В "Johdatus SSD-levyyn" -sarjassa puhuimme levyjen ilmestymisen historiasta. Toisessa osassa puhutaan käyttöliittymistä asemien kanssa vuorovaikutukseen.
Kommunikointi prosessorin ja oheislaitteiden välillä tapahtuu ennalta määritettyjen käytäntöjen mukaisesti, joita kutsutaan rajapinnoiksi. Nämä sopimukset säätelevät vuorovaikutuksen fyysistä ja ohjelmistotasoa.
Käyttöliittymä on joukko työkaluja, menetelmiä ja sääntöjä järjestelmän elementtien väliseen vuorovaikutukseen.
Liittymän fyysinen toteutus vaikuttaa seuraaviin parametreihin:
- viestintäkanavan kapasiteetti;
- samanaikaisesti kytkettyjen laitteiden enimmäismäärä;
- tapahtuvien virheiden määrä.
Levyliitännät on rakennettu I/O-portit, joka on vastakohta muistin I/O:lle eikä vie tilaa prosessorin osoiteavaruudessa.
Rinnakkais- ja sarjaportit
Tiedonvaihtotavan mukaan I/O-portit jaetaan kahteen tyyppiin:
- yhdensuuntainen;
- johdonmukainen.
Kuten nimestä voi päätellä, rinnakkaisportti lähettää konesanan, joka koostuu useasta bitistä kerrallaan. Rinnakkaisportti on yksinkertaisin tapa vaihtaa tietoja, koska se ei vaadi monimutkaisia piiriratkaisuja. Yksinkertaisimmassa tapauksessa konesanan jokainen bitti lähetetään omaa signaalilinjaansa pitkin ja palautetta varten käytetään kahta palvelusignaalilinjaa: Data valmiina и Tiedot hyväksytään.
Rinnakkaisportit näyttävät ensi silmäyksellä skaalautuvan erittäin hyvin: enemmän signaalilinjoja tarkoittaa, että enemmän bittejä siirretään kerralla ja siten suurempaa suorituskykyä. Signaalilinjojen lukumäärän lisääntymisen vuoksi niiden välillä esiintyy kuitenkin häiriöitä, mikä johtaa lähetettyjen viestien vääristymiseen.
Sarjaportit ovat rinnakkaisporttien vastakohta. Data lähetetään bitti kerrallaan, mikä vähentää signaalilinjojen kokonaismäärää, mutta lisää I/O-ohjaimen monimutkaisuutta. Lähetinohjain vastaanottaa konesanan kerrallaan ja sen on lähetettävä bitti kerrallaan, ja vastaanottimen ohjaimen on puolestaan vastaanotettava bitit ja tallennettava ne samassa järjestyksessä.
Pieni määrä signaalilinjoja mahdollistaa viestin lähetyksen taajuuden lisäämisen ilman häiriöitä.
SCSI
Small Computer Systems Interface (SCSI) ilmestyi jo vuonna 1978, ja se oli alun perin suunniteltu yhdistämään eri profiilien laitteet yhdeksi järjestelmäksi. SCSI-1-spesifikaatio mahdollistaa jopa 8 laitteen kytkemisen (yhdessä ohjaimen kanssa), kuten:
- skannerit;
- nauha-asemat (suorittimet);
- optiset asemat;
- levyasemat ja muut laitteet.
SCSI:n nimi oli alun perin Shugart Associates System Interface (SASI), mutta standardikomitea ei hyväksynyt nimeä yrityksen mukaan, ja päivän aivoriihen jälkeen syntyi nimi Small Computer Systems Interface (SCSI). SCSI:n "isä", Larry Boucher, tarkoitti lyhenteen lausuttavan "seksikäs", mutta Luin "scuzzy" ("kerro minulle"). Myöhemmin "skazi" ääntäminen määritettiin tiukasti tähän standardiin.
SCSI-terminologiassa yhdistetyt laitteet jaetaan kahteen tyyppiin:
- aloitteentekijät;
- kohdelaitteet.
Aloittaja lähettää komennon kohdelaitteelle, joka sitten lähettää vastauksen aloittajalle. Aloittajat ja kohteet on kytketty yhteiseen SCSI-väylään, jonka kaistanleveys on 1 MB/s SCSI-5-standardissa.
Käytetty "yhteinen väylä" -topologia asettaa useita rajoituksia:
- Väylän päissä tarvitaan erityisiä laitteita - päätteitä;
- Väylän kaistanleveys jaetaan kaikkien laitteiden kesken;
- Samanaikaisesti yhdistettyjen laitteiden enimmäismäärä on rajoitettu.
