硬科技:光華電腦DIY回憶錄之最吵的硬碟 複習一下古老的Parallel ATA

2019.02.02 06:28AM
8296
Parallel ATA, Motherboard, Serial ATA, Hard Drives, Computer port, Electrical connector, Computer hardware, Computer, Disk storage, SCSI, pata motherboard, Electronic engineering, Circuit component, Computer hardware, Electronic component, Electronics, Technology, Circuit prototyping, Passive circuit component, Electronic device, Electronics accessory

二十一世紀才開始接觸電腦的科科們,在機殼內普遍只有幾條細細的SATA (Serial ATA) 排線的當下,以及為了解放新一代高速SSD被封印的效能,而逐漸走向純PCI Express化的今日,可能很難想像,在遙遠的二十世紀末期,負責連接硬碟機光碟機到主機板,並源源不絕地以不可思議的龜速,緩慢傳輸資料的介面,是如此的粗、如此的長、如此充分的填充機殼內的剩餘空間 (這樣寫好像怪怪的),而且串接2台裝置時,還要手動跳Jumper設定第一台的Master和第二台的Slave,或著選Cable Select讓電腦自己排排樂。

Parallel ATA, Serial ATA, Hard Drives, Computer, Interface, Motherboard, , Electrical cable, ATA Packet Interface, SCSI, Parallel ATA, Brown, Belt, Leather, Belt buckle, Material property, Fashion accessory, Buckle, Metal, Wood, Rectangle

總計25個型號、歷經傳統薄膜式磁頭、磁阻式 (MR) 磁頭、巨磁阻 (GMR) 磁頭、垂直磁紀錄 (PMR) 、疊瓦式磁紀錄 (SMR) 、一路邁向全固態化的硬碟機,可以說是在筆者二十幾年個人電腦DIY的歷史中,最具存在感也最具代表意義的回憶,甚至還是筆者的長期筆名「水球」和公私電子郵件都有「Waterball」的起源,所以值得動用最多的篇幅來好好的大書特書一番。但在細數昔日古董前,我們先來回顧一下,什麼是「ATA」,特別是相對於SATA、長期被俗稱IDE的PATA (Parallel ATA)。

Document, Line, Angle, Music, MusicM Inc., music, Text, Font, Line, Design, Pattern, Parallel, Number

為何ATA的起源,會跟Seagate、日後被其收購的Maxtor,和Western Digital這3間歷史悠久的硬碟大廠這麼的有淵源?

ATA的前身是Shugart (後來的Seagate) 在1980年代初期提出的ST-506 / ST-412。Shugart在1980年推出ST-506是第一台為了微電腦而量身訂做的硬碟,但此硬碟介面並無正式命名,只因為是ST-506與ST-412這2種硬碟機所採用的介面,故得此名。

ST-506 / ST-412和後來的ATA最大的不同處是:資料分離器和磁碟機控制器,都是做在硬碟介面卡,而不是硬碟機上,導致硬碟介面卡相當複雜且昂貴,科科們可以想像時下ATA硬碟機背面的電路板,大多數功能都被強制轉移到主機板上的慘況。在ATA與SCSI尚未成熟的1980年代,絕大多數的硬碟機都是這個介面。

ST506/ST412, Hard Drives, Electrical cable, , Controller, Seagate Technology, Modified Frequency Modulation, Interface, Computer, Hard disk drive interface, st 506 cable, Motherboard, Computer component, Electronics, Technology, Computer hardware, Electronic device, Electronic component, Circuit component, Electronics accessory, Electronic engineering

接著Maxtor推出ESDI (Enhanced Small Disk Interface),將資料分離器整合在硬碟機的控制電路板,並靠著較快的資料傳輸率,獨領風騷一段時日,但未獲廣泛應用。

PlayStation 2, Enhanced Small Disk Interface, Hard Drives, Hard disk drive interface, Interface, IBM Personal System/2, Micro Channel architecture, ST506/ST412, Disk storage, Serial ATA, enhanced small disk interface, Bumper, Bicycle pedal

