В cicle "Introducció a SSD" hem parlat de la història de l'aparició dels discos. La segona part parlarà de les interfícies per interactuar amb les unitats.
La comunicació entre el processador i els perifèrics es produeix segons convencions predefinides anomenades interfícies. Aquests acords regulen el nivell físic i de programari d'interacció.
Interfície: un conjunt de mitjans, mètodes i regles d'interacció entre elements del sistema.
La implementació física d'una interfície afecta els paràmetres següents:
- rendiment del canal de comunicació;
- el nombre màxim de dispositius connectats simultàniament;
- el nombre d'errors que es produeixen.
Les interfícies de disc estan construïdes Ports d'E/S, que és el contrari de l'E/S de memòria i no ocupa espai a l'espai d'adreces del processador.
Ports paral·lel i sèrie
Segons el mètode d'intercanvi de dades, els ports d'E/S es divideixen en dos tipus:
- paral·lel;
- consistent.
Com el seu nom indica, el port paral·lel envia una paraula màquina alhora, que consta de diversos bits. Un port paral·lel és la manera més fàcil d'intercanviar dades, ja que no requereix solucions de circuits complexes. En el cas més senzill, cada bit de la paraula màquina s'envia a la seva pròpia línia de senyal i s'utilitzen dues línies de senyal de servei per a la retroalimentació: Dades a punt и Dades acceptades.
Els ports paral·lels, a primera vista, s'escalen bé: més línies de senyal: es transmeten més bits alhora i, per tant, un major rendiment. No obstant això, a causa de l'augment del nombre de línies de senyal, es produeixen interferències entre elles, provocant una distorsió dels missatges transmesos.
Els ports sèrie són el contrari dels paral·lels. Les dades s'envien un bit a la vegada, la qual cosa redueix el nombre total de línies de senyal, però complica el controlador d'E/S. El controlador transmissor rep la paraula màquina alhora i ha de transmetre un bit alhora, i el controlador receptor al seu torn ha de rebre els bits i emmagatzemar-los en el mateix ordre.
Un nombre reduït de línies de senyal us permet augmentar la freqüència de transmissió del missatge sense interferències.
SCSI
Small Computer Systems Interface (SCSI) va aparèixer el 1978 i va ser dissenyat originalment per combinar dispositius de diversos perfils en un sol sistema. L'especificació SCSI-1 proporciona la connexió de fins a 8 dispositius (juntament amb el controlador), com ara:
- escàners;
- unitats de cinta (streamers);
- unitats òptiques;
- unitats de disc i altres dispositius.
SCSI es va anomenar originalment Shugart Associates System Interface (SASI), però el comitè d'estàndards no va aprovar un nom després de l'empresa, i després d'un dia de pluja d'idees, va néixer el nom Small Computer Systems Interface (SCSI). El "Pare" de SCSI, Larry Boucher, pretenia que l'acrònim es pronunciés "sexy", però llegiu "sсuzzy" ("explicar"). Posteriorment, la pronunciació de "tell" va quedar fermament arrelada en aquesta norma.
En terminologia SCSI, els dispositius connectats es divideixen en dos tipus:
- iniciadors;
- dispositius objectiu.
L'iniciador envia una ordre al dispositiu de destinació, que després envia una resposta a l'iniciador. Els iniciadors i els objectius estan connectats a un bus SCSI comú, que té una amplada de banda de 1 MB/s a l'estàndard SCSI-5.
La topologia de "bus comú" utilitzada imposa una sèrie de restriccions:
- als extrems de l'autobús, es necessiten dispositius especials: terminadors;
- l'amplada de banda del bus es comparteix entre tots els dispositius;
- El nombre màxim de dispositius connectats simultàniament és limitat.
Els dispositius del bus s'identifiquen mitjançant un número únic anomenat ID de destinació SCSI. Cada unitat SCSI del sistema està representada per almenys un dispositiu lògic, al qual s'adreça un número únic dins del dispositiu físic. Número d'unitat lògica (LUN).
Les ordres en SCSI s'envien en el formulari blocs de descripció d'ordres (Bloc descriptor de comandaments, CDB), que consta d'un codi d'operació i paràmetres d'ordre. L'estàndard descriu més de 200 ordres, dividides en quatre categories:
- obligatori — ha de ser compatible amb el dispositiu;
- Opcional - es pot implementar;
- Específic del venedor - utilitzat per un fabricant específic;
- Obsolet - ordres obsoletes.
Entre les moltes ordres, només tres d'elles són obligatòries per als dispositius:
- UNITAT DE PROVA LLESTA — Comprovació de la disponibilitat del dispositiu;
- DEMANAR SENTIT — sol·licita el codi d'error de l'ordre anterior;
- MISSATGE — sol·licitar les principals característiques del dispositiu.
