ATA/ATAPI

AT Attachment (kurz ATA) ist ein Standard fur die parallele Datenubertragung zwischen Datenspeichern bzw. Laufwerken und der entsprechenden Hardwareschnittstelle eines Computers. Der Namensbestandteil AT verweist auf seinen Ursprung im Umfeld des IBM Personal Computer/AT und dazu kompatiblen Geraten. Die Entwicklung erfolgte anfangs proprietar als IDE durch Western Digital. Die spatere Normung erfolgt durch das technische Komitee T13 beim US-amerikanischen InterNational Committee for Information Technology Standards (INCITS).

AT Attachment Packet Interface (kurz ATAPI) verwendet diese physische Schnittstelle und erweitert das Protokoll so, dass daruber gekapselte SCSI-Pakete ubertragen werden konnen. Die dadurch moglichen SCSI-Befehle erweitern den Einsatzbereich von ATA uber den ursprunglich reinen Festplattenbetrieb hinaus. So konnen mit ATAPI zusatzlich auch Gerate wie Wechselplattenlaufwerke, optische Laufwerke und Bandlaufwerke verwendet werden. Das Packet Interface wird weiterhin bei Serial ATA verwendet.^[1]

Die von ATA zur Verfugung gestellte Funktionalitat wird in modernen Computern ublicherweise von der Nachfolgeentwicklung Serial ATA ubernommen. Zur Unterscheidung wird seit der Etablierung von Serial ATA aufgrund der parallelen Datenubertragung statt ATA oftmals PATA oder P-ATA als Abkurzung benutzt. Die Bezeichnung Integrated Drive Electronics (kurz IDE) stammt aus der Zeit vor der Standardisierung und wird ublicherweise synonym zu ATA bzw. PATA benutzt. Verbreitet war auch der Begriff AT-Bus, der jedoch im Zusammenhang mit Steckkarten auch fur den ISA-Bus stand.

Der amerikanische Festplattenhersteller Western Digital wurde 1984 von Compaq beauftragt, einen Festplatten-Controller zu entwickeln. Im Gegensatz zu den ATA-Vorgangern mit ST506-Schnittstelle (mit den Aufzeichnungsverfahren MFM oder RLL) und dem Enhanced Small Disk Interface (ESDI) sollte die Kommunikation uber ein einziges 40-poliges Flachbandkabel erfolgen und sich ein grosserer Teil der Controller-Elektronik auf dem Peripheriegerat (zum Beispiel dem Festplattenlaufwerk) befinden.

Western Digital nannte diese Schnittstelle Integrated Drive Electronics (IDE). In Kooperation mit anderen Festplattenherstellern wurde sie als gemeinsamer Standard etabliert, der 1989 als ATA-1 verabschiedet wurde. Bis heute gilt IDE als Synonym fur ATA bzw. heute PATA.

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

Bei der ATA-Schnittstelle verfugen die angeschlossenen Gerate uber einen eigenen Controller. Mit diesem eingebauten Controller kommunizieren sie mit dem Host uber einen Host-Bus-Adapter auf der Hauptplatine oder einer Steckkarte. ATA-Gerate werden mit einem Flachbandkabel an die 40-polige^{[Anmerkung 1]} Schnittstelle des Hosts angeschlossen (ATA-40). Zwei Gerate pro Anschluss sind moglich, 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 uber Jumper. Bei vielen Geraten gibt es auch die Moglichkeit des Cable Select (CS). Dazu mussen beide Gerate auf CS gestellt werden, wobei ein spezielles Anschlusskabel den Device-0- bzw. -1-Status vergibt.

Der ursprungliche ATA-Befehlssatz war ausschliesslich fur Festplatten vorgesehen. Um auch Wechselmedien, optische und Bandlaufwerke verwenden zu konnen, wurde mit ATAPI ein Verfahren definiert, um (eine Teilmenge von) SCSI-Befehle(n) paketiert uber die ATA-Schnittstelle zu ubermitteln. ATAPI setzt dabei auf ATA auf und erweitert die Funktionalitat. Da beide Protokolle seit ATA/ATAPI-4 in einem gemeinsamen Standard beschrieben werden, wird gemeinhin der Begriff ATA/ATAPI verwendet.

