Schnittstellen

Als Schnittstelle der Festplatte zu anderen Computer-Komponenten werden bisher hauptsächlich die parallelen Schnittstellen ATA (IDE, EIDE) (überwiegend bei PCs) oder SCSI (bei Servern und z.?T. Workstations) verwendet.

Mit zunehmender Übertragungsgeschwindigkeit ergeben sich hierbei technische Schwierigkeiten, die für die Übertragungsrate eine obere Grenze setzen (bisher max. 320 MByte/s bei SCSI) und den Aufwand bei der Realisierung erhöhen. Deshalb wird seit einigen Jahren ein Übergang zu seriellen Schnittstellen angestrebt.

Seit 2002 gewinnt das neue Verfahren Serial ATA (S-ATA oder SATA) an Bedeutung. Die Vorteile gegenüber ATA (zur Abgrenzung nun vermehrt P-ATA oder PATA genannt) sind der höhere mögliche Datendurchsatz und die einfachere Verkabelung. 2005 werden erste Festplatten mit Serial Attached SCSI (SAS) als potentieller Nachfolger von SCSI für den Server- und Storagebereich vorgestellt, über zwei Anschlüsse kann der Datenaustausch hier theoretisch mit bis zu 600 MByte/s erfolgen.

 

IDE//EIDE

ATA

SATA

SCSI

 

Es werden auch universelle Schnittstellen wie FireWire oder USB für den Anschluss externer Festplatten verwendet, hierbei sind jedoch die eingebauten Festplatten selbst mit herkömmlichen (meist ATA oder S-SATA) Schnittstellen ausgestattet, die Signale werden durch eine eigene Elektronik für die nach aussen geführte Schnittstelle umgesetzt.

Eine weitere Option, nämlich die Kommunikation via Fibre Channel-Interface ist noch leistungsfähiger und für die Verwendung in Speichernetzwerken (Storage Area Network, SAN) konzipiert. Auch hier werden nicht die Festplatten selbst mit Fibre angesprochen, sondern haben herkömmliche Anschlüsse. Einen konkurrierenden Ansatz verfolgt iSCSI, jedoch unter Verwendung von IP-Netzen.

IDE/EIDE, (U)DMA

IDE bedeutet Integrated Device Electronics. Diese Festplatten mußten beim System angemeldet, das heißt in den CMOS-Speicher eingetragen werden. Die IDE-Schnittstelle verwendet die CHS-Adressierung und ist durch den 8-Bit breiten Adressbus beschränkt auf 1024 Zylinder, 16 Köpfe und 63 Sektoren. Daher konnten reine IDE-Festplatten nie größer als 504 MB sein. Die Controllerelektronik ist direkt im Laufwerk integriert.

Die erweiterte IDE-Schnittstelle EIDE (Enhanced IDE) bricht die 504MB Beschränkung auf. Gleichzeitig mit der Einführung der EIDE-Schnittstelle wurde der LBA-Modus eingeführt und in den ATA-2 Spezifikationen verabschiedet. Das LBA-Verfahren spricht die Festplatte über logische Blocknummern an. Die gesamte Kapazität der Platte erscheint als eine kontinuierliche Folge von Datenblöcken. Die Anzahl der Sektoren, Zylinder und Köpfe bleibt nach außen hin verborgen. Der Host benötigt somit keine Informationen über die Geometrie der Festplatte. Die interne Umsetzung der LBA-Adressierung nach Sektor, Zylinder und Kopf erledigt die Laufwerkselektronik.

Jeder einzelne Sektor besitzt eine eindeutige logische Adresse. Das LBA-Verfahren fasst die insgesamt 28 Adressbits aus den vier Registern, die beim CHS-Modus zum Einsatz kommen, zu einer LBA-Nummer zusammen. Über diese Nummer kann das BIOS des PCs jeden Sektor auf der Festplatte ansprechen. Durch die 28-Bit-breite Adresse kann das LBA-Verfahren maximal 2^18 Sektoren verwalten. Bei der Anzahl der Sektoren ist auch der Wert 0 erlaubt. Mit einer Sektorgröße von 512 Byte beträgt die Maximalkapazität 128,0 GByte.

Als Erweiterung wird mit ATA-6 eine 48 bit Adressierung (48-bit LBA) eingeführt, mit der 281.474.976.710.655 Sektoren oder 144 PB (peta Bytes) adressiert werden können. Zur Unterstützung muß Windos XP mit Service-Pack 1 oder Windows 2000 mit Servicepack 4 installiert sein. Außerdem muß natürlich das Bios 48-Bit LBA unterstützen.

