SSD tutvustus. Osa 2. Liidesed

Uues eelmisel osal Sari „SSD tutvustus” rääkisime ketaste ajaloo kohta. Teine osa räägib salvestusseadmestike vaheliste liidestest.

Suhtlemine protsessori ja perifeersete seadmete vahel toimub ettenähtud kokkulepete alusel, mida nimetatakse liidesteeks. Need kokkulepped määravad füüsilise ja tarkvaralise taseme suhtlemise.

Liides on süsteemi elementide vahelise suhtlemise vahendite, meetodite ja reeglite kogum.

Liidese füüsiline realiseerimine mõjutab järgmisi parameetreid:

• sidekanali läbilaskevõime;
• max samaaegselt ühendatud seadmete arv;
• tekitatud vigade arv.

Kettaliideste aluseks on sisend- ja väljundportid, mis on vastandiks mäluteenusele ja ei hõivata protsessori aadressiruumi.

Paralleelsed ja järjestikused portid

Andmeedastusmeetodi kohaselt jaotatakse sisend- ja väljundportid kaheks tüübiks:

• paralleelsed;
• järjestikused.

Nimest selgub, et paralleelport saadab korraga masinasõna, mis koosneb mitmest bitist. Paralleelport on kõige lihtsam andmeedastusmeetod, kuna ei vaja keerulisi skeemitehnilisi lahendusi. Kõige lihtsamal juhul saadetakse iga masinasõna bitt oma signaaliteel ja tagasiside jaoks kasutatakse kahte teeninduslikku signaaliteed: Andmed on valmis ja Andmed on vastu võetud.

Esmapilgul skaleeruvad paralleelsed portid hästi: rohkem signaaliteid tähendab rohkem bite, mis edastatakse korraga ja seega kõrgemat läbilaskevõimet. Sellegipoolest, signaaliteede arvu kasvades tekib nende vahel interferents, mis toob kaasa edastatavate sõnumite moonutamise.

Järjestikused portid on paralleelportide vastand. Andmete edastamine toimub ühe biti kaupa, mis vähendab üldiste signaaliteede arvu, kuid keerukamaks teeb sisendi ja väljundi kontrolleri. Edastaja kontroller saab masinasõna korraga ja peab edastama ühe biti, samal ajal kui vastuvõtja kontroller peab saama bitte ja säilitama neid samas järjestuses.

Väike signaalide arv võimaldab häireteta suurendada sõnumi edastamise sagedust.

SCSI

Ehkki Small Computer Systems Interface (SCSI) ilmus juba 1978. aastal, loodi see algselt selleks, et ühendada erinevat profiili seadmeid ühte süsteemi. SCSI-1 spetsifikatsioon võimaldas ühendada kuni 8 seadet (sealhulgas kontroller), nagu näiteks:

• skannerid;
• ribaandmed (streamer'id);
• optilised draivid;
• ketasandmed ja muud seadmed.

Alguses oli SCSI nimi Shugart Associates System Interface (SASI), kuid standardiseerimiskomitee ei oleks heaks kiitnud nime, mis oli antud ettevõtte järgi, ja pärast ajurünnakut sai see nime Small Computer Systems Interface (SCSI). SCSI 'isa' Larry Boucher mõtles, et akronüümi peaks hääldama kui "sexy", kuid Dal Allan mõistis selle siiski kui "sсuzzy" («skuzzy»). Hiljem kindlustus nii, et hääldust "skuzzy" hakati laialdaselt kasutama selle standardi jaoks.

SCSI terminoloogias jagunevad ühendatud seadmed kaheksaks tüübiks:

• algatajad;
• sihtseadmed.

Algataja saadab käsu sihtseadmest, mis siis saadab algatajale vastuse. Algatajad ja sihtseadmed on ühendatud ühisele SCSI bussile, mille läbilaskevõime SCSI-1 standardis on 5 MB/s.

Kasutatav "ühisbuss" topoloogia seab mitmeid piiranguid:

• bussi otstes on vajalikud spetsiaalsed seadmed — terminaatorid;
• bussi läbilaskevõime jaguneb kõigi seadmete vahel;
• samuti on maksimaalne samaaegselt ühendatud seadmete arv piiratud.

