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标题: IDE教学课程（一）：概念与技术深入剖析 [打印本页]

作者: LEO 时间: 2004-1-19 16:29 标题: IDE教学课程（一）：概念与技术深入剖析

转自 Tom's硬件指南http://www.gb.tomshardware.com/storage/02q3/020816/index.html

前言

当购买计算机时，最常听见的两个行话无非就是GHz（gigahertz，十亿赫兹）和GB（gigabyte，千兆字节）了，一般人多半过分重视这两种数字，行销人员也不免将其它同样重要的因素拋在脑后。不过我们都知道，时钟如果要运作的顺利，那齿轮的摩擦力就不能过高。

把这个道理套用在计算机上，那摩擦力影响就相当于每台计算机上都有的储存子系统或是硬盘。硬盘的储存容量和传输性能，都大大的影响了您新买的高档计算机的整体性能。光是硬盘这个部份，就是决定新计算机究竟是飞毛腿，或只是只跛脚鸭的关键。

我们Tom's硬件指南在过去所刊出的许多文章当中，都一再地强调过高速硬盘的重要性。从简单的数据传输、硬盘录像或影片剪辑的流式文件、Windows的交换文件（swap file）到Windows的开机时间等等，这些因素都让使用者对硬盘能力的需求永无止境。这也是为什么越来越多使用者利用RAID（独立磁盘冗余阵列，Redundant Array Of Independent Disk Drives）架构来连接两个以上硬盘的原因之一。在第二篇文章中，我们将探讨关于RAID架构的技术细节。

在第一部分，我们将深入研究IDE接口。虽然它十分的普遍，不过却鲜少有人会去注意到它。我们将一边带各位回顾IDE接口的历史，一边解释它的技术细节以及各代规格间的差异。

作者: LEO 时间: 2004-1-19 16:29

IDE接口的起源

第一款硬盘上面所使用的接口，并不是我们现在常看到的那种。当时的硬盘是直接加装在控制卡上，并且连机带卡插在ISA插槽里的。因为这种设计实在不太实用，所以没多久控制器就改作在硬盘的底部，而主要的转接卡仍旧必须安装在ISA插槽上。

今日的硬盘接口插槽已经直接内建在主板上，不过其实这只是个接口，因为控制硬盘的实际架构仍旧内建在硬盘里头。无论采用的是哪一种协议，IDE接口的资料长度都是16位，目前的主板上都有至少2个IDE接口，每一个接口可以各安装两个硬盘。

在80年代中期，Imprimis推出Wren系列（原本主要是Compaq使用与销售的硬盘）5.25英寸硬盘专用的接口。后来当3.5英寸硬盘问世后也很快的采用了这项规格。这款接口（或标准）的名字本来应该叫做「PC AT」，不过大家似乎比较偏爱不会与其它商标搞混的用词：「高级技术附件规格（Advanced Technology Attachment）」，简称ATA，也就是我们现在常挂在嘴边的用语。

不过这个名字不但才没过几个月就渐渐消失，而且也没有出现一个通用的规格。这也是为什么不同厂商的硬盘往往无法与其它的产品共享。尤其在检测第二个硬盘，也就是「从盘（slave）」时常常会出问题。

在此同时，部份厂商合作设立了CAM（通用存取接口，Common Access Method）委员会，他们主要着眼在SCSI规格的标准化。最后CAM委员会同意以Imprimis的接口作为第一代ATA规格的基础，不过在那之后又经过了无数次的修订、改写与改良后，ANSI（美国国家标准协会，American National Standards Institute）才终于在1994年接受提议，并宣布它为正式规格（X3.221）。

实际上IDE（集成磁盘电子接口，Integrated Drive Electronics）这个名词并非正式称呼，因为IDE并不包含任何实体规格。不过它算是所有现存ATA规格的通称，只有Western Digital（西部数据，WD）使用IDE这个名词作为行销广告之用，而且他们是以「加强型IDE（Enhanced IDE）」来称呼的。

为了支持硬盘以外的磁盘驱动器（像是ZIP或光驱等），ATA规格也藉由ATAPI（ATA封包接口）加以扩充，因为当初在制定ATA的指令集时，并没有打算要支持硬盘以外的储存设备。

