Este artigo é sobre uma interface de comunicação anterior ao padrão SATA: O barramento IDE (Intelligent Drive Electronics ou Integrated Drive Electronics), chamado mais tarde de PATA.
O barramento IDE foi lançado em meados de 1986 (na época do Intel 386) e por alguns anos sofreu com a compatibilidade entre computadores. Somente em 12 de maio de 1994 o ANSI (American National Standards Institute), com o documento X3.221-1994/1990 criou as especificações com o nome de Advanced Technology Attachment (ATA). Mesmo com o novo nome, a sigla IDE já era popular na época. Em 2003, com o lançamento do padrão SATA (Serial Advanced Technology Attachment), a interface IDE foi renomeada para PATA (Parallel Advanced Technology Attachment), nome que também não vingou muito.
Com a interface PATA vieram algumas tecnologias, como por exemplo:
-> PIO (Programed I/O - Entrada e Saída Programada) que se tornou obsoleto com a criação do DMA (Direct Memory Access) e Bus Mastering;
-> Enhanced IDE (EIDE) para a conexão de até dois dispositivos no mesmo barramento;
-> ATAPI (Advanced Technology Attachment Packet Interface) para o reconhecimento de drives de mídia óptica.
Várias outras tecnologias serão detalhadas ou neste artigo ou no artigo sobre HDs e leitores de CD / DVD / BluRay. Todas estas tecnologias mencionadas serão detalhadas ao longo do texto.
O barramento IDE é transmite sinais em paralelo, isto é, possui várias trilhas para transferência de dados, além disso, um canal IDE é compartilhado com até 2 dispositivos.
Mesmo tendo taxas de transferências e clocks parecidos com os do barramento PCI, o barramento IDE possui largura de apenas 16 bits, contra os 32 bits do barramento PCI original.
O cabo IDE original possui 40 vias, sendo que após a especificação UDMA4 foram adicionados mais 40 fios de aterramento entre os outros fios de comunicação. Lembrando que, o conector sempre foi o mesmo de 40 pinos.
Veja abaixo uma foto do conector IDE:
Imagem 1 - Conector IDE de uma placa-mãe AsRock N68 VS3-FX
CURIOSIDADE: Como deve ter dado pra notar na Imagem 1, o conector PATA macho e fêmea é feito de plástico, mais especificamente LCP (Liquid Cristal Polymer) ou PPA (Poliftalamida), obtendo também a certificação de flamabilidade UL 94V-0.
Para saber mais sobre polímeros e o uso do LCP e do PPA, CLIQUE AQUI!
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Depois desta introdução, vamos ao resumo da padronização. Abaixo, você vê todas as revisões de especificações do padrão ATA desde a padronização feita pela ANSI:
Tabela 1 - Revisões / atualizações do padrão ATA
Agora, os modos de operação PIO, DMA e UDMA da interface IDE:
Tabela 2 - Modos de operação
Como você pode ver, os modos PIO e DMA tinham taxas de transferências muito baixas. Existem vários modos DMA e UDMA, sendo que cada um transfere uma quantidade de palavras durante cada sessão de transmissão. As taxas de transferência do modo DMA eram levemente diferentes do modo PIO, mas na tabela foram igualadas para facilitar a compreensão. Abaixo você verá as diferenças entre os modos e o que foi acrescentado em cada revisão de especificação ATA.
OBSERVAÇÃO: Não existe uma nomenclatura padrão para se referir a um HDD com modo DMA / UDMA. Por exemplo, uma unidade ATA-33 pode ser chamada de UDMA/33, assim como uma ATA-66 pode ser referida como UDMA/66.
Com base na Tabela 1 e na Tabela 2, vamos analisar a evolução da interface PATA.
Na primeiras revisões da interface IDE reinava o PIO (Programed I/O), que servia para controlar os envios e recebimento de dados através de comandos feitos pelo processador e trocados com o(s) dispositivo(s) conectado(s). Os dados recebidos do dispositivo conectado, um HD por exemplo, eram enviados para a memória RAM com o intermédio do processador, que precisava criar um processo para fazer as gravações, leituras e apagamentos na memória principal (RAM), e por este motivo que parte do processamento era comprometido pelo(s) processo(s) que ficava(m) em execução para que o(s) controlador(s) IDE pudesse(m) funcionar.
