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Integrated Drive Electronics

L' IDE, sigle de Integrated Drive Electronics, est un standard commercial d'interface de connexion pour mémoires de masses (disque dur, CDROM, DVD) en micro-informatique. Cette connexion s'appuie sur les standards ATA| et ATAPI.

Un câble IDE

Ce document présente l'interface IDE. Il n'est pas exhaustif et de nombreuses fonctions sont évoquées sans être détaillées. Néanmoins, les informations contenues dans ce document suffisent pour les opérations de base, d'ailleurs illustrées par du code.

Attention : ce document ne doit servir que d'introduction. Afin d'aller plus loin dans la connaissance d'ATA et d'ATAPI, il est préférable de consulter des documents de meilleure qualité, idéalement les spécifications officielles.

Présentation

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Les périphériques (disques, lecteurs de CD, etc.) sont reliés à la carte mère par une nappe souple comportant des connecteurs 40 points, parfois munis d'un détrompeur.

  • Ces connecteurs sont identiques pour le contrôleur et les périphériques, (voir illustration).
  • Les cartes mères sont souvent équipées de 2, voir 4 ports IDE. Demain, les nouvelles cartes mères n'en proposent généralement plus qu'un seul en raison du début de l'obsolescence de ce standard. Chaque port permet de brancher 2 périphériques : un en maître, un en esclave. Une carte mère disposant de 2 ports IDE permet donc de brancher 4 périphériques de stockage ; on parlera alors de maître primaire/secondaire et esclave primaire/secondaire.
  • La distinction maître/esclave permet simplement de séparer logiquement les unités de stockage qui sont elles connectées physiquement en parallèle sur le contrôleur, par contre l'exploitation de chacun d'eux est similaire.
  • Pour effectuer cette distinction M(aître) / S(lave) ou esclave en français, on positionne un cavalier sur le sélecteur incorporé au périphérique. Il existe aussi une position CS (Cable Select) qui permet (si on positionne les 2 périphériques en CS) de déterminer automatiquement lequel est maître et lequel est esclave, en fonction de la position sur le câble.

ATA et ATAPI

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La connexion IDE tire parti des protocoles ATA/ATAPI.
ATAPI (ATA with Packet Interface extension) est en fait une extension de ATA (AT Attachement). Ce dernier est le protocole utilisé par les disques durs IDE tandis qu'ATAPI est plutôt utilisé par les lecteurs et graveurs de CD-ROM et DVD-ROM ainsi que par quelques lecteurs de disquettes spéciales de type ZIP par exemple.

La principale différence entre les deux protocoles réside dans l'existence, dans ATAPI, de l'extension Packet Interface qui implémente le jeu d'instructions Packet. De plus, de nombreuses commandes ATA sont interdites si ce jeu d'instructions est présent.

Dans les sections suivantes, les commandes réservées à ATA ou à ATAPI seront indiquées. Les commandes communes aux deux protocoles ne porteront pas de mention spéciale.

Les différents standards

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Standard Autres dénominations Taux de transfert (Mo/s) Nouveautés Référence ANSI
ATA-1 ATA, IDE PIO 0,1,2: 3.3, 5.2, 8.3
Single-word DMA 0,1,2: 2.1, 4.2, 8.3
Multi-word DMA 0: 4.2		 Supporte jusqu'à 528 Mo X3.221-1994
(obsolète depuis 1999)
ATA-2 EIDE, Fast ATA, Fast IDE, Ultra ATA PIO 3,4: 11.1, 16.6
Multi-word DMA 1,2: 13.3, 16,6		 LBA (jusqu'à 8.4 Go) X3.279-1996
(obsolète depuis 2001)
ATA-3 EIDE " S.M.A.R.T., Sécurité X3.298-1997
(obsolète depuis 2002)
ATA-4 ATAPI-4, ATA/ATAPI-4 Ultra-DMA/33:
UDMA 0,1,2: 16.7, 25.0, 33.3		 jeu d'instructions Packet NCITS 317-1998
ATA-5 ATA/ATAPI-5 Ultra-DMA/66:
UDMA 3,4: 44.4, 66.7		 détecte 80 câbles NCITS 340-2000
ATA-6 ATA/ATAPI-6 Ultra-DMA/100:
UDMA 5: 100		 Automatic Acoustic Management NCITS 347-2001
ATA-7 ATA/ATAPI-7 Ultra-DMA/133:
UDMA 6: 133		 -- NCITS 361-2002
ATA-8 ATA/ATAPI-8 -- -- en projet

Jeu d'instructions Packet

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Ce jeu d'instructions constitue la principale différence entre ATA et ATAPI. Il implémente les deux commandes suivantes :

  • Obtention d'informations : une commande du même type existe dans le protocole ATA mais fournit des informations différentes. Ces deux commandes sont décrites plus bas.
  • Envoi d'une commande Packet : cette commande permet l'envoi de commandes Packet dans un format spécial par le biais du port de données. Ces commandes permettent d'envoyer plus d'informations que les commandes ATA normales. Cette commande est également décrite plus bas.

