В ciklus "Bevezetés az SSD-be" beszéltünk a lemezek megjelenésének történetéről. A második rész a meghajtókkal való interfészekről szól.
A processzor és a perifériák közötti kommunikáció előre meghatározott, interfészeknek nevezett konvenciók szerint történik. Ezek a megállapodások szabályozzák az interakció fizikai és szoftveres szintjét.
Interfész - a rendszer elemei közötti interakció eszközeinek, módszereinek és szabályainak összessége.
Az interfész fizikai megvalósítása a következő paraméterekre van hatással:
- a kommunikációs csatorna áteresztőképessége;
- az egyidejűleg csatlakoztatott eszközök maximális száma;
- az előforduló hibák száma.
A lemezes felületek rá vannak építve I/O portok, ami a memória I/O ellentéte, és nem foglal helyet a processzor címterében.
Párhuzamos és soros portok
Az adatcsere módszere szerint az I / O portok két típusra oszthatók:
- párhuzamos;
- következetes.
Ahogy a neve is sugallja, a párhuzamos port egyszerre több bitből álló gépszót küld. A párhuzamos port a legegyszerűbb módja az adatcserének, mivel nem igényel bonyolult áramköri megoldásokat. A legegyszerűbb esetben a gépi szó minden bitje a saját jelvonalán kerül elküldésre, és két szervizjelvonalat használnak visszacsatolásra: Az adatok készen állnak и Adatok elfogadva.
A párhuzamos portok első pillantásra jól skálázódnak: több jelvonal – több bit kerül továbbításra egyszerre, és ezáltal nagyobb az áteresztőképesség. A jelvonalak számának növekedése miatt azonban interferencia lép fel közöttük, ami a továbbított üzenetek torzulásához vezet.
A soros portok a párhuzamos ellentétei. Az adatok egy bitenként kerülnek továbbításra, ami csökkenti a jelvonalak teljes számát, de bonyolítja az I/O vezérlőt. Az adóvezérlő egyszerre fogadja a gépi szót, és egy-egy bitet kell továbbítania, a vevővezérlőnek pedig fogadnia kell a biteket, és ugyanabban a sorrendben kell tárolnia.
A kis számú jelvonal lehetővé teszi az üzenetátvitel gyakoriságának interferencia nélküli növelését.
SCSI
A Small Computer Systems Interface (SCSI) 1978-ban jelent meg, és eredetileg a különféle profilú eszközök egyetlen rendszerbe való egyesítésére tervezték. Az SCSI-1 specifikáció legfeljebb 8 eszköz csatlakoztatását teszi lehetővé (a vezérlővel együtt), mint például:
- szkennerek;
- szalagos meghajtók (szalagok);
- optikai meghajtók;
- lemezmeghajtók és egyéb eszközök.
Az SCSI eredeti neve Shugart Associates System Interface (SASI) volt, de a szabványügyi bizottság nem hagyott jóvá egy nevet a cégről, így egy napos ötletelés után megszületett a Small Computer Systems Interface (SCSI) név. Az SCSI "atyja", Larry Boucher a mozaikszót "sexy"-nek szánta, de olvassa el: "sсuzzy" ("mondd"). Ezt követően a "mond" kiejtése szilárdan beépült ebbe a szabványba.
A SCSI terminológiában a csatlakoztatott eszközök két típusra oszthatók:
- kezdeményezők;
- céleszközök.
A kezdeményező parancsot küld a céleszköznek, amely ezután választ küld a kezdeményezőnek. A kezdeményezők és a célpontok egy közös SCSI buszra csatlakoznak, amelynek sávszélessége az SCSI-1 szabvány szerint 5 MB/s.
A használt "közös busz" topológia számos korlátozást támaszt:
- a busz végein speciális eszközökre van szükség - terminátorokra;
- a busz sávszélessége meg van osztva az összes eszköz között;
- Az egyidejűleg csatlakoztatott eszközök maximális száma korlátozott.
A buszon lévő eszközöket egy egyedi szám azonosítja SCSI célazonosító. A rendszerben minden SCSI-egységet legalább egy logikai eszköz képvisel, amelyet a fizikai eszközön belül egyedi szám címez. Logikai egység száma (LUN).
