Cesta do hlubin datového rozhraní - Od děrných štítků až po Serial ATA

Děrné štítky


Raději se posuneme o mnoho století let dál, tedy až do světa éry výpočetní

techniky. V této době se totiž objevuje potřeba uchovávat informace nejen

písemně na papíře, ale tak, aby s nimi mohl co nejpohodlněji pracovat i

počítač. Což podoba latinky ani azbuky či čínských znaků určitě nebude.



Nejprve se na scéně objevuje vynález nazvaný děrný štítek. Papírový děrný

štítek byl sice použit už mnohem dříve, než nastoupily počítače v roce 1801

jej, zřejmě poprvé, použil Joseph-Marie Jacquard pro řízení automatického

tkalcovského stavu ale to ještě nebylo úplně plnohodnotné médium, neboť stroj

pouze pracoval podle děrného štítku, který připravil manuálně člověk. Ovšem v

době počítačů už nastala jiná situace. I v České republice se děrné štítky

hojně využívaly, svědčí o tom i vydaná Československá státní norma (ČSN), která

předepsala jejich vlastnosti (např. rozměry na 187,4 × 82,5 × 0,18 mm). Data

byla zaznamenávána pomocí skutečné perforace papírových štítků v různých

částech. S tím, že štítek byl rozdělen do osmdesáti či devadesáti sloupců a

dvanácti řad. Data se ukládala nikoliv binárně, ale v systému písmen a číslic,

přičemž abeceda byla, na rozdíl od znakové sady např. Windows, silně

zredukována na základní písmena a znaky. Klasická kapacita děrného štítku se

počítala na 80 znaků, pro jednoduchost řekněme 80 bytů. Což nejprve

dostačovalo, ale později se objevilo i efektivnější kódování (160 znaků a

podobně).





Děrné pásky



Je zřejmé, že ani zvýšená hustota záznamu na děrném štítku nemohla dlouho

postačovat, zvlášť když programy a informace, které tvořily logické celky,

zabíraly mnoho děrných štítků a tak jeden program jste si mohli doslova nasypat

do krabice od bot. Ještě horší situace nastala, pokud se vám děrné štítky

pomíchaly. Mimochodem, nepřipomíná vám to instalaci Windows 95 z disket (s

jedinou výhodou, že diskety byly očíslované)? Z těchto logických důvodů

vývojáři navrhli děrné pásky. Došlo ke zvýšení přenosové rychlosti jak při

zápisu (děrování) na pásku, tak i při čtení perforovaného média. Data se

ukládala na pásek v sekvenčním děrování, přičemž se kódovala v systému sedmi až

devíti řad. U širších záznamů se používalo i kontroly správnosti dat pomocí

paritního bitu. V praxi se využívaly děrné pásky nejen u počítačů, ale

uplatnily se i například v oblasti telegrafů a dálnopisu. Nevýhodami však stále

zůstávalo snadné poškození papíru a nemožnost jej přepisovat, tedy použít

médium pro zápis vícenásobně.





Magnetické štítky a pásky



S objevem magnetických materiálů se situace u záznamových médií, která by

dokázala udržet informace i bez napájení, dosti změnila k lepšímu. Doposud

používané děrné štítky, vyrobené povětšinou z papíru, se vytrácejí a na jejich

místo přicházejí štítky vyrobené z plastů a pokryté magnetickým povrchem. Díky

němu se zvyšuje kapacita, teď už ne děrného, ale magnetického štítku

mnohonásobně. Dále získal štítek schopnost přepisu a také se zvýšila i rychlost

přístupu k datům na médiu bez rizika mechanického poškození, jak tomu bylo

dříve v případě štítků vyrobených z papíru.