Bussil olevad seadmed identifitseeritakse unikaalse numbri järgi, mida nimetatakse SCSI Target ID. Iga SCSI-seade süsteemis esindab vähemalt ühte loogilist seadet, mille adresseerimise teostab füüsilise seadme järgi unikaalne number Logical Unit Number (LUN).

SCSI käsud saadetakse "kommando kirjeldusplokkide" (Command Descriptor Block, CDB) kujul, mis koosnevad operatsioonikoodist ja käsu parameetritest. Standardis on kirjeldatud üle 200 käsku, mis jagunevad neljaks kategooriaks: Kohustuslikud — peavad seadme poolt olema toetatud;

• Valikuline — võivad olla rakendatud;
• Tootjaspetsiifilised — kasutatakse konkreetse tootja poolt;
• Aegunud — vananenud käsud.
• Paljude käskude seas on vaid kolm neist seadmete jaoks kohustuslikud: TEST UNIT READY

— seadme valmisoleku kontrollimine;

• REQUEST SENSE — seadme valmisoleku kontrollimine;
• PUUDUB TUNNE — küsib viimase käsu veakoodi;
• KÜSIMUS — küsib seadme põhiomadusi.

Pärast käsu saamist ja töötlemist saadab sihtseade algatajale staatusekoode, mis kirjeldab teostamise tulemust.

SCSI edasine täiustamine (SCSI-2 ja Ultra SCSI spetsifikatsioonid) laiendas kasutatavate käskude nimekirja ja suurendas ühendatavate seadmete arvu 16-ni, samuti andmeedastuskiirus bussil kuni 640 MB/s. Kuna SCSI on paralleelne liides, oli andmevahetuse sageduse tõus seotud kaabli maksimaalse pikkuse vähenemisega, mis tõi kaasa kasutamise ebamugavusi.

Alates Ultra-3 SCSI standardist ilmnes toetus "kuumaks ühendamiseks" — seadmete ühendamine sisse lülitatud toite all.

Esimene tuntud SSD-draiv SCSI liidesega on M-Systems FFD-350, mis anti välja 1995. aastal. Draiv oli kõrge hinna ja vähese levikuga.

Praegu ei ole paralleelne SCSI populaarne kettaliidi, kuid käskude komplekti kasutatakse endiselt aktiivselt USB ja SAS liidestes.

ATA / PATA

Liides ATA (Advanced Technology Attachment), tuntud ka kui PATA (Paralleel ATA) töötati välja ettevõttes Western Digital 1986. aastal. Standardsed turunimed IDE (inglise keeles Integrated Drive Electronics — "elektroonika, mis on sisse ehitatud draivi") rõhutasid olulist uuendust: draivi kontroller oli integreeritud draivi, mitte eraldi laienduspordile.

Otsus paigutada kontroller draivi sisse lahendas mitu probleemi. Esiteks, vähenes kaugus salvestusseadmest kontrollerini, mis avaldas positiivset mõju salvestusseadmestikele. Teiseks, integreeritud kontroller oli "häälestatud" ainult teatud tüüpi draivile ja seega oli odavam.

ATA, nagu ka SCSI, kasutab paralleelset sisend-väljundit, mis peegeldub kasutatavates kaablites. IDE liidese kasutamiseks vajalikud kettade ühendamiseks on vajalikud 40-juhilised kaablid, tuntud ka kui ribad. Hilisemates spetsifikatsioonides kasutatakse 80-juhilisi ribasid: rohkem kui pooled neist on maandused, et vähendada kõrge sageduse müra.

ATA kaablil on kaks kuni neli pistikut, millest üks on ühendatud emaplaadi ja teised salvestusseadmetega. Kui ühendate kaks seadet ühe kaabliga, peab üks neist olema seadistatud kui Master, ja teine kui Slave. Kolmas seade saab olla ühendatud ainult "ainult lugemise" režiimis.

Jumperi asend määrab konkreetse seadme rolli. Terminid Master ja Slave seadmete suhtes ei ole täiesti õiged, kuna suhteid kõigi ühendatud seadmete süsteemi ei ole.

