ATA硬盘接口发展简史

bobwu

ATA硬盘接口发展简史
   
程一 2002年2月28日
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　　硬盘是PC机上的重要部件之一，它在很大程度上决定了机器的性能。硬盘能达到今天这样优秀的性能和可靠性，经过了一个以IT产业的眼光来看是漫长的发展历程。
　　最早用于PC的硬盘接口是ST-506/412，它是由希捷公司开发的一种硬盘接口。这种接口把磁盘的编解码器位于PC插槽上的磁盘控制卡上，用一个34芯的控制电缆（Control cable）接头和一个20芯的数据电缆（Data cable）把硬盘连接起来。在早期PC如IBM PC/XT和PC/AT上，使用的硬盘就是以ST－506/412为接口的硬盘。这种接口由于使用“改进调频制”（MFM）来进行数据编解码，所以也常称为MFM硬盘。它支持的传输速度和稳定性都不高，因此到了1987 年左右这种接口就基本上被淘汰了。
　　ST-506/412问世之后不太久，硬盘接口技术出现了ESDI（Enhanced Small Drive Interface）接口，它是迈拓公司于1983年开发完成，其设计目的是升级和改进ST506。它的特点是将磁盘数据编解码器放在硬盘本身之中而不是在控制卡上，使硬盘的稳定性和速度都得到了提高。ESDI和ST506一样仍然使用两根电缆来连接硬盘，不过电缆的定义做了改变。ESDI的理论传输速度是ST-506/412接口的2-4倍，一般可达到10Mbps。当时许多PC品牌机都使用了ESDI接口，并一直使用到九十年代初。上述两种接口虽然比较原始，但在硬盘接口技术的发展上，对规范硬盘接口标准起到了非常重要的作用，它们使PC硬盘的硬件兼容性得到了保证。
　　对于 ATA 硬盘接口技术发展来说，有实质意义上的飞跃当属 IDE 接口的推出。第一个关于ATA的规范化文本于1990年提出。在ATA硬盘接口规范化道路的建设过程中，许多公司为之付出了许多努力，例如康柏公司、英特尔公司、希捷公司、迈拓公司、IBM 公司。特别应该指出的是美国的“西部数据（Western Digital）”公司，因为正是WD制定了具有重大技术改进和发展潜力的 EIDE 接口标准，使得在那之后制定的差不多所有 IDE接口（并行ATA）都是在 IDE/EIDE的基础上改良而得。
　　并行ATA技术是一个关于IDE（Integrated Drive Electronics）的技术规范族。最初，IDE只是一项企图把控制器与盘体集成在一起为主要意图的硬盘接口技术。它对厂家和用户有直接的好处，它使硬盘制造起来变得更容易，因为磁盘控制器内置，厂商不需要再担心自己的硬盘是否与其它厂商生产的控制器兼容；而对用户而言，硬盘安装起来也更为方便，安装时不再需要磁盘控制器接口卡，只需要一根电缆。后来的实践表明，这种技术由于减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性和速度得到了提高。正是基于它所具有的诸多优点与好处，当前个人电脑上使用的硬盘中，绝大多数都是 IDE兼容的。康柏公司于1986年开始销售的386机，上面安装了基于西部数据控制芯片的硬盘。
　　在早期的IDE之后，西部数据公司在IDE原有基础上制定了增强版IDE（EIDE，Enhanced IDE）。EIDI增加了2种PIO和2种DMA模式，把最高传输率提高到了16.7MB/s，同时引进了LBA（Logical Block Address逻辑块地址）地址数据访问方式，突破了老BIOS固有504MB的限制，支持最高可达8.1GB的硬盘。LBA概念的引进突破了硬盘按照CHS（柱面、磁头、扇区）方式访问硬盘的老观念，为适应以后硬盘容量的快速增长打下了的良好基础。同时通过不断升级的BIOS版本或者第三方软件如DM/DM万用版的支持下，轻易地就能突破8.4G、32G等硬盘容量极限。现在只要你的电脑支持EIDE，就可以在CMOS设置中找到LBA（LBA，Logical Block Address）或（CHS，Cylinder,Head,Sector）的设置。EIDE支持的硬盘数目也有增加，它允许主板上具有两个插口，每个插口可以分别连接一个主设备和一个从设备，从而可以支持四个IDE设备。
　　随着IDE/EIDE得到的日益广泛的应用，全球标准化协议将该接口自诞生以来使用的技术规范归纳成为全球硬盘标准，这样就产生了ATA（Advanced Technology Attachment）。硬盘接口发展在并行ATA的发展，从ATA-1一直发展到了ATA-6标准。在最早的ATA-1中一共规定了3种PIO模式和4种DMA模式（DMA并没有得到实际应用），速度最高不超过 8.3 MByte/s；ATA-2是对ATA-1的扩展，它增加了2种PIO和2种DMA模式，把最高传输率提高到了16.7MB/s，实际上，它就是对西部数据公司制定的EIDE接口规范化。
