電腦達人養成計畫 7-3：近代磁碟介面發展 (SCSI、IDE 與 ATA)

上個世代的主流磁碟介面－IDE/ATA

介紹完前兩種大家可能比較陌生的磁碟介面之後，接下來要介紹的就是許多人都曾用過或聽過的 IDE/ATA 了。

IDE 其實是 Integrated Drive Electronics (整合式磁碟電路) 的縮寫，是由 Western Digital 所發展的磁碟系統規格 (包含了硬碟的規格、連接埠與實體線路的設計等)，延續了早期硬碟到 ESDI 逐漸把控制器的部分功能整合到硬碟內的發展趨勢，IDE 進一步將控制器上的其他與控制硬碟相關的晶片整合到硬碟本體上的電路板中，使控制器不再需要扮演控制讀寫頭與磁盤運作進行資料讀寫的角色，而是僅負責扮演硬碟與電腦系統之間的溝通橋樑 (嚴格說起來已經幾乎沒有 Controller 的功能，更精確的說法應是 Host Bus Adapter)，從而使控制器的成本大幅下降，IDE 硬碟首見於 1986 年的 Compaq 電腦中，並且在 1987 年正式進入零售市場。

而 ATA 的全稱則是 AT Attachment (最初的命名是 AT Bus Attachment)，是 Compaq 與 Western Digital 等公司在 1986 年針對 IBM 在 1984 年發佈的新一代個人電腦 PC/AT (前面提過的 PC/XT 的後繼機種) 所設計的磁碟介面，最主要的特性為直接與 PC/AT 當中首次引入的 16-bit ISA 匯流排進行連結 (這同時也是其名稱的由來)，並隨後在很長的一段時間裡成為了個人電腦的標準配備，隨後在 1990 年被提交至美國國家標準協會 (ANSI) 審查，並於 1994 年正式被批准為美國國家標準 (X3T10－Advanced Technology Attachment)。

此外，得益於 IDE 設計使硬碟控制器的製造成本大為下降，因此後來的電腦大多都直接將具有兩條 ATA 通道的磁碟控制器整合到晶片組的南橋 (Southbridge) 晶片中，而不再需要安裝獨立的硬碟控制器擴充卡。

最後要特別提及的是，最初 ATA 其實是一種傳輸規格的名稱而不是一種磁碟系統規格，規範的其實只有訊號連結的方式以及傳輸的規範，並不包含介面實體線路與連接埠的設計，也與儲存裝置的規格沒有太多直接關係，但這兩個詞彙在實務上經常被通用。

ATA 排線與連接埠

IDE/ATA 與其他早期硬碟系統均採用並列 (Parallel) 訊號傳輸，使用的線材為 40-pin 的 ATA 排線 (早期產品由 40 條帶狀電纜組成，後期因應較高的資料傳輸速率與雜訊抑制需求改為採用 80 條帶狀電纜構成的排線)。

每條 ATA 通道可以支援兩個裝置 (分別稱為 Master 與 Slave)，因此通常一條 IDE 排線上會有三個 IDE 連接埠分別用於連接主機板或磁碟控制器 (通常會使用不同的顏色標示) 與兩個 ATA 裝置 (末端的為 Master，中間的則是 Slave)。

Master 與 Slave 之分

前面提到每條 ATA 通道可以支援兩個裝置，而兩個裝置會被分別標示為 Master 與 Slave，雖然在字面上 Master 與 Slave 是主僕的意思，但其實在 ATA 通道上這兩個裝置都是獨立運作而並沒有主從之別，只是作為識別之用，實際上 Master 與 Slave 的用法也只出現在第一版 ATA 規範中，隨後很快便被修改為更為中性的 Device 0 與 Device 1，但 Master 與 Slave 的稱呼已被廣泛習慣性應用。

而要特別注意的是，在單一 ATA 通道上同時安裝兩個 ATA 裝置時需要手動使用跳線 (jumper) 指定各個 ATA 裝置的主從識別，若未正確設定會導致裝置可能無法正常被 BIOS 辨識或是無法正常運作，若該 ATA 通道上的兩個裝置都支援 Cable Select (CS) 功能的話則可以將兩個裝置都設為 Cable Select (CS) 模式，此時裝置會自動根據其所連結的排線連接埠決定其自身為 Master 或 Slave (Cable Select 功能在第一版 ATA 規範當中為選用功能，因此不是所有裝置都能夠支援這個功能)。