作者: LEO 时间: 2004-1-19 16:30

ATA规格一览

下面我们将针对各个ATA规格的进化作介绍，另外本节最后的表格将为您做个总结。

ATA-1
1994年制定的ATA-1是所有IDE规格之祖。ATA-1提供一个通道供2个硬盘使用（主盘master和从盘slave）。ATA-1支持PIO（程序化输出入，Programmed I/O）模式0、1、2，DMA（直接内存存取，Direct Memory Access）模式0、1、2以及Multiword-DMA模式0。由于它已经是老旧的规格，ATA-1并无法支持采用ATAPI规格（ATA-4起）的光驱。它不支持大幅提升性能的区块传送模式（block mode）或是LBA（逻辑区块寻址，logical block addressing），这也导致它的可用最大硬盘容量被限制在528 MB。

ATA-2
由于规格的进步速度对硬盘厂商来说实在太慢，所以Seagate（希捷）和Western Digital（西部数据）分别决定推出自己的规格，Seagate称为Fast-ATA，而Western Digital则命名为加强型IDE（Enhanced IDE）。到了1996年，ANSI正式制定ATA-2规格，这项「扩充版的ATA接口」规格包括下列的改良：

追加PIO模式3、4以及Multiword-DMA模式1、2。另外ATA-2还支持区块传送模式与LBA硬盘寻址功能。ATA-2也首次内建了对磁盘驱动器的简单识别功能，让BIOS能够独立检测硬盘以及硬盘的各项参数。

不过由不同厂商所提出的不同名词，就这样残留在市面上了。

ATA-3
这项规格是在1997年制定的（X3.298-1997），不过追加的改良点并不多。这些大多数是用来改善高速传输模式（Multiword-DMA 2与PIO 4）下的数据可靠性，因为传统的40-pin IDE数据线是造成数据错误的主要因素。ATA-3规格中首次加入了改善数据可靠性的功能：自1998年起，SMART（自我检测分析与报告技术，Self-Monitoring Analysis And Reporting Technology）功能让硬盘能够自我检测，并将错误回报给BIOS。

这项规格本身由于缺乏更快的传输模式，所以正式采用的厂商很少。相对的厂商决定只采用像SMART这类的功能，而不完全遵守ATA-3的规格，这也是兼容性问题仍旧存在的原因。

作者: LEO 时间: 2004-1-19 16:30

ATA规格一览（续）

ATA/ ATAPI-4
1998年ANSI将ATAPI规格（NCITS 317，请对照下表）纳入最新版的ATA规格当中，让ATA-4能够连接光驱与其它储存媒体。另外改良点还包括UltraDMA模式0、1、2的采用，以及建议使用80-pin IDE数据线以大幅提高资料可靠性等部份。不过要使用更高速的传输模式（ATA-4），较高等级的数据线也是不可或缺的一部份。

为了维持资料的完整性，传输协议也获得扩充，加入了CRC（循环冗余检查，Cyclical Redundancy Checking）功能，并且定义了额外的指令，包括命令队列（Command Queuing）以及指令多任务（command overlapping）的可能性。由于UltraDMA模式2的最大传输速率为每秒33 MB，所以通常称作UltraDMA/33。另一方面模式0与1则从来没有厂商采用过。

ATA/ ATAPI-5
ATA-5是在2000年以NCITS 340之名制定的。这项规格当中以UltraDMA模式3、4最让人感兴趣。为了达到每秒44或66 MB的带宽速度，必须使用80-pin的IDE数据线。

在ATA-5规格中部份老旧的ATA指令已经废止，另外其它指令则经过修改，以适应更高的性能需求。

ATA/ ATAPI-6
这项目前相当普遍的ATA规格，包括了UltraDMA模式5，以及将LBA模式的寻址能力由28位（每个硬盘最大可用容量为137 GB）扩充到48位。ATA-6也加入了噪音管理（Acoustic Management）功能，可以藉由软件来控制今日硬盘的存取速度，以有效降低运转中的噪音。这可以说是头一次在ATA规格内加入了符合人体工学的重要设计。另外针对影音流式数据所需的高速处理内建指令，也已经在研发阶段。