Magnetické pásky pro změnu vytlačily nejprve papírové datové pásky a později i

děrné a magnetické štítky. Magnetické pásky se dokonce rozšířily natolik, že se

nezačaly používat jen u velkých sálových počítačů, ale pronikly i do

domácností. Známým příkladem jsou audiokazety, které se pro záznam hudby i

mluvených projevů používají dodnes. Ovšem audiokazety vhledem k své technické

vyspělosti (ve své době) dokázaly upoutat i výrobce domácích počítačů, a tak si

jistě i vy vzpomenete na zlaté časy osmibitových počítačů, jejichž nedílnou

součástí se staly více či méně obyčejné kazeťáky. Na úplně obyčejné kazety se

ukládaly (v audiopodobě) programy i data. Některé počítače, např. modely Atari,

využívaly k připojení kazetového magnetofonu, který musel být vybaven již AD a

DA převodníkem jiné, například kdysi velmi známé ZX Spectrum převáděly

audiosignál až ve svých útrobách.





Zálohovací páskové mechaniky



Poslední zmíněnou podobou magnetických pásek jsou pásky zálohovací; uplatňují

se převážně v rukách správců sítí, kteří je, s různým stupněm oblíbenosti,

využívají až do dnešních dní. Uznávány jsou především z důvodů vysoké kapacity

na jednu kazetu (pásku), která obsáhne řádově desítky GB, a také pro relativně

nízké riziko poškození uložených dat. Zálohovací mechaniky (streamery) zřejmě v

nejbližší době rozhodně nevymizí, ale z hlediska dlouhodobého vývoje lze

předpokládat, že nijak výrazně se s nimi počítat nebude. Na jejich místo

nastoupí nové technologie zálohování dat, které budou pro uživatele ještě

komfortnější než dosti pomalé páskové mechaniky.





Diskety



S objevem a rozvojem magnetických pásek začali vědci přemýšlet o dalších

vylepšeních, která by zrychlila přístup k informacím uloženým na médiu. Celkem

logicky následně došli k rotujícímu kotouči, pokrytém magnetickým povrchem. Pro

lepší adresaci celého povrchu je magnetický prostor rozdělen do logických částí

sektorů a případně clusterů, ke kterým je přístupová doba velmi podobná. Je to

hlavní rozdíl oproti pásce, kterou je třeba vždy převinout na patřičné místo, a

pak je ji teprve možno číst či na ni zapisovat.



První diskety (floppy disks) se vyráběly v rozměru 8 palců, později se objevila

zmenšená verze o velikosti 5,25". Tu již zažily i první počítače z řad PC.

Diskety dosahovaly nejprve kapacit cca 160 či 320 KB, a posléze v režimu

vyššího formátu (Double density a High density) až 720 KB a 1,2 MB. Časem se na

PC platformě vynořila i podoba disket o rozměrech 3,5", které nakonec předchozí

5,25" typ úplně vytlačily. Tři a půl palcové diskety jsou dnes sice médiem až

děsivě zastaralým, nicméně převážně z důvodu absence modernějšího média, které

by úlohu diskety převzalo nalezneme 3,5" disketovou mechaniku stále ještě v

každém PC. Je sice pravdou, že se na trhu objevily i modernější disketové

systémy (za všechny uveďme např. LS-120, jejíž datový prostor na jedno médium

dosáhl 120 MB), nicméně ani přesto se nijak výrazně nerozšířily.





První pevné disky



Ač se to možná bude zdát neuvěřitelné, první pevný disk spatřil světlo světa už

před celými 45 lety, kdy jej zabudovala do svého počítače společnost IBM. Měl

tehdy na svou dobu neuvěřitelnou kapacitu 5 MB a rozměrově se blížil více k

solidní ledničce než k dnešnímu miniaturnímu hard disku. Naštěstí pro nás

uživatele se vývoj nezastavil, a tak se už v osmdesátých letech můžeme setkat s

disky o kapacitě až 20 MB a rozměrem i hmotností, umožňujícími integraci do

vnitřku počítačové skříně.



Mezi první disky, které se podařilo vtěsnat do počítačů PC, tehdy ještě PC XT,

patřily výrobky společnosti Seagate, jež stála u zrodu diskového řadiče ST-506.