Ces commandes servent d'interface à un jeu d'instructions spéciales spécifiques au type de périphérique (CD-ROM, CD-R/RW, DVD…). Ces commandes ne sont pas définies par le protocole ATAPI.

Dans le cas des CD-ROM et des DVD, ces commandes sont définies par le T10 (Technical Committee T10, dépendant de NCITS (National Committee for Information and Technology Standards) chargé de SCSI) dans les MMC (Multimedia Commands 1, 2 et 3 actuellement).
Note : Ces commandes étaient, pour les CD-ROM, définies dans le document SFF-8020i, maintenant obsolète.

Tout système digne de ce nom doit impérativement supporter un protocole soit par le biais d'un pilote ou bien sûr, serait plus simple d'utiliser le BIOS qui fournit déjà des fonctions d'accès aux disques durs (interruption 13h) mais ces fonctions sont limitées, lentes, et parfois boguées. Se baser sur le BIOS ne permet donc pas d'avoir un système fiable sans compter qu'en mode protégé, cela est impossible. C'est pourquoi il faut réécrire les routines d'accès aux disques pour avoir un pilote satisfaisant.

Quelques-unes des commandes de base sont décrites dans ce document.

Ports et commandes

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Récapitulatif

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Voici un récapitulatif des ports utilisés par le protocole IDE.

(Voir plus bas la signification de X et Y)
Adresse Description
1F0 + X Registres de commande du 1er contrôleur
3F0 + Y Registres de contrôle du 1er contrôleur
170 + X Registres de commande du 2e contrôleur
370 + Y Registres de contrôle du 2e contrôleur
F0 + X Registres de commande du 3e contrôleur
2F0 + Y Registres de contrôle du 3e contrôleur
70 + X Registres de commande du 4e contrôleur
270 + Y Registres de contrôle du 4e contrôleur
Lecture des commandes (entrée)
X Signification
0 Données
1 Registre d'erreur
2 Nombre de secteurs
3 Secteur
4 Cylindre inférieur
5 Cylindre supérieur
6 Lecteur et tête
7 État
Écriture des commandes (sortie)
X Signification
0 Données
1 Précompensation d'écriture
2 Nombre de secteurs
3 Secteur
4 Cylindre inférieur
5 Cylindre supérieur
6 Lecteur et tête
7 Commande
Lecture des contrôles (entrée)
Y Signification
6 État du disque dur
7 Registre d'adresses
Écriture des contrôles (sortie)
Y Signification
6 Registre de contrôle

Détails des ports

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70h, F0h, 170h, 1F0h - Données, E/S, 16 bits

Ce port permet de transférer les données en lecture et en écriture.
Le transfert se fait par mots (16 bits).

71h, F1h, 171h, 1F1h - Registre des erreurs, Entrée, 8 bits

Ce registre contient le code d'erreur de la dernière opération exécutée. Après la commande diagnostic, il contient le résultat de cette commande.

Signification lorsque le bit d'erreur du registre d'état est défini
Bit Valeur Signification
7 1 Mauvais secteur détecté
6 1 Données non corrigibles
5 1 Changement de support (uniquement pour les supports amovibles)
4 1 Secteur ou adresse non trouvée, une requête sur un emplacement inexistant a été demandée
3 1 Demande de modification de support (uniquement pour les supports amovibles)
2 1 Commande interrompue
1 1 Piste 0 non trouvée, erreur pendant le recalibrage
0 1 Secteur trouvé mais impossible d'y accéder, le secteur est probablement endommagé
Signification après la commande diagnostic (lecteur 0 (maître) sélectionné)
Valeur Lecteur 0 (Maître) Lecteur 1 (Esclave)
1 Pas d'erreur Pas d'erreur
2
3
4
5 		Erreur Pas d'erreur
0x81 Pas d'erreur Erreur
0x82
0x83
0x84
0x85 		Erreur Erreur

Lors de l'exécution de la commande diagnostic, le maître est sélectionné. Pour obtenir l'état du lecteur esclave, il faut, après le diagnostic, sélectionner l'esclave puis relire ce port :

Signification après la commande diagnostic (lecteur 1 (esclave) sélectionné)
Valeur Lecteur 1 (Esclave)
1 Pas d'erreur
2
3
4
5 		Erreur

71h, F1h, 171h, 1F1h - Précompensation d'écriture, Sortie, 8 bits

Ce port est présent uniquement pour des raisons de compatibilité avec les anciens disques mais les contrôleurs IDE l'utilisent souvent pour des fonctions spécifiques selon les commandes.