Az SCSI-ben lévő parancsok az űrlapon kerülnek elküldésre parancsleíró blokkok (Command Descriptor Block, CDB), amely egy műveleti kódból és parancsparaméterekből áll. A szabvány több mint 200 parancsot ír le, négy kategóriába sorolva:
- Kötelező — a készüléknek támogatnia kell;
- Választható - megvalósítható;
- Szállító-specifikus - meghatározott gyártó által használt;
- Elavult - elavult parancsok.
A sok parancs közül csak három kötelező az eszközökhöz:
- TESZT EGYSÉG KÉSZ — a készülék készenlétének ellenőrzése;
- REQUEST SENS — kéri az előző parancs hibakódját;
- ÉRDEKLŐDÉS — kérje le a készülék főbb jellemzőit.
A parancs fogadása és feldolgozása után a céleszköz állapotkódot küld a kezdeményezőnek, amely leírja a végrehajtás eredményét.
Az SCSI további fejlesztése (SCSI-2 és Ultra SCSI specifikációk) kibővítette a használt parancsok listáját, és 16-ra növelte a csatlakoztatott eszközök számát, 640 MB/s-ra pedig a buszon az adatcsere sebességét. Mivel az SCSI egy párhuzamos interfész, az adatcsere gyakoriságának növelése a maximális kábelhossz csökkenésével járt, és a használat során kényelmetlenséget okozott.
Az Ultra-3 SCSI szabványtól kezdve megjelent a "hot plugging" támogatása - eszközök csatlakoztatása, amikor a tápfeszültség be van kapcsolva.
Az első ismert SCSI SSD az M-Systems FFD-350 volt, amelyet 1995-ben adtak ki. A lemez drága volt, és nem használták széles körben.
Jelenleg a párhuzamos SCSI nem egy népszerű lemezes interfész, de a parancskészletet továbbra is aktívan használják az USB és SAS interfészekben.
ATA/PATA
felület ATA (Advanced Technology Attachment), más néven PATA (Parallel ATA) a Western Digital fejlesztette ki 1986-ban. Az IDE szabvány marketingneve (Eng. Integrated Drive Electronics – „a meghajtóba épített elektronika”) egy fontos újítást hangsúlyoz: a meghajtóvezérlőt a meghajtóba integrálták, nem pedig egy külön bővítőkártyára.
Az a döntés, hogy a vezérlőt a meghajtóba helyezték, egyszerre több problémát is megoldott. Először is, a meghajtó és a vezérlő közötti távolság csökkent, ami pozitívan befolyásolta a meghajtó teljesítményét. Másodszor, a beépített vezérlő csak egy bizonyos típusú meghajtóhoz volt "élesítve", és ennek megfelelően olcsóbb volt.
Az ATA az SCSI-hez hasonlóan párhuzamos I/O módszert használ, ami a használt kábeleken is tükröződik. A meghajtók IDE interfésszel történő csatlakoztatásához 40 magos kábelekre van szükség, amelyeket lapos kábeleknek is neveznek. Az újabb specifikációk 80 vezetékes csonkokat használnak, amelyeknek több mint fele földhurok, hogy csökkentsék a magas frekvenciájú interferenciát.
Az ATA kábelen kettő-négy csatlakozó található, amelyek közül az egyik az alaplaphoz, a többi a meghajtókhoz csatlakozik. Ha két eszközt csatlakoztat egy hurokban, az egyiket úgy kell konfigurálni, mint Mester, a második pedig mint Rabszolga. A harmadik eszköz csak olvasható módban csatlakoztatható.
A jumper helyzete meghatározza egy adott eszköz szerepét. A Master és Slave kifejezések az eszközökre vonatkozóan nem teljesen helyesek, mivel a vezérlőhöz képest minden csatlakoztatott eszköz Slave.
Az ATA-3 különleges újítása a megjelenés Önellenőrzés, Elemzési és jelentéskészítési technológia (SMART). Öt vállalat (IBM, Seagate, Quantum, Conner és Western Digital) egyesítette erőit és szabványosította a meghajtó állapotfelmérési technológiáját.