Como o circuito PIO era muito primitivo, não havia sistemas de codificação de dados, o que é comum nesses padrões de barramento paralelo. O controlador IDE possuía apenas a PIO engine, que traz consigo o protocolo para controlar os envios de dados e um Buffer, uma memória cache que servia para armazenar os bits enquanto outros já eram direcionados.
Com a evolução da tecnologia surgiu o UDMA (Ultra Direct Memory Access), uma evolução do DMA (Direct Memory Access - Acesso direto a memória). O DMA e UDMA acessavam a memória RAM sem intermédio da CPU e assim poupava-a de processos desnecessários. Isso aumentou o desempenho da interface IDE em relação ao PIO. Com isso, o buffer de memória cache passou ser do tipo FIFO (Firt In, First Out), que armazena os dados em fila (o primeiro dado a entrar é o primeiro a sair). O DMA e UDMA também possui uma Engine com o sistema que faz o controle das informações que passam pelo controlador, no entanto não há um codificador / decodificador.
Com o UDMA também veio o CRC, uma tecnologia que envia um número de verificação com a soma dos dados enviados para o receptor. No receptor os dados são recontados e se não baterem com a soma recebida, o receptor pede a mesma informação novamente com um clock mais baixo, ou seja, uma revisão UDMA mais antiga até que a informação recebida esteja correta.
Existem vários modos DMA e UDMA, sendo que cada um transfere uma quantidade de palavras durante cada sessão de transmissão. O clock é associado as sequências de dados transmitidos, portanto não há uma linha especial para o sinal de sincronismo, e o máximo atingido até hoje pelo padrão IDE é 33 MHz com o UDMA6.
A partir do Ultra DMA0 (de 16,6 MB/s) surgiu o ATAPI (ATA Packet Interface). O ATAPI foi desenvolvido pela Western Digital em 1986, supervisionado pelo Comitê Internacional para Padrões de Informação e Tecnologia e feito para que leitores de CD / DVD / Bluray conseguissem se comunicar com a placa-mãe sem precisar de outro padrão específico para mídias ópticas. O ATAPI não faz a identificação detalhada das mídias ópticas, apenas é uma extensão no UDMA com comandos específicos que faz com que o controlador IDE as reconheça como uma espécie de dispositivo de armazenamento, assim como um HD.
CURIOSIDADE: Caso queira saber mais sobre o funcionamento das mídias ópticas, comece CLICANDO AQUI!
Com a introdução do padrão UDMA2, a transferência passou a ser do tipo DDR (Double Rada Rate - Dupla Taxa de Transferência), pois na subida e na descida do sinal de clock é enviado um bit, o que proporcionou o dobro de taxa (de 16,6 MB/s para 33,3 MB/s) e, com o aumento do clock nas versões superiores do Ultra DMA, a taxa teórica de transmissão continuou dobrando. Observe o cálculo:
33 MHz . 16 bits . 2 / 8 = 133 MB/s é a taxa de transferência máxima sob um clock de 33 MHz numa conexão paralela de 16 trilhas, transferindo 2 bits por ciclo de clock em cada trilha.
Se você não sabe ou não lembra sobre bits e Bytes e clock, recomendo que leia os artigos:
Bits e Bytes: O que são? - CLIQUE AQUI!
O Clock e o PLL - CLIQUE AQUI!
A partir da versão UDMA4, para atingir taxas de transferências mais altas, foram adicionados 40 fios extras de aterramento entre os fios de dados para eliminar parte das interferências eletromagnéticas, já que todo o cabo com comprimento grande acaba funcionando como uma antena e absorvendo e gerando interferências. Se você leu o artigo sobre pares de cancelamento, já sabe que a transmissão serial ponto-a-ponto é melhor que um barramento paralelo. Caso não tenha lido, clique aqui!
Graças ao EIDE (Enhanced IDE), um canal PATA pode ser compartilhado com dois dispositivos trabalhando simultaneamente. Veja abaixo um cabo IDE com três conectores:
Imagem 2
A capacidade de reconhecer até dois dispositivos no mesmo canal é feito por três fios do cabo que são destinados a endereçar o controlador IDE e os dois dispositivos conectados através de jumpers nos HDs e Leitores ópticos. Veja a imagem abaixo:
Imagem 3
No HD há:
-> Um par de pinos que se forem interligados, o deixam como o "Mestre" (MA - Master) do barramento;
-> Outro par de pinos que se forem interligados deixam o dispositivo "Escravo" (SL - Slave);
-> Um terceiro par de pinos (CS - Cable Select) que se interligados deixam que o controlador IDE da placa-mãe decida quem será o Mestre e o Escravo.