Systém, známý také pod označením MFM (Modified Frequency Modulation), využíval

pevných disků bez jakýchkoliv inteligentních obvodů, takže veškerou řídicí

činnost musela provádět přímo karta řadiče. Tento fakt zhoršoval kompatibilitu

výrobků od různých výrobců a dosti komplikoval uživatelům život.



Odstranit výše popsaný problém mělo rozhraní ESDI (Enhaced Small Device

Interface), jehož posláním, vyjma dalších vylepšení, bylo přenést řídicí obvody

přímo na konstrukci pevného disku a odlehčit práci řadiči v PC.





Nástup ATA



Jak je známo, boj a válka byly vždy motorem pokroku, a proto není ani příliš

překvapivé, že konkurenční zápas stál za zrodem nového, modernějšího diskového

standardu, jehož výhody smetly předchozí disková rozhraní do propadliště dějin.

U porodní kolébky specifikace ATA (Advanced Technology Attachment) stály v roce

1986 společnosti Western Digital a Compaq. A jak je vidět, jejich snaha

nepřišla vniveč, neboť rozhraní ATA i když ve velmi modifikované verzi je možné

vidět v PC dodnes.





Vývoj ATA



Klasické rozhraní ATA nabízí možnost pomocí 40pinového datového kabelu připojit

až dva IDE disky, přičemž platí, že jeden z nich musí být řídící (Master) a

druhý podřízený (Slave). Standard v té době nabízel teoretickou přenosovou

rychlost 8,33 MB/s a již podporoval známé režimy PIO (Programmed Input/Output)

a přenos dat s využitím DMA (Direct Memory Acces) přímého přístupu do paměti.



I přes velký přínos rozhraní ATA se vývoj nezastavil, a neuplynula příliš

dlouhá doba a rozhraní ATA2 už zaklepalo na dveře. Nemalou měrou k rozšíření

ATA2 přispěla i skutečnost, že v režimu ATA1 nedokázal počítač (standardně)

pracovat s disky většími než 512 MB. Na tuto neblahou dobu si jistě mnozí

uživatelé vzpomenou a ti, kteří museli dokonce využívat služeb ovladačů

umožňujících obejít nedostatky ATA1 (např. program OnTrack), si i nostalgicky

povzdechnou při vzpomínce na ony zašlé časy. Ještě se však vraťme k ATA2, které

umožnilo jak rychlejší režim přenosu dat (16,6 MB/s), tak i nový způsob

adresování LBA (Logical Block Addressing), právě díky němuž byla prolomena

hranice velkých disků.





ATAPI



Zřejmě pro úspěch ATA a ATA2 se začalo uvažovat o možnosti připojit na toto

rozhraní i jiná než disková zařízení. Výsledkem se stal standard ATAPI (ATA

Packet Interface), s jehož pomocí se dají připojit na 40pinový (ale i na

80pinový) datový kabel už nejen disky, ale i zařízení jako CD-ROM, CD-RW,

páskové i různé jiné mechaniky a produkty.





EIDE



Rozšířené IDE neboli Enhanced IDE, jednoduše psané jako EIDE, vyvinula ve svých

laboratořích společnost Western Digital a nasadila jej jako svůj strategický

tah oproti konkurenci. Ve své specifikaci přidala řadiči kanál navíc, takže se

poprvé v PC objevují dva datové kabely, oproti dřívějšímu jednomu. Každý z

kanálů, označovaných jako primární a sekundární, dokáže připojit dvě zařízení,

celkově tedy čtyři. Architektura rozdělení připojených mechanik či disků

zůstává stejná, stále funguje „switchování“, neboli nastavení pro Master/Slave

režim, jen s tím rozdílem, že při plném obsazení řadiče existují zařízení

označená Primary Master, Primary Slave, Secondary Master a Secondary Slave.





