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ATA/ATAPI

ATA/ATAPI (Advanced Technology Attachment with Packet Interface) ist eine Schnittstelle zwischen Massenspeicher und Computer. ATA/ATAPI wurde hauptsächlich verwendet, um Festplatten bzw. Laufwerke für CD-ROM und DVD mit Computern zu verbinden. Bei neuen Systemen ist sie heutzutage zum größten Teil durch SATA abgelöst.

ATA/ATAPI wird durch das T13 Technical Committee des InterNational Committee for Information Technology Standards (INCITS) erarbeitet und durch das American National Standards Institute (ANSI) als US-amerikanische Norm verabschiedet.

ATA selbst definiert das Software-Protokoll zur Übertragung vom Host (dem System) zum Controller. ATAPI ist eine Erweiterung, um SCSI-Befehle mit dem ATA-Protokoll übertragen zu können. IDE steht für Integrated Device Electronics und bezeichnet damit das gesamte Hardware-Interface von Laufwerken. EIDE (=Enhanced IDE) wurde verwendet, um zu kennzeichnen, dass der Controller 4 Kanäle (also vom Controller unterstützte Anschlüsse) anstatt 2 unterstützt. Heutzutage ist fast jeder Harddisk-Controller ein EIDE-Controller, man lässt der Einfachkeit halber das "E" weg. PATA (=Parallel ATA) ist ein Synonym für die Datenübertragung über das IDE-Interface, SATA (=Serial ATA) ein Synonym für die Datenübertragung über das SATA-Interface (welche dann auch andere Stecker als IDE-Anschlüsse haben).

Fast ATA und Ultra ATA werden im Zusammenhang mit der Datenübertragung verwendet, um die Geschwindigkeit und die unterstützte ATA/ATAPI-Version anzugeben.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Der amerikanische Festplattenhersteller Western Digital wurde 1984 von Compaq beauftragt, einen Festplattencontroller zu entwickeln. Im Gegensatz zu den ATA-Vorgängern ST506 (mit den Aufzeichnungsverfahren MFM oder RLL) und dem Enhanced Small Disk Interface (ESDI) sollte die Kommunikation über ein einziges 40-poliges Flachkabel erfolgen und sich ein größerer Teil der Controller-Elektronik auf dem Peripheriegerät (z. B. Festplatte) befinden.

Western Digital nannte diese Schnittstelle Integrated Device Electronics (IDE) (1986). In Kooperation mit anderen Festplattenherstellern wurde dies als gemeinsamer Standard etabliert, der 1989 als ATA-1 verabschiedet wurde. Bis heute gilt der Begriff „IDE“ als Synonym für „ATA“ bzw. heute „PATA“.

Western Digital erweiterte und verbesserte diesen Standard mit neuen Merkmalen. Der Marketingname EIDE für „Enhanced IDE“ (entspricht ATA-2) war geschaffen und wird seither gemeinhin als Oberbegriff für alle Verbesserungen von IDE verwendet. Tatsächlich existieren eine Vielzahl weiterentwickelter Spezifikationen (siehe unten).

Die Bezeichnung AT deutet noch auf den IBM PC/AT (Advanced Technology) mit 80286-Prozessor hin, der Nachfolger des IBM PC/XT mit 8086-Prozessor war. Deren 16-Bit-Architektur spiegelt sich im 16 Bit breiten ISA-Bus (AT-Bus) wider.

Bei der ATA/ATAPI-Schnittstelle verfügen die angeschlossenen Geräte über einen eigenen Controller. Mit diesem eingebauten Controller kommunizieren sie mit dem Host (über einen Host-Adapter (z. B. eine Schnittstellenkarte)). ATA/ATAPI-Geräte werden mit einem Flachbandkabel an die 40[1]-polige Schnittstelle des Hosts angeschlossen (ATAPI-40). Zwei Geräte pro Anschluss sind möglich, diese werden dabei als Device 0 (auch Master, MA) bzw. Device 1 (auch Slave, SL) bezeichnet. In der Regel wird Device 0 am Ende des Kabels angeschlossen. Die Einstellung des Device-0- bzw. -1-Status erfolgt meist über Jumper. Es gibt bei vielen Geräten auch die Möglichkeit des „Cable Select“ (CS). Hierbei müssen beide Geräte auf CS gestellt werden, wobei ein spezielles Anschlusskabel den Device-0- bzw. -1-Status vergibt.