-> O quarto par de pinos não é utilizado.
Em alguns HDs e drives ópticos, a não colocação de um jumper pode o tornar automaticamente o Mestre ou Escravo do canal IDE. Em outros casos, os demais pares de pinos ou até mesmo a combinação de dois jumpers limitam a capacidade de armazenamento (para os sistemas de endereçamento antigos que tem um limite de capacidade) e ou taxa de transferência e tecnologias do HD para manter a compatibilidade com controladores IDE mais antigos. O ideal é que, antes de instalar o HD ou drive óptico no canal IDE, ler a etiqueta que está fixada em cima do dispositivo. Nela está a informação do posicionamento dos jumpers nos pinos.
Veja abaixo a imagem da etiqueta de um HD IDE com a tabela de "jumpeamento":
Imagem 4
Veja agora os pinos deste mesmo HD com a etiqueta exibida acima:
Imagem 5
Acima, na imagem, você vê o conector IDE e os Pinos onde são conectados os jumpers. Ao lado dos pinos fica o conector de alimentação elétrica.
Dentre as várias e várias tecnologias especificadas ao longo das versões do ATA, estão:
Um dos maiores avanços foi o LBA, sigla para "Logical Block Addressing", que em português significa "endereçamento lógico de blocos", introduzido a partir da especificação ATA2. Esse sistema serve para aplicar endereços aos setores e cilindros formados pelos discos de cada unidade de armazenamento, permitindo que os discos rígidos ultrapassassem a marca dos 8 GB. O LBA é válido para HDDs com interface IDE, SATA, SAS e SCSI.
A tecnologia S.M.A.R.T, sigla para "Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology", ou em português "tecnologia de auto-monitoramento, análise e relatório", foi incluída na especificação ATA3 e serve para evitar falhas de hardware através de identificadores de confiabilidade da unidade de armazenamento.
Talvez uma das menos lembradas (e não tão relevantes) seja a tecnologia AAM (Automatic Acoustic Management), que surgiu na especificação ATA6 e é um método para reduzir ruído de funcionamento gerado pela parte mecânica dos HDs, especificamente o ruído gerado pelo braço de leitura, que tem sua velocidade de movimentação diminuída para que o posicionamento do cabeçote na superfície do disco fique mais suave e, consequentemente, gere menos barulho.
Caso queira se aprofundar no funcionamento dos HDDs, recomendo que comece CLICANDO AQUI!
O controlador ATA é um circuito com buffers de memória cache para a PIO Engine e para o DMA / Ultra DMA Engine. Veja o diagrama de blocos do controlador IDE abaixo:
Diagrama 1 - Controlador ATA
Veja abaixo a pinagem do conector IDE:
Tabela 3 - Pinagem do conector ATA
A utilidade de cada pino é dada abaixo:
-> DD0 a DD15: As 16 Trilhas para envio e recebimento de dados. Perceba que, no diagrama de blocos do controlador, tanto o buffer do PIO e o buffer FIFO do DMA / UDMA estão ligados a mesma entrada e saída de dados, Isso acontece pois deve se manter a compatibilidade entre o HDs mais antigos e os Drives Ópticos e HDs atuais. Ao conectar um HD muito antigo o modo DMA / Ultra DMA é desativado e o PIO ativado;
-> DMARK e D/MACK: Utilizado pelos dispositivos a serem conectados para que requisitem e reconheçam o sistema DMA / UDMA. São ligados ao DMA Engine no diagrama de blocos;
-> IORDY e /IOCS16: Usado para avisar os controladores do dispositivos e da placa mãe para iniciar a transmissão de dados e selecionar o chip controlador(/IOCS16) de dispositivos conectados (utilizado no modo PIO);
-> SPSYNC, RESET, INTRQ e /ACTIVE: Requisitar sincronismo, reinicialização de dispositivo conectado, efetuar interrupção de dispositivo via hardware e sinal para o LED da placa mãe que mostra o funcionamento do(s) dispositivo(s) conectado(s);
-> DA0, DA1, DA2, /IDE_CS0 e /IDE_CS1: Utilizado para aplicar endereço ao controlador da placa-mãe (DA0), ao dispositivo Mestre (DA1) e o Escravo (DA2) e selecionar o chip controlador do Mestre (/IDE_CS0) e do Escravo (IDE_CS1). Como todos os dispositivos e o controlador utilizam o mesmo caminho para enviar e receber dados eles necessitam de trilhas para enviar endereços e comandos de seleção de controlador para se comunicarem. Exceto os pinos de Seleção de Chip, os de endereços são utilizados até pelos modos PIO;
-> /DIOW e /DIOR: São utilizados para definir escrita e leitura de dados no dispositivo conectado selecionado;
-> PDIAG: É utilizado para diagnósticos e para a verificação do tipo de cabo, isto é, se ele é o comum de 40 fios com limite de até 44,4 MB/s, se ele é do padrão UDMA4 de 66,6 MB/s ou superior que utilizam o cabo de 80 vias com 40 fios de aterramento. Caso o cabo não seja UDMA4 ou superior, a transmissão é limitada a revisão UDMA3 ou inferior devido a interferências eletromagnéticas.