Ultra ATA



Po rozhraní ATA3, které definovalo pár nových vylepšení, např. technologii

S.M.A.R.T (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology), se objevil

poměrně důležitý a významný systém označený jako Ultra ATA/33. Vyvinula jej v

roce 1997 tehdy disková velmoc, společnost Quantum, a dodnes je toto rozhraní v

PC využíváno. Mezi jinými názvy, pod kterými je také známé, uveďme např. Ultra

DMA/33 nebo někdy i ATA4. Jak již sám název napovídá, zvyšuje Ultra ATA/33

propustnost sběrnice z dřívějších 16,6 MB/s na 33,3 MB/s. Není bez zajímavosti,

že snad všechny dnešní mechaniky CD-ROM a CD-RW pracují v režimu Ultra DMA/33.





ATA/66, ATA/100 a ATA/133



O rok později, tedy v roce 1998, společnost Quantum a několik dalších předních

velmocí, zabývajících se vývojem pevných disků, přijalo specifikaci dvojnásobně

rychlého rozhraní s názvem ATA/66. Je vidět, že historie se už úplně postarala

o odstranění označení ATA3, ATA4 anebo v tomto případě ATA5, a nastupuje tedy

pouze označení ATA/66. Pod ním se skrývá propustnost sběrnice 66 MB/s, a

samozřejmě i zpětná kompatibilita se staršími režimy přenosu. Přechod na ATA/66

pro uživatele znamenal nejen to, že režim musí podporovat jak pevný disk, tak

BIOS, ale navíc je poprvé potřebný 80žilový datový kabel, oproti předchozímu

40žilovému. To je způsobeno tím, že ke každému z předchozích 40 vodičů přibývá

samostatné zemnění, tak aby i při vysokých rychlostech přenosu nedocházelo k

chybám.



Logickým krokem k vyšším rychlostem byl počin v podobě zavedení standardu

ATA/100, který dovoluje zvýšit propustnost sběrnice až do 100 MB/s, a v

poslední době se již objevují první vlaštovky z řad disků umožňujících pracovat

v protokolu ATA/133, kde je výkon zcela analogicky zvýšen na 133 MB/s. U

posledně zmíněného rozhraní je zatím trochu potíž s malým zastoupení základních

desek, které by ATA/133 podporovaly, ale zatím lze předpokládat, že v příštím

roce se přeci jen tento standard masivněji rozšíří. V každém případě už dnes

lze s jistotou říci, že doba jeho vlády bude krátká, neboť systém Serial ATA už

klepe na dveře a s ním se počítá jako se standardem pro další budoucnost.





Další rozhraní



Ještě předtím, než prozradíme něco o nejmodernějším vyvíjeném rozhraní Serial

ATA, podívejme se krátce i po alternativních systémech, které byly anebo ještě

jsou pro připojování diskových i nediskových zařízení používány.





SCSI



Je rozhodně škoda, že velmi zajímavou sběrnici SCSI (Small Computer System

Interface) nemůžeme podrobněji popsat, ale je to z toho důvodu, že SCSI by si

zasloužilo místa na vlastní samostatný článek. Tudíž jen krátce: SCSI bylo

navrženo v roce 1986 a ihned v první verzi nabídlo uživateli možnost připojit

až osm zařízení na jeden řadič. Rychlost přenosu sice nebyla na dnešní dobu

nijak převratná, ale postupem času se vývojem jednotlivých SCSI modifikací

zvýšila až na dnešních (teoretických) 160 MB/s. Ze známých modifikací SCSI

uveďme např. SCSI 1–3, Ultra2 SCSI nebo dnešní Ultra 160 SCSI. Zajímavý je i

maximální počet zařízení, současné řadiče dokáží totiž „zaměstnat“ až 15

připojených disků.





FireWire



Dalším poměrně zajímavým rozhraním je bezesporu „ohnivý drát“, neboli FireWire.