An ein normales E-IDE-System kann man normalerweise bis zu vier Gräte anschließen, dabei werden je zwei Geräte an einen IDE-Port angeschlossen. Die beiden Ports bezeichnet man als primären und sekundären Anschluss. Die beiden Geräte an jedem Port werden in Master und Slave aufgeteilt. Ein E-IDE-System bootet (normalerweise) von der Master-Platte am primären Port.

 

Viele aktuelle Boards bieten einen zusätzlichen IDE-Controller, so dass bis zu acht Geräte angeschlossen werden können.

 

 

Der IDE-Bus war ursprünglich nur zum Anschluss von Festplatten gedacht, heutzutage kann man aber auch CD/DVD-ROM-Laufwerke und Brenner, Bandlaufwerke und große Diskettenlaufwerke anschließen.

 

Pro Port können maximal zwei Endgeräte (Master/ Slave) angeschlossen werden. Es gibt auch keine besonderen Abschirmungs-maßnahmen, so dass ein IDE-Kabel auf max. 90cm begrenzt ist. Im Laufe der Zeit haben sich bei IDE die verschiedene Übertragungs-geschwindigkeiten weiterentwickelt. Hier eine kurze Übersicht (es handelt sich nur um theoretisch erreichbare Geschwindigkeiten):

 

Ein IDE-Flachband-kabel hat 40 Adern, für die seit einigen Jahren verwendeten Ultra-ATA2-Systeme werden Kabel mit 80 Adern, von denen aber wiederum nur 40 zum Stecker geführt werden, verwendet. Dies dient zu besseren Abschirmung der Kabel gegen Störeinflüsse. Von den 40 "echten" Adern werden aber nur acht für den eigentlichen Datentransport verwendet, d.h. die acht Bit für ein Byte können gleichzeitig (=parallel) übertragen werden. Die anderen Adern dienen für Steuerbefehle und als Masse-Leitungen.

 

Ultra DMA.Kabels sind farbcodiert, die Farben findet man auf modenen Moterboards wieder. Der blaue Stecker zum Anschluss auf dem Boaed, der schwarze Stecker zum Anschluß des Masters, der graue für den Anschluß des Slave (wenn vorhanden). Wird an ein IDE oder Ultra-DMA-Kabel nur ein Gerät angeschlossen, so sollte man immer die äußeren Stecher verwenden. Werden 2 Geräte angeschlossen, so ist die Anschlußreihenfolge von Master und Slave beliebig wählbar.

Der normale PC bietet insgesamt 4 Anschlussmöglichkeiten für ein Festplatte CD-Laufwerk-Kombination. Doch nicht jede Kombination ist optimal. Folgende Varianten haben sich bewährt:

 

 

 

ATA

1989 wurde die 1986 von Western Digital etablierte Integrated Drive Electronics (IDE)Schnittstelle genormt und der ATA-Standart ins Leben gerufen. In Kooperation mit anderen Festplattenherstellern wurde dies als gemeinsamer Standard etabliert, der 1989 als ATA-1 verabschiedet wurde. ATA Schnittstellen können verschieden PIO und DMA-Protokolle verwenden.

 

ATA-1 (1989)

Gleichzeitige Ansteuerung von max. zwei Festplatten mit bis zu 8,3 MB/s (MB = Megabyte; 1 Megabyte = 1 000 KByte = 1 000 000 Bytes). ATA-1 arbeitet asynchron. Verwendung finden mehrere PIO Modi (Programmed I/O) und DMA (Direct Memory Access) Varianten:

PIO Modus 0: 3,3 MB/s; PIO 1: 5,2 MB/s; PIO 2: 8,3 MB/s
Single Word DMA Modus 0: 2,1 MB/s, DMA single 1: 4,2 MB/s, DMA single 2: 8,3 MB/s
Multi Word DMA Modus 0: 4,2 MB/s
ATA, ATA-1 und IDE (Integrated Drive Electronics) entsprechen einander.

ATA-2 (1994)

Die Steuer- und Datensignale können mit ATA-2 synchron übertragen werden. Leistungsfähigkeit bis zu 16,6 MB/s. Neue Übertragungsmodi: Block transfers, Logical Block Addressing

PIO Modus 3: 11,1 MB/s; PIO 4: 16,6 MB/s
DMA Modus 1: 13,3 MB/s, Modus 2 (DMA 2): 16,6 MB/s (ab hier immer Multi Word)
ATA-2 entspricht EIDE (Enhanced IDE)
Fast ATA umfasst ATA-2, PIO 3, DMA 1
Fast ATA-2 umfasst ATA-2, PIO 4, DMA 2

ATA-3 (1996)

ATA-3 weist gegenüber seinem Vorgänger ATA-2 zwei neue Funktionen auf: S.M.A.R.T und den sogenannten Security Mode. Leistungsfähigkeit und Übertragungsmodi haben sich gegenüber ATA-2 nicht verändert.

