مقدمه ای بر SSD بخش 2. رابط

В آخرین قطعه چرخه "معرفی SSD" در مورد تاریخچه ظهور دیسک ها صحبت کردیم. بخش دوم در مورد رابط های تعامل با درایوها صحبت می کند.

ارتباط بین پردازنده و تجهیزات جانبی بر اساس قراردادهای از پیش تعریف شده به نام رابط انجام می شود. این توافق نامه ها سطح فیزیکی و نرم افزاری تعامل را تنظیم می کند.

رابط - مجموعه ای از ابزارها، روش ها و قوانین تعامل بین عناصر سیستم.

پیاده سازی فیزیکی یک رابط بر پارامترهای زیر تأثیر می گذارد:

• توان عملیاتی کانال ارتباطی؛
• حداکثر تعداد دستگاه های متصل به طور همزمان؛
• تعداد خطاهایی که رخ می دهد

رابط های دیسک بر روی ساخته شده اند پورت های ورودی/خروجیکه برعکس ورودی/خروجی حافظه است و فضای آدرس پردازنده را اشغال نمی کند.

پورت های موازی و سریال

با توجه به روش تبادل داده ها، پورت های I/O به دو نوع تقسیم می شوند:

• موازی؛
• استوار.

همانطور که از نام آن پیداست، پورت موازی یک کلمه ماشینی را در یک زمان ارسال می کند که از چند بیت تشکیل شده است. پورت موازی ساده ترین راه برای تبادل داده است، زیرا به راه حل های مدار پیچیده نیاز ندارد. در ساده ترین حالت، هر بیت از کلمه ماشین روی خط سیگنال خود ارسال می شود و از دو خط سیگنال سرویس برای بازخورد استفاده می شود: داده آماده است и داده پذیرفته شد.

پورت های موازی، در نگاه اول، به خوبی مقیاس می شوند: خطوط سیگنال بیشتر - بیت های بیشتری در یک زمان منتقل می شوند و بنابراین، توان عملیاتی بالاتری دارند. اما به دلیل افزایش تعداد خطوط سیگنال، تداخلی بین آنها ایجاد می شود که منجر به اعوجاج پیام های ارسالی می شود.

پورت های سریال برعکس موازی هستند. داده ها یک بیت در یک زمان ارسال می شوند، که تعداد کل خطوط سیگنال را کاهش می دهد، اما کنترل کننده I/O را پیچیده می کند. کنترل کننده فرستنده کلمه ماشین را در یک زمان دریافت می کند و باید یک بیت را در یک زمان ارسال کند و کنترل کننده گیرنده نیز به نوبه خود باید بیت ها را دریافت کرده و آنها را به همان ترتیب ذخیره کند.

تعداد کمی از خطوط سیگنال به شما امکان می دهد فرکانس ارسال پیام را بدون تداخل افزایش دهید.

SCSI

رابط سیستم های کامپیوتری کوچک (SCSI) در سال 1978 ظاهر شد و در ابتدا برای ترکیب دستگاه های پروفایل های مختلف در یک سیستم واحد طراحی شد. مشخصات SCSI-1 برای اتصال حداکثر 8 دستگاه (همراه با کنترلر) ارائه شده است، مانند:

• اسکنرها؛
• درایوهای نوار (استریمر)؛
• درایوهای نوری؛
• درایوهای دیسک و سایر دستگاه ها

SCSI در ابتدا Shugart Associates System Interface (SASI) نام داشت، اما کمیته استانداردها نامی را به نام شرکت تایید نکرد و پس از یک روز طوفان فکری، نام Small Computer Systems Interface (SCSI) متولد شد. "پدر" SCSI، لری بوچر، قصد داشت مخفف آن را "سکسی" تلفظ کند، اما دال آلن "sсuzzy" ("گفتن") را بخوانید. متعاقباً، تلفظ "tell" به طور محکم در این استاندارد جا افتاد.

