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ATA/ATAPI

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ATA/ATAPI-Stiftleiste (am Host bzw. am Peripheriegerät)
80- und 40-polige ATA/ATAPI-Kabel, zum Verbinden von Host zu Gerät

ATA/ATAPI (Advanced Technology Attachment with Packet Interface) ist eine Schnittstelle zwischen Massenspeicher und Computer. ATA/ATAPI wird beispielsweise in Personalcomputern verwendet, um Festplatten sowie Laufwerke für CD-ROM und DVD anzuschließen.

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.

Bestimmte Versionen von ATA/ATAPI werden oft auch Fast ATA, Ultra ATA, IDE (Integrated Disc Electronics oder Integrated Drive Electronics) und EIDE (Enhanced IDE) genannt. Neu werden auch die Bezeichnungen P-ATA (Parallel ATA) verwendet, um ATA/ATAPI deutlich vom konkurrierenden Industriestandard Serial ATA (S-ATA) abzugrenzen.

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 Drive Electronics (IDE) (1986). In Kooperation mit anderen Festplattenherstellern wurde dies als gemeinsamer Standard etabliert, der 1989 als ATA-1 verabschiedet wurde.

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) wieder.

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-polige Schnittstelle des Hosts angeschlossen (ATAPI-40). Zwei Geräte pro Anschluss sind möglich, diese werden dabei als Master (MA) bzw. Slave (SL) bezeichnet. Es spielt keine Rolle, ob das „Master“-Gerät oder das „Slave“-Gerät am Kabelende angeschlossen ist. Die Einstellung des Master- bzw. Slave-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 Anschluss-Kabel den Master- bzw. Slave-Status vergibt.

ATAPI beschreibt, vereinfachend gesagt, ein Verfahren, wie (eine Teilmenge von) SCSI-Befehle(n) über die ATA-Schnittstelle übermittelt werden. Genau genommen setzt also ATAPI auf ATA auf. Da diese jedoch seit ATA/ATAPI-4 in einem gemeinsamen Standard beschrieben werden, wird gemeinhin ATA/ATAPI gesagt.

Sonderform

Ein Adapter, um 2.5″ Notebookplatten an übliche Mainboards anzuschließen

Für Laptops 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 Pins 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 jedoch für jedes Gerät die Geschwindigkeit getrennt steuern, so dass langsame Geräte nicht mehr den gesamten Bus ausbremsen.

ATA-1 (1989)

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:

  • 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 39 Anschlusspins, allerdings befinden sich 41 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.

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

ATA/ATAPI-7 (2001)

Mit ATA/ATAPI-7 und dem Modus Ultra-DMA-133 (UDMA 6) sind Datenraten bis 133 MB/s möglich. Daher findet sich hier auch oft die Bezeichnung ATA/133.

Alle Versionen sind weitgehend 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 44,4 MB/s 100 MB/s 133 MB/s

Adressierungsprobleme

Im Laufe der Entwicklung wurde die Adressierung der einzelnen Blocks und der Sektoren auf einer Festplatte mehrfach geändert, um mit der rasanten Entwicklung der Festplattenkapazitäten mithalten zu können. Daher haben ältere ATA-Controller bzw. ältere Hauptplatinen Grenzen in der Kapazität der Festplatten, die sie ansprechen können (512 MiB, 2 GiB, 8 GiB, 32 GiB, 128 GiB). Das typische Symptom ist, dass die Festplatte nur als 512 MiB, 2 GiB, 8 GiB, 32 GiB oder 128 GiB groß erkannt wird, dass der Systemstart bei der Festplattenerkennung stehen bleibt oder die Festplatte – bei der Benutzung von großen Festplatten in alten Systemen – nicht erkannt wird. In diesem Fall hilft meist nur ein BIOS-Update vom Hersteller (falls ein solches verfügbar ist), die Installation eines HD-Managers wie z. B. Ontrack oder der Einbau eines modernen ATA-Controllers. Manche größeren Festplatten lassen sich auch per Jumper auf 32 GiB reduzieren. Sie werden dann auch noch in älteren Systemen vom BIOS erkannt und sind damit als Ersatz einsetzbar. Wurde bisher ein DOS-basiertes Betriebssystem (MS-DOS, PC-DOS, DR-DOS, Windows 95/98/ME) verwendet, hilft oft auch die Verwendung eines modernen Betriebssystems wie BSD, Linux, Solaris, Mac OS X, Windows NT, Windows 2000, Windows XP oder andere.

Anzumerken ist hierbei, dass lediglich die 128-GiB-Grenze im ATA-Standard begründet ist (28-Bit-Sektoradresse der Standard-ATA-Kommandos ↔ 48-Bit-Sektoradresse der Extended-ATA-Kommandos), die „kleineren“ Grenzen entstammen aus BIOS-Bugs bzw. sind Grenzen der Kommunikationsprotokolle zwischen Betriebssystem und BIOS oder sogar des Betriebssystems selbst.

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.

Bietet das BIOS keine Möglichkeit, das Setzen eines Festplattenpassworts (durch Schadprogramme) zu verhindern, dann kann dieser Schutz mit Hilfe des ATASX BIOS nachgerüstet werden. Das ATASX BIOS bietet zudem noch das Festlegen und Eingeben eines Passwortes beim Systemstart.

Steckerbelegung

Der ATA-Stecker (ATAPI-40) ist ein 40-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-poligen 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 ein versehentliches 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: Beschreibung im Hardwarebook ist falsch (Stand 27. April 2005); siehe Datenbücher Toshiba, Seagate und ähnliche.

Nachfolgend die Beschreibung der PINs:

Pin IDE-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 ist gesperrt, damit der Stecker nicht verkehrt eingesetzt werden kann
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 Master und Slave, z. B. für Drive-Arrays (häufig nicht implementiert)
31 INTRQ Interrupt-Request
32 IOCS16 Auswahl des 16-Bit Transfers
34, 39 PDIAG, DASP Passed Diagnostic vom Slave, Drive Active/Slave Present, Rückmeldungen des Slaves an den Master bei der Initialisierung
36-33-35 DA2..DA0 Adressbus Bits 2..0, Adressierung der internen Datenregister des Laufwerks
37, 38 CS1Fx, CS3Fx Chip-Auswahlsignale des Hosts um die Registergruppen 1F0h bzw 3F0h auszuwählen

Siehe auch

Commons: Advanced Technology Attachments – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien
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