ハードディスクドライブインターフェース

ハード ディスク ドライブには、パラレル ATA (PATA、IDE またはEIDEとも呼ばれ、SATA が導入される前は ATA と表記されていた)、シリアル ATA ( SATA)、SCSI、シリアル アタッチド SCSI (SAS)、ファイバー チャネルなど、さまざまな種類のバスを介してアクセスします。 ブリッジ回路は、ハード ディスク ドライブを、 IEEE 1394、USB、SCSI、NVMe、Thunderboltなど、ネイティブに通信できないバスに接続するために使用されることがあります。

ディスク ドライブ インターフェイスは、コンピューターに接続するために複雑なコントローラーを必要とする単純なインターフェイスから、ハード ディスク ドライブの内部テクノロジに関係なく、コンピューター システムに一貫したインターフェイスを提供する高レベルのインターフェイスへと進化しました。次の表は、一般的な HDD インターフェイスを時系列順に示しています。

最も初期のハードディスクドライブ (HDD) インターフェイスは、制御用とデータ用の 2 本のケーブルを使用して HDD をコントローラーに接続するビットシリアルデータインターフェイスでした。 ^[a]電源には追加のケーブルが使用され、当初は AC ケーブルがよく使用されていましたが、後には DC 電源ユニットに直接接続されるようになりました。コントローラーは、シリアル/パラレル変換、データ分離、トラックのフォーマットなどの重要な機能を提供し、信頼性を確保するために (フォーマット後に) ドライブと一致させる必要がありました。各制御ケーブルは 2 台以上のドライブに接続でき、専用の (より小型の) データケーブルは各ドライブに接続されました。

このような初期のインターフェースの例は次のとおりです。

• IBM 2311 [ ^1]などの初期のIBMドライブの多くにはこのようなインターフェースがありました。
• SMDインターフェースは1970 年代のミニコンピュータで人気がありました。
• ST-506 は、データ符号化方式としてMFM (修正周波数変調) を採用しました。
• ST-506 のバリエーションであるST412 は、MFM またはRLL (Run Length Limited) エンコーディング バリエーションのいずれかで利用できました。
• ESDI ( Enhanced Small Disk Interface ) は、プロセッサとディスク ドライブ間のより高いデータ レートをサポートする、ST412 に似た業界標準インターフェイスでした。

ビットシリアルデータインターフェースでは、データ周波数、ディスク表面に書き込まれるデータエンコード方式、エラー検出のすべてが、サポートするコントローラーの設計に影響を与えました。使用されるエンコード方式には、周波数変調(FM)、修正周波数変調(MFM)、およびRLL ^[2]エンコードがあり、周波数の範囲は、たとえば 0.156 MHz (2311 の FM) から 7.5 MHz (ST412 の RLL) まででした。したがって、内部技術が進歩するたびに、コントローラーがその進歩に対応するために設計または再設計されるため、必要な遅延が発生しました。これとコントローラー開発のコストが重なり、ワードシリアルインターフェースが導入されました。

拡張スモール ディスク インターフェイス(ESDI) は、標準データ エンコーディング スキームを使用して複数のデータ レートをサポートすることで、コントローラの設計時間を最小限に抑える試みでした。これは通常、ディスク ドライブとコントローラによって自動的にネゴシエートされますが、ほとんどの場合、15 メガビットまたは 20 メガビットの ESDI ディスク ドライブには下位互換性がありません (つまり、15 メガビットまたは 20 メガビットのディスク ドライブは 10 メガビットのコントローラでは動作しません)。ESDI ディスク ドライブには通常、トラックあたりのセクター数と (場合によっては) セクター サイズを設定するためのジャンパーもあります。

歴史的なワードシリアルインターフェースは、データと制御を組み合わせた 1 本のケーブルでハードディスクドライブをバスアダプター^[b]に接続します。(上記のすべての初期のインターフェースと同様に、各ドライブには追加の電源ケーブルもあり、通常は電源ユニットに直接接続されています。) これらのインターフェースの最も初期のバージョンでは、通常、ドライブとの間で 8 ビットのパラレルデータ転送が行われていましたが、16 ビットバージョンがはるかに一般的になり、32 ビットバージョンもあります。データ転送のワード特性により、ホストバスアダプターの設計は、前身の HDD コントローラーの設計よりも大幅に簡素化されています。

