Không giống với quá trình phát triển liên tục và mạnh mẽ của các bộ vi xử lý trong máy vi tính nhằm đáp ứng yêu cầu của các phần mềm hiện nay, các đĩa cứng có hệ thống điều khiển theo chuẩn IDE đã làm hạn chế tính năng của toàn bộ hệ thống. Chính vì vậy chuẩn E-IDE (Enhanced-IDE) đã ra đời nhằm giải quyết vấn đề trên.

    1. Giới thiệu

    Sự phát triển của các máy vi tính tăng một cách nhanh chóng và đều đặn. Các nhà sản xuất cố gắng tung ra thị trường những hệ thống nhanh hơn, mạnh hơn để phục vụ cho nhu cầu về Multimedia, video chuyển động liên tục và thực tại ảo - những mục tiêu của người sử dụng hiện nay. Phần lớn các chương trình và dữ liệu phục vụ cho các sản phẩm đó được chứa trong đĩa cứng của máy tính. Các sản phẩm phần mềm đó thường yêu cầu truy cập một khối lượng dữ liệu lớn trong đĩa cứng với tốc độ nhanh. Như vậy, một máy vi tính với chuẩn giao tiếp đĩa cứng IDE (Intergrated Drive Electronics) trở nên lạc hậu và không đáp ứng được nhu cầu.

    Cùng với việc ra đời của các bộ vi xử lý ngày càng mạnh, yêu cầu của người sử dụng cũng ngày càng tăng làm cho hệ thống đĩa cứng vô hình chung đã trở thành một cái cổ chia làm cản trở quá trình phát triển. Việc sản xuất và sử dụng chuẩn IDE tạo ra sự cản trở cho toàn bộ hệ thống. Vì lý do trên, một chuẩn mới có tên E-IDE (IDE tăng cường) đã được xây dựng. Các đặc tínnh mà E-IDE cung cấp đã thỏa mãn yêu cầu của các phần mềm hiện đại về khả năng quản lý đĩa cứng với dung lượng lớn hơn và tốc độ truy cập nhanh hơn. E-IDE cũng cho phép quản lý cùng một lúc đến 4 thiết bị mà 2 trong số đó có thể là các thiết bị khác đĩa cứng.

    2. Mô tả về IDE

    Dựa trên cấu trúc của chuẩn giao tiếp đĩa WD1003 được phát triển bởi IBM và Western Digital Corporation, giao tiếp IDE đã vượt lên trên cả hai chuẩn trước đó là ST506 và ESDI về tính năng trong khi hạ giá thành bằng cách chuyển phần lớn các hàm của bộ điều khiển vào thiết bị. Từ khi được giới thiệu vào năm 1986, chuẩn giao tiếp IDE (thường được gọi là ghép nối AT hay ATA) đã thâm nhập rộng rãi như một phương thức rẻ nhất và tiện lợi nhất để điều khiển đĩa cứng trên máy vi tính. Hiện nay 97% số máy PC mới sử dụng giao tiếp IDE để quản lý đĩa cứng. Tuy nhiên, mặc dù IDE rất thành công, cũng còn có một số hạn chế làm cho nó không còn thích hợp với các máy tính đời mới.

    Bốn điểm hạn chế chính của chuẩn IDE là:

    Mỗi bộ điều khiển chỉ có một kênh truyền dữ liệu và nhiều nhất là hai thiết bọ có thể cùng sử dụng kênh đó.

    Các thiết bị đó chỉ có thể là đĩa cứng.

    Một partition đĩa cứng lớn nhất không quá 528 MB.

    Tốc độ truyền dữ liệu bị giới hạn trong khoảng 3MB/Giây.

    Phần cứng của máy tính PC/AT nguyên bản được thiết kế để hổ trợ cho 2 card điều khiển đĩa cứng, mỗi một card có thể điều khiển hai đĩa, mỗi đĩa cứng có một đường giao tiếp riêng. IDE cho phép dùng một đường giao tiếp cho hai ổ đĩa - một đĩa chủ (master) và một đĩa phụ (slave). Vì không phải tất cả các nhà sản xuất máy PC đều sản xuất các thiết bị sử dụng phương pháp giao tiếp đối ngẫu, nên hệ thống thường không thể hổ trợ quá 2 thiết bị, mặc dù trên thực tế từ MS-DOS 5.0, phần mềm hệ điều hành đã có khả năng hổ trợ tới 7 thiết bị.