72h, F2h, 172h, 1F2h - Nombre de secteurs, E/S, 8 bits

Ce registre contient le nombre de secteurs à lire ou à écrire, 0 signifiant en réalité 256. À la fin de l'opération de lecture ou d'écriture, il contient le nombre de secteurs restants (0 signifie que la commande a totalement aboutie). Il est parfois utilisé à d'autres fins par d'autres commandes.

73h, F3h, 173h, 1F3h - Secteur, E/S, 8 bits

Ce registre contient le numéro du 1er secteur concerné par chaque opération d'accès. Il peut également contenir les bits 0 à 7 de l'adresse LBA (voir la section correspondante)
Lorsqu'une opération est terminée, ce registre contient le numéro du dernier secteur affecté par l'opération.

74h, F4h, 174h, 1F4h - Cylindre inférieur, E/S, 8 bits

Ce registre contient les 8 bits de poids faibles du numéro de cylindre pour l'opération. Il peut également contenir les bits 8 à 15 de l'adresse LBA.
Une fois l'opération achevée, il contient les 8 bits de poids faibles du dernier cylindre affecté.

75h, F5h, 175h, 1F5h - Cylindre supérieur, E/S, 8 bits

Ce registre contient les 8 bits de poids forts du numéro de cylindre pour l'opération. Certains contrôleurs n'utilisent que les 2 bits de poids faibles de ce registre. Il est donc préférable de ne pas utiliser les autres. Il peut également contenir les bits 16 à 23 de l'adresse LBA (et dans ce cas, tout le registre est utilisé).
Une fois l'opération achevée, il contient les 8 bits de poids forts du dernier cylindre affecté.

76h, F6h, 176h, 1F6h - Lecteur et tête, E/S, 8 bits

Ce registre contient le lecteur sélectionné (bit 4, 0 = maître, 1 = esclave) ainsi que le numéro de la tête (bits 0 à 3) pour l'opération. Les bits 0 à 3 peuvent également contenir les bits 24 à 27 de l'adresse LBA.
Les bits 5 et 7 doivent être positionné à 1 tandis que le bit 6 indique le mode d'adressage (0 = CHS, 1 = LBA)

77h, F7h, 177h, 1F7h - État, Entrée, 8 bits

Ce registre contient l'état du contrôleur. Sa lecture provoque l'effacement de toute interruption en instance et constitue une confirmation tacite de celle-ci.

Bit Valeur Signification
7 0 Contrôleur non occupé
1 Contrôleur occupé
6 0 Lecteur sélectionné non prêt
1 Lecteur prêt à répondre à une commande du contrôleur
5 0 Pas d'erreur d'écriture sur le lecteur sélectionné
1 Erreur d'écriture
4 0 Recherche en cours
1 Recherche terminée, les têtes sont à la position demandée et prêtes à lire ou écrire
3 0 Le contrôleur n'est pas en attente d'un transfert par le port de données
1 Le contrôleur est prêt à recevoir ou envoyer des mots (2 octets) sur le port de données
2 0 Les données lues ne contenaient pas d'erreur qui ait pu être corrigée
1 Les données lues contenaient des erreurs qui ont pu être réparées par le disque
1   Ce bit n'est pas utilisé sur les lecteurs récents
0 0 Pas d'erreur dans la commande précédente
1 Erreur dans la commande précédente. La nature de l'erreur est indiquée dans le registre d'erreur

77h, F7h, 177h, 1F7h - Commande, Sortie, 8 bits

C'est par ce port que sont envoyées les commandes. L'envoi d'une commande se fait en dernier, après avoir indiqué tous les paramètres nécessaires dans les autres ports.
Les commandes principales sont détaillées plus bas.

276h, 2F6h, 376h, 3F6h - État, Entrée, 8 bits

Ce registre est identique au registre d'état 77h, F7h, 177h, 1F7h mais n'influe pas sur les interruptions en cours.

276h, 2F6h, 376h, 3F6h - Registre de contrôle, Sortie, 8 bits

Ce registre contrôle l'initialisation du contrôleur.

Bit Valeur Signification
7
6
5
4 		  Inutilisés
3 Lecteur de 1 à 8 têtes
Lecteur de plus de 8 têtes
2 Fonctionnement normal
1 Initialisation
1 0 Autorise les requêtes d'interruption (IRQ 14 pour le 1e contrôleur, IRQ 15 pour le second, IRQ 11 pour le 3e et IRQ 10 pour le dernier)
1 Désactive la requête d'interruption
0   Inutilisé

Pour initialiser le contrôleur, il faut positionner le bit 2 à 1 pendant 4.8 microsecondes ou plus puis le vider.

