ATA/ATAPI

Was ist ATA/ATAPI?

ATA (AT Attachment) ist ein Standard für die parallele Datenübertragung zwischen Datenspeichern (z. B. Festplatten) und der Hardwareschnittstelle eines Computers. Der Namensbestandteil „AT“ verweist auf den Ursprung im Umfeld des IBM Personal Computer/AT. Entwickelt wurde die Schnittstelle anfangs proprietär als IDE (Integrated Drive Electronics) durch Western Digital; die spätere Normung erfolgte durch das technische Komitee T13 beim INCITS. Da die angeschlossenen Geräte einen eigenen Controller besitzen, kommunizieren sie mit dem Host über einen Host-Bus-Adapter auf der Hauptplatine oder einer Steckkarte. Zur Unterscheidung von der Nachfolgeentwicklung Serial ATA (SATA) wird paralleles ATA heute oft PATA genannt; IDE wird üblicherweise synonym zu ATA bzw. PATA benutzt. ATAPI (AT Attachment Packet Interface) erweitert das ATA-Protokoll so, dass gekapselte SCSI-Befehle übertragen werden können. Dadurch lassen sich neben Festplatten auch Wechselplatten-, optische und Bandlaufwerke anschließen. Das Packet Interface wird auch bei Serial ATA verwendet. Seit ATA/ATAPI-4 werden beide Protokolle in einem gemeinsamen Standard beschrieben. Zwei Geräte pro Anschluss sind möglich: Device 0 (umgangssprachlich Master) und Device 1 (Slave); Device 0 wird in der Regel am Kabelende angeschlossen. Die Zuordnung erfolgt meist über Jumper oder über Cable Select (CS), bei dem ein spezielles Kabel die Rollen vergibt. Der Begriff „AT“ steht offiziell für sich, um rechtliche Probleme mit IBM zu vermeiden; das T13-Komitee benutzt die Bezeichnungen Device 0 und Device 1, da beide Geräte technisch gleichwertig angesteuert werden.

Geschichte

1984 beauftragte Compaq Western Digital mit der Entwicklung eines Festplatten-Controllers. Anders als bei den Vorgängern mit ST506-Schnittstelle (Aufzeichnungsverfahren MFM oder RLL) und dem Enhanced Small Disk Interface (ESDI) sollte die Kommunikation über ein einziges 40-poliges Flachbandkabel erfolgen und ein größerer Teil der Controller-Elektronik auf dem Laufwerk selbst sitzen. Western Digital nannte diese Schnittstelle IDE. In Kooperation mit anderen Herstellern wurde sie als gemeinsamer Standard etabliert und 1989 als ATA-1 verabschiedet. Der letzte Entwurf des T13-Komitees für ATA-1 ist auf 1994 datiert, obwohl ATA-Geräte schon seit Mitte der 1980er-Jahre hergestellt wurden. Der Marketingname EIDE (Enhanced IDE) entspricht ATA-2 und wird als Oberbegriff für alle IDE-Verbesserungen verwendet.