Després de rebre i processar l'ordre, el dispositiu de destinació envia un codi d'estat a l'iniciador, que descriu el resultat de l'execució.
Una millora addicional de SCSI (especificacions SCSI-2 i Ultra SCSI) va ampliar la llista d'ordres utilitzades i va augmentar el nombre de dispositius connectats fins a 16, i la taxa d'intercanvi de dades al bus fins a 640 MB/s. Com que SCSI és una interfície paral·lela, l'augment de la freqüència d'intercanvi de dades es va associar amb una disminució de la longitud màxima del cable i va provocar inconvenients en l'ús.
Començant amb l'estàndard Ultra-3 SCSI, ha aparegut el suport per a la connexió en calent: connectar dispositius quan l'alimentació està encès.
El primer SSD SCSI conegut va ser l'M-Systems FFD-350, llançat el 1995. El disc tenia un cost elevat i no va ser molt utilitzat.
Actualment, l'SCSI paral·lel no és una interfície de disc popular, però el conjunt d'ordres encara s'utilitza activament a les interfícies USB i SAS.
ATA/PATA
interfície ATA (Advanced Technology Attachment), també conegut com POTA (Parallel ATA) va ser desenvolupat per Western Digital el 1986. El nom comercial de l'estàndard IDE (Eng. Integrated Drive Electronics - "electrònica integrada a la unitat") emfatitzava una innovació important: el controlador de la unitat estava integrat a la unitat i no en una placa d'expansió independent.
La decisió de col·locar el controlador dins de la unitat va resoldre diversos problemes alhora. En primer lloc, la distància entre la unitat i el controlador ha disminuït, la qual cosa va afectar positivament el rendiment de la unitat. En segon lloc, el controlador integrat només es va "afinar" per a un determinat tipus de disc i, en conseqüència, era més barat.
ATA, com SCSI, utilitza un mètode d'E/S paral·lel, que es reflecteix en els cables utilitzats. La connexió d'unitats mitjançant la interfície IDE requereix cables de 40 nuclis, també anomenats cables plans. Les especificacions més recents utilitzen talons de 80 fils, més de la meitat dels quals són llaços de terra per reduir les interferències a altes freqüències.
Hi ha de dos a quatre connectors al cable ATA, un dels quals està connectat a la placa base i la resta a les unitats. Quan connecteu dos dispositius en un bucle, un d'ells s'ha de configurar com a Mestre, i el segon com esclau. El tercer dispositiu només es pot connectar en mode de només lectura.
La posició del pont determina el paper d'un dispositiu concret. Els termes mestre i esclau en relació als dispositius no són del tot correctes, ja que en relació amb el controlador, tots els dispositius connectats són esclaus.
Una innovació especial en ATA-3 és l'aparença Autocontrol, Tecnologia d'anàlisi i informes (SMART). Cinc empreses (IBM, Seagate, Quantum, Conner i Western Digital) han unit forces i han estandarditzat la tecnologia d'avaluació de la salut de la unitat.
El suport per a unitats d'estat sòlid existeix des de la versió 1998 de l'estàndard, llançada el 33.3. Aquesta versió de l'estàndard proporciona velocitats de transferència de dades de fins a XNUMX MB/s.
L'estàndard estableix requisits estrictes per als cables ATA:
- el plomall ha de ser pla;
- longitud màxima del tren 18 polzades (45.7 centímetres).
El tren curt i ample era incòmode i interferia amb la refrigeració. Cada cop es va fer més difícil augmentar la freqüència de transmissió amb cada versió posterior de l'estàndard, i ATA-7 va resoldre el problema radicalment: la interfície paral·lela va ser substituïda per una de sèrie. Després d'això, ATA va adquirir la paraula Paral·lel i es va conèixer com a PATA, i la setena versió de l'estàndard va rebre un nom diferent: Serial ATA. La numeració de la versió SATA va començar a partir d'un.
SATA
L'estàndard Serial ATA (SATA) es va introduir el 7 de gener de 2003 i va abordar els problemes del seu predecessor amb els canvis següents:
- port paral·lel substituït per sèrie;
- cable ample de 80 fils substituït per 7 fils;
- la topologia "bus comú" s'ha substituït per una connexió "punt a punt".
Tot i que SATA 1.0 (SATA/150, 150 MB/s) era una mica més ràpid que ATA-6 (UltraDMA/130, 130 MB/s), el pas a la comunicació en sèrie estava "establint el terreny" per a velocitats.
Setze línies de senyal per a la transmissió de dades en ATA es van substituir per dos parells trenats: un per a la transmissió i el segon per a la recepció. Els connectors SATA estan dissenyats per ser més resistents a múltiples reconexions, i l'especificació SATA 1.0 va fer possible la connexió en calent.