277h, 2F7h, 377h, 3F7h - Registre d'adresses, Entrée, 8 bits

Ce port fournit des informations sur la tête et le lecteur sélectionné mais est assez peu utilisé car il n'est pas supporté par tous les contrôleurs et est de plus partagé avec le contrôleur de disquettes.

Principales commandes

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Le registre de commande peut, comme son nom l'indique, recevoir des commandes, lorsque, toutefois, l'état du contrôleur, indiquer par le registre d'état, le lui permet.

Voici un bref descriptif des plus importantes :

00h - Aucune opération

N'effectue aucune opération mais positionne le bit 2 du registre d'erreur (commande interrompue).

10h à 1F - Recalibrer

Cette commande initialise le lecteur en positionnant la tête de lecture sur le cylindre 0. Cette commande tient compte de la valeur de la tête et du lecteur. Les autres registres sont ignorés.

20h - Lire plusieurs secteurs, réessayer en cas d'erreur

Cette commande permet de lire plusieurs secteurs. Si une erreur de données survient, le contrôleur recommence pour tenter d'obtenir des données valides. Le nombre de tentatives dépend du constructeur.
En cas de réussite, les données peuvent être lues depuis le registre de données. Une interruption est déclenchée au transfert de chaque secteur.

Commande interdite si le jeu de commandes Packet est présent.

21h - Lire plusieurs secteurs, une seule tentative

Cette commande est identique à la précédente mais, en cas d'erreur, le contrôleur n'effectue pas de nouvelles tentatives.
En cas de réussite, les données peuvent être lues depuis le registre de données. Une interruption est déclenchée au transfert de chaque secteur.

Commande interdite si le jeu de commandes Packet est présent.

30h - Écrire plusieurs secteurs, réessayer en cas d'erreur

Cette commande permet d'écrire plusieurs secteurs. Si une erreur de données survient, le contrôleur recommence. Le nombre de tentatives dépend du constructeur.
En cas de réussite, les données peuvent être écrites depuis le registre de données. Une interruption est déclenchée au transfert de chaque secteur.

Commande interdite si le jeu de commandes Packet est présent.

31h - Écrire plusieurs secteurs, une seule tentative

Cette commande est identique à la précédente mais, en cas d'erreur, le contrôleur n'effectue pas de nouvelles tentatives.
En cas de réussite, les données peuvent être écrites depuis le registre de données. Une interruption est déclenchée au transfert de chaque secteur.

Commande interdite si le jeu de commandes Packet est présent.

70h à 7Fh - Recherche

Cette commande recherche l'emplacement indiqué par les informations CHS ou LBA, puis y positionne la tête de lecture. Les commandes nécessitant l'accès à un point du disque, comme la lecture ou l'écriture, effectue implicitement cette recherche. Cette fonction ne doit donc pas nécessairement être appelée avant les autres commandes.

Commande interdite si le jeu de commandes Packet est présent.

90h - Diagnostic

Cette commande effectue un diagnostic. Le lecteur 0 doit être sélectionné mais le diagnostic s'applique aux 2 lecteurs.

ECh - Obtenir les informations sur le disque

Cette commande renvoie 256 mots, c'est-à-dire un secteur, par le registre de données contenant différentes informations sur le lecteur sélectionné. Voici les quelques-une de ces informations. Pour plus de détails, reportez-vous aux spécifications officielles.


Indice Taille Signification
2h mot Nombre total de cylindres logiques ou 16383 si le double-mot à l'indice 78h dépasse 16515072
6h mot Nombre total de têtes logiques ou 16 si le double-mot à l'indice 78h dépasse 16515072
Ch mot Nombre total de secteurs logiques par piste logique ou 63 si le double-mot à l'indice 78h dépasse 16515072
14h 10 mots Numéro de série
36h 20 mots Modèle
78h double-mot Nombre total de secteurs adressables en mode LBA
A0h mot Numéro majeur de révision des spécifications ATA
A2h mot Numéro mineur de révision des spécifications ATA

Commande interdite si le jeu de commandes Packet est présent.

A1h - Obtenir les informations sur le disque (Jeu d'instructions Packet)

Cette commande est similaire à la commande précédente mais est réservée au jeu d'instructions Packet. Les informations renvoyées sont toutefois différentes. Pour une description complète, reportez-vous aux spécifications officielles.


Indice Taille Signification
14h 10 mots Numéro de série
36h 20 mots Modèle
A0h mot Numéro majeur de révision des spécifications ATA
A2h mot Numéro mineur de révision des spécifications ATA

Commande interdite si le jeu de commandes Packet est absent.

A0h - Envoyer une commande Packet

Cette commande permet d'envoyer une commande Packet au contrôleur.