در اصطلاح SCSI، دستگاه های متصل به دو نوع تقسیم می شوند:

• آغازگر؛
• دستگاه های مورد نظر

آغازگر فرمانی را به دستگاه مورد نظر می فرستد و سپس پاسخی را برای آغازگر ارسال می کند. آغازگرها و اهداف به یک گذرگاه مشترک SCSI متصل می شوند که در استاندارد SCSI-1 دارای پهنای باند 5 مگابایت بر ثانیه است.

توپولوژی "گذرگاه مشترک" مورد استفاده تعدادی محدودیت را اعمال می کند:

• در انتهای اتوبوس، دستگاه های خاصی مورد نیاز است - پایانه ها.
• پهنای باند اتوبوس بین همه دستگاه ها مشترک است.
• حداکثر تعداد دستگاه های متصل به طور همزمان محدود است.

دستگاه های موجود در اتوبوس با یک شماره منحصر به فرد به نام شناسایی می شوند شناسه هدف SCSI. هر واحد SCSI در سیستم حداقل با یک دستگاه منطقی نشان داده می شود که با یک عدد منحصر به فرد در دستگاه فیزیکی نشان داده می شود. شماره واحد منطقی (LUN).

دستورات در SCSI در فرم ارسال می شوند بلوک های توضیحات فرمان (Block Descriptor Command، CDB)، متشکل از یک کد عملیات و پارامترهای فرمان. این استاندارد بیش از 200 فرمان را توصیف می کند که به چهار دسته تقسیم می شوند:

• اجباری - باید توسط دستگاه پشتیبانی شود.
• اختیاری - قابل اجرا است؛
• خاص فروشنده - مورد استفاده توسط یک سازنده خاص؛
• منسوخ شده - دستورات منسوخ شده

در میان بسیاری از دستورات، تنها سه مورد از آنها برای دستگاه ها اجباری است:

• واحد تست آماده است - بررسی آمادگی دستگاه؛
• درخواست حس - کد خطای دستور قبلی را درخواست می کند.
• درخواست - مشخصات اصلی دستگاه را درخواست کنید.

پس از دریافت و پردازش فرمان، دستگاه مورد نظر یک کد وضعیت را برای آغازگر ارسال می کند که نتیجه اجرا را شرح می دهد.

بهبود بیشتر SCSI (مشخصات SCSI-2 و Ultra SCSI) لیست دستورات استفاده شده را گسترش داد و تعداد دستگاه های متصل را تا 16 دستگاه و نرخ تبادل داده در اتوبوس را تا 640 مگابایت بر ثانیه افزایش داد. از آنجایی که SCSI یک رابط موازی است، افزایش فرکانس تبادل داده با کاهش حداکثر طول کابل همراه بود و منجر به ناراحتی در استفاده شد.

با شروع استاندارد Ultra-3 SCSI، پشتیبانی از "وصل کردن داغ" ظاهر شد - اتصال دستگاه ها در هنگام روشن بودن برق.

اولین SSD شناخته شده SCSI M-Systems FFD-350 بود که در سال 1995 منتشر شد. دیسک هزینه بالایی داشت و زیاد مورد استفاده قرار نمی گرفت.

در حال حاضر، SCSI موازی یک رابط دیسک محبوب نیست، اما مجموعه دستورات هنوز به طور فعال در رابط های USB و SAS استفاده می شود.

ATA/PATA

رابط ATA (پیوست فناوری پیشرفته)، همچنین به عنوان سم (Parallel ATA) توسط Western Digital در سال 1986 توسعه یافت. نام بازاریابی برای استاندارد IDE (Eng. Integrated Drive Electronics - "Electronics in the Drive") بر یک نوآوری مهم تاکید داشت: کنترل کننده درایو در درایو ادغام شده بود، نه بر روی یک برد توسعه جداگانه.

