ATA/ATAPI

Der amerikanische Festplattenhersteller Western Digital wurde 1984 von Compaq beauftragt, einen Festplatten-Controller zu entwickeln. Im Gegensatz zu den ATA-Vorgängern mit ST506-Schnittstelle (mit den Aufzeichnungsverfahren MFM oder RLL) und dem Enhanced Small Disk Interface (ESDI) sollte die Kommunikation über ein einziges 40-poliges Flachbandkabel erfolgen und sich ein größerer Teil der Controller-Elektronik auf dem Peripheriegerät (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 für ATA bzw. heute PATA.

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

Cable Select durch unbestückte Schneidklemme

Cable Select durch unterbrochene Leitung im Flachkabel

Bei der ATA-Schnittstelle verfügen die angeschlossenen Geräte über einen eigenen Controller. Mit diesem eingebauten Controller kommunizieren sie mit dem Host über einen Host-Bus-Adapter auf der Hauptplatine oder einer Steckkarte. ATA-Geräte werden mit einem Flachbandkabel an die 40-polige[2] Schnittstelle des Hosts angeschlossen (ATA-40). Zwei Geräte pro Anschluss sind möglich, 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 über Jumper. Bei vielen Geräten gibt es auch die Möglichkeit des Cable Select (CS). Dazu müssen beide Geräte auf CS gestellt werden, wobei ein spezielles Anschlusskabel den Device-0- bzw. -1-Status vergibt.

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

Ein Adapter zum Anschließen von 2,5″-Notebookplatten an übliche Mainboards. Über das Kabel wird die Stromversorgung geführt; die Signalleitungen befinden sich im schwarzen Steckergehäuse.

Ein CompactFlash-IDE-Adapter

ATA 44: Für Notebooks gibt es Sonderformen der Schnittstelle, die zusätzlich die Versorgungsspannung (+5 V) und bei optischen Laufwerken auch Audiosignale übertragen. 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: Für 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 Geräte mit verschiedenen ATA-Versionen an dasselbe Kabel angeschlossen, entscheidet bei älteren Host-Adaptern das langsamere Gerät über die Geschwindigkeit beider Geräte. Modernere ATA-Host-Adapter (seit ca. 1998) können die Geschwindigkeit für jedes Gerät getrennt steuern, so dass langsame Geräte nicht mehr den gesamten Bus ausbremsen.

Ältere ATA-Controller bzw. ältere Systemsoftware können oft nur Festplatten bis zu einer bestimmten Kapazität ansprechen. Dadurch kann gegebenenfalls nur ein Teil der Festplattenkapazität 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. Dafür gibt es die Erweiterung auf 48-Bit-LBA, welche den Adressraum erheblich erweitert. Die anderen Grenzen werden durch die CHS-Adressierung begründet, also durch die Aufteilung in Zylinder, Kopf und Sektor – wobei hier für 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 für 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 beschränkt 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-Größe der Sektorangaben in den Partitionseinträgen verursacht.

Eine einfachere Möglichkeit, die 2-TiB-Grenze zu umgehen, ist es, die Größe der Datenblöcke auf 1024 Bytes oder 2048 Bytes zu erhöhen, was den adressierbaren Bereich auf 4 TiB bzw. 8 TiB vergrößert. Das erhöht jedoch auch die kleinstmögliche Clustergröße auf 1024 bzw. 2048 Bytes, was aber wenig relevant ist, da Clustergrößen unter 4096 Bytes ohnehin kaum verwendet werden.

Die meisten aktuell auf dem Markt verfügbaren ATA- und Serial-ATA-Festplatten verfügen über einen 32 Byte langen Passwortschutz mit General- und Nutzerschlüssel, 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 unzugänglich machen.