Alguns pins de les unitats són més curts que tots els altres. Això es fa per donar suport a "hot swap" (intercanvi en calent). Durant el procés de substitució, el dispositiu "perd" i "troba" les línies en un ordre predeterminat.
Una mica més d'un any després, l'abril de 2004, es va publicar la segona versió de l'especificació SATA. A més d'accelerar fins a 3 Gb/s, SATA 2.0 va introduir tecnologia Cua d'ordres natius (NCQ). Els dispositius amb suport NCQ són capaços d'organitzar de manera independent l'ordre d'execució de les ordres entrants per aconseguir el màxim rendiment.
Els tres anys següents, el grup de treball SATA va treballar per millorar l'especificació existent i la versió 2.6 va introduir connectors compactes Slimline i micro SATA (uSATA). Aquests connectors són una versió més petita del connector SATA original i estan dissenyats per a unitats òptiques i unitats petites en ordinadors portàtils.
Tot i que SATA de segona generació tenia prou amplada de banda per a HDD, els SSD exigien més. El maig de 2009, es va llançar la tercera versió de l'especificació SATA amb una amplada de banda augmentada a 6 Gb/s.
Es va prestar especial atenció a les unitats d'estat sòlid a l'edició SATA 3.1. Ha aparegut un connector Mini-SATA (mSATA), dissenyat per connectar unitats d'estat sòlid en ordinadors portàtils. A diferència de Slimline i uSATA, el nou connector semblava un PCIe Mini, tot i que no era elèctricament compatible amb PCIe. A més del nou connector, SATA 3.1 comptava amb la capacitat de posar en cua ordres TRIM amb ordres de lectura i escriptura.
L'ordre TRIM notifica a l'SSD els blocs de dades que no porten una càrrega útil. Abans de SATA 3.1, aquesta ordre esborraria la memòria cau i suspenia les operacions d'E/S, seguida d'una ordre TRIM. Aquest enfocament va degradar el rendiment del disc durant les operacions d'eliminació.
L'especificació SATA no s'ha mantingut al dia amb el ràpid creixement de les velocitats d'accés per als SSD, la qual cosa va portar a un compromís el 2013 anomenat SATA Express a l'estàndard SATA 3.2. En lloc de tornar a duplicar l'ample de banda de SATA, els desenvolupadors han utilitzat el bus PCIe molt utilitzat, la velocitat del qual supera els 6 Gb/s. Les unitats amb suport SATA Express han adquirit el seu propi factor de forma anomenat M.2.
SAS
L'estàndard SCSI, "competint" amb ATA, tampoc no es va aturar i només un any després de l'aparició de Serial ATA, el 2004, va tornar a néixer en una interfície sèrie. El nom de la nova interfície és SCSI connectat en sèrie (JUNTA).
Tot i que SAS va heretar el conjunt d'ordres SCSI, els canvis van ser significatius:
- interfície sèrie;
- cable de 29 fils amb font d'alimentació;
- connexió punt a punt
També s'ha heretat la terminologia SCSI. El controlador encara s'anomena iniciador i els dispositius connectats s'anomenen objectiu. Tots els dispositius de destinació i l'iniciador formen un domini SAS. A SAS, l'amplada de banda de connexió no depèn del nombre de dispositius del domini, ja que cada dispositiu utilitza el seu propi canal dedicat.
El nombre màxim de dispositius connectats simultàniament en un domini SAS, segons l'especificació, supera els 16 mil, i en lloc d'un ID SCSI, s'utilitza un identificador per adreçar-se. Nom mundial (WWN).
WWN és un identificador únic de 16 bytes de llarg, similar a l'adreça MAC dels dispositius SAS.
Malgrat les similituds entre els connectors SAS i SATA, aquests estàndards no són totalment compatibles. Tanmateix, una unitat SATA es pot connectar a un connector SAS, però no a l'inrevés. La compatibilitat entre les unitats SATA i el domini SAS s'assegura mitjançant el protocol SATA Tunneling (STP).
La primera versió de l'estàndard SAS-1 té una amplada de banda de 3 Gb/s, i la més moderna, SAS-4, ha millorat aquesta xifra en 7 vegades: 22,5 Gb/s.
PCIe
Peripheral Component Interconnect Express (PCI Express, PCIe) és una interfície sèrie per a la transferència de dades, que va aparèixer l'any 2002. El desenvolupament va ser iniciat per Intel i, posteriorment, transferit a una organització especial: el Grup d'Interès Especial PCI.
La interfície PCIe sèrie no va ser una excepció i es va convertir en una continuació lògica del PCI paral·lel, que està dissenyat per connectar targetes d'expansió.
PCI Express és molt diferent de SATA i SAS. La interfície PCIe té un nombre variable de carrils. El nombre de línies és igual a potències de dos i oscil·la entre 1 i 16.
