ATA (technologia)

Złącze ATA

Taśmy ATA 80- i 40-żyłowe

ATA (ang. Advanced Technology Attachment, AT Attachment) – 16-bitowy interfejs systemowy w komputerach klasy PC i Amiga przeznaczony do komunikacji z dyskami twardymi, zaproponowany w 1983 przez firmę Compaq i wprowadzony w ich komputerach, we współpracy z Western Digital, w 1986 pod nazwą IDE (ang. Integrated Drive Electronics). Nazwa ta pochodzi od innowacyjnego podejścia Western Digital do sterowania dyskiem twardym, czyli zintegrowania go z kontrolerem – wcześniej kontrolery dysków były umieszczane na kartach rozszerzeń montowanych w sloty magistrali ISA. Od 2003 (kiedy to wprowadzono Serial ATA) standard ten jest określany jako Parallel ATA, lub w skrócie PATA, aby uniknąć jego pomylenia ze standardem SATA.

Dyski twarde w technologii ATA/IDE w rozmiarze 5,25" i 3,5" zasilane są napięciem 5 V i 12 V poprzez złącze typu Molex, a w rozmiarze 2,5" napięciem 5 V poprzez pomniejszone złącze ATA z dodatkowymi 4 pinami.

Standard ATA nie jest już rozwijany w kierunku zwiększania szybkości transmisji. Początkowo stosowano oznaczenia ATA-1, ATA-2 itd., natomiast później były używane określenia związane z przepustowością interfejsu – ATA/33, ATA/66, ATA/100, ATA/133.

Opis złączy

• - oznacza negację pinów
• → pin ustawia host
• ← pin ustawia napęd
• ↔ pin dwukierunkowy: kierunek zależny od operacji

W 2,5" dyskach (z laptopów) stosowane są cztery dodatkowe piny:

Pin	Funkcja	Pin	Funkcja
41	+5VDC (logic)	42	+5VDC (motor)
43	GND	44	Type (0==ATA)

Widok złącza PATA dysku 2,5", X oznacza pin nr 1

.....................x ..

............ ......... ..

Opis rejestrów napędów ATA

Ogólnie można wyróżnić dwa rodzaje napędów ze złączem ATA:

1. dyski twarde – czyli urządzenia, które nie obsługują komend pakietowych
2. napędy optyczne CD/DVD – czyli urządzenia, które obsługują komendy pakietowe

Rejestry dla urządzeń 1)

Adres	-----	-----	-----	-----	Funkcje	-----
!CS0	!CS1	DA2	DA1	DA0	Odczyt !DIOR	Zapis !DIOW
					Rejestry kontrolne
N	A	N	x	x	Zwolniony	Nieużywany
N	A	A	N	x	Zwolniony	Nieużywany
N	A	A	A	N	Alternate Status	Device Control
N	A	A	A	A	Przestarzały	Nieużywany
					Rejestry komend
A	N	N	N	N	Data	Data
A	N	N	N	A	Error	Features
A	N	N	A	N	Sector Count	Sector Count
A	N	N	A	A	LBA Low	LBA Low
A	N	A	N	N	LBA Mid	LBA Mid
A	N	A	N	A	LBA High	LBA High
A	N	A	A	N	Device Select	Device Select
A	N	A	A	A	Status	Command
A	A	x	x	x	Zwolniony	Nieużywany

Rejestry dla urządzeń 2)

Adres	-----	-----	-----	-----	Funkcje	-----
!CS0	!CS1	DA2	DA1	DA0	Odczyt !DIOR	Zapis !DIOW
					Rejestry kontrolne
N	A	N	x	x	Zwolniony	Nieużywany
N	A	A	N	x	Zwolniony	Nieużywany
N	A	A	A	N	Alternate Status	Device Control
N	A	A	A	A	Przestarzały	Nieużywany
					Rejestry komend
A	N	N	N	N	Data	Data
A	N	N	N	A	Error	Features
A	N	N	A	N	Interrupt Reason	Sector Count
A	N	N	A	A	*	*
A	N	A	N	N	Byte Count Low	Byte Count Low
A	N	A	N	A	Byte Count High	Byte Count High
A	N	A	A	N	Device Select	Device Select
A	N	A	A	A	Status	Command
A	A	x	x	x	Zwolniony	Nieużywany

• A = sygnał ustawiony (logiczna 1)
• N = sygnał zanegowany (logiczne 0)
• x = stan dowolny (0 lub 1)

Rejestrów o nazwach Zwolniony, Przestarzały, Nieużywany nie należy używać.