　　而后的ATA标准不断升级，推出了广为人知的Ultra DMA 33、Ultra DMA 66，这两种接口分别被划为ATA-3、ATA-4规范中，其中 ATA-3 支持的最高传输率为 33MB/s。也正是从ATA-3（Ultra DMA 33）起，PC才开始广泛地真正使用DMA来进行硬盘数据传输。而 ATA-4 是从2001年开始，成为PC机硬盘的主流接口类型，和ATA-3相比，将系统支持的最高传输率提高了一倍。
　　现在市场上主流硬盘接口使用的 Ultra DMA 100，属于ATA-5规范，顾名思义，它支持的最高传输率为 100MB/s，将硬盘带宽进一步拓宽至100MB/s。最近迈拓公司推出的 ATA/133接口类型如果正式被列为标准则将会是属于ATA-6规范，它支持的最高数据传输率为 133MB/s。以上给出的接口均属于并行ATA接口，并且都是双向兼容。即新版本的 ATA接口可以和旧版本的 ATA接口产品兼容，例如在Ultra DMA 100接口上也可以使用Ultra DMA 66或者Ultra DMA 33的硬盘，当然这时系统的实际性能将取决于系统中较低的一方。
　　纵观并行ATA标准，自ATA-1到ATA-6标准，IDE 硬盘接口的技术核心一直都没怎么变化，即都是在西部数据公司制定的IDE/EIDE基础上不断改良而产生，它们都属于并行ATA接口。而在系统中使用的连接电缆一共也只有两种，自ATA-4（Ultra DMA 66）起硬盘的接口电缆由40针40芯变为 40针80芯的接口电缆。随着并行ATA接口的不断提速，在 40针80芯的电缆上的速度极限到底有多大呢？多数硬盘业内专家认为并行ATA的最高传输率将不超过 200MB/s。
　　并行ATA接口性能极限的冰山已经已经浮出水面，基于这样的原因，英特尔公司联合西部数据公司（Western Digital）等几大硬盘厂商共同制定了Serial ATA接口（串行ATA）。
　　完全不同于并行ATA接口，串行ATA以连续串行的方式传送资料，在同一时间点内只会有1位数据传输。这种技术极大地简化了接口的针脚数目，只用四个针就完成了所有的工作。串行ATA工作的时候，第1针发出数据、第2针接收数据、第3针向硬盘供电、第4针为地线。和我们的习惯性思维带来的想法相反，这种串行接口技术将提供比并行接口技术更高的传输速率，还将同时降低电力消耗，减小发热量。
　　在2001年秋季的开发者论坛（IDF 2001）上，串行ATA被正式确立为硬盘接口新标准——Serial ATA 1.0。在本届IDF上，英特尔确定的最初版本串行ATA支持最高传输率为150MB/s。尽管这只是这项新技术的“入门级”技术指标，也比迈拓公司制定的 ATA/133标准还高了一些，而它的最终目标将是实现600MB/s的外部数据传输率。鉴于串行ATA的特点及其潜在的技术发展能力，业内普遍认为Serial ATA将会取代并行ATA接口类型成为将来硬盘的主流接口类型。不过这并不意味着Serial ATA马上就会全面取代并行ATA，考虑到这种硬盘接口技术与传统ATA技术的巨大差别，按照笔者的推测，Serial ATA真正流行将需要三年时间。


附表：硬盘接口特性及其发展简表
硬盘接口特性及其发展简表 http://z80.yeah.net
接口名称 传输速率 连接方式
ATA-1 　 40针电缆连接
单字节 DMA 0 2.1 MByte/s  
PIO - 0 3.3 Mbyte/s  
单字节 DMA 1，多字节 DMA 0 4.2 MByte/s  
PIO - 1 5.2 MByte/s  
PIO - 2，单字节 DMA 2 8.3 MByte/s  
ATA-2 　 40针电缆连接
PIO -3 11.1 MByte/s  
多字节 DMA 1 13.3 MByte/s  
PIO -4，多字节 DMA 2 16.6 MByte/s  
ATA-3  40针电缆连接
多字节 DMA3，Ultra DMA 33 33.3 MByte/s 　
ATA-4  40针80芯电缆连接
Ultra DMA 66 66.7 MByte/s 　
ATA-5  40针80芯电缆连接
Ultra DMA 100 100.0 MByte/s 　
ATA-6  40针80芯电缆连接
Ultra DMA 133 133.0 MByte/s 　
Serial ATA 1.0  4针电缆连接
Serial ATA 1.0 150 MByte/s