A szilárdtestalapú meghajtók támogatása a szabvány 1998-ban megjelent 33.3-es verziója óta létezik. A szabvány ezen verziója akár XNUMX MB/s adatátviteli sebességet biztosított.
A szabvány szigorú követelményeket támaszt az ATA kábelekkel szemben:
- a csónak laposnak kell lennie;
- a vonat maximális hossza 18 hüvelyk (45.7 centiméter).
A rövid és széles vonat kényelmetlen volt, és zavarta a hűtést. A szabvány minden következő verziójával egyre nehezebb volt az átviteli frekvenciát növelni, és az ATA-7 gyökeresen megoldotta a problémát: a párhuzamos interfészt sorosra cserélték. Ezt követően az ATA megszerezte a Parallel szót, és PATA néven vált ismertté, a szabvány hetedik verziója pedig más nevet kapott - Serial ATA. A SATA verziószámozás egytől indult.
SATA
A Serial ATA (SATA) szabványt 7. január 2003-én vezették be, és a következő változtatásokkal orvosolta elődje problémáit:
- párhuzamos port soros portra cserélve;
- széles 80 eres kábel helyett 7 vezetékes;
- a "közös busz" topológiát "pont-pont" kapcsolatra cserélték.
Annak ellenére, hogy a SATA 1.0 (SATA/150, 150 MB/s) valamivel gyorsabb volt, mint az ATA-6 (UltraDMA/130, 130 MB/s), a soros kommunikációra való átállás „megalapította” a sebességet.
Az ATA-ban az adatátvitelhez tizenhat jelvonalat két csavart érpárral helyettesítettek: az egyiket az átvitelre, a másodikat a vételre. A SATA csatlakozókat úgy tervezték, hogy ellenállóbbak legyenek a többszöri újracsatlakoztatással szemben, és a SATA 1.0 specifikáció lehetővé tette az üzem közbeni csatlakoztatást.
A meghajtókon néhány érintkező rövidebb, mint az összes többi. Ez a "hot swap" (Hot Swap) támogatása érdekében történik. A csere folyamata során a készülék „elveszíti” és „megtalálja” a vonalakat egy előre meghatározott sorrendben.
Valamivel több mint egy évvel később, 2004 áprilisában megjelent a SATA specifikáció második verziója. A 3 Gb / s-ig történő gyorsítás mellett a SATA 2.0 bevezette a technológiát Natív parancssor (NCQ). Az NCQ támogatással rendelkező eszközök képesek önállóan megszervezni a bejövő parancsok végrehajtási sorrendjét a maximális teljesítmény elérése érdekében.
A következő három évben a SATA munkacsoport a meglévő specifikáció javításán dolgozott, és a 2.6-os verzió kompakt Slimline és micro SATA (uSATA) csatlakozókat vezetett be. Ezek a csatlakozók az eredeti SATA-csatlakozó kisebb változatai, és a laptopok optikai meghajtóihoz és kis meghajtóihoz készültek.
Míg a második generációs SATA-nak elég volt a sávszélessége a merevlemezekhez, addig az SSD-k többet igényeltek. 2009 májusában megjelent a SATA specifikáció harmadik verziója, 6 Gb / s-ra növelt sávszélességgel.
A SATA 3.1 kiadásban különös figyelmet fordítottak a szilárdtestalapú meghajtókra. Megjelent egy Mini-SATA (mSATA) csatlakozó, amelyet laptopok szilárdtestalapú meghajtóinak csatlakoztatására terveztek. A Slimline-től és az uSATA-tól eltérően az új csatlakozó PCIe Mininek tűnt, bár elektromosan nem volt kompatibilis a PCIe-vel. Az új csatlakozó mellett a SATA 3.1 képes volt a TRIM parancsokat olvasási és írási parancsokkal sorba állítani.
A TRIM parancs értesíti az SSD-t azokról az adatblokkokról, amelyek nem hordoznak hasznos terhelést. A SATA 3.1 előtt ez a parancs kiürítette a gyorsítótárakat és felfüggesztette az I/O műveleteket, amit egy TRIM parancs követett. Ez a megközelítés rontotta a lemez teljesítményét a törlési műveletek során.