> Pino 20 e GND: o pino 20 é o marcador de posição de encaixe do cabo para que não haja a inversão do mesmo e possíveis danos aos circuitos. Os pinos GND são os aterramentos do cabo Flat (fita).
Em cabos de 80 vias, as 40 vias extras são interligadas nas extremidades do cabo para que apenas um contato extra faça a conexão com o circuito. Isso evitou o projeto de um novo conector. Abaixo você vê um cabo PATA de 40 vias e outro de 80 vias:
Imagem 6 - Cabo de 80 vias comparado com o cabo de 40 vias
CURIOSIDADE: O ideal é que cabos IDE jamais passem de 45 cm de comprimento, senão a perda de qualidade de transferência já será muito grande.
Como foi dito neste artigo, o UDMA trouxe o CRC. Perceba que no diagrama de blocos do controlador, na saída do buffer FIFO, há um gerador de soma de verificação.
Nos circuitos do UDMA e PIO há também um PLL para gerar o sincronismo entre os controladores.
CURIOSIDADE: Cabos flat PATA utilizam fios de numeração 30AWG ou valores próximos deste. Observe a imagem abaixo:
Imagem 7 - Os 80 fios do cabo PATA são de numeração 30AWG
Você verá no tópico seguinte que um cabo de 80 vias faz toda a diferença para o funcionamento correto de uma unidade ATA-66 ou superior!
Configurando um HDD IDE corretamente
Teoricamente, um HDD ATA-33 trabalha com uma taxa de transferência máxima de 33 MB/s, enquanto um drive ATA-66 trabalha com uma taxa de transferência máxima de 66 MB/s, e assim também vale pras outras versões. Mas para alcançar a taxa de transferência máxima do ATA-33, por exemplo, não basta simplesmente conectar o HDD ao computador. Muitas vezes, não se consegue obter nem mesmo uma taxa de transferência próxima da taxa máxima que o disco rígido consegue operar.
Imagem 8 - Captura de tela do software HD Tacg. Retirado do site Clube do Hardware
A imagem acima é a materialização de um PC com um HDD ATA-66, cuja taxa de transferência máxima obtida foi de apenas 8,2 MB/s, e mais de 90% de utilização do processador. Após a devida configuração do disco rígido no micro, a reviravolta:
Imagem 9 - Captura de tela do software HD Tacg. Retirado do site Clube do Hardware
OBSERVAÇÂO: Lembre-se que a taxa de transferência anunciada pelos fabricantes (66 MB/s, 100 MB/s, 133 MB/s e etc.) raramente é alcançada, e isso é possível notar já na captura acima, onde um disco rígido ATA-66 alcançou 46 MB/s. Mas muito melhor do que os 8,2 MB/s obtidos anteriormente.
É praticamente impossível alcançar a taxa de transferência máxima anunciada pelo fabricante do disco (100 MB/s em um disco ATA-100, por exemplo), já que este é um valor teórico. Em verdade, essa é a taxa máxima que a porta IDE consegue transferir dados, não a taxa máxima obtida pelo HDD. Em discos ATA-66 espere uma taxa de transferência na casa dos 40 MB/s e em discos ATA-133 algo na casa dos 60 MB/s.
Como já foi explicado, a transferência de dados entre o computador e o HDD pode ser feita usando dois métodos, isto é, PIO (Programmed I/O) ou UDMA (Ultra Direct Memory Access). No primeiro método, a CPU do PC comanda as transferências entre HDD e a memória RAM. Já no segundo método, é o chipset ponte sul da placa-mãe que comanda essas transferências. Isso significa que no modo UDMA o processador da máquina não é utilizado para transferir dados, o que aumenta significativamente o desempenho, já que a CPU ficará livre para fazer outras tarefas durante essas transferências.