Vereinfachend gesagt, beschreibt ATAPI ein Verfahren, um (eine Teilmenge von) SCSI-Befehle(n) über die ATA-Schnittstelle zu übermitteln. Genau genommen setzt also ATAPI auf ATA auf. Da diese jedoch seit ATA/ATAPI-4 in einem gemeinsamen Standard beschrieben werden, wird gemeinhin der Begriff ATA/ATAPI verwendet.

Zur Nomenklatur

Wie im Abschnitt Geschichte angedeutet, erfolgte der Übergang vom Industriestandard zu einem offiziellen Standard erst, nachdem schon längere Zeit ATA-Geräte hergestellt wurden: Der letzte Entwurf des Standardisierungsgremiums T13 Technical Committee für den ATA-1-Standard[2] ist auf 1994 datiert, obwohl ATA-Geräte schon seit Mitte der 1980er-Jahre hergestellt werden. Daher hatte sich schon zum Zeitpunkt der Veröffentlichung des offiziellen Standards Master und Slave als allgemein übliche Bezeichnung der beiden von einem ATA-Anschluss ansprechbaren Geräte durchgesetzt. Aus technischer Sicht jedoch erscheinen diese Bezeichnungen nicht gerechtfertigt, da die Ansteuerung beider Geräte durch den Host (normalerweise den Computer) praktisch gleichwertig erfolgt. Die Veröffentlichungen des T13 Technical Committee benutzen stattdessen die Bezeichnungen Device 0 und Device 1, die den technischen Begebenheiten eher Rechnung tragen. In seinem gegenwärtigen Zustand benutzt dieser Artikel die Nomenklatur des T13 Technical Committee, um die dadurch gegebene offizielle Sprachregelung zu reflektieren, gefolgt von Master bzw. Slave in Klammern, um die allgemeine Verständlichkeit zu wahren.

Sonderform

Für Notebooks gibt es Sonderformen der Schnittstelle, die zusätzlich noch die Versorgungsspannung und bei optischen Laufwerken auch Audiosignale übertragen. Diese werden bei 2,5″-Festplatten ATAPI-44 und bei optischen SlimLine-Laufwerken ATAPI-50 genannt. (Die Zahl gibt hierbei die Anzahl der Steckkontakte an.)

Versionen des ATA-Standards

Werden zwei Geräte mit verschiedenen ATA-Versionen an einem Kabel angeschlossen, entscheidet bei älteren Controllern das langsamere Gerät über die Geschwindigkeit beider Geräte. Moderne ATA-Controller (seit ca. 1998) können die Geschwindigkeit für jedes Gerät getrennt steuern, so dass langsame Geräte nicht mehr den gesamten Bus ausbremsen.

ATA-1 (1989-1999, ANSI X3.221-1994)

Gleichzeitige Ansteuerung von maximal zwei Festplatten mit bis zu 8,3 MB/s (MB = Megabyte; 1 Megabyte = 1000 Kilobyte = 1.000.000 Byte).

ATA-1 arbeitet asynchron.

Verwendung finden mehrere PIO-Modi (Programmed I/O) und DMA (Direct Memory Access)-Varianten:

ATA-2 (1994-2001, ANSI X3.279-1996)

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

ATA-3 (1996-2002, ANSI X3.298-1997)

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

ATA/ATAPI-4 (seit 1997, ANSI NCITS 317-1998)

Mit ATA/ATAPI-4 werden CD-ROM-Laufwerke und CD-Brenner erstmals in den Standard eingebunden. Dazu wird der Standard erstmals ATA/ATAPI genannt, was für ATA Packet Interface steht. Das Packet Interface definiert einen Layer, um SCSI-Kommandos über das ATA-Protokoll senden zu können. Leistungsfähigkeit: 33,3 MB/s. Es wird ein neuer Modus namens Ultra-DMA (UDMA) eingeführt. ATA/ATAPI-4 ist jedoch zu den alten Modi PIO und DMA kompatibel.

ATA/ATAPI-5 (seit 1999, ANSI NCITS 340-2000)

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 39 Anschlusspins, allerdings befinden sich 41 zusätzliche Leitungen mit Masseanschluss jeweils zwischen den Datenleitungen. Diese sorgen für einen definierten Wellenwiderstand der Signalleitungen zur Verringerung von Reflexionen. Weiterhin verringern sie Übersprechen zwischen den Signalleitungen. Beides könnte ansonsten zu Übertragungsfehlern führen.

