Úvod do SSD. Část 2. Rozhraní

V předchozí části cyklu „Úvod do SSD“ jsme hovořili o historii vzniku disků. Druhá část se zaměří na rozhraní pro interakci s úložišti.

Komunikace mezi procesorem a periferními zařízeními probíhá podle předem definovaných dohod nazývaných rozhraní. Tyto dohody regulují fyzickou a programovou úroveň interakce.

Rozhraní je souhrn prostředků, metod a pravidel pro interakci mezi prvky systému.

Fyzická realizace rozhraní ovlivňuje následující parametry:

• propustnost komunikačního kanálu;
• maximální počet současně připojených zařízení;
• počet vznikajících chyb.

Disková rozhraní jsou postavena na vstupně-výstupních portech, což je opakem vstupu a výstupu přes paměť a nezabírá místo v adresním prostoru procesoru.

Sériové a paralelní porty

Podle způsobu výměny dat se vstupně-výstupní porty dělí na dva typy:

• paralelní;
• sériové.

Jak název napovídá, paralelní port posílá najednou strojové slovo složené z několika bitů. Paralelní port je nejjednodušší způsob výměny dat, protože nevyžaduje složité schématické řešení. V nejjednodušším případě je každý bit strojového slova odesílán po své signální linii a pro zpětnou vazbu se používají dvě pomocné signální linky: Data jsou připravena a Data byla přijata.

Paralelní porty se na první pohled snadno škálují: více signálních linií znamená více bitů přenášených najednou a tím pádem vyšší propustnost. Avšak v důsledku zvyšujícího se počtu signálních linií mezi nimi dochází ke vzájemnému rušení, což vede k deformaci přenášených zpráv.

Sériové porty jsou opakem paralelních. Odesílání dat probíhá po jednom bitu najednou, což snižuje celkový počet signálních linií, ale komplikuje řadič vstupu a výstupu. Převodník přijímá strojové slovo najednou a musí odesílat po jednom bitu, zatímco přijímač musí bity přijímat a ukládat ve stejném pořadí.

Malé množství signálních linek umožňuje bezproblémově zvyšovat rychlost přenosu zprávy.

SCSI

Small Computer Systems Interface (SCSI) se poprvé objevil v roce 1978 a byl původně navržen k propojení různých zařízení do jedné soustavy. Specifikace SCSI-1 umožňovala připojení až 8 zařízení (včetně řadiče), jako jsou:

• skenery;
• páskové jednotky (streamery);
• optické disky;
• diskové jednotky a další zařízení.

Původně měl SCSI název Shugart Associates System Interface (SASI), ale standardizační výbor neschválil název podle společnosti a po dni brainstormingů vznikl název Small Computer Systems Interface (SCSI). "Otec" SCSI, Larry Boucher, měl na mysli, že zkratka bude vyslovována jako "sexy", ale Dal Allan četl "sсuzzy" („sazi“). Později se výslovnost "sazi" pevně usadila u tohoto standardu.

V terminologii SCSI jsou připojitelná zařízení rozdělena do dvou typů:

• iniciátory;
• cílová zařízení.

Iniciátor posílá příkaz cílovému zařízení, které pak posílá odpověď iniciátorovi. Iniciátory a cílová zařízení jsou připojena k společné sběrnici SCSI, jejíž propustnost ve standardu SCSI-1 činí 5 MB/s.

Používaná topologie "společná sběrnice" klade řadu omezení:

• na koncích sběrnice jsou potřebná speciální zařízení — terminátory;
• propustnost sběrnice se dělí mezi všechna zařízení;
• maximální počet současně připojených zařízení je omezen.

Zařízení na sběrnici jsou identifikována unikátním číslem, nazývaným SCSI Target ID. Každá SCSI jednotka v systému je reprezentována minimálně jednou logickou jednotkou, jejíž adresace probíhá podle jedinečného čísla v rámci fyzického zařízení Logical Unit Number (LUN).

Příkazy v SCSI jsou posílány ve formě bloků popisu příkazu (Command Descriptor Block, CDB), skládajících se z kódu operace a parametrů příkazu. Ve standardu je popsáno více než 200 příkazů rozdělených do čtyř kategorií:

• Mandatory — musí být podporovány zařízením;
• Optional — mohou být realizovány;
• Vendor-specific — používány konkrétním výrobcem;
• Obsolete — zastaralé příkazy.

Mezi mnoha příkazy jsou pouze tři, které jsou pro zařízení povinné:

• TEST UNIT READY — kontrola připravenosti zařízení;
• REQUEST SENSE — požaduje chybový kód předchozího příkazu;
• DOTAZ — dotaz na základní charakteristiky zařízení.

Po obdržení a zpracování příkazu cílové zařízení odešle iniciátorovi stavový kód, který popisuje výsledek provedení.