تصمیم به قرار دادن کنترلر در داخل درایو چندین مشکل را به طور همزمان حل کرد. اولاً فاصله درایو تا کنترلر کاهش یافته است که بر عملکرد درایو تأثیر مثبت گذاشته است. ثانیاً ، کنترلر داخلی فقط برای نوع خاصی از درایو "تیز" شد و بر این اساس ارزان تر بود.

ATA مانند SCSI از روش ورودی/خروجی موازی استفاده می کند که در کابل های استفاده شده منعکس می شود. اتصال درایوها با استفاده از رابط IDE به کابل های 40 هسته ای نیاز دارد که به آن کابل های تخت نیز گفته می شود. مشخصات جدیدتر از خرده‌های 80 سیمی استفاده می‌کنند که بیش از نیمی از آن‌ها حلقه‌های زمین هستند تا تداخل در فرکانس‌های بالا را کاهش دهند.

دو تا چهار کانکتور روی کابل ATA وجود دارد که یکی از آنها به مادربرد و بقیه به درایوها متصل است. هنگام اتصال دو دستگاه در یک حلقه، یکی از آنها باید به صورت پیکربندی شود استاد، و دوم به عنوان برده. دستگاه سوم فقط در حالت فقط خواندنی قابل اتصال است.

موقعیت جامپر نقش یک دستگاه خاص را تعیین می کند. عبارت Master و Slave در رابطه با دستگاه ها کاملاً صحیح نیست، زیرا در رابطه با کنترلر، همه دستگاه های متصل Slave هستند.

یک نوآوری خاص در ATA-3 ظاهر است نظارت بر خود, فناوری تجزیه و تحلیل و گزارش (SMART). پنج شرکت (IBM، Seagate، Quantum، Conner، و Western Digital) به نیروها پیوسته اند و فناوری ارزیابی سلامت محرک را استاندارد کرده اند.

پشتیبانی از درایوهای حالت جامد از نسخه 1998 استاندارد که در سال 33.3 منتشر شد، وجود داشته است. این نسخه از استاندارد سرعت انتقال داده تا XNUMX مگابایت بر ثانیه را ارائه می دهد.

این استاندارد الزامات سختگیرانه ای را برای کابل های ATA مطرح می کند:

• ستون باید صاف باشد.
• حداکثر طول قطار 18 اینچ (45.7 سانتی متر).

قطار کوتاه و عریض ناخوشایند بود و با خنک کننده تداخل داشت. افزایش فرکانس انتقال با هر نسخه بعدی استاندارد روز به روز دشوارتر شد و ATA-7 مشکل را به طور اساسی حل کرد: رابط موازی با یک سریال جایگزین شد. پس از آن، ATA کلمه Parallel را به دست آورد و به عنوان PATA شناخته شد و نسخه هفتم استاندارد نام متفاوتی دریافت کرد - Serial ATA. شماره گذاری نسخه SATA از یک شروع شد.

SATA

استاندارد سریال ATA (SATA) در 7 ژانویه 2003 معرفی شد و مشکلات نسخه قبلی خود را با تغییرات زیر برطرف کرد:

• پورت موازی با سریال جایگزین شد.
• کابل 80 سیم پهن با 7 سیم جایگزین شده است.
• توپولوژی "گذرگاه مشترک" با اتصال "نقطه به نقطه" جایگزین شده است.

اگرچه SATA 1.0 (SATA/150، 150 مگابایت بر ثانیه) به طور جزئی سریعتر از ATA-6 (UltraDMA/130، 130 مگابایت بر ثانیه) بود، حرکت به سمت ارتباط سریال "زمینه" را برای سرعت ایجاد کرد.

شانزده خط سیگنال برای انتقال داده در ATA با دو جفت پیچ خورده جایگزین شدند: یکی برای انتقال، دومی برای دریافت. کانکتورهای SATA به گونه‌ای طراحی شده‌اند که در برابر چندین اتصال مجدد مقاوم‌تر باشند و مشخصات SATA 1.0 اتصال داغ را امکان‌پذیر کرده است.