Väylässä olevat laitteet tunnistetaan yksilöllisellä numerolla, jota kutsutaan SCSI-kohdetunnus. Jokaista järjestelmän SCSI-yksikköä edustaa vähintään yksi looginen laite, joka on osoitettu käyttämällä yksilöllistä numeroa fyysisessä laitteessa Loogisen yksikön numero (LUN).
SCSI-komennot lähetetään muodossa komentokuvauslohkot (Command Descriptor Block, CDB), joka koostuu toimintakoodista ja komentoparametreista. Standardi kuvaa yli 200 komentoa, jotka on jaettu neljään luokkaan:
- Pakollinen - laitteen on tuettava;
- valinnainen - voidaan toteuttaa;
- Myyjäkohtainen - tietyn valmistajan käyttämä;
- vanhentunut - vanhentuneet komennot.
Monista komennoista vain kolme on pakollisia laitteille:
- TESTIYKSIKKÖ VALMIS — laitteen valmiuden tarkistaminen;
- PYYNTÖ SENSE — pyytää edellisen komennon virhekoodia;
- TUTKIMUS — laitteen perusominaisuuksia koskeva pyyntö.
Vastaanotettuaan ja suoritettuaan komennon kohdelaite lähettää käynnistäjälle tilakoodin, joka kuvaa suoritustuloksen.
SCSI:n lisäparannukset (SCSI-2- ja Ultra SCSI-spesifikaatiot) laajensivat käytettyjen komentojen luetteloa ja lisäsivät kytkettyjen laitteiden lukumäärän 16:een ja tiedonsiirtonopeuden väylässä 640 MB/s:iin. Koska SCSI on rinnakkaisliitäntä, tiedonsiirtotaajuuden lisääminen liittyi kaapelin maksimipituuden pienenemiseen ja johti käytön epämukavuuteen.
Ultra-3 SCSI -standardista alkaen ilmestyi tuki "kuumaliitännälle" - laitteiden kytkeminen virran ollessa päällä.
Ensimmäisenä tunnettuna SCSI-liitännällä varustettuna SSD-asemana voidaan pitää vuonna 350 julkaistua M-Systems FFD-1995:tä. Levyllä oli korkea hinta, eikä se ollut laajalle levinnyt.
Tällä hetkellä rinnakkais-SCSI ei ole suosittu levyliitäntäliitäntä, mutta komentosarjaa käytetään edelleen aktiivisesti USB- ja SAS-liitännöissä.
ATA/PATA
liitäntä ATA (Advanced Technology Attachment), joka tunnetaan myös nimellä PATA (Parallel ATA) kehitti Western Digital vuonna 1986. IDE-standardin markkinointinimi (Integrated Drive Electronics) korosti tärkeää innovaatiota: taajuusmuuttajan ohjain rakennettiin taajuusmuuttajaan, ei erilliselle laajennuskortille.
Päätös sijoittaa ohjain aseman sisään ratkaisi useita ongelmia kerralla. Ensinnäkin etäisyys taajuusmuuttajasta säätimeen on pienentynyt, millä on positiivinen vaikutus taajuusmuuttajan ominaisuuksiin. Toiseksi, sisäänrakennettu ohjain oli "räätälöity" vain tietyntyyppiselle asemalle ja oli vastaavasti halvempi.
ATA, kuten SCSI, käyttää rinnakkaista I/O-menetelmää, joka vaikuttaa käytettyihin kaapeleihin. Asemien kytkemiseen IDE-liitännän avulla tarvitaan 40-johtimiskaapeleita, joita kutsutaan myös kaapeleiksi. Uusimmat tekniset tiedot käyttävät 80-johtimista silmukoita, joista yli puolet on syytä vähentää häiriöitä korkeilla taajuuksilla.
ATA-kaapelissa on kahdesta neljään liitintä, joista yksi on kytketty emolevyyn ja loput asemiin. Kun kaksi laitetta yhdistetään yhdellä kaapelilla, toinen niistä on määritettävä Master, ja toinen - as Orja. Kolmas laite voidaan liittää vain luku -tilassa.
Puskurin asento määrittää tietyn laitteen roolin. Laitteisiin liittyvät termit Master ja Slave eivät ole täysin oikeita, koska ohjaimen kannalta kaikki liitetyt laitteet ovat orjia.
Erityinen innovaatio ATA-3:ssa on ulkonäkö Itse valvova, Analyysi- ja raportointitekniikka (SMART). Viisi yritystä (IBM, Seagate, Quantum, Conner ja Western Digital) on yhdistänyt voimansa ja standardoinut teknologiaa asemien kunnon arvioimiseksi.
