ATA (technologia)

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

Pin	Oznaczenie	Kierunek	Opis	Pin	Oznaczenie	Kierunek	Opis
1	-RESET	→	Sprzętowa inicjacja (RESET) dysku stałego	2	GND		Masa
3	DD7	↔	Szyna dwukierunkowa do przesłań pomiędzy procesorem a dyskiem stałym	4	DD8	↔	Szyna dwukierunkowa do przesłań pomiędzy procesorem a dyskiem stałym
5	DD6	↔	Szyna dwukierunkowa do przesłań pomiędzy procesorem a dyskiem stałym	6	DD9	↔	Szyna dwukierunkowa do przesłań pomiędzy procesorem a dyskiem stałym
7	DD5	↔	Szyna dwukierunkowa do przesłań pomiędzy procesorem a dyskiem stałym	8	DD10	↔	Szyna dwukierunkowa do przesłań pomiędzy procesorem a dyskiem stałym
9	DD4	↔	Szyna dwukierunkowa do przesłań pomiędzy procesorem a dyskiem stałym	10	DD11	↔	Szyna dwukierunkowa do przesłań pomiędzy procesorem a dyskiem stałym
11	DD3	↔	Szyna dwukierunkowa do przesłań pomiędzy procesorem a dyskiem stałym	12	DD12	↔	Szyna dwukierunkowa do przesłań pomiędzy procesorem a dyskiem stałym
13	DD2	↔	Szyna dwukierunkowa do przesłań pomiędzy procesorem a dyskiem stałym	14	DD13	↔	Szyna dwukierunkowa do przesłań pomiędzy procesorem a dyskiem stałym
15	DD1	↔	Szyna dwukierunkowa do przesłań pomiędzy procesorem a dyskiem stałym	16	DD14	↔	Szyna dwukierunkowa do przesłań pomiędzy procesorem a dyskiem stałym.
17	DD0	↔	Szyna dwukierunkowa do przesłań pomiędzy procesorem a dyskiem stałym	18	DD15	↔	Szyna dwukierunkowa do przesłań pomiędzy procesorem a dyskiem stałym
19	GND		Masa	20			Pin nie wykorzystany
21	DMARQ	←	żądanie przesyłania w trybie DMA	22	GND		Masa
23	-DIOW	→	Przepisanie zawartości linii danych DDx do wybranego rejestru napędu	24	GND		Masa
25	-DIOR	→	Przepisanie zawartości wybranego rejestru napędu na line danych DDx	26	GND		Masa
27	IORDY	←	Sygnał gotowości urządzenia wejścia/wyjścia tylko w trybie PIO 3,4	28	CSEL	→	wybór napędu master/slave za pomocą kabla (ustawia się to za pomocą zworki-z tyłu napędu)
29	-DMACK	→	Sygnał przyjęcia żądania DMA przez hosta	30	GND		Masa
31	INTRQ	←	żądanie obsługi przerwania(znaczenie tylko jeśli jest wykorzystywany system przerwań)	32	IOCS16		obecnie pin przestarzały – był zdefiniowany w specyfikacji ATA-2
33	DA1	→	Linia adresowa używana do adresowania rejestrów napędu	34	-PDIAG	←	Sygnalizuje zakończenie inicjacji drugiego dysku
35	DA0	→	Linia adresowa używana do adresowania rejestrów napędu	36	DA2	→	Linia adresowa używana do adresowania rejestrów napędu
37	-CS0	→	Umożliwia komunikację z rejestrami komend	38	-CS1	→	Umożliwia komunikację z rejestrami kontrolnymi
39	-DASP	←	Informuje pierwszy dysk fizyczny (MASTER) o obecności drugiego dysku (SLAVE)	40	GND		Masa

- 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:

dyski twarde – czyli urządzenia, które nie obsługują komend pakietowych
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

Bity	7	6	5	4	3	2	1	0
Opis	HOB	r	r	r	r	SRST	nIEN	0

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.

Bity	15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
Opis	DD15	DD14	DD13	DD12	DD11	DD10	DD9	DD8	DD7	DD6	DD5	DD4	DD3	DD2	DD1	DD0

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

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

Ogólne	System bus Front side bus Back side bus Daisy chain Szyna sterująca Szyna adresowa Bus contention Network on a chip Plug and play
Standardy	SS-50 bus S-100 bus Multibus Unibus VAXBI MBus STD Bus SMBus Q-Bus Europe Card Bus ISA STEbus Zorro CAMAC FASTBUS LPC HP Precision Bus EISA VME VXI VXS NuBus TURBOchannel MCA SBus VLB PCI PXI GSC bus InfiniBand UPA PCI-X AGP PCI Express Direct Media Interface RapidIO Intel QuickPath Interconnect NVLink HyperTransport Intel UltraPath Interconnect
Nośniki danych	ST-506 ESDI IPI SMD Parallel ATA (PATA) SSA DSSI HIPPI Serial ATA (SATA) M.2 SCSI Parallel SAS Fibre Channel SATAe PCI Express (AHCI, NVMe)
Urządzenia peryferyjne	Apple Desktop Bus DCB HP-IL HIL MIDI RS-232 RS-422 RS-423 EIA-485 DMX512 IEEE-488 IEEE 1284 UNI/O ACCESS.bus 1-Wire D²B I²C SPI Parallel SCSI Profibus FireWire USB Camera Link External PCIe Thunderbolt
Urządzenia audio	ADAT Lightpipe AES3 Intel HD Audio I²S MADI McASP S/PDIF TOSLINK
Urządzenia przenośne	PC Card ExpressCard
Wbudowane	Multidrop bus CoreConnect AMBA Wishbone SLIMbus