ATA7?
这项规格尚未存在，因为序列ATA（Serial ATA）的产品很快就将问世，所以ATA-7并未受到大部分厂商的支持。不过要是ATA-7将来正式获得制定，那将会支持UltraDMA模式6。

规格 ATA-1 ATA-2 ATA-3 ATA-4 ATA-5 ATA-6
追加PIO模式 0、1、2 3,4 不明不明不明不明
追加DMA模式 0、1、2
Multiword 0 Multiword 1、2 不明不明不明不明
UltraDMA模式不明不明不明 0、1、2 3、4 5
最大传输速率每秒11.1 MB 每秒16.6 MB 每秒16.6 MB 每秒33.3 MB 每秒66.6 MB 每秒100 MB
使用数据线 40-pin 40-pin 40-pin 40/80-pin 80-pin 80-pin
ANSI标准编号与年份 X3.221-1994 X3.279-1996 X3.298-1997 NCITS 317-1998 NCITS 340-2000 NCITS 347-2001
追加功能 - 区块传输、LBA、磁盘驱动器参数辨识 SMART与数据可靠性功能 CRC校正与80-pin数据线 - 48位LBA寻址
俗称 ATA/IDE ATA/IDE ATA/IDE UltraDMA/33 UltraDMA/66、ATA/66 UltraDMA/100、ATA/100

作者: LEO 时间: 2004-1-19 16:31

概观：PIO模式性能

PIO模式周期时间数据传输速率规格采用情形
PIO mode 0 600 ns 每秒3.3 MB 自ATA-1起
PIO mode 1 383 ns 每秒5.2 MB 自ATA-1起
PIO mode 2 240 ns 每秒8.3 MB 自ATA-1起
PIO mode 3 180 ns 每秒11.1 MB 自ATA-2起
PIO mode 4 120 ns 每秒16.6 MB 自ATA-2起

概观：DMA模式性能

DMA模式周期时间数据传输速率规格采用情形
Single Word DMA 0 960 ns 每秒2.1 MB 自ATA-1起
Multi Word DMA 0 480 ns 每秒4.2 MB 自ATA-1起
Single Word DMA 1 480 ns 每秒4.2 MB 自ATA-1起
Multi Word DMA 1 150 ns 每秒13.3 MB 自ATA-2起
Single Word DMA 2 240 ns 每秒8.3 MB 自ATA-1起
Multi Word DMA 2 120 ns 每秒16.6 MB 自ATA-2起

概观：UltraDMA模式性能

UltraDMA模式周期时间数据传输速率规格采用情形
UltraDMA 0 240 ns 每秒16.6 MB 自ATA-4起
UltraDMA 1 160 ns 每秒25 MB 自ATA-4起
UltraDMA 2 120 ns 每秒33.3 MB 自ATA-4起
UltraDMA 3 90 ns 每秒44.4 MB 自ATA-5起
UltraDMA 4 60 ns 每秒66.6 MB 自ATA-5起
UltraDMA 5 40 ns 每秒100 MB 自ATA-6起
UltraDMA 6* 30 ns 每秒133 MB 预定于ATA-7*

* 尚未确定。该规格可能因为后继技术串行ATA（Serial ATA）的到来，而不会获得正式采用。

ATAPI接口：连接光驱

一开始ATA规格并没有打算支持硬盘以外的设备之间的通讯。第一部光驱采用的是SCSI接口，或者是自己专属的接口。这算不上是先进的方式，因为基本上这也不过是ATA系统的翻版。顺便一提，改良到ATAPI也让磁带机的性能有所提升，因为之前它们只能连接上速度缓慢的软盘接口上。

这种接口的资料是以数据包（packet）方式传送，也因此被命名为「数据包接口（Packet Interface，PI）。实际上ATAPI协议和ATA可以说没有相同之处，它的概念反而比较接近SCSI。和硬盘不同的是各光驱采用的协议可能不尽相同，不过硬盘则大多是UltraDMA/100或是UltraDMA/133；另外ATAPI必须要通过驱动程序来存取与通讯，而硬盘则可以通过BIOS直接存取。至于光盘启动的问题，前阵子就已经解决了；不过其它额外的功能，像是不通过操作系统直接播放音乐CD等，则只有少数主板厂商有在产品中内建（像建碁AOpen等）。