Voici comment utiliser cette commande :

Lancer la commande

Features (0x1f1, 0x171, 0xf1, 0x71) 0
Sector Count (0x1f2, 0x172, 0xf2, 0x72) 0
Sector Number (0x1f3, 0x173, 0xf3, 0x73) 0
Byte Low (0x1f4, 0x174, 0xf4, 0x74) (1)
Byte High (0x1f5, 0x175, 0xf5, 0x75) (1)
Head and Disk (0x1f6, 0x176, 0xf6, 0x76) (2)
Command (0x1f7, 0x177, 0xf7, 0x77) 0xa0
(1) Ces deux registres contiennent le nombre maximum d'octet qui vont être transférés (ex. 4096 : Byte High = 0x10 ; Byte Low = 0)
(2) Ce registre s'utilise comme pour toutes les commandes.

Lorsque le contrôleur est prêt à recevoir la commande, Status & 0x8 == 8 (DRQ bit - Data ReQuest) et Interrupt Reason (Sector Count) & 0x7 == 1 (REL=0; I/O=0 ; C/D=1). Le paquet de commande peut alors être envoyé par le port de données (0x1f0, 0x170, 0xf0, 0x70).

Lorsque le contrôleur est prêt à envoyer ou recevoir des données (dans le cas d'une commande nécessitant un transfert), Status & 0x8 == 8 (DRQ bit - Data ReQuest) et Interrupt Reason (Sector Count) & 0x7 == 0 (REL=0; I/O=0 ; C/D=0) si le contrôleur reçoit, ou Status & 0x8 == 8 (DRQ bit - Data ReQuest) et Interrupt Reason (Sector Count) & 0x7 == 2 (REL=0; I/O=1 ; C/D=0) si le contrôleur envoie.

Enfin, Interrupt Reason (Sector Count) & 0x7 == 3 (REL=0; I/O=1 ; C/D=1) pour indiquer que la commande est terminée (avec ou sans erreur). Dans le cas d'une erreur, le registre d'erreur contient dans ses 4 bits de poids forts le numéro Sense Key de l'erreur. L'erreur complète peut être connue grâce à la commande Request Sense (non traitée dans ce document).

Commande interdite si le jeu de commandes Packet est absent.

Quelques opérations courantes

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Connecteur ATA sur une carte mère

Dans cette section, tous les codes sont écrits en assembleur AT&T (par exemple GNU Assembly compiler). Ils sont susceptibles de contenir quelques erreurs car ils n'ont pas été testés tels qu'ils sont présentés ici (puisqu'ils ne sont pas complets). Par ailleurs, les méthodes présentées ne sont pas nécessairement les seules ou les meilleures méthodes existantes. Ils sont fournis à titre d'exemples. Les difficultés présentées ci-après sont principalement dûes au manque d'uniformité des matériels qui ne respectent pas toujours à la lettre les spécifications ATA/ATAPI, avec pour résultat des comportements qui peuvent varier dans certains cas (comme lorsqu'un disque est absent par exemple).

Détecter les contrôleurs

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Pour savoir si un contrôleur est présent, il faut tester ces ports. Sur certains systèmes, un port non attribué renverra toujours 0xff. Malheureusement, un port attribué peut aussi renvoyer 0xff et sur certains systèmes, la valeur est aléatoire. Vérifier cette valeur n'est donc pas un moyen sûr de détecter la présence d'un contrôleur.

Une autre méthode est de modifier la valeur d'un port en lecture/écriture et de vérifier ensuite que la modification a été effectuée.

Le registre de lecteur et de tête est en entrée/sortie. Aussi, il peut être utilisé pour cette opération :

  • Lecture du disque actuellement sélectionné :
movw $PORT_HEAD_AND_DISK, %dx // 0x1f6, 0x176, 0xf6 ou 0x76 selon le contrôleur testé
inb %dx, %al
movb %al, %bl
andb $0x10, %bl
shrb $4, %bl

BL contient maintenant 0 (Maître) ou 1 (Esclave)

  • Sélection de l'autre disque :
cmpb $0, %bl
jz setslave
jmp setmaster
setmaster:
andb $0xef, %al
jmp set
setslave:
orb $0x10, %al
set:
outb %al, %dx
  • Relecture du disque actuellement sélectionné :
inb %dx, %al
andb $0x10, %al
shrb $4, %al

AL contient maintenant 0 (Maître) ou 1 (Esclave)

  • Comparaison : avant (BL) et maintenant (AL) :
cmpb %bl, %al
jz no_adapter
jmp adapter_found
no_adapter: // contrôleur absent
// ...
adapter_found: // contrôleur présent
// ...