CS0, !CS1 – oznacza negację pinów – to oznacza, że w rzeczywistości (na interfejs ATA) należy podawać wartości zanegowane z tabeli (tam gdzie A podawać N, tam gdzie N podawać A)

„*” rejestr używany przez dyski twarde (urządzenia nie obsługujące komend pakietowych) Rejestr nie używany przez napędy CD/DVD (urządzenia obsługujące komendy pakietowe)

Rejestry kontrolne

Alternate Status

• ZASTOSOWANIE: odczyt podstawowych informacji o stanie urządzenia bez kasowania obsługi przerwania
• rejestr jest tylko do odczytu, a w czasie zapisu dane trafiają do Device Control
• kiedy bit BSY=1 wtedy inne bity z tego rejestru nie powinny być interpretowane, zawartość tego rejestru nie jest prawdziwa gdy urządzenie jest w trybie uśpienia
• odczyt tego rejestru nie spowoduje skasowania obsługi przerwania
• zawartość tego rejestru jest identyczna z zawartością rejestru Status

Device Control

• ZASTOSOWANIE: rejestr ten umożliwia wykonanie programowego resetu oraz włączenie obsługi przerwania
• rejestr jest tylko do zapisu, w czasie odczytu jest to Alternate Status
• rejestr powinien być zapisywany tylko gdy DMACK=0
• zawartość tego rejestru będzie zinterpretowana przez napęd od razu po jego zapisaniu

• HOB (HighOrderByte)znaczenie tylko w przypadku dysków twardych – adres LBA 48-bitowy – gdy HOB=0 to napęd interpretuje młodszą część (0–23) adresu LBA 48-bitowego, gdy HOB=1 część starszą (24–47)
• r(6:3) (reserved) zarezerwowane
• SRST (SoftwareReSeT) reset programowy napędu
• nIEN (notInterruptENable) bit włącza przerwanie(gdy nIEN=0 i urządzenie jest wybrane) lub wyłącza przerwanie(gdy nIEN=1 lub urządzenie nie jest wybrane)
• Bit 0 zawsze powinien mieć wartość 0

Rejestry komend

Data

• ZASTOSOWANIE: transfer danych(tylko w trybie PIO), dostęp do rejestrów
• rejestr ten służy do zapisu lub odczytu
• dostęp do rejestru powinien odbywać się w czasie przesyłania danych w trybie PIO, gdy DRQ=1 oraz BSY=0 oraz DMACK=0
• rejestr 16-bitowy
• dostęp (odczyt/zapis) do rejestrów jest realizowany właśnie poprzez ten rejestr tylko w trybie PIO; ponieważ rejestry są 8-bitowe to dane jakie chcemy zapisać (odczytać) do tych rejestrów ustawiamy na części młodszej rejestru (Bity DD7–DD0), część starsza nie jest interpretowana; natomiast gdy transferujemy dane z napędu to musimy korzystać z całej szerokości rejestru (Bity DD15–DD0) – nie ma możliwości pracy w trybie 8-bitowym.

Error

• ZASTOSOWANIE: określenie przyczyny błędu
• rejestr tylko do odczytu; gdy jest zapisywany – dane trafiają do rejestru Features
• zawartość rejestru jest poprawna gdy BSY=0 oraz DRQ=0 oraz ERR=1 lub SE=1, po włączeniu zasilania, wykonaniu sprzętowego lub programowego resetu, po wykonaniu komend EXECUTE DEVICE DIAGNOSTICS lub DEVICE RESET zawartość rejestru jest niewłaściwa w trybie uśpienia

Bity	7	6	5	4	3	2	1	0
Opis	#	#	#	#	#	ABRT	#	#

• # zawartość tych bitów zależy od wykonanej operacji(komendy)
• ABRT (ABoRT) ABRT=1 gdy nastąpiło anulowanie wykonania komendy(na skutek nie właściwej komendy, niewłaściwego parametru w komendzie, błędu odczytu itd.)