Isso explica o motivo pelo qual na primeira captura mais de 90% do tempo do processador foi utilizando para transferir dados do disco rígido: o computador foi configurado para operar no modo PIO.
Na captura seguinte, a taxa de utilização do processador caiu para menos de 3% ao configurar o HDD para operar no modo UDMA (também chamado de bus mastering).
Como você pode ver, discos rígidos com taxas de transferências até 16,6 MB/s utilizam o modo PIO, enquanto que discos rígidos com taxas a partir de 25 MB/s utilizam o modo UDMA.
Todas as placas-mães suportam o modo PIO. Mas para poderem operar no modo UDMA alguns critérios devem ser levados em consideração:
-> A ponte sul deve ser compatível com o modo UDMA do disco rígido, caso contrário o acesso será com a taxa de transferência máxima suportada pelo chipset. Por exemplo, se você instalar um disco rígido ATA-100 em uma placa-mãe ATA-66, a taxa de transferência máxima será de 66 MB/s por causa da limitação do chipset.
Um bom exemplo é de um drive ATA-133 instalado em uma placa-mãe com chipset Intel da série 915 e 925. Isso significa que o disco rígido será acessado a no máximo 100 MB/s com esses chipsets, já que eles não suportam o padrão ATA-133, da mesma forma que se você instalar um disco rígido ATA-133 em uma placa-mãe antiga baseada no chipset Intel 815, ele será acessado a no máximo 66 MB/s, já que essa é a taxa de transferência máxima suportada pelo chipset.
-> Os drivers de bus matering devem estar habilitados no sistema operacional, já que os modos UDMA são programados através de software. O SO deve configurar o chipset para realizar as transferências, caso contrário, o HDD será acessado à apenas 16 MB/s, mesmo que haja uma unidade ATA-133 instalada no PC.
Esse era um problema para usuários que utilizavam os SOs Windows 95, 98 e ME, já que o bus mastering não vinha habilitado por padrão. Portanto, se simplesmente conectar o disco rígido ao micro, a lentidão será certeira. No Windows XP o bus mastering já vem habilitado, mas os fabricantes de chipsets recomendam a instalação dos seus drivers em vez dos drivers instalados pela Microsoft para que o desempenho máximo possa ser obtido.
Então, fazia-se necessário instalar dois drivers: o drive do chipset e o drive IDE (bus mastering). Algumas vezes esses drivers estão disponíveis no mesmo pacote de instalação, como é o caso dos drivers da VIA. Outras vezes era necessário fazer o download dos arquivos separadamente, como é o caso dos drivers da SiS. A Intel chama os drivers dos seus chipset de “Inf Update File”.
CURIOSIDADE: Também era possível comparar o desempenho do driver instalado pela Microsoft com o driver do fabricante do chipset, para verificar qual deles oferece maior desempenho. Para isso, bastava usar um programa tal qual o HD Tach e testar ambos os drivers.
-> Um cabo de 80 vias deve ser usado em discos rígidos ATA-66, ATA-100 e ATA-133, ou então o disco será acessado compulsóriamente a no máximo 33 MB/s.
No seguinte gráfico você pode ver exatamente o que ocorre se você usar um cabo de 40 vias ao invés de um cabo de 80 vias:
Gráfico 1 - O ruído entre as linhas causa a corrupção do sinal
Quando um cabo de 80 vias é utilizado, a diferença é grande e para melhor:
Gráfico 2 - Somente um cabo de 80 vias permite o uso do ATA-66 e versões superiores
Um simpels cabo poderia tornar seu PC uma tartaruga!
Em 2003 o padrão Serial ATA foi lançado e se iniciou um processo de introdução desta nova interface no mercado, o que tornou o padrão IDE obsoleto em poucos anos. CLIQUE AQUI e veja como a interface SATA trouxe mais tecnologia para os HDs e viabilizou os SSDs.
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CRÉDITOS e FONTES
Créditos: Texto, tabelas, diagramas e imagens: Leonardo Ritter; Clube do Hardware.
Fontes: Hardware.com; Clube do Hardwrae; ccm.net; InfoWester.
Última atualização: 03 de Março de 2025.