外存储器接口概述

6.1　外存储器接口概述

学习目标

▲　了解外存储器接口的发展

▲　了解计算机上使用的各种外存储器接口

▲　学会识别ATA连接器和电缆

▲　学会如何正确安装一个IDE驱动器

▲　了解最新型的ATA——串行ATA

本节重点

▲　IDE的发展

▲　最新型的ATA——串行ATA

本节难点

▲　IDE的发展

外存储器的接口从出现到现在，经历了很多改进和发展，下面就来介绍一下外存储器的接口改进和发展的历程。

1．ST－506接口

最早的IBM计算机并不带有硬盘，它的BIOS及DOS1.0操作系统也不支持任何硬盘，后来DOS2引入了子目录系统，并添加了对“大容量”存储设备的支持，于是一些公司开始出售供IBM计算机使用的硬盘系统，这些硬盘与一块控制卡、一个独立的电源（IBM计算机的电源只有63.5W，无法向硬盘供电）被一起装在一个外置的盒子里，并通过一条电缆与插在扩展槽中的一块适配器相连，为了使用这样的硬盘，必须从软驱启动，并加载一个专用设备驱动程序。

1983年，IBM推出了IBM计算机的后继产品PC/XT，虽然XT仍然使用8088CPU，但配置却要高得多，加上一个10MB（随后的XTS机型为20MB）的内置硬盘，IBM把原本放在盒子里的控制卡的功能集成到一块接口控制卡上，构成了我们常说的硬盘控制器。但是XT的BIOS中仍然不带有硬盘读/写例程，为此接口控制卡上有一块ROM芯片，其中存有硬盘读/写例程，这种现象一直持续到基于80286处理器的PC/AT的推出，硬盘接口控制例程终于被加入到了主板的BIOS中。

PC/XT和PC/AT机器使用的硬盘被称为MFM硬盘或ST－506/412硬盘。MFM是指一种编码方案，而ST－506/412则是希捷公司开发的一种硬盘接口，首先使用这种接口的硬盘为希捷公司的ST－506及ST－412。ST－506接口使用起来相当简便，它不需要任何特殊的电缆及接头，但是它支持的传输速度很低，因此到了1987年这种接口就基本上被淘汰了，采用该接口的老硬盘容量多数都低于200MB。

2．ESDI接口

鉴于ST－506接口的低速度，迈拓公司于1983年开发了ESDI（Enhanced Small Drive Interface）接口。这种接口把编/解码器（Endec）集成在硬盘上，而不是控制卡上，它的理论传输速度是ST－506的2～4倍，一般可达10Mbps。

ESDI接口并没有得到广泛应用，原因之一是它的成本比较高，经过了几个版本之后，它与后出现的低成本、高性能的IDE接口相比已没有优势可言，因此在进入20世纪90年代后就逐步被淘汰了。Windows9X操作系统中有一个设备驱动程序叫ESDI_506.pdr，这个文件的名字来源于古老的ESDI和ST－506接口，但ESDI_506.pdr却是一个IDE接口的驱动程序！

3．IDE与EIDE接口

IDE本意实际上是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器，也叫ATA接口（高级技术附加装置）。现在计算机使用的硬盘大多数都是和IDE兼容的，只需用一根电缆将它们与主板或接口卡连起来就可以了。

把盘体与控制器集成在一起的做法减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性得到了增强，硬盘制造起来变得更容易，因为厂商不需要再担心自己的硬盘是否与其他厂商生产的控制器兼容，对用户而言，硬盘安装起来也更为方便。

ATA接口最初是在1986年由CDC、康柏和西部数据共同开发的，他们决定使用40芯的电缆，最早的IDE硬盘大小为5英寸，容量为40MB。ATA接口的一大特点是成本低廉，非常符合计算机的发展特点，因此很快得到大家的认同，从20世纪80年代末期开始逐渐取代了老式接口，ANSI也专门制定了ATA－1标准，1990年后生产的计算机已经普遍采用ATA接口了。

就在ATA－2成为标准之时，西部数据（Wester Digital）与希捷掀起了一场接口名称之争。西部数据提出了EIDE（Enhanced IDE，译为增强IDE）的概念，EIDE实际上包含了ATA－2和ATAPI（ATA Packet Interface）两种标准，后者是为了让CD-ROM、磁带机等其他设备使用ATA接口而制订的标准，因为ATA－1和ATA－2标准都只考虑了硬盘。希捷提出了一个FastATA的概念，并得到了昆腾的支持。FastATA实际上就是ATA－2，相对而言，FastATA比EIDE在概念上要更为清晰一些，但是由于CD-ROM驱动器的迅速发展，ATAPI标准得到了普遍应用，FastATA和EIDE两种称呼都经常出现在各种场合，反而产生了很多混淆。ATA接口的最新标准是ATA－3，与ATA－2相比，ATA－3没有增加更高速率的工作模式，但改进了数据传输的可靠性，加入了一个简单的密码保护的安全方案，对电源管理方案进行了修改，并引入了S.M.A.R.T.技术，让硬盘在出错时能够向系统报告。

4．DMA（ATA）100/133

DMA100/133并不是新的接口规范，它们只是对EIDE接口的增强。传统的IDE数据传输仅仅利用了单边带的数据脉冲。DMA100/133则在数据传输时使用了双边带的数据脉冲。因此，使用该技术的硬盘并配合相应的芯片组，最大传输率可以提高到133MB/s，向下兼容采用80芯的线40针的接口，支持CRC（循环冗余码校验）错误检测修正技术。它们最大的优点在于把CPU从大量的数据传输中解放出来了，可以把数据从HDD直接传输到主存而不占用更多的CPU资源，从而在一定程度上提高了整个系统的性能。DMA100/133已成为目前EIDE硬盘接口事实上的标准。

