Dopo vent’anni di sviluppi, l’interfaccia ATA ha raggiunto il limite della sua evoluzione e cede il passo alla sua versione seriale, progettata per durare dieci anni
gennaio 2005 L’interfaccia parallela che viene usata dal
1984 per la connessione degli hard disk prese il nome ATA (AT
Attachment) perché disco e controller, combinati, si collegavano
al bus di I/O del PC AT IBM di quel tempo.
Alcuni produttori hanno quindi chiamato questa interfaccia IDE
(Integrated Drive Electronics) per indicare che l’elettronica
era integrata nel drive (sotto forma di circuito stampato applicato sul
fondo dell’hard disk), a differenza dei primi dischi che avevano
bisogno di un controller separato su scheda.
Prima del Serial ATA (SATA), i termini IDE (e il successivo EIDE,
Extended IDE) e ATA sono stati usati come sinonimi, anche se,
a voler essere precisi, IDE si riferisce al fatto che l’elettronica
di controllo è integrata nel drive e ATA, con le sue varianti,
si riferisce a una specifica implementazione di IDE.
La cronologia delle interfacce per hard disk vede la ST-506/412 dal
1978 al 1989, l’ESDI dal 1983 al 1991, versioni IDE non ATA dal
1987 al 1993, SCSI dal 1986 a oggi, ATA (IDE) dal 1986 a oggi, SATA dal
2003 e SAS (Serial Attached SCSI, la versione seriale
dello SCSI) a partire dal 2004.
Dal parallelo al seriale
L’interfaccia ATA originaria è parallela a 16 bit, quindi
trasporta due byte per ciclo di trasferimento.
Fino al 1998 ha utilizzato un cavo a 40 connettori (16 per i dati, 8 fili
di terra e il resto per indirizzi e segnali di controllo).
Con la piattina a 40 fili la velocità di trasmissione è
cresciuta dagli 8,33 MBps (megabyte/secondo) dell’ATA-1 ai 33,33
MBps dell’ATA-4.
Con l’ATA-4 hanno avuto origine le modalità Ultra
DMA (Direct Memory Access), chiamate anche Ultra ATA (per es.
l’ATA-4 UDMA Mode 2 da 33 MBps è anche chiamato Ultra-ATA/33
o ATA-33).
Con l’Ultra DMA viene introdotto il doppio data rate (due cicli
di trasferimento per ciclo di clock), per cui la capacità della
connessione raddoppia a parità di frequenza di clock (4 byte per
ciclo di clock).
Con i successivi livelli ATA, dal 5 al 7, la velocità è
cresciuta a 66, 100 e 133 MBps, usando le modalità UDMA Mode 4
(Ultra-ATA/66), Mode 5 (Ultra-ATA 100) e Mode 6 (Ultra-ATA/133).
Tutte le modalità a partire dall’ATA-66 richiedono un cavo
a 80 fili, anche se i connettori restano quelli standard a 40 piedini.
I cavi ATA sono lunghi da 25 a 45 cm (ne esistono di
più lunghi, ma sono da evitare perché non garantiscono la
trasmissione corretta dei dati) e solitamente presentano tre connettori,
uno dal lato motherboard e due per i drive (hard disk e CD/DVD).
I drive possono essere configurati come master (primo
o unico drive), slave (secondo drive installato) o cable
select (autoconfigurazione di master e slave), il sistema più comodo.
Oggi la maggior parte dei bus e connessioni è di tipo
seriale, perché è molto più facile trasportare
un bit alla volta ad altissime frequenze di clock che diversi byte in
parallelo a frequenze comunque alte.
Le interferenze e le differenze di propagazione tra i segnali paralleli
sono tra le cause delle difficoltà. Mentre la connessione ATA è
un bus a cui sono connessi uno o due drive, l’ATA seriale utilizza
un collegamento punto a punto; un controller può
supportare più drive, ma ciascuno ha il suo cavo SATA separato.
L’ATA-133, per supportare 133 MBps, utilizzava un bus largo 16
bit, un clock di 33 MHz e due trasferimenti per ciclo di clock.