Western Digital分別在1982年和1984年,推出首款單晶片硬碟控制器 “WD1010” 與首張IBM PC/AT硬碟介面卡,相容ST-506,並進一步整併整個磁碟機控制器到硬碟機上,將硬碟與控制器整合成一個傳輸介面,降低介面卡的成本,IDE的全名 “Integrated Drive Electronics” 由此而來,IDE也在很長的一段時間成為ATA的代名詞,而這樣如我們所認知的「完整功能」硬碟,首度出現在1986年的Compaq電腦上,當然也主要來自於Western Digital的貢獻。

Datasheet, Document, Floppy-disk controller, Floppy disk, Data, PDF, Electronic circuit, Integrated Circuits & Chips, Disk controller, , Datasheet, Text, Font, Line, Document, Parallel

 

ATA-2草案先由Seagate所提出,再由間接隸屬於美國國家標準協會 (American National Standards Institute,ANSI) 的國際資訊技術標準委員會 (InterNational Committee for Information Technology Standards,INCITS) 之T13技術委員會中的眾多參與成員,共同修訂為標準規格。Parallel ATA的諸多特色,如PCMCIA外接介面等,也都奠基於這段ATA急速發展期。

老舊的ISA匯流排嚴重限制傳輸效率,開始標準化的ATA規格就盡量發揮VESA Local Bus及PCI等新一代高速匯流排的特性,如ATA-2具有PIO (Programmed I/O,所有I/O都由CPU執行) Mode 4及Multi-Word DMA (Direct Memory Access,允許I/O直接存取主記憶體,降低CPU工作量) Mode 2,最高傳輸量達16.6MB/s。

IDE介面到底有多亂?

IDE圈很亂,說有多亂就有多亂,歷代規格還塞好塞滿硬碟機廠商自己掰出來的「技術行銷」暱稱,令人目不暇給。

  • 從PC/XT時代就已經有XT-IDE,為8位元的介面、ISA XT匯流排、40腳排線接頭。
  • 用於PC/AT以上IDE介面則稱為ATA(AT Attachment)-IDE,簡稱為ATA,為16位元的介面、ISA AT匯流排、40腳排線接頭。ATA-IDE還有VESA Local Bus匯流排版本,被稱為Fast ATA。
  • 另外,還有IBM專屬的MCA (Micro Channel Architecture) 匯流排,稱為MCA-IDE,亦為16位元的介面,但為72腳排線接頭。

隨著日後的發展,ATA-IDE成為IDE規格的主流和ATA日後發展的基礎。

「ATA」全名是什麼?為何會這樣取名?

Line, Angle, Product, Font, plot, Text, Line, Diagram, Font, Parallel, Design, Number

ATA的全名之所以被稱為AT Attachment,在於直接將磁碟機連接至 (attach to) IBM PC/AT相容之ISA匯流排。一句話結束,不必謝我。

這也衍生出一個有趣的問題 (很久以前在BBS上被問過):為何長期象徵高階儲存介面的SCSI (Small Computer System Interface) 似乎沒有PIO Mode這東西?這個道理相當簡單,因為SCSI介面控制卡必須接在匯流排 (如PCI) 上,本身就是具備高度裝置獨立性,就直接Bus Mastering走First-Party DMA了,誰跟你PIO操死CPU還慢慢爬,而不像ATA是「直接變相將硬碟插在AT Bus想辦法讓CPU處理I/O運作」,ATA也就理所當然的擁有「讓已經被操好操滿的CPU繼續閒閒有事作」的PIO Mode。

過去困擾廠商和使用者的容量上限是怎麼跑出來的?