ATA-3 eriline uuendus on Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology (S.M.A.R.T.). Viis ettevõtet (IBM, Seagate, Quantum, Conner ja Western Digital) koos lõid jõud ja standardiseerisid salvestusseadmete oleku hindamise tehnoloogia.

Tahkete ketaste tugi tuli neljandas standardi versioonis, mis ilmus 1998. aastal. See standardi versioon võimaldas andmeedastuskiiruseni kuni 33.3 MB/s.

Standard seab ATA kaablitele ranged nõuded:

• kaabel peab olema kindlasti lame;
• maksimaalne kaabli pikkus 18 tolli (45.7 sentimeetrit).

Lühike ja lai kaabel oli ebamugav ja takistas jahutust. Andmevahetuse sageduse tõstmine iga järgmise standardi versiooniga muutus üha keerulisemaks, ja ATA-7 lahendas probleemi radikaalselt: paralleelne liides asendati järjestikusega. Pärast seda sai ATA nimeks Parallel ja hakati kutsuma PATA-ks, samas kui seitsmes versioon sai uue nime — Serial ATA. SATA versioonide numeerimine algas ühest.

SATA

Serial ATA (SATA) standard esitati 7. jaanuaril 2003 ja lahendas oma eelkäija probleeme järgmiste muudatustega:

• paralleelpordiga asendati järjestikune;
• lai 80-taktiline kaabel asendati 7-taktilisega;
• tüüpdise "ühekordne buss" asendati "punkt-punkt" ühendusega.

Kuigi SATA 1.0 standard (SATA/150, 150 MB/s) oli veidi kiirem kui ATA-6 (UltraDMA/130, 130 MB/s), oli üleminek järjestikusele andmeedastusele "mulla ettevalmistamine", et suurendada kiirus.

Kuueteistkümne signaalijooni andmete edastamiseks ATA-s asendati kahe keermega paariga: üks edastamiseks, teine vastuvõtmiseks. SATA pistikud on projekteeritud parema vastupidavuse saavutamiseks mitmekordsete ühendustega ja SATA 1.0 spetsifikatsioon võimaldas kuumühendust (Hot Plug).

Mõned plaadid on lühemad kui kõik teised. See on tehtud „kuuma asendamise” (Hot Swap) toetamiseks. Asendamise protsessis seade „kaotab” ja „leiab” ühendused eelnevalt määratud järjekorras.

Veidi rohkem kui aasta pärast, aprillis 2004, ilmus SATA spetsifikatsiooni teine versioon. Lisaks kiirusest 3 Gbit/s tõi SATA 2.0 sisse tehnoloogia Native Command Queuing (NCQ). NCQ toega seadmed suudavad iseseisvalt korraldada sisse saadetud käskude täitmise järjekorda maksimaalse tõhususe saavutamiseks.

Järgmise kolme aasta jooksul töötas SATA Working Group olemasoleva spetsifikatsiooni täiustamise kallal ning versioonis 2.6 ilmusid kompaktsed Slimline ja micro SATA (uSATA) ühendused. Need ühendused on originaalse SATA ühenduse väiksem versioon ja on mõeldud optilistele seadmetele ja väikestele ketastele sülearvutites.

Kuigi teise põlvkonna SATA ribalaius oli piisav kõvakettade jaoks, nõudsid tahkis-ssd-d rohkem. Mai 2009 ilmus SATA spetsifikatsiooni kolmas versioon, mis suurendas ribalaiuse 6 Gbit/s-ni.

Tahkistele pöörati erilist tähelepanu SATA 3.1 redaktsioonis. Ilmus Mini-SATA (mSATA) ühendus, mis on mõeldud tahkiste ühendamiseks sülearvutites. Erinevalt Slimline ja uSATA-st oli uus ühendus sarnane PCIe Mini-le, kuigi see ei olnud elektriliselt ühilduv PCIe-ga. Lisaks uuele ühendusele sai SATA 3.1 uhkeldada võimalusega järjekorda panna TRIM käsk lugemis- ja kirjutamiskäskudega.

TRIM käsk teavitab tahkist andmeplokkidest, mis ei kanna kasulikku koormust. Enne SATA 3.1 täitmine tõi kaasa vahemälude tühjendamise ja sisestus-väljund operatsioonide peatamise järgneva TRIM käsu täitmiseks. Selline lähenemine halvendab ketta jõudlust kustutamisoperatsioonide ajal.