规格制定成员：标准化委员会

下面我们从上而下分批列出参与标准化制定的组织：

美国国家标准协会（American National Standards Institute，ANSI）：
ANSI处理各项标准规格的研发与采纳。不过它本身并不主动参与规格的制定，而只是担任管理的角色：ANSI指派SDO（标准规格研发组织，Standards Developing Organizations）这组织来作这些事情。当SDO完成工作后，最后ANSI才颁布他们所采用的标准。
信息科技产业理事会（Information Technology Industry Council，ITIC）：
ITIC是一个由数十家公司所组成的集团。他们主要负责研发计算机技术类的所有标准规格，算是个SDO组织。
美国国家信息科技标准委员会（National Committee for Information Technology Standards，NCITS）：
NCITS是ITIC当中的委员会，管理计算机业界中各项标准规格的技术支持与进一步的研发。它常被称为X3。NCITS的架构庞大，在各相关领域当中都具有不同的小组。
T13技术委员会（T13 Technical Committee）：
T13是目前负责研发ATA技术的小组。

作者: LEO 时间: 2004-1-19 16:32

容量的饱和问题：Int13h扩展指令与LBA寻址

通常要存取硬盘上的资料，必须藉由磁道（cylinder）、读写头（head）与扇区（sector）三项参数来作定位。由于存取动作必须通过19号中断（Interrupt 19，以16进位法表示则为13h），实际上并非毫无限制。不过Int13h必须获得正确的定位信息才能够存取数据，它通过以下24位的数据作存取动作：

10位磁道编号（最大值1024）；
8位读写头编号（最大值256）；
6位扇区编号（最大值63，编号以1起跳而非0）。
如果我们用每个扇区512字节来算，那1650万个扇区则相当于7.88 GB（假设您每KB以1000字节来算那就是8.46 GB）。

以现在来说这实在不是个大数目，所以Int13h必须加以扩充。做个小小的改变（比方说从24位改成32位），将代表旧磁盘将不再能够正确寻址，所以在扩充方面必须要能够具有透明度（transparent）。

藉由Int13h扩展指令的帮助，寻址能力扩充到了64位（相当于94亿TB），不过无论是BIOS或是操作系统本身都需要能够支持这种新模式，只要能够正确将磁盘驱动器辨识为Int13h扩展设备，就能够正确寻址磁盘空间。LBA模式则能够处理各项磁盘参数的变换，所以虽然寻址仍旧采用CHS（磁柱、读写头与扇区）方式，不过LBA模式则让存取编号扇区的动作变得更加容易。

安全保证：SMART功能

呃，我们说的SMART并不是指某台小车，而是一种早期预警系统。SMART（自我检测分析与报告技术，Self-Monitoring Analysis And Reporting Technology）功能本身会不断从硬盘上的几个传感器获得信息。

我们大多把硬盘的运转故障问题分成两种：可预测的（predictable）和不可预测的（unpredictable）错误。后者偶而会发生，您也没有办法去预防它（比方说芯片突然故障了）。像是轴承马达的损伤就是可预测错误的一种，如果您发现马达的温度突然上升，或是激活时间变长了，那您就能够在几天前或甚至几星期前就发现这种不正常的现象。如果发生这种问题，SMART功能会在开机时响起警报，至少让使用者有足够的时间，把所有重要资料全部移到其它储存系统上。

每个硬盘的检测功能不尽相同。不过大多包含下列部份：

重新定位扇区数（Number of Remapped Sectors）
硬盘上的扇区如果即将故障时，重新定位（Remapping）就会发挥功用，备用扇区可以用来弥补容量的损失，不过缺点是性能会略微下降。
最大读写头距离（Max. Headroom）
读写头离磁盘表面有多远？如果距离太接近，有可能是读写头即将冲撞表面的征兆。
ECC错误计数（ECC Error Count）
记录发生或是修正的位错误次数。数字越大可能代表扇区有问题。
温度（Temperature）
磁盘温度的上升，有可能是轴承马达发生问题的征兆。
数据吞吐量（Data Throughput）
原因不明的数据吞吐量下降，也有可能是硬盘故障所造成的。
就算您的BIOS不支持SMART功能，大多数情况下，您还是可以通过硬盘厂商所提供的工具软件，或是Norton Utilities一类的系统工具来监控您硬盘的状态。

