Differenze sata e IDE

SATA = Serial ATA è il nuovo sistema seriale di trasferimento dati molto più veloce e sicuro di quello tradizionale (ATA).

ATA =  o anche IDE, EIDE, ATAPI, UDMA, PATA, che in effetti sono la stessa cosa, e rappresentano il sistema di trasferimento dati in modo parallelo, ormai sostituito dalla nuova tecnologia seriale (SATA).

Come funziona il Serial ATA

Dopo vent’anni di sviluppi, l’interfaccia ATA ha raggiunto il limite della sua evoluzione e cede il passo alla sua versione seriale

Gennaio 2005 L’interfaccia parallela che viene usata dal 1984 per la connessione degli hard disk prese il nome ATA (AT Attachment) perchè 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 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 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 velocit di trasmissione 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 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 capacit della connessione raddoppia a parit di frequenza di clock (4 byte per ciclo di clock).  
Con i successivi livelli ATA, dal 5 al 7, la velocit cresciuta a 66, 100 e 133 MBps, usando le modalit 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 pi lunghi, ma sono da evitare perch 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 pi comodo.
Oggi la maggior parte dei bus e connessioni di tipo seriale, perchè molto pi 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 difficolt. Mentre la connessione ATA un bus a cui sono connessi uno o due drive, l’ATA seriale utilizza un collegamento punto a punto; un controller pu supportare pi 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, 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 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 pi, 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 pi 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 pi 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’uniformit di carico sui circuiti e dell’affidabilit.  
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 cio trasmessi come differenze di tensione tra due fili (una coppia in trasmissione e una in ricezione), cos da eliminare il rumore elettrico comune ai due conduttori.  
La codifica di tipo NRZ (Non Return to Zero): tra i due fili di ogni coppia c’ sempre 0,5V di differenza e i dati sono trasmessi scambiando le polarit; quando un filo a +0,25 V, l’altro 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 realt 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.

SATA II

Quanto descritto sopra appartiene alla specifica  Serial ATA 1.0. Lo standard SATA si basa sull’ATA parallelo ed stato definito in modo da essere compatibile a livello software con i driver ATA. Perci, la transizione da ATA a SATA dovrebbe essere trasparente per il sistema operativo. 
I primi  hard disk SATA non erano dotati di interfaccia seriale nativa, ma includevano un bridge tra ATA parallelo e seriale; ora gli hard disk supportano il SATA in modo nativo.  
Terminata la fase iniziale dell’ATA 1.0, ora si entrati nella fase 1 della seconda versione SATA, ovvero SATA II Phase 1.  
Il SATA 1.0, infatti, non include certi aspetti necessari per configurazioni con server e storage di rete e per workstation ad alte prestazioni. SATA II un superset delle specifiche 1.0 e viene introdotto in due fasi, di cui la prima di un certo interesse per chi acquista un nuovo computer.

La Fase 1 (Phase 1), in corso di attuazione, prevede: 1) miglioramenti di prestazioni che sotto il nome di Native Command Queueing (accodamento nativo dei comandi) comprendono l’accodamento dei comandi e il riordino della sequenza di esecuzione dei comandi, 2) la gestione del o dei telai (Enclosure Management), che include controllo delle ventole, indicatori di attivit, controllo di temperatura, notifica dei nuovi dispositivi ecc. (per esempio, in caso di guasto a un disco in RAID, viene individuata l’unit interessata) e 3) una soluzione per la scheda di interconnessione dei drive (backplane) nei server, che estende la lunghezza massima delle tracce ad uso dei rack e dei drive hot-swappable (sostituibili a macchina accesa). 
La fase 2 del SATA II prevede ulteriori estensioni sempre per server e storage di rete e la seconda generazione di velocit, ovvero 300 MBps trasferibili lungo la connessione.  
Le reali prestazioni dei dischi dipendono da fattori come densit di registrazione, velocit di rotazione, tempo di  accesso delle testine, capacit del buffer e supporto NCQ (Native Command Queueing).  
Inizialmente non si noter un vantaggio nella transizione da ATA a SATA, a meno che non utilizziate intensamente (con molte attivit in multitasking e multithreading) un sistema equipaggiato con dischi e chip-set con supporto NCQ.  
La roadmap SATA comunque progettata per un periodo di 10 anni, quindi prevede estensioni e crescita di prestazioni al di l dei prodotti attualmente in vendita.