Features

• ZASTOSOWANIE: zależnie od komendy
• rejestr jest tylko do zapisu, w czasie odczytu jest to Error
• rejestr powinien być zapisywany tylko gdy BSY=0 oraz DRQ=0 oraz DMACK=0
• zawartość tego rejestru staje się parametrem komendy po zapisaniu rejestru Command

Bity	7	6	5	4	3	2	1	0
Opis	#	#	#	#	#	#	#	#

• # zawartość tych bitów zależy od komendy

Sector Count / Interrupt Reason

• ZASTOSOWANIE: zależnie od komendy
• rejestr jest do zapisu lub odczytu
• rejestr powinien być zapisywany tylko gdy BSY=0 oraz DRQ=0 oraz DMACK=0, zawartość rejestru jest niepoprawna gdy urządzenie jest w trybie uśpienia
• zawartość tego rejestru staje się parametrem komendy po zapisaniu rejestru Command
• w przypadku dysku twardego jest to rejestr Sector Count, w przypadku napędu CD/DVD jest to Interrupt Reason w czasie odczytu i Sector Count w czasie zapisu (patrz tabela)

Bity	7	6	5	4	3	2	1	0
Opis	#	#	#	#	#	#	#	#

• # zawartość tych bitów zależy od komendy

LBA Low

• ZASTOSOWANIE: zależnie od komendy
• rejestr jest do zapisu lub odczytu
• rejestr powinien być zapisywany tylko gdy BSY=0 oraz DRQ=0 oraz DMACK=0, zawartość rejestru jest niepoprawna gdy urządzenie jest w trybie uśpienia
• zawartość tego rejestru staje się parametrem komendy po zapisaniu rejestru Command
• w przypadku napędu CD/DVD rejestr ten nie jest używany

Bity	7	6	5	4	3	2	1	0
Opis	#	#	#	#	#	#	#	#

• # zawartość tych bitów zależy od komendy

LBA Mid / Byte Count Low

• ZASTOSOWANIE: zależnie od komendy
• rejestr jest do zapisu lub odczytu
• rejestr powinien być zapisywany tylko gdy BSY=0 oraz DRQ=0 oraz DMACK=0, zawartość rejestru jest niepoprawna gdy urządzenie jest w trybie uśpienia
• zawartość tego rejestru staje się parametrem komendy po zapisaniu rejestru Command
• w przypadku dysku twardego jest to rejestr LBA Mid, w przypadku napędu CD/DVD jest to Byte Count Low

Bity	7	6	5	4	3	2	1	0
Opis	#	#	#	#	#	#	#	#

• # zawartość tych bitów zależy od komendy

LBA High / Byte Count High

• ZASTOSOWANIE: zależnie od komendy
• rejestr jest do zapisu lub odczytu
• rejestr powinien być zapisywany tylko gdy BSY=0 oraz DRQ=0 oraz DMACK=0, zawartość rejestru jest niepoprawna gdy urządzenie jest w trybie uśpienia
• zawartość tego rejestru staje się parametrem komendy po zapisaniu rejestru Command
• w przypadku dysku twardego jest to rejestr LBA High, w przypadku napędu CD/DVD jest to Byte Count High

Bity	7	6	5	4	3	2	1	0
Opis	#	#	#	#	#	#	#	#

• # zawartość tych bitów zależy od komendy

Device Select

• ZASTOSOWANIE: wybór urządzenia master lub slave
• rejestr jest do zapisu lub odczytu
• rejestr powinien być zapisywany tylko gdy BSY=0 oraz DRQ=0 oraz DMACK=0, zawartość rejestru jest niepoprawna dla dysku twardego jest w trybie uśpienia, dla napędu CD/DVD jest poprawna w trybie uśpienia
• bit DEV jest interpretowany natychmiast po zapisaniu, reszta bitów tego rejestru staje się parametrem komendy po zapisaniu rejestru Command

Bity	7	6	5	4	3	2	1	0
Opis	przestarzały	#	przestarzały	DEV	#	#	#	#

• zapis do bitów przestarzałych będzie ignorowany przez napęd
• DEV (DEVice) DEV=0 wybór urządzenia Master, DEV=1 wybór urządzenia Slave
• # zawartość tych bitów zależy od komendy

Status

• ZASTOSOWANIE: odczyt podstawowych informacji o stanie urządzenia oraz kasowanie obsługi przerwania
• rejestr jest do odczytu, gdy jest zapisywany dane trafiają do rejestru Command
• kiedy bit BSY=1 wtedy inne bity z tego rejestru nie powinny być interpretowane, zawartość tego rejestru nie jest prawdziwa gdy urządzenie jest w trybie uśpienia

Bity	7	6	5	4	3	2	1	0
Opis	BSY	DRDY	DF/SE	#	DRQ	przestarzały	przestarzały	ERR/CHK

• BSY (BuSY) informuje, że urządzenie jest zajęte(gdy BSY=1)
• DRDY (DeviceReaDY) informuje o gotowości(gdy DRDY=1) urządzenia
• DF/SE (DeviceFault/StreamError) informuje o błędzie(gdy DF/SE=1); nie wszystkie komendy obsługują(ustawiają) ten bit
• # zawartość zależna od komendy
• DRQ (DataReQuest) informuje o żądaniu (DRQ=1) przesyłania danych z/do napędu
• ERR/CHK (ERRor/CHecK) informuje o wystąpieniu(ERR/CHK=1) błędu