Tuki solid-state-asemille ilmestyi standardin neljännessä versiossa, joka julkaistiin vuonna 1998. Tämä standardin versio tarjosi tiedonsiirtonopeuden jopa 33.3 MB/s.
Standardi asettaa tiukat vaatimukset ATA-kaapeleille:
- junan on oltava tasainen;
- junan enimmäispituus on 18 tuumaa (45.7 senttimetriä).
Lyhyt ja leveä juna oli epämukava ja häiritsi jäähdytystä. Lähetystaajuuden lisääminen standardin jokaisella versiolla muuttui yhä vaikeammaksi, ja ATA-7 ratkaisi ongelman radikaalisti: rinnakkaisliitäntä korvattiin sarjaliitännällä. Tämän jälkeen ATA hankki sanan Parallel ja tuli tunnetuksi nimellä PATA, ja standardin seitsemäs versio sai toisen nimen - Serial ATA. SATA-versioiden numerointi alkoi yhdestä.
SATA
Serial ATA (SATA) -standardi otettiin käyttöön 7. tammikuuta 2003, ja se ratkaisi edeltäjänsä ongelmat seuraavilla muutoksilla:
- rinnakkaisportti on korvattu sarjaportilla;
- leveä 80-johtiminen kaapeli korvataan 7-johtimisella;
- "Yhteinen väylä" -topologia on korvattu "point-to-point" -yhteydellä.
Huolimatta siitä, että SATA 1.0 -standardi (SATA/150, 150 MB/s) oli hieman nopeampi kuin ATA-6 (UltraDMA/130, 130 MB/s), siirtyminen sarjatiedonvaihtomenetelmään "valmisteli maata" lisääntyneet nopeudet
Kuusitoista signaalilinjaa datan lähettämiseksi ATA:ssa korvattiin kahdella kierretyllä parilla: toinen lähetystä varten, toinen vastaanottoa varten. SATA-liittimet on suunniteltu kestävämmiksi useille uudelleenkytkennälle, ja SATA 1.0 -spesifikaatio teki mahdolliseksi Hot Plugin.
Jotkut levyjen nastat ovat lyhyempiä kuin kaikki muut. Tämä tehdään Hot Swapin tukemiseksi. Vaihtoprosessin aikana laite "menettää" ja "löytää" viivoja ennalta määrätyssä järjestyksessä.
Hieman yli vuotta myöhemmin, huhtikuussa 2004, julkaistiin SATA-määrittelyn toinen versio. Jopa 3 Gbit/s kiihdytyksen lisäksi SATA 2.0 esitteli teknologian Alkuperäinen komentojono (NCQ). NCQ-tuella varustetut laitteet pystyvät itsenäisesti järjestämään järjestyksen, jossa vastaanotetut komennot suoritetaan maksimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi.
Seuraavien kolmen vuoden aikana SATA-työryhmä pyrki parantamaan olemassa olevia määrityksiä, ja versiossa 2.6 ilmestyivät kompaktit Slimline- ja micro SATA (uSATA) -liittimet. Nämä liittimet ovat pienempiä versioita alkuperäisestä SATA-liittimestä, ja ne on suunniteltu kannettavien tietokoneiden optisille asemille ja pienille asemille.
Vaikka toisen sukupolven SATA:ssa oli tarpeeksi kaistanleveyttä kiintolevyille, SSD-levyt vaativat enemmän. Toukokuussa 2009 SATA-spesifikaatiosta julkaistiin kolmas versio, jonka kaistanleveys kasvoi 6 Gbit/s.
SATA 3.1 -versiossa kiinnitettiin erityistä huomiota solid-state-asemiin. Mini-SATA (mSATA) -liitin on ilmestynyt, joka on suunniteltu kannettavien tietokoneiden solid-state-asemien kytkemiseen. Toisin kuin Slimline ja uSATA, uusi liitin oli samanlainen kuin PCIe Mini, vaikka se ei ollut sähköisesti yhteensopiva PCIe:n kanssa. Uuden liittimen lisäksi SATA 3.1:ssä oli mahdollisuus asettaa TRIM-komentoja jonoon luku- ja kirjoituskomennoilla.
TRIM-komento ilmoittaa SSD:lle tietolohkoista, jotka eivät kuljeta hyötykuormaa. Ennen SATA 3.1:tä tämän komennon suorittaminen sai aikaan välimuistien tyhjennyksen ja I/O:n keskeytyksen, minkä jälkeen seuraisi TRIM-komento. Tämä lähestymistapa heikensi levyn suorituskykyä poistotoimintojen aikana.