Native Command Queueing

Di tutte le caratteristiche del Serial ATA sopra citate, l’unica che porta un salto di qualit nella realizzazione dei  PC la riduzione di dimensioni dei cavi e dei connettori unita all’incremento della lunghezza massima dei cavi.  
Dal punto di vista degli acquisti a breve termine, vi pu interessare il supporto NCQ. Le linee pi recenti di hard disk SATA ne sono dotate, come pure i controller SATA inclusi nei nuovi chipset per PCI-Express (per esempio di Intel e VIA).  
Tuttavia facciamo notare che i primi test mostrano incrementi di prestazioni nei test sintetici ma non con le reali applicazioni. 
Nell’uso quotidiano del desktop, con tutta probabilit, non avrete benefici tangibili dall’uso di dischi SATA con NCQ. 
Se dovete acquistare un nuovo sistema e volete avere le tecnologie pi recenti, accertatevi che il chipset e gli hard dischi supportino l’NCQ (SATA II Fase 1), ma se state usando dischi ATA e volete migliori prestazioni, la strada maestra quella di passare allo SCSI, non al SATA.
Sgombrato il terreno da false aspettative, diamo un’occhiata a come funziona l’NCQ, che dagli anni ’90 supportato dai dischi SCSI e finalmente approda anche sui comuni desktop.
Normalmente, per accedere ai dati su disco, la CPU invia una richiesta e, se il dato non presente in una delle cache, viene comandato alle testine di posizionarsi in modo da potere iniziare la lettura dei dati.  
Trascurando i dettagli (una lettura logica pu richiedere parecchie letture fisiche), se occorre accedere a una serie di dati non sequenziali distribuiti in varie zone del disco, le testine dovranno saltare da un cilindro all’altro, avanti e indietro.  
Per esempio, se la sequenza di accesso A, D, B, F, G, C, E (immaginando che la sequenza alfabetica corrisponda all’angolo di rotazione), si perderanno parecchi cicli di rotazione prima che le testine abbiano visitato tutti i blocchi di dati.  
Con il NCQ, il disco immagazzina una coda delle richieste di accesso, quindi le riordina (ne cambia la sequenza) per ridurre al minimo il numero di rotazioni e il tragitto delle testine in modo da eseguire tutti gli accessi nel pi breve tempo possibile.  
La rotazione dei piatti e il posizionamento sulla traccia (seek) sono i due criteri per ottimizzare l’esecuzione dei comandi in coda, cos da compiere il tragitto pi breve per visitare tutti i blocchi di dati che la coda di comandi prevede di leggere e scrivere. 
Questo meccanismo di accodamento e riordino paragonabile all’ottimizzazione delle consegne da parte di un corriere che debba consegnare decine di colli in diverse zone di una citt; anzich esaminare una consegna per volta in sequenza e saltare continuamente da un capo all’altro della citt, il corriere stabilisce il percorso che richiede il tempo minore per eseguire tutte le consegne.
Per sfruttare il NCQ occorre che le applicazioni creino code di comandi, il che non succede se in esecuzione una singola applicazione che attende la risposta a una richiesta di dati prima di inviare la richiesta successiva. 
L’alternativa utilizzare parecchie applicazioni in esecuzione simultanea, oppure applicazioni multithreaded o anche, secondo Intel, applicazioni scritte per sfruttare l'<b>HyperThreading.
Visto il modesto successo dell’HyperThreading, possiamo supporre che l’imminente introduzione delle CPU dual-core incoraggi gli sviluppatori a scrivere software con pi thread paralleli, che potrebbero contribuire a creare code di comandi di accesso a disco. 
In definitiva, l’NCQ, come tutte le funzioni introdotte nel SATA II, avvantaggia server e network storage pi che i desktop di tutti noi.  
In ogni caso, per sfruttare le potenzialit dei dischi ad alte prestazioni occorre anche disporre di piattaforme hardware capaci di supportare la crescente larghezza di banda messa a disposizione dai dischi SATA (come avviene anche per lo SCSI) e dalle altre connessioni su cui vengono fatti scorrere i dati (USB,  FireWire, Gigabit Ethernet ecc.).  
Uno degli elementi chiave di questa crescita la connessione PCI-Express (vedi articolo pubblicato sul numero scorso), che mette ordine tra i vari tipi di connessione e porta sui desktop prestazioni prima riservate ai server.

RAID e server

Con il  SATA II, che prevede tra l’altro backplane, gestione dei telai, moltiplicatori di porta e connessioni multiple, diventa facile assemblare telai per lo storage in RAID con connessioni multiple compatte (attraverso appositi connettori per backplane).  
Il SATA si appresta quindi a occupare lo spazio dei server di fascia medio-bassa di costo contenuto, lasciando allo SCSI la fascia delle applicazioni ad alte prestazioni e prezzo decisamente pi alto.