برخی از پین ها روی درایوها کوتاه تر از بقیه هستند. این کار برای پشتیبانی از «تبادل داغ» (Hot Swap) انجام می شود. در طی فرآیند تعویض، دستگاه به ترتیب از پیش تعیین شده خطوط را گم می کند و "پیدا می کند".

کمی بیشتر از یک سال بعد، در آوریل 2004، نسخه دوم مشخصات SATA منتشر شد. SATA 3 علاوه بر شتاب تا 2.0 گیگابیت بر ثانیه، فناوری را معرفی کرد صف بومی فرماندهی (NCQ). دستگاه های با پشتیبانی NCQ قادر به سازماندهی مستقل ترتیب اجرای دستورات دریافتی برای دستیابی به حداکثر عملکرد هستند.

سه سال بعد، گروه کاری SATA برای بهبود مشخصات موجود کار کرد و نسخه 2.6 کانکتورهای Slimline و micro SATA (uSATA) را معرفی کرد. این کانکتورها نسخه کوچکتری از کانکتور SATA اصلی هستند و برای درایوهای نوری و درایوهای کوچک در لپ تاپ ها طراحی شده اند.

در حالی که نسل دوم SATA دارای پهنای باند کافی برای هارد دیسک ها بود، SSD ها نیاز بیشتری داشتند. در می 2009، نسخه سوم مشخصات SATA با افزایش پهنای باند به 6 گیگابیت بر ثانیه منتشر شد.

توجه ویژه ای به درایوهای حالت جامد در نسخه SATA 3.1 شد. یک رابط Mini-SATA (mSATA) ظاهر شده است که برای اتصال درایوهای حالت جامد در لپ تاپ ها طراحی شده است. برخلاف Slimline و uSATA، کانکتور جدید شبیه PCIe Mini به نظر می رسید، اگرچه از نظر الکتریکی با PCIe سازگار نبود. علاوه بر کانکتور جدید، SATA 3.1 دارای قابلیت صف بندی دستورات TRIM با دستورات خواندن و نوشتن بود.

دستور TRIM به SSD از بلوک های داده ای که بار قابل حمل ندارند اطلاع می دهد. قبل از SATA 3.1، این دستور کش ها را پاک می کند و عملیات ورودی/خروجی را به حالت تعلیق در می آورد و به دنبال آن یک فرمان TRIM می دهد. این رویکرد عملکرد دیسک را در طول عملیات حذف کاهش داد.

مشخصات SATA با رشد سریع سرعت دسترسی برای SSD ها سازگار نبوده است که منجر به مصالحه ای در سال 2013 به نام SATA Express در استاندارد SATA 3.2 شد. توسعه دهندگان به جای دو برابر کردن مجدد پهنای باند SATA از گذرگاه PCIe پرکاربرد استفاده کرده اند که سرعت آن بیش از 6 گیگابیت بر ثانیه است. درایوهای با پشتیبانی SATA Express فاکتور فرم خاص خود را به نام M.2 به دست آورده اند.

SAS

استاندارد SCSI، "رقابت" با ATA نیز ثابت نماند و تنها یک سال پس از ظهور سریال ATA، در سال 2004، دوباره به یک رابط سریال تبدیل شد. نام رابط جدید است SCSI پیوست سریال (SEDGE).

اگرچه SAS مجموعه دستورات SCSI را به ارث برده است، تغییرات قابل توجه بودند:

• رابط سریال؛
• کابل 29 سیم با منبع تغذیه;
• اتصال نقطه به نقطه

اصطلاحات SCSI نیز به ارث رسیده است. کنترل کننده همچنان آغازگر نامیده می شود و دستگاه های متصل شده هدف نامیده می شوند. همه دستگاه های هدف و آغازگر یک دامنه SAS را تشکیل می دهند. در SAS، پهنای باند اتصال به تعداد دستگاه‌های موجود در دامنه بستگی ندارد، زیرا هر دستگاه از کانال اختصاصی خود استفاده می‌کند.