我们的建议是，如果BIOS或是其它监测软件发出了SMART的错误讯息，尽可能立刻停止使用该硬盘，并且和厂商的支持部门连络。如果您的磁盘驱动器还在质保期内，要换一个硬盘应该不成问题。

作者: LEO 时间: 2004-1-19 16:32

硬件检查：使用正确的数据线

大部份UltraDMA/66或是UltraDMA/100的硬盘都需要80-pin的IDE数据线，虽然接口针脚还是40只（接口部份还是40-pin的），不过另外一半是拿来确保运作的稳定。

从左至右分别是50-pin SCSI-2数据线，80-pin IDE数据线以及34-pin软盘数据线。

购买圆形数据线是个不错的投资，相对于传统的数据线，它对空气流通的阻碍也小的多。在机箱内它看起来也比较美观。

左边就是绞线式的圆形软盘数据线，IDE数据线也有类似产品。虽然这些数据线比较贵一些，不过它们不会阻挡您机箱内宝贵的空气流动。

未来的理想：左边的接线是串行ATA专用的。第一代的硬盘和控制器很快会在今年夏天面世。

安装与设定：不须具备专业知识

规格就技术上来看其实很单纯：每个通道上都有一个主盘（master）和一个从盘（slave）。您可以通过硬盘上的跳线调整设定，现在的硬盘上都有清楚标示设定方式。

虽然40-pin数据线在安装上比较没有限制，但80-pin IDE数据线可不同。接头上都有加上颜色，蓝色端是接在转接器（主板上的接口），黑色与灰色则是给硬盘用的。虽然说主从硬盘的位置并不重要，不过如果您只安装一个硬盘时，务必要装在外侧的接头上，以免发生信号反射（signal reflection）的问题。

说到安装IDE设备时的最重要忠告，就是以常识来思考。举例来说，您最好不要把旧光驱拿来和新买的硬盘接在一起。对部份控制芯片来说，您并无法预期如果混用不同传输协议或规格时，对性能会产生多大影响。

性能进化回顾：从3.2 GB到120 GB

为了让您对速度飞快却通常被低估的硬盘进化速度有比较深入的认知，我们使用目前的计算机对过去几代的硬盘做了完整的性能测试。测试用的磁盘驱动器包括下列几款：

UltraDMA/33：Quantum Fireball ST 3.2A
这一款硬盘是我们在90年代末期各式硬件测试中的好搭档。在约5年前，它5,400转的速度和256 KB的缓冲区可说是一大卖点。

Quantum Fireball ST 3.2A 在1997和1998年是IDE硬盘中的性能之王。不过现今的操作系统，像是Windows 2000或Windows XP等在这些旧硬盘上却跑得很慢。要是您使用新计算机，记得离这些旧硬盘远一点。

UltraDMA/33：IBM DTTA351010
IBM的DTTA系列有5,400与7,200转的版本。它具有512 KB的缓冲区，虽然它也蛮普遍的，不过却是UltraDMA/66发表前的末代机种。

Deskstar 16GP总共有8款不同的硬盘产品，另外14GXP在技术上相当接近16GP，也是IBM头一个7,200转系列硬盘。

UltraDMA/66：Seagate Barracuda ATA (ST320430A)
Seagate（希捷）的第一款7,200转IDE硬盘叫做Barracuda ATA（酷鱼）。以今日的标准来看，这款缓冲区512 KB的硬盘不但十分烫手，而且噪音也很大。反映出UltraDMA/66当时产品的普遍特色。

UltraDMA/100：Western Digital WD1200
Western Digital（西部数据）的高档硬盘仍旧是硬盘市场中的佼佼者。120 GB的WD1200有2 MB（1200BB）与8 MB（1200JB）缓存的版本，它7,200转的速度也缩短了存取时间。