ATA/ATAPI-4 (1997)

Mit ATA-4 werden CD-ROM Laufwerke und CD-Brenner beim Start ohne zusätzliche Treiber erkannt. Leistungsfähigkeit: 33,3 MB/s. Es wird ein neuer Modus namens Ultra DMA (UDMA) eingeführt. ATA-4 ist jedoch zu den alten Modi PIO und DMA kompatibel.

Der Name wird um ATA Packet Interface erweitert, mit denen die SCSI-Kommandos zur Ansteuerung der Laufwerke in ATA-Kommandos verpackt wurden.

Ultra DMA mode 0: 16,7 MB/s; UDMA 1: 25,0 MB/s: UDMA 2: 33,3 MB/s.
Ultra ATA/33 ist eine verbreitete Abkürzung von ATA-4 mit UDMA 2.

ATA/ATAPI-5 (1999)

ATA-5 enthält einen neuen Modus: Ultra DMA 4. Leistungsfähigkeit 66,6 MB/s, daher auch UDMA-66 genannt (UDMA 3: 44,4 MB/s). Für den ATA-5-Standard ist ein spezielles 80-adriges Kabel erforderlich. Dieses Kabel hat zwar weiterhin nur 40 Anschlusspins, allerdings befinden sich 40 zusätzliche Leitungen mit Masseanschluss jeweils zwischen den Datenleitungen. Diese sollen elektromagnetische Interferenzen verringern, die zu Übertragungsfehlern führen können.

ATA/ATAPI-6 (2000)

Mit ATA-6 und dem Modus Ultra-DMA-100 (UDMA 5) sind Datenraten bis 100 MB/s möglich. Daher findet sich hier auch oft die Bezeichnung ATA/100.

ATA/ATAPI-7 (2001)

Mit ATA-7 und dem Modus Ultra-DMA-133 (UDMA 3) sind Datenraten bis 133 MB/s möglich. Daher findet sich hier auch oft die Bezeichnung ATA/133.

 

Hier nochmal die bei den ATA-Standarts verwendeten Protokolle:

 

 

 

SATA

 

Seit Anfang 2003 wird eine neue, serielle ATA-Schnittstelle mit der bezeichnung SATA auf neuen Mainboards verbaut. Die Daten werden hierbei seriell und nicht mehr parallel übertragen. Dadurch sind wesentlich dünnere und längere Kabel möglich. Die Übertragungsgeschwindigkeit liegt bei 150MByte/s und es wird geplant diese Rate bis 2007 noch zweimal zu verdoppeln.

 

SCSI

Small Computer System Interface kurz SCSI ist eine hochwertige Schnittstelle für bis zu 15 Geräten (WIDE-SCSI). Ein Terminator am Kabelende verhindert störende Signalreflexionen. Bei Ultra320 SCSI liegt die Datentransferrate bei bis zu 320 MByte/s.

 

SCSI ist in den letzten für Desktop-PCs Jahren vollkommen geworden. Man kann an einem SCSI-Controller bis zu sieben Gräte betreiben, bei Wide-SCSI sogar bis zu 15 Geräte, darunter nicht nur die Geräte, die man bei IDE findet, sondern auch noch Dinge wie Scanner u.a.. Weitere Vorteile gegenüber IDE-Systemen, z.B. höhere Geschwindigkeit und größere Datensicherheit, sind aber in letzter Zeit nicht mehr vorhanden: P-/S-ATA-Platten sind meist schneller und aufgrund des überproportionalen Mehrpreises von SCSI-Platten ist es meist günstiger, ein ATA-RAID-System einzurichten.
Im Gegensatz zu P-ATA sind SCSI-Kabel besser gegen Störstrahlung geschützt, des weiteren sorgen Terminatoren (nein, nicht Arnold) für Sicherheit. An jedem Ende des Busses muss ein Terminator befestigt werden, der eventuelle Signalreflexionen an den Kabelenden verhindert.

Verwendet man nur interne Geräte benötigt man einen Terminator am Hostadapter (meist automatisch) und hinter dem hintersten Gerät am Kabel.
Verwendet man interne und externe Geräte benötigt man einen Terminator am äußersten externen und äußersten internen Gerät, es erfolgt keine Terminierung am Hostadapter.

Bei SCSI-Platten ist die Ansteuerungselektronik zu großen Teilen auf einem (teilweise recht teuren) Host-Adapter untergebracht, bei IDE-Platten befindet sich diese im Festplattengehäuse.

nächste Seite

 

 

Dieser Artikel:

Einleitung
Entwicklungsgeschichte
Hersteller
Größen
Technik
logischer Aufbau
Speichern der Daten
Übertragungsgeschwindigkeit
Datensicherheit
Schnittstellen
RAID-Level

zurück zum Hardware-Lexikon