حداکثر تعداد دستگاه های متصل به طور همزمان در یک دامنه SAS، طبق مشخصات، بیش از 16 هزار دستگاه است و به جای شناسه SCSI، از یک شناسه برای آدرس دهی استفاده می شود. نام جهانی (WWN).

WWN یک شناسه منحصر به فرد به طول 16 بایت است که مشابه آدرس MAC برای دستگاه های SAS است.

با وجود شباهت های بین کانکتورهای SAS و SATA، این استانداردها کاملاً سازگار نیستند. با این حال، یک درایو SATA را می توان به یک کانکتور SAS متصل کرد، اما نه برعکس. سازگاری بین درایوهای SATA و دامنه SAS با استفاده از پروتکل SATA Tunneling Protocol (STP) تضمین می شود.

اولین نسخه استاندارد SAS-1 دارای پهنای باند 3 گیگابیت بر ثانیه است و مدرن ترین آن، SAS-4، این رقم را 7 برابر بهبود داده است: 22,5 گیگابیت در ثانیه.

PCIe

Peripheral Component Interconnect Express (PCI Express، PCIe) یک رابط سریال برای انتقال داده است که در سال 2002 ظاهر شد. این توسعه توسط اینتل آغاز شد و متعاقباً به یک سازمان ویژه - PCI Special Interest Group منتقل شد.

رابط سریال PCIe نیز از این قاعده مستثنی نبود و به ادامه منطقی PCI موازی تبدیل شد که برای اتصال کارت های توسعه طراحی شده است.

PCI Express تفاوت قابل توجهی با SATA و SAS دارد. رابط PCIe دارای تعداد خطوط متغیر است. تعداد خطوط برابر با توان دو است و از 1 تا 16 متغیر است.

اصطلاح "Lane" در PCIe به یک خط سیگنال خاص اشاره نمی کند، بلکه به یک پیوند ارتباطی تمام دوبلکس جداگانه متشکل از خطوط سیگنال زیر اشاره دارد:

• دریافت+ و دریافت-؛
• انتقال+ و انتقال-;
• چهار سیم زمین

تعداد خطوط PCIe مستقیماً بر حداکثر پهنای باند اتصال تأثیر می گذارد. استاندارد فعلی PCI Express 4.0 به شما امکان می دهد در یک خط به 1.9 گیگابایت در ثانیه و در صورت استفاده از 31.5 خط به 16 گیگابایت در ثانیه دست یابید.

"اشتهای" درایوهای حالت جامد بسیار سریع در حال افزایش است. هم SATA و هم SAS نتوانسته اند پهنای باند خود را برای همگامی با SSD ها افزایش دهند و همین امر منجر به معرفی SSD های متصل به PCIe شده است.

اگرچه کارت های افزودنی PCIe پیچ می شوند، PCIe قابل تعویض است. پین های کوتاه PRSNT (انگلیسی حاضر - حال) مطمئن شوید که کارت به طور کامل در شکاف نصب شده است.

درایوهای حالت جامد متصل شده از طریق PCIe توسط یک استاندارد جداگانه تنظیم می شوند مشخصات رابط کنترل کننده میزبان حافظه غیر فرار و در انواع فاکتورهای شکلی تجسم یافته اند، اما در قسمت بعدی در مورد آنها صحبت خواهیم کرد.

درایوهای راه دور

هنگام ایجاد انبارهای داده بزرگ، نیاز به پروتکل هایی وجود داشت که به شما امکان می داد درایوهای واقع در خارج از سرور را متصل کنید. اولین راه حل در این زمینه بود اینترنت SCSI (iSCSI)، توسط IBM و Cisco در سال 1998 توسعه یافت.