Mit dem Host-Protected-Area-Feature (HPA) kann ein geschützter Bereich auf der Platte angelegt werden.

ATA/ATAPI-6 (seit 2000, ANSI NCITS 361-2002)

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.

Mit ATA-6 wurden überdies neue ATA-Befehle eingeführt, die 48 Bit große Sektoradressen erlauben (LBA-48), was die maximal ansprechbare Kapazität von 228 · 512 Byte = 128 GiB auf 248 · 512 Byte = 134.217.728 GiB (≈ 144.115.188 GB) = 128 PiB erhöht.

Neu eingeführt wurde auch Automatic Acoustic Management (AAM).

Mit dem Device Configuration Overlay (DCO) ist es möglich, bestimmte in den Identify-Informationen einer Platte gemeldeten Werte zu beeinflussen. So können beispielsweise die Feature-Bits für einzelne DMA-Modi, SMART-Features, AAM oder HPA deaktiviert oder die gemeldete Größe der Platte reduziert werden.

ATA/ATAPI-7 (seit 2001, ANSI INCITS 397-2005)

Mit ATA/ATAPI-7 wird im Standard erstmals zwischen paralleler und serieller Übertragung und dem gemeinsamen Befehlssatz (ATA/ATAPI Command Set, ACS) unterschieden. Retronym wurde der bisherige Standard PATA (parallel ATA) genannt und die serielle Version SATA.

Mit dem PATA-Modus Ultra-DMA-133 (UDMA 6) sind Datenraten bis 133 MB/s möglich. Daher findet sich hier auch oft die Bezeichnung ATA/133.

ATA-8 (seit 2005)

Der ATA-8-Standard befindet sich noch in der Entwurfsphase; es gibt aber bereits Platten, die sich als ATA-8 identifizieren. Im Grunde wurde die Dokumentation mit ATA-8 nur umgeschrieben und Fehler behoben. Es ist weiterhin kompatibel zu den Vorgängerversionen. Neu ist etwa, dass ATA-8 in vier Dokumente unterteilt wird, dem Architecture Model (ATA8-AAM), dem Command Set (ATA8-ACS), dem Parallel Transport (ATA8-APT) und schließlich dem Serial Transport (ATA8-AST). Dies erlaubt eine weiterführende Abstrahierung der Definition der Befehle, des Architecture Models und schließlich des Transports.

Gelöscht wurde u. a. ein Kapitel über die Definition der Festplatten-/Controller-Register, aus offizieller Seite ließ man verlauten: „ATA8-ACS is documenting the command set and not the transport“. Eine weitere interessante Beobachtung ist, dass nun wirklich das Software-Protokoll mit der hardwaretechnischen Umsetzung abstrahiert wurde. Wurde in ATA/ATAPI-7 Volume 1 (entspricht Command Set und Architecture Model) noch mehrfach darauf hingewiesen, dass das SATA-Interface eine teilweise andere Programmierung/Übertragung als das PATA-Interface (vgl. IDE) hat, tauchen solche Hinweise nicht mehr in ATA-8 auf, vielmehr wurden viele Passagen entfernt und in ATA8-APT und ATA8-AST ausgelagert. Hiermit will man einen Schritt in die Zukunft gehen, denn in der Systemprogrammierung dominierten bisher immer nur die PATA-Laufwerke, während über SATA große Unklarheit herrschte.

Erstmals gibt es über die SCT Commands eine standardisierte Möglichkeit, die aktuelle Temperatur, Minimal- und Maximalwerte und den Temperaturverlauf der letzten Betriebsstunden auszulesen. Festplatten mit dieser Funktion sind seit 2006 verfügbar. Die aktuelle Temperatur konnte zwar bisher meist als S.M.A.R.T-Attribut ermittelt werden, dies war aber nicht Bestandteil des ATA-Standards.

Vergleich

Alle neuen Versionen sind bis zu ATA/ATAPI-4 abwärtskompatibel: neuere Festplatten können damit auch an älteren Rechnern betrieben werden, ältere Laufwerke auch an neueren Schnittstellen angeschlossen werden.