    Trong thời gian gần đây giao tiếp IDE chỉ có thể hổ trợ đĩa cứng, như vậy các thiết bị như ổ CD-ROM hoặc đầu đọc băng từ (tape) không thể sử dụng được chuẩn IDE. Tình huống đó đã được cải thiện khi ổ đĩa CD-ROM, có khả năng nối trực tiếp với giao tiếp chuẩn IDE ra đời. Tuy nhiên những ổ đĩa loại trên không được thông dụng.

    Một trong những điểm hạn chế lớn nhất của chuẩn IDE là giới hạn 528 MB- dung lượng đĩa tối đa mà IDE có thể quản lý. Ðiều đó được quyết định thông qua cách mà BIOS và card điều khiển nắm giữ số lượng Cylinder, đầu từ và sector (CHS) của đĩa cứng, những thông số xây dựng nên dụng lượng đĩa. Bởi vì hệ thống phải thực hiện việc biên dịch hai tập hợp thông số đó, chỉ có những giá trị chung nhỏ nhất giữa chúng có thể được sử dụng để quyết định dung lượng đĩa tối đa của đĩa (xem hình 1).

    Trên phần lớn các hệ thống, vận tốc chuyển dữ liệu bị giới hạn bởi tốc độ đường dữ liệu IDS - tức là vào khoảng 2-3 MB/giây. Một thức tế đáng buồn là độ rộng của đường dữ liệu ISA là 16 bit, như vậy thật không dễ dàng làm tăng khối lượng dữ liệu trên đường truyền. Gần đây mặc dù có sự ra đời của cấu trúc local bus cũng không làm cải thiện được tình hình trên vì giao tiếp IDE nguyên thủy không được thiết kế để tận dụng đường truyền có độ mở rộng. Trên phần lớn các máy PC, local bus chỉ được sử dụng bởi hệ thống video trong khi đĩa cứng được gắn với đường dữ liệu ISA cổ lổ.

    3. Quá trình phát triển của E-IDE

    Nhận ra giới hạn của chuẩn IDE, nhiều nhà sản xuất máy PC đã sử dụng SCSI (giao diện các hệ thống máy tính nhỏ) như là một giải pháp. SCSI có hàng loạt các ưu điểm như:

    Có thể quản lý được nhiều nhất 7 thiết bị trên một card.

    Có thể điều khiển được ổ đĩa CD-ROM, ổ đọc băng từ, ổ đĩa quang và thậm chí cả scanner (máy quét hình).

    Loại SCSI mới nhất có tên Fast Wide SCSI-2 có khả năng chuyển dữ liệu với tốc độ 20 MB/giây bằng cách sử dụng một cache có sẵn trong card.

    Mặc dù có rất nhiều ưu điểm như đã nêu trên, SCSI được xem là một sự lựa chọn đắt tiền vì card điều khiển lẫn thiết bị tuân theo chuẩn đó đều đắt hơn so với các card và thiết bị IDE.

    Nhận thấy thị trường cần một thứ gì đó tốt hơn IDE, các nhà sản xuất đĩa cứng chính quyết định xây dựng nên chuẩn E-IDE, một chuẩn hứa hẹn sẽ mang lại tính năng cao và nhiều ưu điểm nhưng có giá cả cạnh tranh.

    E-IDE đã được thiết kế để cải tiến các hạn chế của chuẩn IDE trước đây bằng cách hổ trợ các đĩa cứng dung lượng lớn hơn, quản lý tới 4 thiết bị trên hai đường giao tiếp riêng biệt, hổ trợ CD-ROM, bămng từ và có tốc độ truyền nhanh hơn.

    Ðiểm quan trọng đặc biệt về E-IDE: Nó là một sự mở rộng của chuẩn IDE và vì vậy nó hoàn toàn tương thích với chuẩn IDE trước đó. Ðiều đó có nghĩa là bạn có thể sử dụng thiết bị E-IDE trên một máy PC có các thành phần IDE, mặc dù như vậy các thiết bị đó hoạt động không hiệu quả so với khi chúng được nối với một card điều khiển E-IDE.

    Chuẩn E-IDE sử dụng một tập lệnh và thanh ghi điều khiển mở rộng đã đem lại 5 điểm tăng cường so với chuẩn ATA gốc.