A SATA specifikáció nem tartott lépést az SSD-k hozzáférési sebességének gyors növekedésével, ami 2013-ban kompromisszumhoz vezetett a SATA Express elnevezéssel a SATA 3.2 szabványban. A SATA sávszélességének ismételt megduplázása helyett a fejlesztők a széles körben használt PCIe buszt használták, amelynek sebessége meghaladja a 6 Gb/s-ot. A SATA Express támogatással rendelkező meghajtók saját M.2-es formátumot kaptak.
SAS
Az ATA-val "versenyző" SCSI szabvány szintén nem állt meg, és alig egy évvel a Serial ATA megjelenése után, 2004-ben újjászületett soros interfésszel. Az új felület neve Soros csatolású SCSI (SAS).
Bár a SAS örökölte az SCSI parancskészletet, a változások jelentősek voltak:
- soros interfész;
- 29 vezetékes kábel tápegységgel;
- pont-pont kapcsolat
A SCSI terminológiát is örökölték. A vezérlőt továbbra is kezdeményezőnek, a csatlakoztatott eszközöket pedig célpontnak nevezik. Minden céleszköz és a kezdeményező SAS-tartományt alkot. A SAS-ban a kapcsolat sávszélessége nem függ a tartományban lévő eszközök számától, mivel minden eszköz saját dedikált csatornát használ.
Egy SAS tartományban az egyidejűleg csatlakoztatott eszközök maximális száma a specifikáció szerint meghaladja a 16 ezret, és SCSI ID helyett azonosítót használnak a címzésre. Világméretű név (WWN).
A WWN egy 16 bájt hosszú egyedi azonosító, amely hasonló a SAS-eszközök MAC-címéhez.
A SAS és SATA csatlakozók közötti hasonlóságok ellenére ezek a szabványok nem teljesen kompatibilisek. A SATA-meghajtó azonban csatlakoztatható SAS-csatlakozóhoz, de fordítva nem. A SATA-meghajtók és a SAS-tartomány közötti kompatibilitást a SATA Tunneling Protocol (STP) biztosítja.
A SAS-1 szabvány első verziójának sávszélessége 3 Gb / s, a legmodernebb, a SAS-4 pedig hétszer javította ezt a számot: 7 Gb / s.
PCIe
A Peripheral Component Interconnect Express (PCI Express, PCIe) egy soros adatátviteli interfész, amely 2002-ben jelent meg. A fejlesztést az Intel indította el, majd egy speciális szervezethez, a PCI Special Interest Grouphoz került.
A soros PCIe interfész sem volt kivétel, és a párhuzamos PCI logikus folytatása lett, amelyet bővítőkártyák csatlakoztatására terveztek.
A PCI Express jelentősen eltér a SATA-tól és a SAS-tól. A PCIe interfész változó számú sávval rendelkezik. A sorok száma kettő hatványával egyenlő, és 1-től 16-ig terjed.
A PCIe-ben a "sáv" kifejezés nem egy adott jelsávra vonatkozik, hanem egy különálló full-duplex kommunikációs kapcsolatra, amely a következő jelsávokból áll:
- kap+ és kap-;
- átvitel+ és átvitel-;
- négy földelő vezeték.
A PCIe sávok száma közvetlenül befolyásolja a kapcsolat maximális sávszélességét. A jelenlegi PCI Express 4.0 szabvány lehetővé teszi, hogy egyetlen vonalon 1.9 GB / s, 31.5 vonal használata esetén pedig 16 GB / s.
A szilárdtestalapú meghajtók "étvágya" nagyon gyorsan nő. A SATA és a SAS sem tudja növelni a sávszélességét, hogy lépést tartson az SSD-kkel, ami a PCIe-csatlakozású SSD-k megjelenéséhez vezetett.
Bár a PCIe bővítőkártyák be vannak csavarva, a PCIe üzem közben cserélhető. Rövid tűk PRSNT (angol jelen - jelen) győződjön meg arról, hogy a kártya teljesen be van helyezve a nyílásba.
A PCIe-n keresztül csatlakoztatott szilárdtestalapú meghajtókat külön szabvány szabályozza A nem felejtő memória gazdagépvezérlő interfészének specifikációja és különféle formai tényezőkben testesülnek meg, de a következő részben róluk lesz szó.
