 设备可能会遇到坏扇区的问题，这些是无法读取或写入的扇区。操作系统需要跟踪这些坏扇区，并在尝试访问它们时采取措施，例如跳过它们或尝试重新映射。

  6. 寻址模式

    ATA 设备支持多种寻址模式，包括 28 位 LBA、48 位 LBA 和已过时的 CHS 模式。在 PIO 模式下，操作系统需要根据设备的能力和需求选择合适的寻址模式。

  7. 软件复位

    如果 ATA 设备遇到严重错误，操作系统可以通过执行软件复位命令来重置设备。这通常通过设置控制寄存器中的特定位来完成。

  8. 中断请求（IRQ）

    虽然 PIO 模式主要依赖于轮询，但 ATA 设备也可以通过 IRQ 通知操作系统数据已经准备好传输。在多任务环境下， IRQ 可以减少 CPU 的轮询时间，提高效率。

以上即 ATA 设备的 PIO 模式的基本介绍。总的来说，PIO 模式下的 ATA 设备硬件工作原理是一个涉及多个组件和步骤的复杂过程，它要求操作系统精确地控制数据传输、设备选择、命令发送、状态读取和错误处理等操作。随着技术的发展，更高效的 DMA 模式已经成为主流，但在某些情况下，如系统启动时，PIO 模式仍然发挥着重要作用。

最后，ATA - Wikipedia 提供了关于 ATA PIO 模式的全面而深入的技术资源，而实验所需的 28 bit 下 LBA 方式寻址规范将在 任务描述文档 中进行详细描述。

参考资料