Das Kurzel ,,AT" in ,,AT Attachment" wird im Allgemeinen mit dem Namen des IBM Personal Computer/AT (Advanced Technology) assoziiert, steht aber offiziell fur sich, um rechtliche Probleme mit IBM zu vermeiden.

Wie im Abschnitt Geschichte angedeutet, erfolgte der Ubergang vom Industriestandard zu einem offiziellen Standard erst, nachdem schon langere Zeit ATA-Gerate hergestellt wurden: Der letzte Entwurf des Standardisierungsgremiums T13 Technical Committee fur den ATA-1-Standard^[2] ist auf 1994 datiert, obwohl ATA-Gerate schon seit Mitte der 1980er-Jahre hergestellt werden. Daher hatte sich schon zum Zeitpunkt der Veroffentlichung des offiziellen Standards Master und Slave als allgemein ubliche Bezeichnung der beiden von einem ATA-Anschluss ansprechbaren Gerate durchgesetzt. Aus technischer Sicht jedoch erscheinen diese Bezeichnungen nicht gerechtfertigt, da die Ansteuerung beider Gerate durch den Host (normalerweise den Computer) praktisch gleichwertig erfolgt. Die Veroffentlichungen des T13 Technical Committee benutzen stattdessen die Bezeichnungen Device 0 und Device 1, die den technischen Gegebenheiten eher Rechnung tragen. In seinem gegenwartigen 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 Verstandlichkeit zu wahren.

ATA 44: Fur Notebooks gibt es Sonderformen der Schnittstelle, die zusatzlich die Versorgungsspannung (+5 V) und bei optischen Laufwerken auch Audiosignale ubertragen. Diese werden bei 2,5''-Festplatten ATA-44 und bei optischen SlimLine-Laufwerken ATA-50 genannt. (Die Zahl gibt dabei die Anzahl der Steckkontakte an.)

ATA ZIF: Fur in Mediaplayern verwendete 1,8''-Festplatten gibt es eine Sonderform mit 40-poliger Buchse. Sie wird auch in UMPCs und einigen Notebooks verwendet.

Werden zwei Gerate mit verschiedenen ATA-Versionen an dasselbe Kabel angeschlossen, entscheidet bei alteren Host-Adaptern das langsamere Gerat uber die Geschwindigkeit beider Gerate. Modernere ATA-Host-Adapter (seit ca. 1998) konnen die Geschwindigkeit fur jedes Gerat getrennt steuern, so dass langsame Gerate nicht mehr den gesamten Bus ausbremsen.

Gleichzeitige Ansteuerung von maximal zwei Festplatten mit einer Ubertragungsrate von bis zu 8,3 MB/s

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

Die Steuer- und Datensignale konnen mit ATA-2 synchron ubertragen werden. Leistungsfahigkeit bis zu 16,6 MB/s. Neue Ubertragungsmodi: 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)
• Fast ATA umfasst ATA-2, PIO 3, DMA 1
• Fast ATA-2 umfasst ATA-2, PIO 4, DMA 2

ATA-3 weist gegenuber seinem Vorganger ATA-2 zwei neue Funktionen auf: S.M.A.R.T und das Security Feature Set. Leistungsfahigkeit und Ubertragungsmodi haben sich gegenuber ATA-2 nicht verandert.

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

• Mit UDMA wurde der Standard um den Cyclic Redundancy Check erweitert.
• 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 Abkurzung von ATA-4 mit UDMA 2.

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

ATA-5 enthalt den neuen Modus Ultra DMA 4. Leistungsfahigkeit 66,6 MB/s, daher auch UDMA-66 genannt (UDMA 3: 44,4 MB/s). Fur den ATA-5-Standard ist ein spezielles 80-adriges Kabel erforderlich. Es hat zwar weiterhin nur 39 Anschlusspins, allerdings befinden sich 41 zusatzliche Leitungen mit Masseanschluss jeweils zwischen den Datenleitungen. Diese sorgen fur eine definierte Wellenimpedanz der Signalleitungen zur Verringerung von Reflexionen. Weiterhin verringern sie das Ubersprechen zwischen den Signalleitungen. Beides konnte ansonsten zu Ubertragungsfehlern fuhren.