La connessione SATA utilizza sette fili: due coppie
di conduttori, una per trasmettere e una per ricevere, e tre fili di terra.
I dati sono trasmessi con un clock che, nella versione SATA attuale, è
di 1,5 GHz.
Dato che viene usata la codifica detta 8B/10B, che impiega
10 bit per ogni byte trasmesso, la larghezza di banda della connessione
è di 150 MBps.
Questa versione di SATA si chiama quindi SATA-150; nei prossimi anni
sono previsti il SATA-300 (ormai vicino) e in seguito il SATA-600.
Connettore dati
Nel corso degli anni abbiamo visto diminuire progressivamente la tensione
di alimentazione dei processori, delle memorie e degli altri componenti
della motherboard.
Il cavo ATA parallelo, con i suoi 26 segnali a 5 volt, era diventato
problematico anche a causa dell’ingombro dei connettori e delle
relative piste sulla motherboard fino al chipset.
Per di più, le piattine che attraversano lo spazio del telaio
per connettere la motherboard agli hard disk e CD/DVD (oltre al floppy
disk) tendono a ostacolare i flussi di ventilazione.
Il limite di 45 cm non facilita una disposizione ordinata dei cavi,
spesso troppo corti per aggirare la zona centrale del telaio.
Oltre a usare basse tensioni (250 mV) e pochi fili, i cavi SATA hanno
il vantaggio di poter essere lunghi fino a un metro.
Anche nel più voluminoso dei telai trovano quindi posto senza
interferire con altre connessioni e con i flussi d’aria.
Il numero ridotto di conduttori e le piccole dimensioni del connettore
e del cavo facilitano il progetto delle motherboard e l’utilizzo
degli hard disk in computer e altri dispositivi di piccole dimensioni.
La codifica 8B/10B usata dal SATA e da altre interfacce (tra cui Gigabit
Ethernet, Fibre Channel e Firewire), garantisce che non vengano mai trasmessi
più di quattro 0 o 1 consecutivi in ciascun carattere di 10 bit.
Dato che 0 e 1 sono trasmessi come variazioni di tensione, questa codifica
assicura un buon bilanciamento elettrico a vantaggio dell’uniformità
di carico sui circuiti e dell’affidabilità.
La conversione dei caratteri da 8 a 10 bit lascia libere diverse combinazioni
di bit, che sono utilizzate per controllare il flusso dei dati, delimitare
i pacchetti, eseguire controlli di errore e altri usi speciali.
I segnali sono di tipo differenziale, sono cioè
trasmessi come differenze di tensione tra due fili (una coppia in trasmissione
e una in ricezione), così da eliminare il rumore elettrico comune
ai due conduttori.
La codifica è di tipo NRZ (Non Return to Zero):
tra i due fili di ogni coppia c’è sempre 0,5V di differenza
e i dati sono trasmessi scambiando le polarità; quando un filo
è a +0,25 V, l’altro è a -0,25V e viceversa.
Alimentazione
Nel progetto del Serial ATA, un hard disk dovrebbe avere due connettori
affiancati: quello del segnale, a sette piedini, e quello dell’alimentazione
a 15 piedini.
Questi ultimi comprendono tre pin per 5 V, tre per 12 V, tre (di uso
opzionale) per 3,3 V e sei per la terra.
In realtà i produttori non sono affatto entusiasti di fornire
anche il 3,3 V, quindi spesso si usano cavetti di conversione dai quattro
poli tradizionali (5V, 12 V e due di terra) ai 15 piedini oppure si possono
continuare a usare i vecchi cavetti a quattro poli con i drive che presentano
sia il vecchio sia il nuovo connettore di alimentazione.
Gli alimentatori di produzione recente forniscono comunque i cavetti
con i connettori a 15 piedini. Con tre piedini per ciascun livello di
tensione, nonostante le piccole dimensioni, il nuovo connettore assicura
fino a 4,5 ampere di corrente per ogni tensione, sufficienti anche per
il più famelico dei drive.