Détecter les disques

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La détection des disques installés sur un contrôleur est plus délicate.
Une méthode est d'envoyer une commande au disque et d'attendre. Si la réponse tarde trop, on suppose que le disque testé n'existe pas. Cette méthode n'est sûre que si l'attente est suffisamment grande. Il faut faire attention à la commande que l'on choisit. En effet, selon que l'on veut détecter uniquement les disques ATA, ATAPI ou les deux, il faut choisir la commande qui corresponde. En choisissant la commande 0xec et en attendant que le contrôleur soit prêt à recevoir des données, les disques ATAPI répondront mais ne seront jamais prêts pour un transfert. Le programme déduira donc que le disque n'existe pas.

En fait, avec cette méthode, il faut bien choisir la commande à envoyer et le résultat qu'on en attend. 

    movw $PORT_HEAD_AND_DISK, %dx // 0x1f6, 0x176, 0xf6 ou 0x76
    movb $HEAD_AND_DISK, %al // 0xa0 pour tester le maître, 0xb0 pour l'esclave
    outb %al, %dx
    movw $PORT_COMMAND, %dx // 0x1f7, 0x177, 0xf7 ou 0x77
    movb $COMMAND, %al // Commande à utiliser (on pourra utiliser par exemple la commande 0xec,
         // ce qui permet du même coup de lire les informations du disque s'il est présent,
         // dans ce cas, il ne faut pas oublier d'ajouter le code nécessaire à la récupération de ces informations)
    outb %al, %dx

    movl $TIMEOUT, %ecx // Nombre de tentatives de lecture de l'état du contrôleur
    movw $PORT_STAT, %dx // 0x1f7, 0x177, 0xf7, 0x77
detect_disk_loop:
    inb %dx, %al
    andb $0xfe, %al // Contrôleur et disque
    cmpb $0x50, %al // prêts ?
    je disque_present
    loop detect_disk_loop
disque_absent:
    // ...
disque_present:
    // ...

Une autre méthode, plus simple à mettre en œuvre et plus rapide, mais moins sûre, est de tenter de détecter les protocoles utilisés par les disques. Cette méthode est moins efficace car si un contrôleur n'existe pas, les valeurs que les ports peuvent retourner dépendent des machines et peuvent être totalement aléatoires, et donc, pourquoi pas, correspondre aux valeurs du standard sans qu'aucun disque ne soit présent.
De même, si un contrôleur existe mais n'est branché qu'à un seul disque, les valeurs seront les mêmes quel que soit le disque sélectionné, comme s'il y avait deux disques.

On peut éventuellement combiner les deux en commençant par la deuxième méthode puis, pour les disques détectés, en vérifiant avec la première. Dans la plupart des cas, le disque existe vraiment et cette vérification est donc assez rapide.

Obtenir quelques informations sur un disque

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La commande 0xec permet d'obtenir des informations sur le disque ATA sélectionné. Cette commande n'a besoin que d'une information : le disque sélectionné. En retour, elle envoie 256 mots (double-octets) sur le registre de données (0x1f0, 0x170, 0xf0 ou 0x70).
Pour les disques ATAPI, il faut utiliser la commande 0xa1 et ne pas oublier que les valeurs retournées n'ont pas toutes la même signification. 

    movw $PORT_HEAD_AND_DISK, %dx // 0x1f6, 0x176, 0xf6 ou 0x76
    movb $HEAD_AND_DISK, %al // 0xa0 ou 0xb0
    outb %al, %dx
    movw $PORT_COMMAND, %dx // 0x1f7, 0x177, 0xf7 ou 0x77
    movb $0xec, %al // ou 0xa1 pour les disques ATAPI
    outb %al, %dx

    movl $TIMEOUT, %ecx // Nombre de tentatives de lecture de l'état du contrôleur
    movw $PORT_STAT, %dx // 0x1f7, 0x177, 0xf7, 0x77
wait_loop:
    inb %dx, %al
    andb $0xd8, %al // Contrôleur et disque
    cmpb $0x58, %al // prêts à transférer ?
    je transf""
    loop wait_loop
timeout: // Le disque n'est pas prêt

transf: // effectuer le transfert
    movl $OFFSET_BUFFER, %edi
    movw $SEGMENT_BUFFER, %es
    movl 0x100, %ecx
    movw $PORT_DATA, %dx // 0x1f0, 0x170, 0xf0 ou 0x70
    rep insw

Il ne reste plus ici qu'à interpréter les valeurs lues.

Initialiser un contrôleur

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Pour initialiser un contrôleur, il faut utiliser le registre de contrôle (0x3f6, 0x376, 0x2f6 ou 0x276 en écriture seule).
Il faut en effet positionner le bit 2 (le 3e bit en partant de la droite) pendant 4.8 microsecondes ou plus, puis le vider.
La procédure n'a donc rien de complexe en soi mais l'attente doit être programmée selon le système d'exploitation utilisé (et donc les fonctions d'API disponibles).