IDE/ATA 的歷代演進

以下介紹歷代 IDE/ATA 技術演進時係以 ANSI 審定規格的時間與發佈內容為軸，然而實際上絕大多數硬碟廠商都在 ANSI 審定規格之前便已發佈定案版的規格並發售相關的產品，因此下面提到的年代可能會與該代產品在市面上流通的實際時間有所落差 (例如 2001 年的時候實際上 Seagate 就已經推出 Ultra ATA/100 規格的 Barracuda ATA III 系列硬碟，但實際上 Ultra DMA Mode 5 要等到 2002 年 ANSI 核定的 ATA/ATAPI-6 規範才出現)。

ATA-1 (1994, ATA/IDE)

• 支援傳輸模式：
  PIO Mode 0、1、2
  Single-word DMA Mode 0、1、2
  Multi-word DMA Mode 0
• 最高傳輸速率：4.2 MB/s

前面提過 IDE 硬碟的發展實際上早於 ATA 正式標準的定案，因此第一版 ATA 標準實際上已是最初 IDE 規格的延伸，最初的 IDE 規格只能支援 22 位元的邏輯區塊定址 (LBA)，因此最高可支援的硬碟容量僅達 2 GB，隨後由 ANSI 審定的第一版 ATA 標準 (X3.221，1994 年制定) 則將邏輯區塊定址能力提升至 28 位元，因此最高可以支援的磁碟容量增加至 128 GB，傳輸模式的部分則增加了對單位元組 DMA 與多位元組 DMA 的支援，使第一代 ATA 的傳輸速率最高可達 8.3 MB/s (最初的 IDE 規格僅能達到 3.3 MB/s)。

ATA-2 (1996, Enhanced IDE / Fast ATA)

• 支援傳輸模式：
  PIO Mode 0、1、2、3、4
  Single-word DMA Mode 0、1、2
  Multi-word DMA Mode 0、1、2
• 最高傳輸速率：16.7 MB/s

約莫在 ATA-1 規範定案的同時，Western Digital 又提出了改進版的 Enhanced IDE (隨後在 1996 年獲 ANSI 同意成為 X3.279 標準)，主要的強化內容為新增 PIO Mode 3、4 與 Multi-word DMA Mode 1、2 四種傳輸模式的支援使最高傳輸速率提高至 16.7 MB/s 並增加了可與 PCMCIA 擴充卡槽相容的 68-pin 連接埠規格。

ATA-3 (1997, Enhanced IDE)

• 支援傳輸模式：
  PIO Mode 0、1、2、3、4
  Multi-word DMA Mode 0、1、2
• 最高傳輸速率：16.7 MB/s

在 1997 年通過 ANSI 審查的 ATA-3 規範 (X3.298) 相較於 ATA-2 而言沒有太大的改進，主要是新增了 S.M.A.R.T 硬碟自我檢測技術的支援以及用於 2.5″ 筆記型電腦硬碟的 44-pin 連接埠規格，並且取消了對 Single-word DMA 傳輸模式的支援。

ATA/ATAPI-4 (1998, Ultra ATA/33)

• 支援傳輸模式：
  PIO Mode 0、1、2、3、4
  Multi-word DMA Mode 0、1、2
  Ultra DMA Mode 0、1、2
• 最高傳輸速率：33.3 MB/s

第四版的 ATA 規範則是自 ATA 誕生以來最大的一次改版 (NCITS 317-1998)，此版本當中引入了全新的傳輸模式系列－Ultra DMA，相較於以往的 Multi-word DMA 而言資料傳輸速率可以提升一倍之多，因此 ATA-4 規格又被稱為 Ultra ATA/33。

此外還引入了針對 ATA Packet Inteface (ATAPI，ATA 封包介面) 的支援，透過引入一系列修改自 SCSI 介面規格的指令規範使 ATA 介面可以用於更多種類的裝置 (例如光碟機、燒錄機以及磁帶機等) 而不再侷限於硬碟。