Další vylepšení SCSI (specifikace SCSI-2 a Ultra SCSI) rozšířilo seznam používaných příkazů a zvýšilo počet připojitelných zařízení na 16, přičemž rychlost přenosu dat po sběrnici dosáhla 640 MB/s. Vzhledem k tomu, že SCSI je paralelní rozhraní, zvýšení frekvence přenosu dat vedlo k zkrácení maximální délky kabelu, což přinášelo potíže při používání.

Od standardu Ultra-3 SCSI byla zavedena podpora „hot-plug“ — připojení zařízení při zapnutém napájení.

Prvním známým SSD diskem s rozhraním SCSI je M-Systems FFD-350, který byl uveden na trh v roce 1995. Disk měl vysokou cenu a neměl široké rozšíření.

V současnosti není paralelní SCSI populární rozhraní pro připojení disků, ale sada příkazů se stále aktivně používá v rozhraních USB a SAS.

ATA / PATA

Rozhraní ATA (Advanced Technology Attachment), také známý jako PATA (Parallel ATA) byl vyvinut společností Western Digital v roce 1986. Marketingový název standardu IDE (angl. Integrated Drive Electronics) zdůrazňoval důležité novinky: řadič disku byl integrován do disku, a ne na samostatné rozšiřující desce.

Rozhodnutí umístit řadič do disku vyřešilo několik problémů. Za prvé, zmenšila se vzdálenost od úložiště k řadiči, což pozitivně ovlivnilo charakteristiky úložiště. Za druhé, integrovaný řadič byl „navržen“ pouze pro určitou třídu disků a byl tedy levnější.

ATA, stejně jako SCSI, používá paralelní způsob vstupu-výstupu, což se odráží v používaných kabelech. Pro připojení disků s použitím rozhraní IDE jsou nutné 40žilové kabely, také nazývané pásky. V pozdějších specifikacích se používají 80žilové pásky, více než polovina z nich jsou uzemnění pro snížení interference při vysokých frekvencích.

Na šňůře ATA jsou dva až čtyři konektory, z nichž jeden se připojuje na základní desku a ostatní k uložištím. Při připojení dvou zařízení jednou šňůrou musí být jedno z nich nakonfigurováno jako Master, a druhé jako Slave. Třetí zařízení může být připojeno výhradně v režimu „pouze pro čtení“.

Pozice propojky určuje roli konkrétního zařízení. Termíny Master a Slave ve vztahu k zařízením nejsou zcela přesné, protože vůči řadiči jsou všechna připojená zařízení Slaves.

Zásadním novinkou v ATA-3 je zavedení Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology (S.M.A.R.T.). Pět společností (IBM, Seagate, Quantum, Conner a Western Digital) spojilo síly a standardizovalo technologii hodnocení stavu uložišť.

Podpora pevných disků se objevila ve čtvrté verzi standardu, vydané v roce 1998. Tato verze standardu zajišťovala rychlost přenosu dat až 33,3 MB/s.

Standard klade přísné požadavky na šňůry ATA:

• šňůra musí být plochá;
• maximální délka šňůry je 18 palců (45,7 centimetrů).

Krátká a široká šňůra byla nepohodlná a bránila chlazení. Zvyšování frekvence přenosu s každou následující verzí standardu bylo stále obtížnější, a ATA-7 radikálně vyřešil problém: paralelní rozhraní bylo nahrazeno sériovým. Poté získal ATA přídavné slovo Parallel a začal se označovat jako PATA, zatímco sedmá verze standardu obdržela jiný název — Serial ATA. Číslování verzí SATA začalo jedničkou.

SATA

Standard Serial ATA (SATA) byl představen 7. ledna 2003 a řešil problémy svého předchůdce následujícími změnami:

• paralelní port byl nahrazen sériovým;
• široká 80žilová šňůra byla nahrazena 7žilovou;
• topologie „společná sběrnice“ byla nahrazena připojením „bod-bod“.

I když standard SATA 1.0 (SATA/150, 150 MB/s) byl jen nepatrně rychlejší než ATA-6 (UltraDMA/130, 130 MB/s), přechod na sériový způsob výměny dat byl „přípravou půdy“ pro zvýšení rychlostí.

Šestnáct signálních linek pro přenos dat v ATA bylo nahrazeno dvěma kroucenými páry: jedna pro přenos, druhá pro příjem. Konektory SATA byly navrženy tak, aby byly odolnější vůči opakovaným připojením a specifikace SATA 1.0 umožnila „horké připojení“ (Hot Plug).

Některé piny na discích jsou kratší než ostatní. To je uděláno pro podporu „horké výměny“ (Hot Swap). Při výměně zařízení „ztrácí“ a „nalezne“ linky v předem stanoveném pořadí.