Lire

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Depuis un disque ATA

La lecture fonctionne de la même manière que la lecture d'informations concernant le disque (voir plus haut) mais n'utilise pas les mêmes paramètres d'entrée. Voici ceux concernant la lecture :

0x1f2, 0x172, 0xf2 ou 0x72 Nombre de secteurs à lire
0x1f3, 0x173, 0xf3 ou 0x73 Numéro de secteur du 1e secteur à transférer
0x1f4, 0x174, 0xf4 ou 0x74 Octet inférieur du numéro de cylindre du 1e secteur à transférer
0x1f5, 0x175, 0xf5 ou 0x75 Octet supérieur du numéro de cylindre du 1e secteur à transférer
0x1f6, 0x176, 0xf6 ou 0x76 Disque et numéro de tête du 1e secteur à transférer
Numéro de commande 0x20

En sortie, le disque envoie sur le port de donnée n*256 mots où n est le nombre de secteur à lire.

Depuis un disque ATAPI

Il faut utiliser la commande Packet suivante :
Octet 1. 0xA8
Octet 2. 0
Octets 3-6. Adresse LBA du 1e secteur à lire
Octets 7-10. Nombre de secteurs.
Octet 11. 0
Octet 12. 0

Le contrôleur renvoie les données lues ((2048 * nombre de secteurs) octets).

Note : L'adresse est le nombre de secteur est indiqué avec la norme Big endian :
Octet 3 = (lba >> 24) & 0xff;
Octet 4 = (lba >> 16) & 0xff;
Octet 5 = (lba >> 8) & 0xff;
Octet 6 = lba & 0xff;
Octet 7 = (count >> 24) & 0xff;
Octet 8 = (count >> 16) & 0xff;
Octet 9 = (count >> 8) & 0xff;
Octet 10 = count & 0xff;

Écrire

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Vers un disque ATA

L'écriture se passe exactement de la même manière que la lecture si ce n'est que la commande est 0x30 et que les données ne sont pas transférées du disque à la mémoire mais de la mémoire au disque.

Vers un disque ATAPI

Dans le cas d'un CD-ROM, cette commande ne peut être utilisée que pour un graveur.

Prise en charge des erreurs

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Une bonne prise en charge des erreurs est également un point important pour un pilote fonctionnel.

Pour cela, il faut lire le port d'erreur (0x1f1, 0x171, 0xf1 ou 0x71) après chaque commande. Le contenu de ce port est décrit plus haut. La documentation officielle est plus exhaustive sur ce port, dont la valeur peut parfois dépendre de la dernière commande.

Pour les commandes Packet, il faut utiliser la commande (Packet) Request Sense pour connaître la valeur de la dernière erreur (non traitée dans cet article).

Détecter le protocole

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Les disques ATA et ATAPI fonctionnant différemment, il est important de pourvoir détecter le protocole utilisé par un disque. Cela se réalise de la manière suivante :

  1. En premier lieu, il faut initialiser le contrôleur
  2. Ensuite, il faut sélectionner le disque dont on veut connaître le protocole
  3. Puis il faut lire les registres Sector Count et Sector Number
  4. Si ces registres valent tous les deux 1, il faut lire les registres Cylinder Low et Cylinder High.
  5. Si ces registres valent tous les deux 0, le disque est ATA, si ces registres valent respectivement 0x14 et 0xeb, le disque est ATAPI

Après avoir obtenu le protocole d'un disque, on peut sélectionner l'autre disque pour en déterminer le protocole sans avoir à réinitialiser (tant que les valeurs n'ont pas été modifiées).

Attention, toutefois, si un seul disque se trouve sur un contrôleur, les valeurs pour le disque qui n'existe pas peuvent être erronées en fonction des architectures. Cette méthode ne permet donc pas de détecter un disque.

Déterminer la capacité

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Dans le cas d'un disque dur ATA, cette donnée, fixe, est fournie par l'instruction Identify Device (ECh) sous la forme du nombre de secteurs adressables en mode LBA ou, dans le cas d'un disque ne supportant pas ce mode, de la structure CHS logique du disque.

Au contraire, dans le cas d'un lecteur de CD-ROM ATAPI, dont le média est amovible, la capacité varie selon le média actuellement dans le lecteur. Il existe donc une commande Packet Read Capacity qui donne le numéro logique du dernier bloc de données. Cette commande n'indique pas la capacité totale du CD, mais la quantité de données pressées (CD-ROM) ou gravées (CD-R/RW).

Voici la structure de cette commande :

0 Code opération : 25h
1 0h
2 0h
3 0h
4 0h
5 0h
6 0h
7 0h
8 0h
9 0h
10 0h
11 0h

La commande renvoie 8 octets de réponse :

0

Most Significant Byte
Adresse LBA du dernier
secteur adressable
Least Significant Byte

1
2
3
4

Most Significant Byte
Nombre d'octets dans un
secteur (normalement 2048)
Least Significant Byte

5
6
7

Interdire ou autoriser le retrait d'un média

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ATAPI

Cette opération se réalise grâce à la commande Prevent Allow Medium Removal définie dans les SPC-2 (SCSI Primary Commands).