Standard ATA-1 ATA-2 ATA-3 ATA/ATAPI-4 ATA/ATAPI-5 ATA/ATAPI-6 ATA/ATAPI-7
Max. Datenrate: 8,3 MB/s 16,6 MB/s 16,6 MB/s 33,3 MB/s 66,6 MB/s 100 MB/s 133 MB/s
Zusammenfassung
1997 Parallel ATA ATA/ATAPI-4 Ultra ATA/33 Ultra DMA 2 40-adriges Kabel 33,3 MB/s CD-ROM
1999 Parallel ATA ATA/ATAPI-5 Ultra ATA/66 Ultra DMA 4 80-adriges Kabel 66,6 MB/s Festplatten
2000 Parallel ATA ATA/ATAPI-6 Ultra ATA/100 Ultra DMA 5 80-adriges Kabel 100 MB/s Festplatten
2001 Parallel ATA ATA/ATAPI-7 Ultra ATA/133 Ultra DMA 6 80-adriges Kabel 133 MB/s Festplatten

Adressierungsprobleme

Ältere ATA-Controller bzw. ältere Systemsoftware haben oft Grenzen in den Festplattenkapazitäten. Diese Grenzen verursachen dann, dass man nur einen Teil der Festplattenkapazität adressieren kann. Typische Grenzen sind hierfür 504 MB, 8 GB, 32 GB, 128 GB. Die 128-GB-Grenze kommt aus der Verwendung des 28-Bit-LBA, denn mit 28 Bit kann man nicht mehr als 228 Sektoren (das entspricht 128 GB) ansprechen. Hierfür gibt es die Erweiterung auf 48-Bit-LBA, welche den Adressraum erheblich erweitert. Die anderen Grenzen werden durch die CHS-Adressierung begründet, also durch die Aufteilung in Zylinder, Kopf und Sektor – wobei hier für jeden einzelnen Wert eigene Grenzen gelten, und die CHS-Adressierung schon beim ersten Standard von X3T10 obsolet war. Noch heute verwenden viele Systemprogramme – etwa Bootmanager oder Partitionierungstools, die sich beim Start laden – die CHS-Adressierung.

Abhilfe schafft moderne Hardware und Software. So wurden in der Vergangenheit oft BIOS-Updates herausgegeben, die diese Probleme beheben. Durch die heutigen Standards und Software-Implementationen sind Adressierungsprobleme praktisch ein Problem der Vergangenheit geworden.

Durch die Partitionstabelle des MBR beschränkt sich die Verwendung von klassischen Laufwerken in Systemen auf eine 2-TB-Grenze, die nur durch die Verwendung der EFI-GUID Partition Table "umgangen" werden kann. Die 2-TB-Grenze wird verursacht durch die 32-Bit-Größe der Sektorangaben in den Partitionseinträgen.

Passwortschutz

Die meisten aktuell auf dem Markt verfügbaren ATA- und Serial-ATA-Festplatten verfügen über einen 32 Byte langen Passwortschutz mit General- und Nutzerschlüssel, ohne den nicht auf die Daten der Festplatte zugegriffen werden kann. Ein mit Systemrechten laufendes Programm kann ein Passwort setzen und dem Nutzer die Daten unzugänglich machen.

Das Security Feature Set ist von IBM 1998 erstmals außerhalb von Notebooks verwendet worden und erreichte breite Anwendung, seit Seagate 3,5″-Festplatten für die Xbox lieferte.

Die Festplatten erlauben auch, das Setzen eines neuen Passworts zu verhindern. Diese Funktion muss allerdings bei jedem Systemstart aufgerufen werden. Im BIOS kann dies noch vor dem Start des Betriebssystems geschehen, was allerdings nur von wenigen BIOS unterstützt wird. Beim Bootvorgang kann ein Zusatztool aufgerufen werden, welches die Festplatte abriegelt.

Steckerbelegung

Der ATA-Stecker (ATAPI-40) ist ein 40[1]-poliger zweireihiger Stecker, Pinabstand 2,54 mm:

Stecker am Gerät (Draufsicht auf die Pins)

  39________  ________1    ungerade Pin-Nummern
  |····················|
  |·········· ·········|
  40¯¯¯¯¯¯¯¯20(Key)¯¯¯2    gerade Pin-Nummern

Buchse am Kabel (Draufsicht, von vorn)

   1________--________39    ungerade Pin-Nummern
  |oooooooooooooooooooo|
  |ooooooooo*oooooooooo|
   2¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯40    gerade Pin-Nummern

Bei den neueren 80-adrigen ATAPI-5-Kabeln haben die Stecker drei Farben: Blau (am Controller/PC), grau (Device 1 (Slave), IDE 1) und schwarz (Device 0 (Master), IDE 0).