Mit ATA-6 und dem Modus Ultra-DMA-100 (UDMA 5) sind Datenraten bis 100 MB/s moglich. Daher findet sich hier auch oft die Bezeichnung ATA/100. Auch wurden neue ATA-Befehle eingefuhrt, die 48 Bit grosse Sektoradressen erlauben (LBA-48), was die maximal ansprechbare Kapazitat von 2²⁸ * 512 Byte = 128 GiB auf 2⁴⁸ * 512 Byte = 134.217.728 GiB ( 144.115.188 GB) = 128 PiB erhoht.

Eine weitere Neuerung ist Automatic Acoustic Management (AAM).

Mit dem Device Configuration Overlay (DCO) ist es moglich, bestimmte in den Identify-Informationen einer Platte gemeldete Werte zu beeinflussen. So konnen beispielsweise die Feature-Bits fur einzelne DMA-Modi, SMART-Features, AAM oder HPA deaktiviert oder die gemeldete Grosse der Platte reduziert werden. Mit Hilfe des ursprunglich fur UNIX-Systeme entwickelten Systemprogramms hdparm kann beispielsweise diese Information mit sudo hdparm --dco-identify /dev/ bei einer bestimmten Festplatte abgefragt werden.

Mit ATA/ATAPI-7 wird im Standard erstmals zwischen paralleler und serieller Ubertragung 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 moglich. Daher findet sich hier auch oft die Bezeichnung ATA/133.

Mit ATA-8 wurden Fehler behoben und der Standard neu strukturiert. Er ist weiterhin kompatibel zu den Vorgangerversionen. Neu ist etwa, dass ATA-8 in vier Dokumente unterteilt wird, Architecture Model (ATA8-AAM), Command Set (ATA8-ACS), Parallel Transport (ATA8-APT) und schliesslich Serial Transport (ATA8-AST). Das erlaubt eine weiterfuhrende Abstrahierung der Definition der Befehle, des Architecture Models und schliesslich des Transports. Der Kommandosatz ATA8-ACS wurde im September 2008 als ANSI INCITS Standard veroffentlicht.

Geloscht wurde u. a. ein Kapitel uber 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/Ubertragung als das PATA-Interface (vgl. IDE) hat, tauchen solche Hinweise in ATA-8 nicht mehr auf, vielmehr wurden viele Passagen entfernt und in ATA8-APT und ATA8-AST ausgelagert. Damit wollte man einen Schritt in die Zukunft gehen, denn in der Systemprogrammierung dominierten bis dato die PATA-Laufwerke, wahrend uber SATA grosse Unklarheit herrschte.

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

Nach der Veroffentlichung des ATA8-ACS-Standards erfolgt die Weiterentwicklung des Kommandosatzes unter den Namen ACS-2, ACS-3, ACS-4 und ACS-5.

Eine Neuerung von ACS-2 ist ,,Device Statistics". Damit lassen sich Werte wie Betriebsstunden, Anzahl der Resets, Anzahl der Lese- und Schreibvorgange, Anzahl der Fehler und die Temperatur abfragen. Im Gegensatz zu den S.M.A.R.T.-Attributen ist die Bedeutung aller Werte standardisiert.

Alle neuen Versionen sind bis zu ATA/ATAPI-4 abwartskompatibel: neuere Festplatten konnen damit auch an alteren Rechnern betrieben werden, altere Laufwerke auch an neuere Schnittstellen angeschlossen werden.