SATA spetsifikatsioon ei jõudnud järsult kasvavale ligipääsukiirusel tahkistele järele, mis viis 2013. aastal SATA 3.2 standardis kompromissi nimega SATA Express. Selle asemel, et jälle SATA ribalaiust kahekordistada, kasutasid arendajad laialdaselt levinud PCIe buss, mille kiirus ületab 6 Gbit/s. SATA Express toega diskidel on oma vormifaktor nimega M.2.

SAS

SCSI, mis on "konkurentsivõimeline" ATA-standardiga, ei seisanud ka paigal ning ainult aasta pärast Serial ATA появления, 2004. aastal, muutus ta järjestikuseks liidese vormiks. Uue liidese nimi on Serial Attached SCSI (SAS).

Kuigi SAS päris SCSI käskude komplekti, olid muudatused olulised:

• järjestikune liides;
• 29-teljeline kaabel koos toitega;
• punkt-punkt ühendus.

SCSI terminoloogia jäi samuti alles. Kontrollerit nimetatakse endiselt algatajaks ja ühendatud seadmeid sihtmärkideks. Kõik sihtseadmed ja algataja moodustavad SAS domeeni. SAS-i puhul ei sõltu ühenduse läbilaskevõime domeenis olevate seadmete arvust, kuna iga seade kasutab oma eraldi kanalit.

SAS domeeni maksimaalne samal ajal ühendatud seadmete arv ületab spetsifikatsiooni kohaselt 16 tuhat, ja aadressimiseks kasutatakse SCSI ID asemel identifikaatorit World-Wide Name (WWN).

WWN on 16-talune unikaalne identifikaator, mis on analoogne MAC-aadressiga SAS-seadmetele.

Kuigi SAS ja SATA pistikud on sarnased, ei ole need standardid täielikult ühilduvad. Siiski võib SATA-ketta ühendada SAS-pistikusse, kuid mitte vastupidi. SATA kettade ja SAS-i domeeni vahelise ühilduvuse tagab SATA Tunneling Protocol (STP).

Esimese versiooni standard SAS-1 läbilaskevõime on 3 Gb/s, samas kui kõige uuem, SAS-4, parandas seda näitajat 7 korda: 22,5 Gb/s.

PCIe

Peripheral Component Interconnect Express (PCI Express, PCIe) on järjestikune andmeedastuse liides, mis ilmus 2002. aastal. Arendust alustas Intel, hiljem anti see üle eriorganisatsioonile - PCI Special Interest Group.

Järjestikune PCIe liides ei olnud erand ja sai loogiliseks jätkuks paralleelsele PCI-le, mis oli mõeldud laienduste kaartide ühendamiseks.

PCI Express erineb oluliselt SATA ja SAS-st. PCIe liidesel on muutuva arvu jooni. Joonte arv on kahe astmed ja varieerub vahemikus 1 kuni 16.

Termin "joon" PCIes ei tähenda konkreetset signaalijoont, vaid eraldi täisdublex-kanalit, mis koosneb järgmistest signaalijoontest:

• vastuvõtt+ ja vastuvõtt-;
• edastus+ ja edastus-;
• neli maandusjuhtme.

PCIe kanaalide arv mõjutab otseselt ühenduse maksimaalset läbilaskevõimet. Kaasaegne PCI Express 4.0 standard võimaldab ühe kanali kohta saavutada 1,9 GB/s ja 31,5 GB/s 16 kanali kasutamisel.

Saldusmälu "isu" kasvab väga kiiresti. Nii SATA kui ka SAS ei suuda oma läbilaskevõimet piisavalt suurendada, et SSD-dele järele jõuda, mis on viinud PCIe ühendusega SSD-de tekkimiseni.

Kuigi PCIe lisakaardid on kinnitatud kruviga, toetab PCIe "kuumvahetust". Lühikesed PRSNT (ingl. k. present – kohal) pinnad kinnitavad, et kaart on täielikult pesasse paigaldatud.

PCIe kaudu ühendatud SSD-d reguleeritakse eraldi standardiga Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification ja neid on saadaval mitmesugustes kujundites, kuid sellest räägime järgmises osas.