Command

• ZASTOSOWANIE: rejestr zawiera kod komendy,rejestr ten zapisuje się na końcu(po zapisaniu wszystkich innych rejestrów), po zapisaniu tego rejestru urządzenie przystępuje do wykonania komendy a pozostałe rejestry przeznaczone do zapisu mogą stać się parametrami komendy (zależnie od rodzaju komendy)
• rejestr jest do zapisu, gdy jest odczytywany dane reprezentują zawartość rejestru Status
• rejestr powinien być zapisywany tylko gdy BSY=0 oraz DRQ=0 oraz DMACK=0

Bity	7	6	5	4	3	2	1	0
Opis	#	#	#	#	#	#	#	#

• # zawartość tych bitów reprezentuje kod komendy – np. kod 0xA0 jest komendą identyfikacji urządzenia

Przykłady obsługi urządzenia

Sprzętowy reset

Sprzętowy reset powinien być wykonany co najmniej raz po włączeniu zasilania

Przykład w języku asembler dla mikrokontrolerów AVR:

    Resetdrive:
       cbi porte,RESET_              ;ustaw reset(czyli !RESET=0)
         sbi portd,c0                  ;!C0=1→C0=0
         sbi portd,c1                  ;!C1=1→C1=0
         cbi portd,a0                  ;A0=0
         cbi portd,a1                  ;A1=0
         cbi portd,a2                  ;A2=0
         sbi portd,dmack               ;!DMACK=1→DMACK=0
         sbi Porte,dior                 ;!DIOR=1→DIOR=0
         sbi Porte,diow                 ;!DIOW=1→DIOW=0
           Ddra = 0                     ;porta podłączony do pinow DD8-DD15
           Ddrc = 0                     ;portc podłączony do pinów DD0-DD7
             rcall czekaj25us              ;minimum 25us
      sbi porte,RESET_               ;wyzeruj reset(czyli !RESET=1)
             rcall czekaj2ms               ;minimum 2ms
                rcall Read_status_register_bsy0       ;czekaj na BSY=0
    Ret

Po wykonaniu tej procedury można założyć, że urządzenie jest prawidłowo „zresetowane”

Odczyt rejestru Status i oczekiwanie na BSY=0

Po zresetowaniu urządzenie ustawia domyślnie tryb pracy na PIO0. Tryb pracy można zmienić (na PIO0-4,MWDMA0-2 lub UDMA 0–6) za pomocą komendy SET FEATURES

Niezbędne opóźnienia są generowane za pomocą instrukcji nop i są poprawne dla trybu PIO0

    Read_status_register_bsy0:
      push GPR
        ldi GPR,0
         Out ddrc , Gpr       ;1 cykl
         Out ddra , Gpr       ;1 cykl;ustawia port danych DD15-DD0 jako wejście
        ldi GPR,0b10111100
         Out portd , Gpr ;bity⇒|7-!CS1|6-!CS0|5-DA2|4-DA0|3-DA1|2-!DMACK|1-IORDY|0-DMARQ|
           Petla_stat:
             nop;---czekaj--------------------------70ns min—nop=ok.62,5ns dla zegara 16 MHz
             nop
                cbi porte,DIOR
             nop;---czekaj---------------------------230ns min
             nop
             nop
             nop
                   in GPR,pinc       ;minęło co najmniej 230ns dane gotowe do odczytu
                   sts Status,GPR
             nop;---czekaj--------------------------- dane muszą być "ustawione" min 60ns
                sbi porte,DIOR
             nop;---czekaj---------------------------dane muszą być "przytrzymane" min 30ns
                 sbrc GPR,7                 ;BSY=? w tej chwili GPR jako STATUS
                   rjmp petla_stat          ;BSY=1
                                            ;BSY=0
      pop GPR
    Ret

Zobacz też

• ATAPI
• Serial ATA

Bibliografia

• T13/Project 1532D Volume 1 Revision 4b 21 April 2004
• T13/Project 1532D Volume 2 Revision 4b 21 April 2004
• T13/Project 1532D Volume 3 Revision 4b 21 April 2004

Linki zewnętrzne

• Strona informacyjna na temat interfejsów ATA (IDE/EIDE), Serial ATA (SATA), ATAPI