Versionen des ATA-Standards

Werden zwei Geräte unterschiedlicher ATA-Versionen an einem Kabel betrieben, entscheidet bei älteren Host-Adaptern das langsamere Gerät über die Geschwindigkeit beider; modernere Adapter (seit ca. 1998) steuern jedes Gerät getrennt. Die wichtigsten Versionen im Überblick: ATA-1 (1989–1999, ANSI X3.221-1994): bis zu zwei Festplatten, bis 8,3 MB/s, asynchron, mit PIO-Modi 0–2 (3,3/5,2/8,3 MB/s), Single Word DMA 0–2 (2,1/4,2/8,3 MB/s) und Multi Word DMA 0 (4,2 MB/s). ATA-2 (1994–2001, ANSI X3.279-1996): synchrone Übertragung, bis 16,6 MB/s, neu sind Block Transfers und Logical Block Addressing (LBA); PIO 3 (11,1 MB/s), PIO 4 (16,6 MB/s), Multi Word DMA 1 (13,3 MB/s) und DMA 2 (16,6 MB/s); „Fast ATA“ umfasst ATA-2 mit PIO 3/DMA 1, „Fast ATA-2“ mit PIO 4/DMA 2. ATA-3 (1996–2002, ANSI X3.298-1997): neu sind S.M.A.R.T. und das Security Feature Set; Geschwindigkeit unverändert. ATA/ATAPI-4 (1997–2008, ANSI NCITS 317-1998): CD-ROM-Laufwerke und Brenner werden einbezogen; neu ist Ultra-DMA (UDMA) mit bis 33,3 MB/s (UDMA 0: 16,7, UDMA 1: 25,0, UDMA 2: 33,3 MB/s) sowie der Cyclic Redundancy Check; „Ultra ATA/33“ ist die verbreitete Kurzform; mit dem Host-Protected-Area-Feature (HPA) lässt sich ein geschützter Bereich auf der Platte anlegen. ATA/ATAPI-5 (seit 1999, ANSI NCITS 340-2000): UDMA 4 mit 66,6 MB/s („UDMA-66“, UDMA 3: 44,4 MB/s); benötigt ein 80-adriges Kabel, bei dem 41 zusätzliche Masseleitungen zwischen den Datenleitungen eine definierte Wellenimpedanz schaffen und Übersprechen verringern. ATA/ATAPI-6 (seit 2000, ANSI NCITS 361-2002): UDMA 5 mit 100 MB/s („ATA/100“); neu sind 48-Bit-Sektoradressen (LBA-48), die die maximale Kapazität von 128 GiB auf 128 PiB erhöhen, sowie Automatic Acoustic Management (AAM) und das Device Configuration Overlay (DCO), mit dem sich gemeldete Eigenschaften einer Platte beeinflussen lassen (abfragbar z. B. mit „sudo hdparm --dco-identify /dev/<Gerätename>“). ATA/ATAPI-7 (seit 2001, ANSI INCITS 397-2005): erstmals Trennung von paralleler und serieller Übertragung und gemeinsamem Befehlssatz; der bisherige Standard heißt retronym PATA, die serielle Version SATA; PATA-Modus UDMA 6 erreicht 133 MB/s („ATA/133“). ATA-8 (seit 2005, ANSI INCITS 452-2008): Fehlerbehebungen und Neustrukturierung in vier Dokumente (Architecture Model ATA8-AAM, Command Set ATA8-ACS, Parallel Transport ATA8-APT, Serial Transport ATA8-AST); ATA8-ACS wurde im September 2008 als ANSI-Standard veröffentlicht; neu sind SCT Commands zum Auslesen der Temperatur und ihres Verlaufs (Festplatten damit seit 2006). Danach erfolgt die Weiterentwicklung des Befehlssatzes als ACS-2 (seit 2008, ANSI INCITS 482-2012), ACS-3 (seit 2011), ACS-4 (seit 2014) und ACS-5 (seit 2021). ACS-2 führt „Device Statistics“ ein (Betriebsstunden, Resets, Lese-/Schreibvorgänge, Fehler, Temperatur), deren Bedeutung im Gegensatz zu S.M.A.R.T.-Attributen standardisiert ist. Alle Versionen bis ATA/ATAPI-4 sind abwärtskompatibel; maximale Datenraten steigen von 8,3 MB/s (ATA-1) über 33,3 (ATA-4), 66,6 (ATA-5) und 100 (ATA-6) bis 133 MB/s (ATA-7), die maximale Kapazität von 128 GiB (ATA-2 bis ATA-5) auf 128 PiB (ab ATA-6).

Adressierungsprobleme

Ältere ATA-Controller oder Systemsoftware können oft nur Festplatten bis zu einer bestimmten Kapazität ansprechen. Typische Grenzen sind 504 MiB, 8 GiB, 32 GiB und 128 GiB. Die 128-GiB-Grenze entsteht durch 28-Bit-LBA, mit dem maximal 2^28 Sektoren (128 GiB) adressierbar sind; Abhilfe schafft die Erweiterung auf 48-Bit-LBA. Die übrigen Grenzen beruhen auf der CHS-Adressierung (Aufteilung in Zylinder, Kopf und Sektor mit eigenen Grenzen je Wert); die CHS-Adressierung war schon beim ersten Standard von X3T10 obsolet, wird aber noch von manchen Bootmanagern und Partitionierungstools verwendet. Abhilfe schaffen moderne Hardware und Software, etwa BIOS-Updates; Adressierungsprobleme sind praktisch ein Problem der Vergangenheit. Zusätzlich begrenzt die Partitionstabelle des MBR klassische Laufwerke auf 2 TiB, weil die Sektorangaben in den Partitionseinträgen 32 Bit groß sind. Umgangen wird das durch die EFI-GUID Partition Table oder durch größere Datenblöcke: Bei 1024 bzw. 2048 Bytes Blockgröße steigt der adressierbare Bereich auf 4 bzw. 8 TiB, wobei die minimale Clustergröße auf 1024 bzw. 2048 Bytes steigt – kaum relevant, da Clustergrößen unter 4096 Bytes ohnehin selten verwendet werden.