這議題其實有點複雜,真要猛寫下去會變成算術大賽,為避免字數破表,筆者也決定略而不談某些細節,不過科科們只需要了解一件事:BIOS定址上限、ATA定址上限、檔案系統定址上限、和作業系統,在這本「功勞簿」上都得被記上一筆。

經歷過這段歲月往事的科科,應該都會記得當年主機板BIOS中的磁碟機選項,提供的Normal (528MB)、Large (528MB-2.1GB) 和LBA (超過2.1GB) 模式,只要依稀回憶「某段期間內,好像所有硬碟機廠商都有志一同的推出容量相同的最高容量機種」,大概就該心裡有數「啊,又撞牆了,雖然不知道這次的罪魁禍首是哪位大恩大德」,微軟也對「築牆」此事頗具「貢獻」,免費捐贈2.1GB、32GB和2TB三道大牆。如果這幾座大牆能夠擋住進擊的巨人就好了。(冷)

PC/AT的BIOS和ATA交互「強碰」後,由CHS (磁柱、磁頭、磁區) 的「最小環節」決定容量上限,也因此造成了ATA介面定義的容量限制:528MB、8.4GB及136.9GB這3個關卡。

Line, Point, Angle, Product, Font, 8x8 grid, Text, Font, Line, Number, Parallel

早期主機板廠商修改Int 13H的中斷服務 (x86電腦的低階磁碟I/O服務),轉移2個磁頭紀錄位元到磁柱紀錄,將第一個容量上限關卡:528MB,增加到2.1GB,做為臨時性的應急方法,容量再往上就得使用LBA (Logical Block Addressing) 模式。

當IBM和微軟聯手,藉由引進支援LBA的BIOS INT 13H extension中斷服務,允許作業系統直接跳過BIOS,透過虛擬的邏輯CHS位址來存取磁碟後,瓶頸便轉移到28位元LBA定址的136.9GB,後來ATA/ATAPI-6 (UltraDMA 100) 導入48位元LBA定址方式,一舉衝破136.9GB的理論之牆,後面接著就都是軟體層面的障礙了,而48位元LBA的144PB,現在看來還是遙不可及的未來。

Screenshot, Line, Music, Angle, MusicM Inc., music, Text, Font, Line, Monochrome, Number, Style, Illustration

那光碟機採用的ATAPI (ATA Packet Interface) 又是什麼?

可以將其視為SCSI與ATA的結合。光碟機執行的是SCSI介面的CD-ROM命令,ATAPI的存在目的,就是經由ATA執行這些SCSI命令。在當時,很多音效卡也會直接提供IDE接頭,供連接光碟機之用。

Sound Cards & Audio Adapters, Graphics Cards & Video Adapters, Sound Blaster AWE32, Creative Wave Blaster, Parallel ATA, Sound Blaster, Sound Blaster 16, Industry Standard Architecture, , Daughterboard, sound blaster 16 daughterboard, Electronic engineering, Circuit component, Computer hardware, Electronic component, Computer component, Passive circuit component, Electronics, Technology, Microcontroller, I/o card

經常用來檢測硬碟機是不是快升天的SMART又是何時出現的?

為了改善硬碟機的可靠性,ATA規範必須額外定義硬碟機的自我檢測及狀況回報功能,IBM率先提出PFA (Predictive Failure Analysis) 規格,後來再由Quantum及Compaq提出SMART (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology) 技術,在ATA-3成為正式業界規範。

Screenshot, Web page, Font, World Wide Web, screenshot, Text, Font, Blue, Line, Screenshot, Number, Software engineering, Software, Technology, Media

效能皇帝大,那ATA歷史上的重大里程碑是?

Intel與Quantum共同制定,ATA/ATAPI-4的UltraDMA Mode堪稱是ATA歷史上的重要里程碑,將理論最大傳輸率從16.6MB/s一次加倍至33MB/s,也建立日後以33MB/s為單位逐步提升頻寬的成長曲線,直到轉進到序列化 (Serial) 的SATA為止。值得注意的是,UltraDMA Mode 3定義了44MB/s的理論傳輸率,但沒有廠商實作。事實上,沒實際面世的ATA傳輸模式可多著了。

Line, Point, Angle, Font, angle, Text, Line, Number, Font, Parallel

恭喜各位科科,壯大的硬碟機冒險故事,在此揭開序幕。預祝各位新年快樂。

未完待續:下集「硬科技:光華電腦DIY回憶錄之最吵的硬碟 以「火球」和「鑽石」為起點的漫長旅程

回應 45

45 則回應

外國人溝通神器
22 個小時前