    3.1. Dung lượng

    Vấn đề về giới hạn 528 MB của chuẩn IDE được giải quyết bằng cách sử dụng một bảng tham số điều khiển tăng cường, toàn bộ 24 Aàbit được sử dụng để quyết định tham số điều khiển. 24 bit đó được chia ra thành các phần, 10 bit được sử dụng để chỉa ra số cylinder, 8 bit cho số đầu từ và 6 bit còn lại dành để lưu trữ số sector. Như vậy số lượng giới hạn sẽ là cylinder, 255 đầu từ và 64 sector trong một đĩa.

    EDPT mới tạo ra một sửa đổi trong ngắt 13H vì vậy nó sẽ dịch thông tin về số cylinder, đầu từ, sector được chuyển tới nó cho một địa chỉ khối logic 28 bit (LBA). Sau đó LBA được nạp vào trong các thanh ghi hồ sơ tác vụ của ổ đĩa. Bit 6 của thanh ghi DSH của ổ đĩa được sử dụng để chặn phần chương trình điều khiển ổ đĩa (phần sụn - firmware) và thông dịch các thông tin trong các thanh ghi hồ sơ tác vụ thành khuôn dạng LBA thay cho thông tin về số cylinder, đầu từ và sector. Quá trình chuyển đổi đó làm cho số lượng đầu từ hợp lệ thay đổi từ 32 đến 255 và sẽ cho phép dung lượng tối đa là 8,4 GB.

    Sử dụng LBA để điều khiển tham số ổ đĩa có nghĩa là toàn bộ 28 bit có thể được sử dụng để quyết định dung lượng đĩa, đem lại một giới hạn lý thuyết là 136,9 GB. Thật đáng tiếc là DOS chỉ có khả năng đánh địa chỉ trong phạm vi 8,4 GB và hiện nay đó là giới hạn của một ổ đĩa đơn. Các hệ điều hành xử lý không thông qua BIOS như UNIX có thể sử dụng khả năng đánh địa chỉ của LBA và như vậy chúng sẽ hổ trợ các ổ đĩa có dung lượng lớn hơn 8,4 GB.

    3.2 Nhiều thiết bị

    Chuẩn E-IDE cung cấp (tối thiểu) sự hổ trợ cho hai cổng độc lập, mỗi cổng có khả năng quản lý hai thiết bị thông qua hai kênh làm việc tách biệt. Các cổng đó được thiết kế thành một cổng chính và một cổng phụ. Chúng sử dụng các ngắt cứng khác nhau đó là IRQ14 và IRQ15.

    Với một cổng IDE chuẩn đơn, mỗi kênh làm việc có khả năng hổ trợ hai thiết bị IDE một là Master (Chủ) và một làm Slave (Tớ), nhưng chỉ có duy nhất một lệnh được phép thực hiện tại một thời điểm đối với mỗi kênh. Cổng đối ngẫu của chuẩn E-IDE có khả năng thực hiện đồng thời hai lệnh cho phương pháp mô phỏng để tăng cường tính năng của hệ thống. Như vậy có thể định hình một hệ thống với hai thiết bị, một nằm trên cổng chính và một nằm trên cổng phụ. Sự phân bố đó sẽ đem lại tính năng cao hơn so với cấu hình Master - Slave khi quá trình vào/ra đĩa ngày càng tăng.

    Tương tự như vậy, các cổng đối ngẫu IDE cho phép một thiết bị có tốc độ cao được nối vào cổng chính và một thiết bị chậm hơn nối vào cổng chính và một thiết bị chậm hơn nối vào cổng phụ. Nếu cấu hình như trên được hình thành, nó sẽ cho phép phát sinh cho cổng chính (chỉ cổng chính mà thôi) một quá trình chuyển dữ liệu theo IDE tốc độ cao thông qua việc tính toán thời gian. Có thể đây là một giải pháp tối ưu hóa không mang lại chút lợi ích nàokhi phát sinh việc tính toán thời gian cho quá trình truy nhập các thiết bị có tốc độ chậm như CD-ROM hoặc băng từ. Ngược lại, một người sử dụng thông thường hiếm khi yêu cầu dữ liệu thồng thời trên cả đĩa cứng và CD-ROM, như vậy hoàn toàn có thể chia xẻ một cổng cho một đĩa cứng IDE với một CD-ROM IDE.