Passwortschutz

Die meisten heute erhältlichen ATA- und Serial-ATA-Festplatten haben einen 32 Byte langen Passwortschutz mit General- und Nutzerschlüssel; ohne Passwort ist kein Datenzugriff möglich. Ein Programm mit Systemrechten kann ein Passwort setzen und so Daten unzugänglich machen. Das Security Feature Set wurde 1998 erstmals von IBM außerhalb von Notebooks eingesetzt und erreichte breite Anwendung, seit Seagate 3,5″-Festplatten für die Xbox lieferte. Festplatten können zudem das Setzen eines neuen Passworts verhindern („security freeze“); diese Funktion muss explizit aufgerufen werden. Manche BIOS-Varianten aktivieren Freeze und Passwort, wenn das BIOS selbst passwortgeschützt ist, sodass vor dem Betriebssystemstart keine Manipulation möglich ist; auch Betriebssysteme (bzw. bei älteren Systemen Zusatzprogramme) können die Platte abriegeln. Nach einem Schlafzustand ist die Festplatte beim Aufwachen wieder ungeschützt, da das BIOS nicht erneut aufgerufen wird – dann ist Schutz nur per Software im Betriebssystem möglich.

Stecker, Kabel und Sonderformen

Der ATA-Anschluss (ATA-40) ist eine 40-polige zweireihige Stiftleiste mit 2,54 mm Rastermaß. Wichtige Signale: Pin 1 RESET (setzt alle Laufwerke zurück), Pins 3–17 (ungerade) DD7..DD0 und Pins 18–4 (gerade) DD15..DD8 (16-Bit-Datenbus), Pin 20 KEYPIN (fehlt, um Verpolen zu verhindern; wird teilweise abweichend vom Standard zur Stromversorgung genutzt), Pins 21/29 DMARQ/DMACK (DMA-Steuersignale, optional), Pin 23 DIOW (Daten schreiben), Pin 25 DIOR (Daten lesen), Pin 27 IORDY, Pin 28 CABLE SELECT (bei sehr alten Festplatten SPINDLE SYNC), Pin 31 INTRQ (Interrupt-Anforderung), Pin 32 IOCS16, Pins 34/39 PDIAG/DASP (Rückmeldungen von Device 1), Pins 33–36 DA0..DA2 (Adressbus für interne Register) und Pins 37/38 CS1Fx/CS3Fx (Chip-Auswahl; Register liegen in der PC-Architektur ab I/O-Adresse 1F0h bzw. 3F0h). Bei korrekt verdrahtetem Flachkabel liegt Pin 1 auf der meist rot markierten Ader; Wannenstecker mit Mittelnut und eine entsprechende Nase der Buchsenleiste schließen Verpolung aus. Bei den 80-adrigen ATA-5-Kabeln haben die Stecker drei Farben: Blau (Controller/PC), Grau (Device 1/„Slave“), Schwarz (Device 0/„Master“). Beim Cable-Select-Verfahren ist die Signalleitung 28 nur zum schwarzen Stecker (Master) verbunden; beide Geräte müssen dazu auf „CS“ gejumpert sein, sonst werden Master/Slave manuell gejumpert (dann ist die Steckerposition egal). Beim Anschluss eines einzigen Geräts muss der mittlere Stecker frei bleiben, da ein unbelastetes Kabelende Signalreflexionen verursachen kann. Ab UDMA-66 (UDMA 4) erkennt der Hostadapter am Kabel (PDIAG getrennt, Kondensator gegen Masse am Hostadapter-Stecker), dass ein 80-adriges Kabel verwendet wird, und schaltet erst dann die schnelleren Modi ab 66 MB/s frei. Sonderformen: ATA-44 für 2,5″-Notebookfestplatten überträgt zusätzlich +5 V Versorgungsspannung (und bei optischen SlimLine-Laufwerken ATA-50 auch Audiosignale); die Zahl nennt die Anzahl der Steckkontakte. Bei ATA-44 ist der Pinabstand auf 2,00 mm verkleinert; Pin 41 liefert +5 V für die Logik, Pin 42 +5 V für den Motor, Pin 43 GND, Pin 44 TYPE. ATA ZIF ist eine Sonderform mit 40-poliger Buchse für 1,8″-Festplatten in Mediaplayern, UMPCs und einigen Notebooks. Daneben existieren Adapter, etwa um 2,5″-Notebookplatten an übliche Mainboards anzuschließen oder CompactFlash als IDE-Laufwerk zu betreiben.