Das Security Feature Set ist von IBM 1998 erstmals außerhalb von Notebooks verwendet worden und erreichte breite Anwendung, seit Seagate 3,5″-Festplatten für 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 geschützt ist, sodass bereits vor dem Start des Betriebssystems unbeabsichtigtes oder böswilliges Ändern/Setzen eine Passworts unmöglich ist. Aber auch einige Betriebssysteme, bzw. bei älteren Betriebssystemen zusätzliche Dienstprogramme, können die Festplatte entsprechend abriegeln. Sollte der Computer jedoch in einen Schlafzustand versetzt werden, ist die Festplatte nach dem Aufwachen wieder ungeschützt, und da das BIOS beim Aufwachen nicht wieder aufgerufen wird, ist ein erneuter Passwort-Manipulationsschutz nur per Software-Lösung (im Betriebssystem) möglich.

Der ATA-Anschluss (ATA-40) ist eine 40-polige zweireihige Pinleiste[2], Rastermaß 2,54 mm (100MIL):

Wannenstecker am Laufwerk (Draufsicht auf die Stifte)

  39________––________1 ungerade Pin-Nummern
  |····················|
  |·········· ·········|
  40‾‾‾‾‾‾‾‾20(Key)‾‾‾2 gerade Pin-Nummern

Buchsenleiste am Kabel (Draufsicht, von vorn)

   1________––________39 ungerade Pin-Nummern
  |▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫|
  |▫▫▫▫▫▫▫▫▫▪▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫|
   2‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾40 gerade Pin-Nummern

Bei einem korrekt verdrahteten Flachkabel liegt Pin 1 auf der farblich (meist rot) gekennzeichneten Ader. Als zusätzliche Sicherheit ist die Buchse für 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 über zusätzliche Pins am ATA-Anschluss vorgenommen.

Bei den neueren 80-adrigen ATA-5-Kabeln haben die Stecker drei Farben:

Blau: Controller/PC
Grau: Slave (Device 1 / IDE 1)
-- 79 Adern: Master/Slave-Signalleitung 28 gekappt/unterbrochen
Schwarz: Master (Device 0 / IDE 0)

Das ist von Bedeutung für:

• 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 höhere Geschwindigkeit erst möglich macht. Die Stecker haben wie gewohnt 40[2] 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 höher frei. Beim Anschluss der ATA-Geräte 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 längerem unterstützen ATA-Kabel die Cable-Select-Adressierung und haben dazu Gerätestecker in Grau und Schwarz, an die die ATA-Geräte angeschlossen werden. Wird im Cable-Select-Verfahren adressiert, ist das Gerät am schwarzen Stecker automatisch Device 0 (Master) und das Gerät am grauen Stecker Device 1 (Slave). Dabei ist die Signalleitung 28 nur zum Master verbunden, jedoch nicht zum Slave. Um dieses Verfahren zu nutzen, müssen beide ATA-Geräte auf „CS“ gejumpert sein. Andernfalls ist das eine Gerät auf „Master“ zu jumpern und das andere auf „Slave“; bei manueller Jumperung ist es gleichgültig, welches am schwarzen und welches am grauen Stecker angeschlossen ist. Wird nur ein einziges ATA-Gerät an das Kabel angeschlossen, muss unbedingt der Stecker in der Mitte des Kabels freigelassen werden, da ein nicht belegtes Kabelende z. B. Störungen in Form von Signalreflexionen verursachen kann.

• CE-ATA
• CompactFlash – Minimal angepasste Variante von ATA für Speicherkarten
• Serial ATA

1. Serial ATA Work Group: Serial ATA: High Speed Serialized AT Attachment, Revision 1.0a, 7. Jan 2003
2. Durch den fehlenden Key-Pin hat die Schnittstelle genaugenommen nur 39 Pole.
3. Working Draft – X3T10, 791D, Revision 4c – AT Attachment Interface for Disk Drives (Memento vom 17. Juni 2016 im Internet Archive) (ATA 1)
4. Erst bei den 80-adrigen Kabeln hat sich das entsprechende Gegenstück, 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.

Commons: AT Attachment – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

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