El terme "carril" a PCIe no es refereix a un carril de senyal específic, sinó a un enllaç de comunicació full-duplex separat que consta dels següents carrils de senyal:
- rebre+ i rebre-;
- transmissió+ i transmissió-;
- quatre cables de terra.
El nombre de carrils PCIe afecta directament l'amplada de banda màxima de la connexió. L'estàndard PCI Express 4.0 actual permet aconseguir 1.9 GB/s en una sola línia i 31.5 GB/s quan s'utilitzen 16 línies.
Els "apetits" de les unitats d'estat sòlid creixen molt ràpidament. Tant SATA com SAS no han pogut augmentar la seva amplada de banda per seguir el ritme dels SSD, la qual cosa ha portat a la introducció de SSD connectades a PCIe.
Tot i que les targetes complementàries PCIe estan enganxades, PCIe es pot intercanviar en calent. Els pins curts PRSNT (present en anglès - present) asseguren que la targeta estigui completament instal·lada a la ranura.
Les unitats d'estat sòlid connectades mitjançant PCIe estan regulades per un estàndard separat Especificació de la interfície del controlador d'amfitrió de memòria no volàtil i s'incorporen en una varietat de factors de forma, però en parlarem a la part següent.
Unitats remotes
Quan es creaven grans magatzems de dades, hi havia una necessitat de protocols que permetessin connectar unitats situades fora del servidor. La primera solució en aquest àmbit va ser SCSI d'Internet (iSCSI), desenvolupat per IBM i Cisco el 1998.
La idea darrere del protocol iSCSI és senzilla: les ordres SCSI s'"emboliquen" en paquets TCP/IP i s'envien a la xarxa. Malgrat la connexió remota, dóna la il·lusió als clients que la unitat està connectada localment. La xarxa d'àrea d'emmagatzematge (SAN) basada en iSCSI es pot construir a la infraestructura de xarxa existent. L'ús d'iSCSI redueix significativament el cost d'organitzar una SAN.
iSCSI té una opció "premium" - Protocol de canal de fibra (FCP). La SAN que utilitza FCP es basa en línies de comunicació dedicades de fibra òptica. Aquest enfocament requereix equips de xarxa òptics addicionals, però és estable i d'alt rendiment.
Hi ha molts protocols per enviar ordres SCSI a través de xarxes d'ordinadors. Tanmateix, només hi ha un estàndard que resol el problema contrari i us permet enviar paquets IP a través del bus SCSI: .
La majoria dels protocols SAN utilitzen el conjunt d'ordres SCSI per gestionar les unitats, però hi ha excepcions, com ara el simple ATA sobre Ethernet (AOE). El protocol AoE envia ordres ATA en paquets Ethernet, però les unitats apareixen com a SCSI al sistema.
Amb l'arribada de les unitats NVM Express, els protocols iSCSI i FCP ja no compleixen els requisits de ràpid creixement dels SSD. Van sorgir dues solucions:
- eliminació del bus PCI Express fora del servidor;
- creació del protocol NVMe over Fabrics.
L'eliminació del bus PCIe crea un maquinari de commutació complex però no canvia el protocol.
El protocol NVMe over Fabrics s'ha convertit en una bona alternativa a iSCSI i FCP. NVMe-oF utilitza un enllaç de fibra òptica i el conjunt d'ordres NVM Express.
DDR-T
Els estàndards iSCSI i NVMe-oF resolen el problema de connectar unitats remotes com a locals, mentre que Intel va anar a l'inrevés i va acostar la unitat local el màxim possible al processador. L'elecció va recaure en les ranures DIMM a les quals està connectada la memòria RAM. L'ample de banda màxim de DDR4 és de 25 GB/s, que és molt més ràpid que el bus PCIe. Així és com va néixer el SSD de memòria persistent Intel® Optane™ DC.
Es va inventar un protocol per connectar una unitat a ranures DIMM DDR-T, compatible físicament i elèctricament amb DDR4, però que requereix un controlador especial que vegi la diferència entre una barra de memòria i una unitat. La velocitat d'accés a la unitat és inferior a la RAM, però més que a NVMe.
DDR-T només està disponible amb processadors Intel® Cascade Lake o posteriors.
Conclusió
Gairebé totes les interfícies han recorregut un llarg camí des de la transmissió de dades en sèrie fins en paral·lel. Les velocitats dels SSD s'estan disparant, ahir els SSD eren una curiositat i avui NVMe ja no és una sorpresa.
Al nostre laboratori podeu provar les unitats SSD i NVMe vosaltres mateixos.
Només els usuaris registrats poden participar en l'enquesta. si us plau.
Les unitats NVMe substituiran els SSD clàssics en un futur proper?
-
55.5%Sí 100
-
44.4%No80
Han votat 180 usuaris. 28 usuaris es van abstenir.
Font: www.habr.com