Altere ATA-Controller bzw. altere Systemsoftware konnen oft nur Festplatten bis zu einer bestimmten Kapazitat ansprechen. Dadurch kann gegebenenfalls nur ein Teil der Festplattenkapazitat genutzt werden. Typische Grenzen sind 504 MiB, 8 GiB, 32 GiB, 128 GiB. Die 128-GiB-Grenze resultiert aus der Verwendung von 28-Bit-LBA, denn mit 28 Bit kann man nicht mehr als 2²⁸ Sektoren (das entspricht 128 GiB) ansprechen. Dafur gibt es die Erweiterung auf 48-Bit-LBA, welche den Adressraum erheblich erweitert. Die anderen Grenzen werden durch die CHS-Adressierung begrundet, also durch die Aufteilung in Zylinder, Kopf und Sektor - wobei hier fur 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 schaffen moderne Hardware und Software. So wurden in der Vergangenheit oft BIOS-Updates - Firmware-Aktualisierungen fur das BIOS - 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 beschrankt sich die Verwendung von klassischen Laufwerken in Systemen auf eine 2-TiB-Grenze, die nur durch die Verwendung der EFI-GUID Partition Table ,,umgangen" werden kann. Die 2-TiB-Grenze wird durch die 32-Bit-Grosse der Sektorangaben in den Partitionseintragen verursacht.

Eine einfachere Moglichkeit, die 2-TiB-Grenze zu umgehen, ist es, die Grosse der Datenblocke auf 1024 Bytes oder 2048 Bytes zu erhohen, was den adressierbaren Bereich auf 4 TiB bzw. 8 TiB vergrossert. Das erhoht jedoch auch die kleinstmogliche Clustergrosse auf 1024 bzw. 2048 Bytes, was aber wenig relevant ist, da Clustergrossen unter 4096 Bytes ohnehin kaum verwendet werden.

Die meisten aktuell auf dem Markt verfugbaren ATA- und Serial-ATA-Festplatten verfugen uber einen 32 Byte langen Passwortschutz mit General- und Nutzerschlussel, 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 unzuganglich machen.

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

Die Festplatten erlauben auch, das Setzen eines neuen Passworts zu verhindern, englisch security freeze. Diese Funktion muss allerdings explizit aufgerufen werden. Einige BIOS-Varianten aktivieren sowohl einen freeze als auch ein Passwort, wenn auch das BIOS per Passwort geschutzt ist, sodass bereits vor dem Start des Betriebssystems unbeabsichtigtes oder boswilliges Andern/Setzen eine Passworts unmoglich ist. Aber auch einige Betriebssysteme, bzw. bei alteren Betriebssystemen zusatzliche Dienstprogramme, konnen die Festplatte entsprechend abriegeln. Sollte der Computer jedoch in einen Schlafzustand versetzt werden, ist die Festplatte nach dem Aufwachen wieder ungeschutzt, und da das BIOS beim Aufwachen nicht wieder aufgerufen wird, ist ein erneuter Passwort-Manipulationsschutz nur per Software-Losung (im Betriebssystem) moglich.

Der ATA-Anschluss (ATA-40) ist eine 40-polige zweireihige Stiftleiste^{[Anmerkung 1]}, Rastermass 2,54 mm (100 mil):

Wannenstecker am Laufwerk (Draufsicht auf die Stifte)

Buchsenleiste am Kabel (Draufsicht, von vorn)

Bei einem korrekt verdrahteten Flachkabel liegt Pin 1 auf der farblich (meist rot) gekennzeichneten Ader. Als zusatzliche Sicherheit ist die Buchse fur Pin 20 (im Bild mit * gekennzeichnet) bei vielen Steckern verschlossen, um falsches Aufstecken zu verhindern. Wannenstecker mit Mittelnut sind inzwischen nicht nur bei den Laufwerken selbst, sondern auch auf Controllern und Motherboards Standard. Da die Buchsenleiste eine Nase an der entsprechenden Stelle hat, ist eine Verpolung ausgeschlossen.