O něco více než za rok, v dubnu 2004, byla vydána druhá verze specifikace SATA. Kromě zrychlení na 3 Gbit/s byla v SATA 2.0 zavedena technologie Native Command Queuing (NCQ). Zařízení s podporou NCQ jsou schopna samostatně organizovat pořadí provádění přijatých příkazů pro dosažení maximální výkonnosti.

Následující tři roky pracovala skupina SATA Working Group na vylepšení stávající specifikace a ve verzi 2.6 se objevily kompaktní konektory Slimline a micro SATA (uSATA). Tyto konektory jsou zmenšenou kopií původního SATA konektoru a byly navrženy pro optické jednotky a malé disky v noteboocích.

I když propustnost druhé generace SATA byla dostatečná pro pevné disky, solid-state disky vyžadovaly více. V květnu 2009 byla vydána třetí verze specifikace SATA s propustností zvýšenou na 6 Gbit/s.

Zvláštní pozornost solid-state diskům byla věnována v revizi SATA 3.1. Objevil se konektor Mini-SATA (mSATA), určený pro připojení solid-state disků v noteboocích. Na rozdíl od Slimline a uSATA měl nový konektor podobu PCIe Mini, i když nebyl elektricky kompatibilní s PCIe. Kromě nového konektoru SATA 3.1 mohl nabídnout možnost zařazování příkazů TRIM do fronty s příkazy pro čtení a zápis.

Příkaz TRIM informuje solid-state disk o blocích dat, které nenesou žádnou užitečnou zátěž. Až do SATA 3.1 vedlo provedení tohoto příkazu k vymazání mezipamětí a pozastavení operací vstupu/ výstupu s následným provedením příkazu TRIM. Takový přístup zhoršoval výkon disku při odstraňování operací.

Specifikace SATA nedokázala držet krok s rychlým nárůstem rychlosti přístupu k pevným diskům, což vedlo k vytvoření kompromisu nazvaného SATA Express ve standardu SATA 3.2 v roce 2013. Místo opětovného zdvojení šířky pásma SATA použili vývojáři široce rozšířenou sběrnici PCIe, jejíž rychlost přesahuje 6 Gbit/s. Disky s podporou SATA Express získaly vlastní formát M.2.

SAS

„Konkurující“ se standardem ATA standard SCSI také nezůstal stát a pouhý rok po vzniku Serial ATA, v roce 2004, se přetvořil na sériový rozhraní. Nové jméno pro toto rozhraní je Serial Attached SCSI (SAS).

I když SAS zdědil sadu příkazů SCSI, změny byly významné:

• sériové rozhraní;
• 29tižilový kabel s napájením;
• připojení „point-to-point“

Terminologie SCSI byla také zděděna. Kontroler se stále nazývá iniciátorem a připojená zařízení jsou cílová. Všechna cílová zařízení a iniciátor tvoří SAS doménu. V SAS šířka pásma připojení nezávisí na počtu zařízení v doméně, protože každé zařízení používá svůj vlastní vyhrazený kanál.

Maximální počet současně připojených zařízení v SAS doméně podle specifikace přesahuje 16 tisíc, a místo SCSI ID se pro adresaci používá identifikátor World-Wide Name (WWN).

WWN je jedinečný identifikátor o délce 16 bytů, analogický MAC adrese pro SAS zařízení.

I když jsou konektory SAS a SATA podobné, tyto standardy nejsou zcela kompatibilní. Přesto může být SATA disk připojen k SAS konektoru, ale naopak to neplatí. Kompatibilita mezi SATA disky a SAS doménou je zajištěna pomocí protokolu SATA Tunneling Protocol (STP).

První verze standardu SAS-1 má šířku pásma 3 Gbit/s, zatímco nejmodernější, SAS-4, tento ukazatel zlepšila sedmkrát: 22,5 Gbit/s.

PCIe

Peripheral Component Interconnect Express (PCI Express, PCIe) je sériové rozhraní pro přenos dat, které se objevilo v roce 2002. Vývoj byl zahájen společností Intel a následně předán specializované organizaci – PCI Special Interest Group.

Sériové rozhraní PCIe nebylo výjimkou a stalo se logickým pokračováním paralelního PCI, které je určeno pro připojení rozšiřujících karet.

PCI Express se výrazně liší od SATA a SAS. Rozhraní PCIe má proměnlivý počet sběrnic. Počet sběrnic je mocnina dvou a pohybuje se v rozmezí od 1 do 16.

Termín „sběrnice“ v PCIe neoznačuje konkrétní signální sběrnici, ale jednotlivý plně duplexní komunikační kanál, skládající se z následujících signálních sběrnic:

• příjem+ a příjem-;
• odesílání+ a odesílání-;
• čtyři vodiče uzemnění.