Kaugnõudmed

Suure andmesalvestuse loomisel tekkis vajadus protokollide järele, mis võimaldavad ühendada kõikjalt serverist väljas asuvaid salvestusseadmeid. Esimene lahendus selle valdkonnas oli Internet SCSI (iSCSI), mis töötati välja IBM-i ja Cisco poolt 1998. aastal.

iSCSI protokolli idee on lihtne: SCSI käsud "mähitakse" TCP/IP pakettidesse ja edastatakse üle võrgu. Vaatamata kauglülitusele tekitavad kliendid illusiooni, et salvestusseade on kohalikult ühendatud. iSCSI-l põhinev salvestusvõrk (Storage Area Network, SAN) saab luua olemasolevale võrguinfrastruktuurile. iSCSI kasutamine vähendab SAN-i loomise kulusid oluliselt.

iSCSI-l on "premium" variant — Fibre Channel Protocol (FCP). FCP-d kasutav SAN põhineb eraldatud kiudoptilistel sidekanalitel. Selline lähenemine nõuab täiendavat optilist võrguvarustust, kuid eristub stabiilsuse ja kõrge läbilaskevõime poolest.

On mitmeid protokolle SCSI käskude edastamiseks arvutivõrkudes. Siiski on ainult üks standard, mis lahendab vastupidise probleemi ja võimaldab IP-pakettide edastamist SCSI-väljal — IP-over-SCSI.

Enamik SAN-i konfigureerimise protokolle kasutavad salvestusseadmete haldamiseks SCSI käskude komplekti, kuid on ka erandeid, näiteks lihtne ATA over Ethernet (AoE). AoE protokoll saadab ATA käske Etherneti pakkides, kuid süsteemis kuvatakse salvestusseadmed kui SCSI.

NVM Express salvestite tulekuga lakkasid iSCSI ja FCP protokollid rahuldamast kiiresti kasvavaid tahkiste nõudmisi. Ilmus kaks lahendust:

• PCI Express bussi viimine serverist välja;
• NVMe over Fabrics protokolli loomine.

PCIe bussi viimine väljaspool on seotud keeruka lülitushardware loomisega, kuid ei muuda protokolli.

NVMe over Fabrics protokoll on saanud heaks alternatiiviks iSCSI ja FCP-le. NVMe-oF kasutab kiudoptilisi sidekanaleid ja NVM Express käsu komplekti.

DDR-T

iSCSI ja NVMe-oF standardid lahendavad kauged kettad kohalikeks, samas kui Intel on läinud teist teed ja viinud kohaliku ketta protsessorile võimalikult lähedale. Valik langes DIMM pesa peale, kuhu ühendatakse operatiivmälu. DDR4 kanali maksimaalne läbilaskevõime on 25 GB/s, mis ületab PCIe bussi kiirus. Nii sai alguse Intel® Optane™ DC Persistent Memory tahkete diski loomine.

DIMM pesadesse salvesti ühendamiseks leiutati protokoll DDR-T, mis on füüsiliselt ja elektriliselt ühilduv DDR4-ga, kuid nõuab spetsiaalset kontrollerit, mis näeb vahet mälupulga ja salvesti vahel. Salvesti ligipääsukiirus on madalam kui operatiivmälu, kuid kõrgem kui NVMe-l.

DDR-T protokoll on saadaval ainult Intel® Cascade Lake või uuemate põlvkondade protsessoritega.

Kokkuvõte

Peaaegu kõik liidesed on läbinud pika arengu, liikudes järjestikustest paralleelsetesse andmeedastusviisidesse. Tahkete salvestite kiirus tõuseb kiiresti; veel eile oli tahkete salvestite tehnoloogia haruldane, kuid täna ei üllata NVMe enam kedagi.

Meie laboris Selectel Lab saate ise testida SSD ja NVMe kettaid.

Ainult registreeritud kasutajad saavad küsitluses osaleda. Logige sisse, palun.

Kas NVMe kettaid tõrjutakse peagi välja traditsioonilised SSD-d?

• 55.5%Jah100

• 44.4%Ei80

Hääletas 180 kasutajat. Eemaldujaid oli 28.

Allikas: habr.com