ایده پشت پروتکل iSCSI ساده است: دستورات SCSI در بسته‌های TCP/IP پیچیده می‌شوند و به شبکه ارسال می‌شوند. با وجود اتصال از راه دور، این توهم را به مشتریان می دهد که درایو به صورت محلی متصل است. شبکه فضای ذخیره سازی (SAN)، مبتنی بر iSCSI، می تواند بر روی زیرساخت شبکه موجود ساخته شود. استفاده از iSCSI هزینه سازماندهی SAN را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.

iSCSI یک گزینه "حق بیمه" دارد - پروتکل کانال فیبر (FCP). SAN با استفاده از FCP بر روی خطوط ارتباطی اختصاصی فیبر نوری ساخته شده است. این رویکرد به تجهیزات شبکه نوری اضافی نیاز دارد، اما پایدار و توان عملیاتی بالایی دارد.

پروتکل های زیادی برای ارسال دستورات SCSI از طریق شبکه های کامپیوتری وجود دارد. با این حال، تنها یک استاندارد وجود دارد که مشکل مخالف را حل می کند و به شما امکان می دهد بسته های IP را از طریق گذرگاه SCSI ارسال کنید - IP روی SCSI.

اکثر پروتکل‌های SAN از مجموعه دستورات SCSI برای مدیریت درایوها استفاده می‌کنند، اما استثناهایی مانند ساده وجود دارد ATA از طریق اترنت (AOE). پروتکل AoE دستورات ATA را در بسته های اترنت ارسال می کند، اما درایوها به صورت SCSI در سیستم ظاهر می شوند.

با ظهور درایوهای NVM Express، پروتکل های iSCSI و FCP دیگر نیازهای در حال رشد سریع SSD ها را برآورده نمی کنند. دو راه حل ظاهر شد:

• حذف گذرگاه PCI Express خارج از سرور؛
• ایجاد پروتکل NVMe over Fabrics.

حذف گذرگاه PCIe سخت افزار سوئیچینگ پیچیده ای ایجاد می کند اما پروتکل را تغییر نمی دهد.

پروتکل NVMe over Fabrics جایگزین خوبی برای iSCSI و FCP شده است. NVMe-oF از یک پیوند فیبر نوری و مجموعه دستور NVM Express استفاده می کند.

DDR-T

استانداردهای iSCSI و NVMe-oF مشکل اتصال درایوهای راه دور را به عنوان درایوهای محلی حل می کنند، در حالی که اینتل راه دیگری را پیش گرفت و درایو محلی را تا حد امکان به پردازنده نزدیک کرد. انتخاب روی اسلات‌های DIMM که رم به آن‌ها متصل است، افتاد. حداکثر پهنای باند DDR4 25 گیگابایت بر ثانیه است که بسیار سریعتر از گذرگاه PCIe است. اینگونه بود که SSD حافظه پایدار Intel® Optane™ DC متولد شد.

پروتکلی برای اتصال درایو به اسلات DIMM اختراع شد DDR-T، از نظر فیزیکی و الکتریکی با DDR4 سازگار است، اما به یک کنترلر خاص نیاز دارد که تفاوت بین نوار حافظه و درایو را ببیند. سرعت دسترسی به درایو کمتر از RAM، اما بیشتر از NVMe است.

DDR-T فقط با پردازنده های نسل Cascade Lake اینتل یا جدیدتر در دسترس است.

نتیجه

تقریباً همه اینترفیس ها از انتقال داده های سریالی تا موازی فاصله زیادی را طی کرده اند. سرعت SSD سر به فلک کشیده است، دیروز SSD ها یک کنجکاوی بودند و امروز NVMe دیگر جای تعجب ندارد.

در آزمایشگاه ما آزمایشگاه انتخاب شما می توانید درایوهای SSD و NVMe را خودتان تست کنید.

فقط کاربران ثبت نام شده می توانند در نظرسنجی شرکت کنند. ورود، لطفا.

آیا درایوهای NVMe در آینده نزدیک جایگزین SSD های کلاسیک خواهند شد؟

• ٪۱۰۰بله 100

• ٪۱۰۰شماره 80

180 کاربر رای دادند. 28 کاربر رای ممتنع دادند.

منبع: www.habr.com