U jeho zrodu stála společnost Apple, která jej vyvinula jako vysokorychlostní

sériové rozhraní. Jeho výhody jsou dosti značné. Hvězdicová struktura připojení

zařízení, schopnost připojovat či odpojovat zařízení za chodu (Hot Plug-In) a

rychlost přenosu dat nejprve 50 Mb/s, později 100 a dnes až 400 Mb/s. FireWire

je rozhraní známé také pod standardizovaným označením IEEE-1394, nebo pod

komerčním názvem společnosti Sony, iLink. Ostatně, zřejmě především díky Sony

se rozhraní FireWire dostalo tolik do povědomí uživatelů. V roce 1995 totiž

byla poprvé standardem IEEE-1394 osazena digitální kamera, vyrobená právě

zmíněnou japonskou společností. Dnes je FireWire uznáván především jako

jednoznačný standard připojení digitálních kamer k PC a pro přenos formátu DV,

kdy se používá přenosové rychlosti 100 Mb/s. Ovšem bylo by liché odsoudit

„ohnivý drát“ jen pro účely videa, na trhu naleznete pro tento dosti moderní

standard i plno jiných (převážně externích) zařízení. Např. skenery, externí

pevné disky, vypalovačky, CD-ROM mechaniky, DVD knihovny, čtečky paměťových

karet a podobně.





USB 1.x a 2.0



Specifikace univerzálního sériového rozhraní USB (Universal Serial Bus) pochází

z roku 1995, kdy jej ustanovila skupina výrobců hardwaru, v níž nechyběla jména

jako Intel, Compaq či Nec. I přes velkou podporu ze stran výrobců se USB

rozšířilo v praktickém užívání až dosti později. Dokonce lze říci, že teprve v

dnešních dnech se vlastnosti USB využívají naplno. Bohužel nízká průchodnost

sběrnice 12 Mb/s (asi 1,5 MB/s) zabraňuje širšímu využití jinak velmi zdařilého

systému. Vývoj nikdy nespí, a tak se v současnosti dostává na světlo

počítačového světa nová specifikace USB, verze 2.0. Ta nabízí rychlost 480 Mb/s

(přibližně 60 MB/s) a možnost vyššího napájecího zatížení. Z toho můžeme

předpovídat, že je jen otázkou krátkého času, než se masivně objeví externí

disky, vypalovačky a obdobné výrobky pro standard USB 2.0.





Budoucnost je v Serial ATA



Nacházíme se dnes v době velkých změn, a tak lze jen těžko říci, které rozhraní

se rozvine v budoucnu více, které méně a za jak dlouho přesto však jednu

jistotu máme. Budoucnost diskových rozhraní má jméno SATA, neboli sériové

vysokorychlostní rozhraní ATA. Skupina složená z veličin jako jsou Dell, IBM,

Intel, Maxtor a Seagate, spojila síly a začala v roce 1999 pracovat na

specifikaci nového rozhraní, které by nahradilo stávající paralelní rozhraní

ATA. Výsledkem se stalo SATA, tedy sériové ATA, jež má za úkol odstranit

současné nedostatky paralelního systému. Změny se nedotknou jen přímého

protokolu, ale i technického pozadí. Datový kabel už nebude plochý 40pinový s

80 žilami, ale pouze uzounký, navíc bude moci být až metr dlouhý, oproti

dřívějšímu, který mohl dorůstat maximálně 18palcové délky (cca 45 cm). Tím se

výrazně zjednoduší jak montáž počítačů, tak i přístup vzduchu, čímž se zlepší

tepelné podmínky v celém PC. Jednoduše řečeno, zlepší se proudění vzduchu ve

vnitřku počítače, takže nebude tak snadno docházet k přehřívání jednotlivých

komponent. Jinak budou vypadat i přípojky napájení, ale napětí zůstane na

stejné úrovni, takže při přechodu na SATA bude možné i na starých počítačích

využít jednoduché redukce. Ostatně zpětná kompatibilita celé SATA provází

takovým způsobem, že připojení starých zařízení (disků) na nové rozhraní by

také nemělo být, pomocí redukce, neřešitelné. Pro uživatele ale bude evidentně

nejzajímavější výkon. Propustnost sběrnice dosahuje v první verzi Serial ATA

150 MB/s, druhá verze, která přijde v budoucnu, bude pracovat rychlostí až 300

MB/s a zatím naposledy ohlášená, třetí revize, bude moci chrlit data až

neuvěřitelným výkonem 600 MB/s. Co říci závěrem snad jen, máme se na co těšit,

budoucnost patří Serial ATA.