Nachfolgend die Beschreibung der Pins:

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

Bei den neueren 80-adrigen ATA-5-Kabeln haben die Stecker drei Farben:^[3]

Das ist von Bedeutung fur:^[3]

• Schnelle UDMA-Modi: Ab UDMA-66 (UDMA 4) wird das feinere, 80-adrige Flachbandkabel verwendet, bei dem jede zweite Ader auf Masse gelegt ist, was die Signal-Adern gegeneinander abschirmt und die hohere Geschwindigkeit erst moglich macht. Die Stecker haben wie gewohnt 40^{[Anmerkung 1]} Pole, der Hostadapter-seitige Stecker hat jedoch eine besondere Kodierung (PDIAG wird getrennt und beim Hostadapter ein Kondensator mit bestimmtem Wert gegen Masse gelegt), an der der ATA-Hostadapter erkennen kann, dass ein solches Kabel benutzt wird. Erst dann schaltet der Hostadapter die schnelleren Modi von 66 MB/s und hoher frei. Beim Anschluss der ATA-Gerate mit einem solchen Kabel ist deshalb zu beachten, dass das blaue Kabelende an die Hauptplatine bzw. den ATA-Hostadapter angeschlossen werden muss.

• Cable-Select: Seit langerem unterstutzen ATA-Kabel die Cable-Select-Adressierung und haben dazu Geratestecker in Grau und Schwarz, an die die ATA-Gerate angeschlossen werden. Wird im Cable-Select-Verfahren adressiert, ist das Gerat am schwarzen Stecker automatisch Device 0 (Master) und das Gerat am grauen Stecker Device 1 (Slave). Dabei ist die Signalleitung 28 nur zum Master verbunden, jedoch nicht zum Slave. Um dieses Verfahren zu nutzen, mussen beide ATA-Gerate auf ,,CS" gejumpert sein. Andernfalls ist das eine Gerat auf ,,Master" zu jumpern und das andere auf ,,Slave"; bei manueller Jumperung ist es gleichgultig, welches am schwarzen und welches am grauen Stecker angeschlossen ist. Wird nur ein einziges ATA-Gerat an das Kabel angeschlossen, muss unbedingt der Stecker in der Mitte des Kabels freigelassen werden, da ein nicht belegtes Kabelende z. B. Storungen in Form von Signalreflexionen verursachen kann.

1. | ^{a b c} Durch den fehlenden Key-Pin hat die Schnittstelle genaugenommen nur 39 Pole.
2. | Erst bei den 80-adrigen Kabeln hat sich das entsprechende Gegenstuck, ein verschlossenes Loch an der Kabelbuchse, allgemein durchgesetzt. Die meisten 40-adrigen Kabel lassen sich jedoch trotz Keypin auch falschherum auf die 39-poligen Stecker aufstecken.

• AT-Format
• CE-ATA
• CompactFlash - Minimal angepasste Variante von ATA fur Speicherkarten
• Serial ATA

• T13 Technical Committee (Memento vom 19. Marz 2008 im Internet Archive) (englisch)
• IDE-Grundlagen
• The Hardware Book ATA-44 (Memento vom 2. Marz 2003 im Internet Archive) (englisch)
• The Hardware Book ATA (Memento vom 2. Marz 2003 im Internet Archive) (englisch)
• Steckerbelegung ATA-50
• ATA Security eXtension BIOS (Security Feature Set)
• Artikel zur Ansteuerung einer IDE-Festplatte (englisch)
• Beschreibung der Adressierungsprobleme mit Losungsmoglichkeiten

1. | Serial ATA: High Speed Serialized AT Attachment. (PDF; 6,4 MB) Revision 1.0a. In: web.mit.edu. Serial ATA Work Group, 7. Januar 2003, abgerufen am 7. Marz 2015 (englisch).
2. | Working Draft - X3T10, 791D, Revision 4c - AT Attachment Interface for Disk Drives. (PDF; 134 kB) (ATA 1). In: ecse.rpi.edu. 4. September 1997, archiviert vom Original am 17. Juni 2016; abgerufen am 16. Dezember 2006 (englisch).
3. | ^{a b} Robert Bruce Thompson, Barbara Fritchman Thompson: PC Hardware in a Nutshell. 2. Auflage. O'Reilly, Sebastopol 2002, ISBN 0-596-00353-6, Chapter 13: Hard Disk Interfaces, S. 390-392, ATA Cables (englisch).

• Peripheriebus (intern)
• Speicherkarten
• Abkurzung

• Wikipedia:Belege fehlen