Távoli meghajtók
A nagy adattárházak létrehozásakor szükség volt olyan protokollokra, amelyek lehetővé teszik a szerveren kívüli meghajtók csatlakoztatását. Az első megoldás ezen a területen az volt Internet SCSI (iSCSI), amelyet az IBM és a Cisco fejlesztett ki 1998-ban.
Az iSCSI-protokoll alapötlete egyszerű: az SCSI-parancsokat TCP/IP-csomagokba "csomagolják", és elküldik a hálózatra. A távoli kapcsolat ellenére azt az illúziót kelti az ügyfelek számára, hogy a meghajtó helyileg csatlakozik. Az iSCSI-n alapuló Storage Area Network (SAN) meglévő hálózati infrastruktúrára építhető. Az iSCSI használata jelentősen csökkenti a SAN megszervezésének költségeit.
Az iSCSI rendelkezik egy "prémium" opcióval - Fibre Channel Protocol (FCP). Az FCP-t használó SAN dedikált száloptikai kommunikációs vonalakra épül. Ez a megközelítés további optikai hálózati berendezéseket igényel, de stabil és nagy áteresztőképességű.
Számos protokoll létezik az SCSI-parancsok számítógépes hálózatokon keresztüli küldésére. Azonban csak egy szabvány létezik, amely megoldja az ellenkező problémát, és lehetővé teszi az IP-csomagok SCSI-buszon keresztüli küldését - .
A legtöbb SAN protokoll az SCSI parancskészletet használja a meghajtók kezelésére, de vannak kivételek, például az egyszerű ATA Etherneten keresztül (AOE). Az AoE protokoll Ethernet-csomagokban küldi az ATA-parancsokat, de a meghajtók SCSI-ként jelennek meg a rendszerben.
Az NVM Express meghajtók megjelenésével az iSCSI és FCP protokollok már nem felelnek meg az SSD-k gyorsan növekvő követelményeinek. Két megoldás született:
- a PCI Express busz eltávolítása a szerveren kívül;
- az NVMe over Fabrics protokoll létrehozása.
A PCIe busz eltávolítása bonyolult kapcsolóhardvert hoz létre, de nem változtatja meg a protokollt.
Az NVMe over Fabrics protokoll az iSCSI és az FCP jó alternatívájává vált. Az NVMe-oF száloptikai kapcsolatot és az NVM Express parancskészletet használja.
DDR-T
Az iSCSI és NVMe-oF szabványok megoldják a távoli meghajtók helyiként való csatlakoztatásának problémáját, míg az Intel a másik irányba ment, és a helyi meghajtót a lehető legközelebb hozta a processzorhoz. A választás azokra a DIMM-nyílásokra esett, amelyekbe a RAM csatlakozik. A maximális DDR4 sávszélesség 25 GB/s, ami sokkal gyorsabb, mint a PCIe busz. Így született meg az Intel® Optane™ DC Persistent Memory SSD.
Feltaláltak egy protokollt a meghajtó DIMM foglalatokhoz való csatlakoztatására DDR-T, fizikailag és elektromosan kompatibilis a DDR4-gyel, de speciális vezérlőt igényel, amely látja a különbséget a memóriasáv és a meghajtó között. A meghajtóhoz való hozzáférés sebessége kisebb, mint a RAM-hoz, de nagyobb, mint az NVMe-hez.
A DDR-T csak Intel® Cascade Lake generációs vagy újabb processzorokkal érhető el.
Következtetés
Szinte minden interfész hosszú utat tett meg a soros adatátviteltől a párhuzamos adatátvitelig. Az SSD sebessége az egekbe szökik, tegnap az SSD volt az érdekesség, ma pedig már az NVMe sem meglepetés.
Laboratóriumunkban maga is tesztelheti az SSD és NVMe meghajtókat.
A felmérésben csak regisztrált felhasználók vehetnek részt. , kérem.
Az NVMe meghajtók felváltják a klasszikus SSD-ket a közeljövőben?
-
55.5%Igen 100
-
44.4%No80
180 felhasználó szavazott. 28 felhasználó tartózkodott.
Forrás: will.com