    Phần lớn các máy tính đời mới sử dụng thiết kế VL-Bus hoặc PCI. Trong phần lớn các trường hợp, cổng chính sẽ sử dụng Local Bus còn cổng phụ sẽ giao tiếp thông qua ISA Bus thông thường. Vì vậy, các thiết bị có tốc độ cao như đĩa cứng được ghép nối vào cổng chính còn các thiết bị chậm hơn sẽ giao tiếp thông qua cổng phụ. Trong tương lai, hoàn toàn có thể thiết lập cả hai cổng thông qua Local Bus để tăng cường tính năng của toàn bộ hệ thống.

    Một trong những đặc điểm quan trọng nhất của E-IDE là khả năng hổ trợ đĩa gương (mirroring) và đĩa kép (duplexing).

    Mirroring là mức đầu tiên của RAID (Redundant Array of Inexpensive/ Independent Disks). Một cặp thiết bị được "phản chiếu" nghĩa là mỗi thiết bị đọc và ghi cùng một dữ liệu. Nếu một trong hai thiết bị hỏng, thiết bị còn lại vẫn cho phép truy nhập dữ liệu.

    Duplexing là mức thứ hai của RAID. Một hệ thống lưu trữ kép nhỏ sử dụng các bộ điều khiển phần cứng tách biệt để giao tiếp giữa các tiết bị và hệ thống. Mirroring được sử dụng để đề phòng trường hợp hỏng hóc đĩa còn duplexing được thiết kế để tránh các trường hợp sai hỏng bộ điều khiển đĩa.

    Phần lớn các nhà sản xuất máy PC sẽ nhờ đến một giải pháp sử dụng SCSI nhằm cung cấp hoặc là duplexing hoặc là Mirroring bằng cách sử dụng 4 ổ đĩa SCSI và hai bộ điều khiển SCSI. Tương tự như vậy, các hệ thống kém sức chịu đựng sử dụng kỹ thuật RAID, nhưng những giải phảp trên thường tốn kém và là độc quyền của một số nhà sản xuất. Giải pháp chuyển đổi sang sử dụng cổng đối ngẫu của E-IDE có thể cung cấp các chức năng tương đương với giá thành rẻ hơn rất nhiều so với các bộ điều khiển SCSI và tránh được sự độc quyền của các nhà sản xuất RAID.

    3.3. Tốc độ truyền

    Bằng cách khai thác hiệu quả giao tiếp VL- Bus hoặc PCI trong các máy PC đời mới, E-IDE có thể thành công trong việc truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn giới hạn 2-3 MB/giây của sự hợp tác giữa IDE và ISA. Ðể sử dụng được phần khe cắm mở rộng mà kiến trúc local bus cung cấp, một tập hợp các chế độ chuyển dữ liệu mới đã được cài đặt trong chuẩn E-IDE. Các chế độ đó cho phép máy PC có tốc độ truyền dữ liệu biến thiên từ 8-20 MB/giây, vì vậy E-IDE có khả năng đối sánh với các SCSI chất lượng cao về mặt tính năng.

    Các phương thức truyền theo chế độ nguyên bản 1 và 2 được định nghĩa trong chuẩn IDE vẫn được giữ nguyên trong E-IDE. Ðó là vào/ra bộ xử lý (PIO) và truy nhập bộ nhớ trực tiếp (DMA), mỗi phương thức cho phép thiết bị chuyển dữ liệu theo đường truyền 16 Bit. Dựa trên tính chất vật lý của đĩa cứng và chu trình thời gian, các chế độ đó có thể đạt được tốc độ truyền lớn nhất là 8.33 MB/giây.

    Với chế độ 3 mới, quá trình truyền dữ liệu từ card E-IDE tới thiết bị được quản lý bởi một bộ điều khiển ảo sử dụng công nghệ điều khiển tràn có dùng tín hiệu sẵn sàng của kênh vào/ra (IORDY). Chế độ đó định nghĩa một thiết bị vào/ra CPU có tốc độ truyền 120 ns (nano giây) và sử dụng phương thức truyền PIO. Như vậy tốc độ truyền sẽ phụ thuộc vào tốc độ bộ nhớ của máy tính (xem hình 3). Bộ nhớ của máy càng nhanh thì tốc độ truyền càng lớn và khả năng lớn nhất có thể đạt được là 11,11 MB/giây.