当然ATA100/133的数据传输率只是一个理论值，实际使用中是无法达到最大值的，而现在硬盘的最大内部传输率也就在50MB/s左右，无法充分发挥ATA100/133接口的能力。

5．S－ATA接口

目前大多数台式机硬盘采用的都是Ultra ATA 100/133并行总线接口，理论最高速率在133MB/s，随着硬盘内部传输率的不断提升，很快会成为硬盘性能的瓶颈。而SerialATA1.0规范将硬盘的外部传输率提高到了150MB/s以上，而且随着后续版本的发展，其接口速率还可比较轻松地扩展到600MB/s以上，是未来高性能硬盘的必然选择。并行ATA接口硬盘所使用的80pin数据线在机箱内部也显得特别粗大、凌乱，它会阻碍空气的流动，进而影响系统的散热，限制高速CPU等配件的性能发挥。而且并行ATA设计采用12V和5V电压供电，在当今计算机配件不断降低电压、减小功耗的趋势下，这也是需要改进的。而SerialATA采用±250mV供电，能够有效地减小系统的功耗。

串行ATA采用了点对点传输协议，每一个硬盘与主机通信时都独占一个通道，系统中所有的硬盘都是对等的，因此，在串行ATA中将不存在“主/从”盘的区别，用户也不用再费事去设置硬盘的相关跳线了。点对点传输模式还使每一个硬盘都可以独享通道带宽，这对于提高性能是有好处的。

6．SCSI接口

SCSI是一种与ATA完全不同的接口，它不是专门为硬盘设计的，而是一种总线型的系统接口，每个SCSI总线上可以连接包括SCSI控制卡在内的8个SCSI设备。早期计算机的BIOS不支持SCSI，各个厂商都按照自己对SCSI的理解来制造产品，造成了一个厂商生产的SCSI设备很难与其他厂商生产的SCSI控制卡共同工作，加上SCSI的生产成本比较高，因此没有像ATA接口那样迅速得到普及。SCSI接口的优势在于它支持多种设备，传输率比ATA接口传输率高，独立的总线使得SCSI设备的CPU占用率很低，所以SCSI更多地被用于服务器等高端应用场合。

ANSI分别于1986年和1994年制订了SCSI－1和SCSI－2标准，一些厂商在这些标准的基础上开发了FastSCSI、Ultra SCSI、Ultra2 SCSI（LVD）和Ultra160/m等事实上的标准。希捷、IBM等厂商都有自己的SCSI硬盘系列产品，由于目标市场不同，这些SCSI硬盘的转速、缓存大小等指标要比同时期的IDE硬盘高得多。

EIDE硬盘的接口技术在不断进步时，SCSI硬盘的接口技术也在迅速发展。目前开始普遍采用Ultra2 SCSI（LVD）传输模式。LVD代表低电压差分技术，16位Ultra2 SCSI（LVD）接口的最高传输率可达80MB/s，除了速度上的提升外，Ultra2 SCSI（LVD）允许接口电缆的最大长度为12m，比起Ultra SCSI的1.5m限制有了极大的进步，大大增强了设备配置的灵活性。Ultra160/m SCSI也被引入硬盘界，对硬盘在高计算量应用领域的性能扩展极有裨益，处理关键任务的服务器、图形工作站、冗余磁盘阵列（RAID）等设备将因此得到性能提升。而目前的硬盘厂商为使产品适应不同领域的需求，将Ultra160/m SCSI技术与光纤界面技术集成在一块硬盘上，使硬盘的应用领域更加广阔，不但可以支持服务器、图形工作站、冗余磁盘阵列应用，还可以支持SAN等新型应用。

7．光纤通道

Fibre Channel的中文名为“光纤通道”，它是一种跟SCSI或IDE有很大不同的接口。以前它是专为网络设计的，常见于高档交换机或者网卡中，但后来随着存储器对高带宽的需求，慢慢移植到现在的存储系统上来了。光纤通道通常用于连接一个SCSIRAID（或其他一些比较常用的RAID类型），以满足高端工作或服务器对高数据传输率的要求。

光纤现在能提供高达100Mbps的实际带宽，而它的理论极限值更可达1.06Gbps。现在也有一些公司推出了支持下一代光纤通道（即Fibre Channel II）技术，带宽高达2.12Gbps的产品。不过为了能得到更高的数据传输率，市面的光纤产品有时是使用多光纤通道来达到更高的带宽。

不像SCSI，光纤通道的配线非常柔韧。如果带有光纤光学电缆（FiberOptic Cabling），它支持最长的长度超过了10km，所以可以说SCSI在接口电缆长度的限制上跟光纤是没法比的，因为SCSI最长接口电缆不得超过12m。但是我们知道，这种光纤材料非常贵，所以在实际应用中暂时还不可能很普及。

光纤通道具有高带宽（通常具有1.06Gbps以上的理论带宽）、良好的升级性能、连接距离长（光纤长度可以超过10km）等优点。当然光纤通道也有其缺点，那就是价格非常昂贵，并且组建复杂。

上述简单介绍了外存储器的接口类型和发展情况，在现在的计算机系统中，主要应用的接口是IDE和SCSI接口，下面分别详细介绍这两种接口。