Die Buchse für Pin 20 (mit * gekennzeichnet) ist bei einigen Steckern verschlossen, um falsches Aufstecken zu verhindern. Auf neueren Festplatten und Controllern sind die Anschlüsse zusätzlich von einem Kragen (Steckerwanne) umgeben, der einen robusteren Schutz vor Fehlsteckungen bietet als der Keypin alleine.

Anmerkung: Die Beschreibung in der Internet-Dokumentation "Hardwarebook" ist falsch (Stand 27. April 2005); siehe Datenbücher Toshiba, Seagate und ähnliche.

Nachfolgend die Beschreibung der PINs:

Pin ATA-Signal Bedeutung
1 RESET Setzt alle Laufwerke an diesem Anschluss zurück
2, 19, 22, 24, 26, 30, 40 GND Masse
3-5-7- 9-11-13-15-17 DD7..DD0 Datenbus, Bits 7..0, Low-Byte bei 16-Bit-Datenübertragung
18-16-14-12-10-8-6-4 DD15..DD8 Datenbus, Bits 15..8, High-Byte bei 16-Bit-Datenübertragung
20 KEYPIN Pin fehlt, damit der Stecker nicht verkehrt eingesetzt werden kann.[3] Wird aber, abweichend vom Standard, teilweise auch zur Stromversorgung eingesetzt (z.B. für Flashspeicher)
21, 29 DMARQ, DMACK DMA-Request und -Acknowledgment, DMA-Steuersignale (optional)
23 DIOW Signal zum Daten schreiben
25 DIOR Signal zum Daten lesen
27 IORDY I/O-Ready, low-Pegel: Benötigt zusätzliche Taktzyklen für den gegenwärtigen I/O-Zyklus (häufig nicht verwendet)
28 CABLE SELECT, an sehr alten Festplatten SPINDLE SYNC Zuordnung des Laufwerks als DRIVE0=Low oder DRIVE1=high, an sehr alten Festplatten Spindelsynchronisation zwischen Device 0 und 1 (damals Master und Slave), z. B. für Drive-Arrays (häufig nicht implementiert)
31 INTRQ Interrupt-Anforderung
32 IOCS16 Auswahl des 16-Bit Transfers
34, 39 PDIAG, DASP Passed Diagnostic vom Device 1, Drive Active/Device 1 Present, Rückmeldungen von Device 1 an Device 0 bei der Initialisierung
36-33-35 DA2..DA0 Adressbus Bits 2..0, Adressierung der internen Register innerhalb des Command- bzw. Control-Register-Satzes des Laufwerks
37, 38 CS1Fx, CS3Fx Chip-Auswahlsignale des Hosts, um die Registersätze Command Register bzw. Control Register auszuwählen. Normalerweise liegen diese bei der PC-Architektur im I/O-Adressraum ab 1F0h bzw. ab 3F0h.

Bei ATAPI-44, das meist bei 2,5″-Festplatten zum Einsatz kommt, ist der Pinabstand auf 2,00 mm verkleinert. Die Belegung entspricht ATAPI-40, jedoch wird hier die Stromversorgung über zusätzliche Pins am ATAPI-Anschluss vorgenommen.

Pin ATA-Signal Bedeutung
41 +5V (Logik) Stromversorgung für Elektronik
42 +5V (Motor) Stromversorgung für Motor
43 GND Masse
44 TYPE

ATA-Kabel: Farben der Stecker

Moderne ATA/ATAPI-Kabel haben meist Stecker in drei einheitlichen Farben: blau, grau und schwarz.

Zur Kennzeichnung des Hostadapter-seitigen Kabelendes ist der Stecker an diesem Ende blau; die Stecker für die ATA/ATAPI-Geräte sind grau und schwarz. Das ist von Bedeutung für:

Siehe auch

Anmerkungen und Quellen

  1. a b c Durch den fehlenden Key-Pin hat die Schnittstelle genaugenommen nur 39 Pole.
  2. Working Draft – X3T10, 791D, Revision 4c – AT Attachment Interface for Disk Drives (ATA 1)
  3. Erst bei den 80-adrigen Kabeln hat sich das entsprechende Gegenstück, ein verschlossenens Loch an der Kabelbuchse, allgemein durchgesetzt. Die meisten 40-adrigen Kabel lassen sich jedoch trotz Keypin auch falschherum auf die 39-poligen Stecker aufstecken.
 Commons: Advanced Technology Attachments – Bilder, Videos und Audiodateien