Počet PCIe sběrnic přímo ovlivňuje maximální propustnost spojení. Moderní standard PCI Express 4.0 umožňuje dosáhnout 1.9 GB/s na jednu sběrnici a 31.5 GB/s při použití 16 sběrnic.

„Chutě“ SSD disků rostou velmi rychle. Jak SATA, tak SAS nestíhají zvyšovat svou propustnost, aby „dohnaly“ SSD, což vedlo k vývoji SSD disků s připojením přes PCIe.

Ačkoli jsou PCIe Add-In karty upevněny šroubem, PCIe podporuje „hot-swap“. Krátké piny PRSNT (angl. present — přítomný) zajišťují, že karta je plně nainstalována ve slotu.

SSD disky připojované přes PCIe se řídí samostatným standardem Specifikace hostitelského řadiče non-volatile memory a existují v mnoha formátech, ale o těchto se zmíníme v další části.

Vzdálené disky

Při vytváření velkých úložišť dat vznikla potřeba protokolů, které umožňují připojit disky umístěné mimo server. Prvním řešením v této oblasti byl Internet SCSI (iSCSI), vyvinutý firmami IBM a Cisco v roce 1998.

Myšlenka protokolu iSCSI je jednoduchá: příkazy SCSI jsou „zabaleny“ do paketů TCP/IP a přenášeny v síti. Přes vzdálené připojení je klientům vytvářena iluze, že disk je připojen lokálně. Síť úložišť dat (Storage Area Network, SAN) založená na iSCSI může být postavena na stávající síťové infrastruktuře. Použití iSCSI výrazně snižuje náklady na organizaci SAN.

iSCSI má „prémiovou“ variantu — Fibre Channel Protocol (FCP). SAN využívající FCP je postavena na vyhrazených optických komunikačních linkách. Tento přístup vyžaduje další optické síťové zařízení, ale vyznačuje se stabilitou a vysokou propustností.

Existuje mnoho protokolů pro odesílání SCSI příkazů po počítačových sítích. Přesto existuje pouze jeden standard, který řeší opačný úkol a umožňuje odesílání IP paketů po sběrnici SCSI — IP-over-SCSI.

Většina protokolů pro organizaci SAN používá sadu SCSI příkazů pro správu úložišť, ale existují i výjimky, jako je jednoduchý ATA přes Ethernet (AoE). Protokol AoE odesílá ATA příkazy v Ethernet paketech, ale v systému jsou úložiště zobrazena jako SCSI.

S příchodem NVM Express úložišť protokoly iSCSI a FCP již nedokázaly splnit rychle rostoucí požadavky na SSD. Objevily se dvě řešení:

• vývod sběrnice PCI Express mimo server;
• vytvoření protokolu NVMe přes Fabrics.

Vývod sběrnice PCIe je spojen s vytvořením složitého přepínacího zařízení, ale nemění protokol.

Protokol NVMe přes Fabrics se stal dobrou alternativou k iSCSI a FCP. V NVMe-oF se používají optická vlákna a sada příkazů NVM Express.

DDR-T

Standardy iSCSI a NVMe-oF řeší problém připojení vzdálených disků jako lokálních, zatímco společnost Intel zvolila jinou cestu a co nejvíce přiblížila lokální disk k procesoru. Výběr padl na DIMM sloty, do kterých se připojuje operační paměť. Maximální propustnost kanálu DDR4 dosahuje 25 GB/s, což výrazně překračuje rychlost sběrnice PCIe. Tak vznikl SSD Intel® Optane™ DC Persistent Memory.

Pro připojení disku do DIMM slotů byl vynalezen protokol DDR-T, fyzicky a elektricky kompatibilní s DDR4, ale vyžadující speciální kontrolér, který rozlišuje mezi paměťovým modulem a úložištěm. Rychlost přístupu k diskové jednotce je nižší než u operační paměti, ale vyšší než u NVMe.

Protokol DDR-T je k dispozici pouze s procesory Intel® generace Cascade Lake nebo novějšími.

Závěr

Téměř všechny rozhraní prošla dlouhou cestou od sekvenčního po paralelní způsob přenosu dat. Rychlosti SSD stále rostou, včera byly SSD vzácné a dnes již NVMe nevyvolává zvláštní překvapení.

V naší laboratoři Selectel Lab si můžete sami testovat SSD a NVMe disky.

Pouze registrovaní uživatelé se mohou účastnit ankety. Přihlaste se, prosím.

Vyhnou se NVMe disky klasickým SSD v dohledné době?

• 55.5%Ano100

• 44.4%Ne80

Hlasovalo 180 uživatelů. Zdrželo se 28 uživatelů.

Zdroj: habr.com