SATA-spesifikaatiot eivät pysyneet tahdissa puolijohde-asemien pääsynopeuksien nopean kasvun kanssa, mikä johti vuonna 2013 SATA Express -nimisen kompromissin ilmestymiseen SATA 3.2 -standardissa. Sen sijaan, että SATA-kaistanleveys olisi jälleen kaksinkertaistettu, kehittäjät käyttivät laajalti käytettyä PCIe-väylää, jonka nopeus ylittää 6 Gbps. SATA Expressiä tukevat asemat ovat saaneet oman muotokertoimensa nimeltä M.2.
SAS
ATA:n kanssa ”kilpaileva” SCSI-standardi ei myöskään pysähtynyt, ja vain vuosi Serial ATA:n ilmestymisen jälkeen vuonna 2004 se syntyi uudelleen sarjaliitännänä. Uuden käyttöliittymän nimi on Serial Attached SCSI (SEDGE).
Huolimatta siitä, että SAS peri SCSI-komentojoukon, muutokset olivat merkittäviä:
- sarjaliitäntä;
- 29-johtiminen virtakaapeli;
- pisteestä pisteeseen -yhteys
Myös SCSI-terminologia periytyi. Ohjainta kutsutaan edelleen aloittajaksi ja kytkettyjä laitteita kutsutaan edelleen kohteeksi. Kaikki kohdelaitteet ja aloittaja muodostavat SAS-toimialueen. SAS:ssa yhteyden suorituskyky ei riipu toimialueen laitteiden määrästä, koska jokainen laite käyttää omaa kanavaansa.
Samanaikaisesti kytkettyjen laitteiden enimmäismäärä SAS-toimialueessa spesifikaation mukaan ylittää 16 tuhatta ja osoitteisiin käytetään SCSI ID:n sijaan tunnistetta. Maailmanlaajuinen nimi (WWN).
WWN on 16 tavua pitkä yksilöllinen tunniste, joka on analoginen SAS-laitteiden MAC-osoitteen kanssa.
Huolimatta SAS- ja SATA-liittimien samankaltaisuudesta nämä standardit eivät ole täysin yhteensopivia. SATA-asema voidaan kuitenkin liittää SAS-liittimeen, mutta ei päinvastoin. Yhteensopivuus SATA-asemien ja SAS-toimialueen välillä varmistetaan käyttämällä SATA Tunneling Protocol (STP) -protokollaa.
SAS-1-standardin ensimmäisen version nopeus on 3 Gbit/s, ja nykyaikaisin SAS-4 on parantanut tätä lukua 7 kertaa: 22,5 Gbit/s.
PCIe
Peripheral Component Interconnect Express (PCI Express, PCIe) on tiedonsiirtoon tarkoitettu sarjaliitäntä, joka ilmestyi vuonna 2002. Kehityksen aloitti Intel, ja se siirrettiin myöhemmin erityiseen organisaatioon - PCI Special Interest Group.
PCIe-sarjaliitäntä ei ollut poikkeus, ja siitä tuli looginen jatko rinnakkais-PCI:lle, joka on suunniteltu laajennuskorttien liittämiseen.
PCI Express eroaa merkittävästi SATA:sta ja SAS:sta. PCIe-liitännässä on vaihteleva määrä kaistaa. Rivien lukumäärä on yhtä suuri kuin kahden potenssit ja vaihtelee välillä 1-16.
Termi "kaista" PCIe:ssä ei viittaa tiettyyn signaalilinjaan, vaan yhteen full-duplex-tietoliikennekanavaan, joka koostuu seuraavista signaalilinjoista:
- vastaanotto+ ja vastaanotto-;
- lähetys+ ja siirto-;
- neljä maadoitusjohdinta.
PCIe-kaistojen määrä vaikuttaa suoraan yhteyden maksimikapasiteettiin. Nykyaikainen PCI Express 4.0 -standardi mahdollistaa 1.9 Gt/s nopeuden yhdellä linjalla ja 31.5 Gt/s käytettäessä 16 linjaa.
Kiinnostus solid-state-asemiin kasvaa erittäin nopeasti. Sekä SATA:lla että SAS:lla ei ole aikaa lisätä kaistanleveyttään pysyäkseen SSD-levyjen perässä, mikä johti PCIe-liitännöillä varustettujen SSD-asemien syntymiseen.
Vaikka PCIe-lisäkortit ovat kiinni, PCIe on hot-swap-vaihtokelpoinen. Lyhyet PRSNT-nastat (englanniksi present - present) mahdollistavat, että voit varmistaa, että kortti on asennettu kokonaan korttipaikkaan.