• CTL-I (コントローラ インタフェース) ^[3]は、1972 年に IBM が 3333 からメインフレーム ハード ディスク ドライブ用に導入した 8 ビット ワード シリアル インタフェースです。 ^[4] 3333 は、最大 8 台の3330 型ハード ディスク ドライブで構成される最初のユニットであり、CTL-I コントローラと 2 台の 3330 型ディスク ドライブで構成されていました。その後、ドライブ ストリング内の最初のドライブ (CTL-I コントローラを含む) は IBM によって A ユニットと指定されました。^{[5] A ユニット内のドライブとストリング内の他のすべてのドライブには、上記の初期のインタフェースと同様のインタフェースがありました。A ユニットは IBM} Directorまたは統合アタッチメント に接続されていました。
• Small Computer System Interface (SCSI) は、もともと Shugart Associates System Interface の頭文字をとって SASI と呼ばれていた、初期 (1978 年頃) の業界標準インターフェイスであり、システム統合の労力を最小限に抑えるために明示的に導入されました。 ^[6] SCSI ディスクは、サーバーとワークステーションの標準になりました。Commodore AmigaとApple Macintosh は1990 年代中頃まで SCSI ドライブを導入し、その時点でほとんどのモデルが ATA (後に SATA) ファミリのディスクに移行していました。2005 年になってようやく SCSI ディスクの容量は ATA ディスク技術に遅れをとりましたが、最高性能のディスクは今でも SCSI、SAS、およびファイバーチャネルでのみ利用可能です。データケーブルの範囲制限により、外付け SCSI デバイスを使用できます。元々、SCSI データケーブルはシングルエンド (コモンモード) データ伝送を使用していましたが、サーバークラスの SCSI は、低電圧差動(LVD) または高電圧差動(HVD) の差動伝送を使用できます。 (差動 SCSI の「低」電圧と「高」電圧は SCSI 標準に相対的なものであり、法定電気コードなどに適用される一般的な電気工学の文脈で使用される低電圧と高電圧の意味を満たしていません。一般的な用語では、LVD と HVD はどちらも低電圧信号 (それぞれ 3.3 V と 5 V) を使用します。)

• パラレル ATA は、元々はIDE でしたが、その後AT Attachment (ATA)という名前で標準化され、新しいバリエーションであるSerial ATAの導入時に遡って P-ATA または PATA という別名が追加されました。元の名前 (1986 年頃) は、コントローラとハード ドライブ自体の統合を反映していました (この統合は IDE では新しいものではなく、数年前に SCSI ドライブで実行されていました)。HDD コントローラをインターフェイス カードからディスク ドライブに移動したことで、ホスト/コントローラ インターフェイスが標準化され、ホスト デバイス ドライバのプログラミングの複雑さが軽減され、システムのコストと複雑さが軽減されました。40 ピン IDE/ATA 接続では、データ ケーブル上で一度に 16 ビットのデータが転送されます。データ ケーブルは元々 40 導体でしたが、後にハード ドライブとの間のデータ転送の高速化の要件により、 UDMAと呼ばれる「ウルトラ DMA」モードが生まれました。この規格の段階的に進化したバージョンでは、最終的に同じケーブルの 80 導体バリアントの要件が追加されました。このバリアントでは、導体の半分が、クロストークを低減して高速信号品質を向上させるために必要な接地を提供します。80 導体のインターフェイスには 39 ピンしかなく、不足しているピンは、互換性のないソケットにコネクタを誤って挿入するのを防ぐキーとして機能します。これは、ディスクとコントローラの損傷の一般的な原因です。

最新の2.5 ビット シリアル インターフェイスは、 1 本のデータ/制御ケーブルを使用して、ハード ディスク ドライブをホスト バス インターフェイス アダプタ (現在では PC では通常「サウス ブリッジ」に統合されています) に接続します。各ドライブには、通常は電源ユニットに直接接続される追加の電源ケーブルもあります。

• DEC のStandard Disk Interconnect (SDI) は、現代の 16 ビット シリアル インターフェイスの初期の例でした。
• ファイバー チャネル(FC) は、エンタープライズ市場におけるパラレル SCSI インターフェイスの後継です。シリアル プロトコルです。ディスク ドライブでは通常、ファイバー チャネル アービトレーテッド ループ(FC-AL) 接続トポロジが使用されます。FC は単なるディスク インターフェイスよりも幅広く使用され、ストレージ エリア ネットワーク(SAN)の基礎となっています。最近では、この分野でiSCSIやATA over Ethernetなどの他のプロトコルも開発されています。紛らわしいことに、ドライブでは通常、ファイバー チャネルに光ファイバーではなく銅のツイストペア ケーブルが使用されます。光ファイバーは、従来、サーバーやディスク アレイ コントローラーなどの大型デバイス用に予約されています。

• シリアル ATA (SATA)。SATA データ ケーブルには、 EIA-422と同様に、デバイスへのデータの差動送信用のデータ ペアが 1 つと、デバイスからの差動受信用のデータ ペアが 1 つあります。これにより、データをシリアルで送信する必要があります。同様の差動信号方式は、 RS485、 LocalTalk、 USB、 FireWire、差動SCSIでも使用されます。
• シリアル アタッチド SCSI (SAS)。SAS は、より高速なデータ転送を可能にするように設計されたデバイス用の新世代シリアル通信プロトコルで、SATA と互換性があります。SAS は、標準の 3.5 インチ SATA1/SATA2 HDD と機械的に同一のデータおよび電源コネクタを使用し、多くのサーバー向け SAS RAID コントローラも SATA ハード ドライブのアドレス指定が可能です。SA​​S は、従来の SCSI デバイスで使用されているパラレル方式ではなくシリアル通信を使用しますが、SCSI コマンドも使用します。

• コンピュータ歴史博物館の HDD ワーキング グループの Web サイト
• HDD トラックとゾーン
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