WD1200仍旧是市场上最快的IDE硬盘之一。

作者: LEO 时间: 2004-1-19 16:33

测试软硬件设定

测试系统
处理器 Intel Pentium 4、2 GHz、L2快取256 KB（Willamette核心）
主板 Intel 845EBT、845E芯片组
内存 256 MB DDR/PC2100、CL2、美光（Micron/Crucial）
IDE控制器 i845E UltraDMA/100控制器（ICH4南桥内建）
显卡 ATI（冶天）Radeon SDRAM、32 MB
网卡 3COM 905TX PCI 100 Mbit
操作系统 Windows XP Pro 5.10.2600
各项测试与设定
办公室应用性能 ZD WinBench 99 - Business Disk Winmark 1.2
高端应用性能 ZD WinBench 99 - Highend Disk Winmark 1.2
性能测试 ZD WinBench 99 - Disc Inspection TestHD Tach 2.61
I/O性能 Intel I/O Meter
驱动程序与设定
显卡驱动程序 5.1.2001.0（Windows XP内建）
IDE驱动程序 Intel Application Accelerator 2.2
DirectX版本 8.1
屏幕分辨率 1024x768、色深16 bit、更新率85 Hz

测试结果

数据传输性能

硬盘的进步实在太快了！过去每秒8.6 MB的速度（Quantum UltraDMA/33）实在作不了太多事情。7,200转与UltraDMA/66接口的出现，可以说是让硬盘技术在性能上第一次有大幅的提升。

突发模式（burst mode）性能

这张图里头，您可以看到各接口所能提供的带宽。前两款UltraDMA/33的硬盘约在每秒30 MB，而希捷的Barracuda ATA（UltraDMA/66）的最大传输率（由硬盘的缓存上读取数据时）则提升到了每秒50 MB/s以上，今日的UltraDMA/100硬盘则甚至达到每秒86 MB。随着串行ATA接口的发表，这个数字还有可能向上提升。

作者: LEO 时间: 2004-1-19 16:33

存取时间测试

目前的IDE硬盘平均至少需要11 ms来存取一个扇区或文件。如果厂商在规格上写的数字比这个还小，那大多指的是纯寻道时间（pure seek time），这并没有把旋转延迟或是读取初始化的时间算进去。旋转延迟（rotational latency）指的是在磁头定位后，指定扇区通过读写头的所需时间。

I/O测试

新硬盘和旧硬盘比起来，每秒能够执行的I/O次数更多自然不令人吃惊。不过让人惊讶的是IBM的DTTA系列硬盘虽然比较新，但却没有比Quantum的Fireball ST系列快上多少。

这可以说是产品在市场定位不同的关系。Fireball ST是款高档硬盘，不过5,400转的DTTA则是针对大众市场的产品。当然IBM也有针对需要高性能的使用者的7,200转产品。

作者: LEO 时间: 2004-1-19 16:34

应用程序实测：Winbench 99

几年来Winbench一直都是用来测试硬盘，在实际使用上性能如何的良好指针之一。图中可以很清楚看出这些年来硬盘进步的幅度。

结论：一段成功的历史

SCSI从早期开始就具有性能和稳定性两大优点，但之后的IDE和ATA在90年代初期却不断的发生兼容性的问题，比方说两个磁盘间的组合有时候就是不能正常运作，不过换个组合运气好也许就可以用了。这些问题在1997年开始成为历史的一部份，而IDE接口也终于从幼儿期毕业了。

随着UltraDMA模式的发表，这项价格平易近人的接口终于开始蓬勃发展，也大幅拉近了与SCSI硬盘间的性能差异。虽然3年前SCSI硬盘的性能仍旧突飞猛进，不过当您使用了10000转的硬盘后，您将很难察觉性能究竟有多大的不同。不过如果应用在高端环境（尤其是服务器）里的话，那情况将大不相同，昂贵的SCSI硬盘每秒能执行的I/O数和本身拥有的大量缓存，十足发挥了它们的实力。

使用IDE设备可以说是越来越简单，而且有了每秒100 MB的带宽（UltraDMA/100）之后，性能上也十分优秀。即将推出的第一代串行ATA硬盘，将会有每秒150 MB的带宽，也能够减少传统数据线安装上的麻烦。

无论如何，关于RAID的技术与知识仍旧能派上用场，这也将是我们下一篇文章中所要探讨的主题。

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