PCIe:n kautta kytkettyjä puolijohdeasemia säätelee erillinen standardi Haihtumattoman muistin isäntäohjaimen liitännän määritys ja ne ilmentyvät useissa muototekijöissä, mutta puhumme niistä seuraavassa osassa.
Etäasemat
Suuria tietovarastoja luotaessa syntyi tarve protokollille, jotka mahdollistavat palvelimen ulkopuolella olevien asemien yhdistämisen. Ensimmäinen ratkaisu tällä alalla oli Internet SCSI (iSCSI), IBM:n ja Ciscon vuonna 1998 kehittämä.
iSCSI-protokollan idea on yksinkertainen: SCSI-komennot "kääritään" TCP/IP-paketteihin ja lähetetään verkkoon. Etäyhteydestä huolimatta asiakkaille luodaan illuusio, että asema on kytketty paikallisesti. iSCSI-pohjainen Storage Area Network (SAN) voidaan rakentaa olemassa olevaan verkkoinfrastruktuuriin. iSCSI:n käyttö vähentää merkittävästi SAN:n järjestämiskustannuksia.
iSCSI:ssä on "premium"-vaihtoehto - Kuitukanavaprotokolla (FCP). FCP:tä käyttävä SAN on rakennettu kuituoptisille tietoliikennelinjoille. Tämä lähestymistapa vaatii ylimääräisiä optisia verkkolaitteita, mutta on vakaa ja sen suorituskyky on korkea.
SCSI-komentojen lähettämiseen tietokoneverkoissa on monia protokollia. On kuitenkin vain yksi standardi, joka ratkaisee päinvastaisen ongelman ja sallii IP-pakettien lähettämisen SCSI-väylän kautta - .
Useimmat SAN-protokollat käyttävät SCSI-komentosarjaa asemien hallintaan, mutta on poikkeuksia, kuten yksinkertaisia ATA Ethernetin kautta (AoE). AoE-protokolla lähettää ATA-komennot Ethernet-paketteina, mutta asemat näkyvät järjestelmässä SCSI-muodossa.
NVM Express -asemien myötä iSCSI- ja FCP-protokollat eivät enää täytä SSD-levyjen nopeasti kasvavia vaatimuksia. Kaksi ratkaisua löytyi:
- PCI Express -väylän siirtäminen palvelimen ulkopuolelle;
- NVMe over Fabrics -protokollan luominen.
PCIe-väylän poistaminen edellyttää monimutkaisten kytkentälaitteiden luomista, mutta se ei muuta protokollaa.
NVMe over Fabrics -protokollasta on tullut hyvä vaihtoehto iSCSI:lle ja FCP:lle. NVMe-oF käyttää kuituoptista linkkiä ja NVM Express -käskysarjaa.
DDR-T
iSCSI- ja NVMe-oF-standardit ratkaisevat etälevyjen yhdistämisongelman paikallisiksi, mutta Intel valitsi toisen reitin ja toi paikallisen levyn mahdollisimman lähelle prosessoria. Valinta osui DIMM-paikkoihin, joihin RAM on kytketty. DDR4-kanavan maksimikaistanleveys on 25 Gt/s, mikä on huomattavasti suurempi kuin PCIe-väylän nopeus. Näin syntyi Intel® Optane™ DC Persistent Memory SSD.
Asemien liittämiseksi DIMM-paikkoihin keksittiin protokolla DDR-T, fyysisesti ja sähköisesti yhteensopiva DDR4:n kanssa, mutta vaatii erityisen ohjaimen, joka näkee eron muistitikun ja aseman välillä. Aseman pääsynopeus on hitaampi kuin RAM, mutta nopeampi kuin NVMe.
DDR-T on saatavilla vain Intel® Cascade Lake -suorittimien tai uudempien kanssa.
Johtopäätös
Lähes kaikki liitännät ovat kulkeneet pitkän matkan sarjamuotoisista tiedonsiirtomenetelmistä rinnakkaisiin tiedonsiirtomenetelmiin. SSD-nopeudet kasvavat nopeasti; vielä eilen SSD-levyt olivat uutuus, mutta tänään NVMe ei ole enää erityisen yllättävää.
Meidän laboratoriossa voit testata SSD- ja NVMe-asemia itse.
Vain rekisteröityneet käyttäjät voivat osallistua kyselyyn. , ole kiltti.
Korvaavatko NVMe-asemat klassiset SSD-levyt lähitulevaisuudessa?
-
55.5%Kyllä 100
-
44.4%Nro 80
180 käyttäjää äänesti. 28 käyttäjää pidättyi äänestämästä.
Lähde: will.com