La structure de cette commande est la suivante :

0 Code opération : 1eh
1 0h
2 0h
3 0h
4 0h pour autoriser et 3h pour interdire
5 0h
6 0h
7 0h
8 0h
9 0h
10 0h
11 0h

Cette commande n'envoie pas de réponse.

Fonctions plus avancées

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LBA - Logical Block Address

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Présentation

Le mode CHS permet d'adresser un secteur du disque en indiquant son numéro de secteur, le numéro du cylindre où il se trouve ainsi que le numéro de la tête. Malheureusement, ce mode ne permet d'adresser que 1024 cylindres, 63 secteurs et 256 têtes soit 1024*63*256*512=8455716864 octets soit un peu moins de 8 Go, ce qui est peu de nos jours (quoique certains disques supportent des adresses CHS supérieures à cette limite).
Au contraire, le mode LBA utilise une adresse logique sur 28 bits : le 1e secteur a l'adresse 0, le 63e l'adresse 62, le 1e secteur du 2e cylindre l'adresse 63 (s’il y a 63 secteurs par cylindres) et ainsi de suite. Le mode LBA permet donc d'adresser 2^28*512=137438953472 octets soit 128 Go.

Utilisation, différences par rapport au mode CHS

L'utilisation du mode LBA n'est pas beaucoup plus compliquée que le mode CHS, les différences peuvent être résumées de la manière suivante :

Registre Mode CHS Mode LBA
Registre de lecteur et tête, bit 6 0 1
Numéro de secteur Numéro du secteur Bits 0 à 7 de l'adresse LBA
Numéro de cylindre, octet de poids faible Numéro de cylindre, octet de poids faible Bits 8 à 15 de l'adresse LBA
Numéro de cylindre, octet de poids fort Numéro de cylindre, octet de poids fort Bits 16 à 23 de l'adresse LBA
Registre de lecteur et tête, bits 0 à 3 Numéro de tête Bits 24 à 27 de l'adresse LBA

Pour le reste, tout est identique.

Conversion d'une adresse CHS en adresse LBA et inversement

adresse logique = (numéro de secteur - 1) + (numéro de tête * nombre de secteurs par cylindre) + (numéro de cylindre * nombre de secteurs par cylindre * nombre de têtes)

secteur CHS = entier(1 + reste de (adresse logique / nombre de secteurs par pistes))
tête CHS = entier(reste de ((adresse logique / nombre de secteurs par pistes) / nombre de têtes))
piste CHS = entier(adresse logique / (nombre de secteurs par cylindre * nombre de faces))

Considérons lba l'adresse logique, c le cylindre, h la tête, s le secteur, H le nombre de têtes et S le nombre de secteurs par cylindre, voici les mêmes formules dans une syntaxe de style C (types entiers) :

lba = (s - 1) + (h * S) + (c * S * H);
s = 1 + (lba% S);
h = (lba / S)% H;
c = lba / (S * H);

Conclusion

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Les informations contenues dans ce document sont directement inspirées des spécifications officielles, mais sont très simplifiées. La section sources et références bibliographiques vous permettra d'approfondir votre connaissance des standard ATA/ATAPI.

Sources et références bibliographiques

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  • Programmation d'ATA/ATAPI
    • PC Programmation Système, Franck van Gilluwe, CampusPress, 1999, ISBN 2-7440-0559-2, traduit de l'américain The Undocumented PC, Second Edition
    • IDE - Hardware Reference & Information Document, Alex T. Ivopol, mailto:ivopola@emco.co.nz, 1994
    • ATA-ATAPI.com, un site entièrement dédié à ce standard par l'un des membres du T13 qui les conçoit : http://www.ata-atapi.com
  • Codes sources
  • LBA
  • Standards
    • T13 Technical Committee, responsable de la gestion du standard ATA/ATAPI. Les spécifications officielles sont disponibles sur le site : http://www.t13.org
    • T10 Technical Committee, responsable de la gestion du standard SCSI mais également des MMC (MultiMedia Commands, il s'agit en fait des jeux de commandes Packet pour CD-ROM). Les spécifications officielles sont disponibles sur le site ftp : ftp://ftp.t10.org, et notamment dans le répertoire /t10/drafts/. Le site est : http://www.t10.org

Évolution du standard

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Depuis 2003, le standard d'interface de connexion des mémoires de masse évolue peu à peu de l'IDE vers le Serial ATA aussi appelé S-ATA ou SATA.

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