    Một điểm đáng chú ý là Seagate đã chọn để miêu tả các đĩa E-IDE của họ như là các thiết bị ATA nhanh. Các đặc tính kỹ thuật mà Seagate đưa ra bao gồm khả năng đặc biệt đọc và ghi nhiều khối, như vậy nó có thể nâng tốc độ của quá trình truyền dữ liệu tới 4 MB/giây khi ghép nối với một giao tiếp IDE chuẩn. Ngoài các khả năng bổ sung thiết bị do Seagate cung cấp có các tính năng hoàn toàn tương thích với chuẩn E-IDE.

    Vào thời điểm hiện đại, chế độ 3 cung cấp khả năng truyền dữ liệu nhanh nhất. Tuy nhiên chế độ 4 đã được phát triển và kiểm ngihệm và nó mang lại một tốc độ nhanh hơn (khoảng 16,7 MB/giây). Các nhà sản xuất đĩa cứng Conner và Seagate đã tung ra thị trường các sản phẩm tuân theo chế độ 4 và hy vọng nó sẽ được sử dụng rộng rãi trong quý 2 của năm nay.

    Cuối cùng, đó là chế độ 5, chế độ có khả năng tốc độ truyền dữ liệu tới 20 MB/giây, sách ngang với Fast Eide SCSI về mặt tính năng (xem hình 3). Các thông số kỹ thuật của chế độ 5 vẫn chưa hoàn thành nhưng các sản phẩm tuân theo chế độ 5 sẽ được đưa vào sử dụng trong cuối năm nay. Nguyên nhân mang lại tốc độ truyền cao là thiết kế và chất lượng của cáp giao tiếp. Dây cáp kiểu cũ tạo ra giới hạn về tốc độ truyền cho chế độ 5, do đó trong tương lai các nhà sản xuất PC có thể sẽ phải sử dụng một loại cáp mới.

    3.4. Chỉ số về ATAPI

    Như vậy, E-IDE đã có thể đối sánh một cách hiệu quả hơn so với SCSI hùng mạnh, việc hổ trợ các thiết bị khác đĩa cứng đã được đưa vào chuẩn. Giao diện gói ATA (ATAPI), hoàn thành vào năm 1994, định nghĩa một tập lệnh mới trong đó có yêu cầu đánh địa chỉ các thiết bị như CD-ROM và băng từ thông qua giao diện ATA.

    ổ đĩa CD-ROM sử dụng giao diện E-IDE hiện nay đã có bán trên thị trường và sau đó một thời gian sẽ có các ổ đọc băng từ tuân theo ATAPI. Ưu điểm của các thiết bị E-IDE là giá cả. Phần lớn các máy PC trên thị trường đang sử dụng ổ đĩa cứng IDE, vì vậy điều dễ hiểu là nên sử dụng ổ đĩa cứng IDE, vì vậy điều dễ hiểu là nên sử dụng cùng một kiểu giao tiếp hơn là cài đặt một card SCSI đắt tiền hoặc một card điều khiển độc quyền khác.

    Các ổ đĩa CD-ROM tuân theo ATAPI có thể sử dụng với bất kỳ card âm thanh nào để thể hiện một cách đầy đủ mức MPC2 về Multimedia. Một dây cáp tiếng chuẩn sẽ cung cấp đường tiếng từ ổ đĩa tới card âm thanh.

    3.5 "Cắm là chạy"

    Cuối cùng, ổ đĩa E-IDE cung cấp các thông tin bổ sung BIOS và các phần mềm điều khiển để cho phép phát hiện tự động các đặc tính của E-IDE mà không nhờ tới người sử dụng. Tính năng đó sẽ giúp ích rất nhiều cho các máy tính "Plug -and-Play" trong tương lai.

    Thực tế là một số máy PC cũ sẽ không tận dụng được hết các chức năng của E-IDE vì sự gượng ép khi làm việc với BIOS và Bus hệ thống. Phần lớn các máy PC sản xuất trong 2 năm trở lại đây có kiến trúc local - bus có thể sử dụng được E-IDE. Trong tương lại sắp tới, mọi đĩa cứng IDE cũ sẽ được thay thế bằng chuẩn E-IDE mới. Ðiều đó có nghĩa là thế hệ máy PC tiếp theo và có giá cả cạnh tranh.

    E-IDE mang lại cho người sử dụng khả năng lưu trữ lớn hơn và đã gỡ bỏ được cản trở thừa kế từ chuẩn IDE. Ðó là chính là điều mà thị trường cần khi mà các ứng dụng hiện nay bắt đầu làm cho người ta nhận ra giới hạn của hệ thống đĩa cứng.