Kynning á SSD. Part 2. Tengi

В síðasta hluta Í „Inngangur að SSD“ seríunni ræddum við sögu útlits diska. Í seinni hlutanum verður fjallað um tengi fyrir samskipti við diska.

Samskipti milli örgjörvans og jaðartækja eiga sér stað samkvæmt fyrirfram skilgreindum venjum sem kallast tengi. Þessir samningar stjórna líkamlegu og hugbúnaðarstigi samskipta.

Tengi er sett af verkfærum, aðferðum og reglum um samspil milli kerfisþátta.

Líkamleg útfærsla viðmótsins hefur áhrif á eftirfarandi breytur:

• getu samskiptarásar;
• hámarksfjöldi tækja sem eru tengd samtímis;
• fjölda villna sem eiga sér stað.

Diskaviðmót eru byggð á I/O tengi, sem er andstæða minni I/O og tekur ekki pláss í vistfangarými örgjörvans.

Samhliða og raðtengi

Samkvæmt gagnaskiptaaðferðinni er I/O tengi skipt í tvær gerðir:

• samsíða;
• samkvæmur.

Eins og nafnið gefur til kynna sendir samhliða tengi vélarorð sem samanstendur af nokkrum bitum í einu. Samhliða tengi er einfaldasta leiðin til að skiptast á gögnum, þar sem það krefst ekki flókinna rafrásalausna. Í einfaldasta tilvikinu er hver biti af vélorði sendur eftir sinni eigin merkjalínu og tvær þjónustumerkjalínur eru notaðar fyrir endurgjöf: Gögn tilbúin и Gögn samþykkt.

Samhliða tengi virðast stækka mjög vel við fyrstu sýn: fleiri merkjalínur þýða að fleiri bitar eru fluttir í einu og því meiri afköst. Hins vegar, vegna fjölgunar merkjalína, verða truflanir á milli þeirra sem leiða til röskunar á sendum skilaboðum.

Raðtengi eru andstæða samhliða tengi. Gögn eru send einn bita í einu, sem dregur úr heildarfjölda merkjalína en eykur flókið I/O stjórnandi. Sendistjórnandinn tekur við vélarorði í einu og verður að senda einn bita í einu, og móttakastýringin verður aftur á móti að taka við bitunum og geyma þá í sömu röð.

Lítill fjöldi merkjalína gerir þér kleift að auka tíðni skilaboðasendinga án truflana.

SCSI

Small Computer Systems Interface (SCSI) birtist aftur árið 1978 og var upphaflega hannað til að sameina tæki af ýmsum sniðum í eitt kerfi. SCSI-1 forskriftin veitti til að tengja allt að 8 tæki (ásamt stjórnandanum), eins og:

• skannar;
• segulbandsdrif (straumspilarar);
• sjóndrifa;
• diskadrif og önnur tæki.

SCSI hét upphaflega Shugart Associates System Interface (SASI) en staðlanefndin myndi ekki samþykkja nafnið á eftir fyrirtækinu og eftir einn dag í hugarflugi fæddist nafnið Small Computer Systems Interface (SCSI). „Faðir“ SCSI, Larry Boucher, ætlaði að skammstöfunin yrði borin fram „kynþokkafull“ en Dal Allan Ég las „scuzzy“ („segðu mér“). Í kjölfarið var framburðurinn „skazi“ fastlega úthlutað þessum staðli.

Í SCSI hugtökum er tengdum tækjum skipt í tvær gerðir:

• frumkvöðlar;
• miða tæki.

Upphafsmaðurinn sendir skipun til marktækisins sem sendir síðan svar til upphafsmannsins. Hljóðfæri og skotmörk eru tengd við sameiginlega SCSI rútu, sem hefur 1 MB/s bandbreidd í SCSI-5 staðlinum.

„Algenga strætó“ svæðisfræðin sem notuð er setur ýmsar takmarkanir:

• Í endum strætósins eru sérstök tæki nauðsynleg - terminators;
• Strætóbandbreiddinni er deilt á milli allra tækja;
• Hámarksfjöldi tækja sem eru tengd samtímis er takmarkaður.

Tæki í strætó eru auðkennd með einstöku númeri sem hringt er í SCSI markauðkenni. Hver SCSI eining í kerfinu er táknuð með að minnsta kosti einu rökrænu tæki, sem er beint með því að nota einstakt númer innan líkamlega tækisins Rökrétt eininganúmer (LUN).

SCSI skipanir eru sendar sem skipanalýsingarblokkir (Command Descriptor Block, CDB), sem samanstendur af aðgerðakóða og skipunarfæribreytum. Staðallinn lýsir meira en 200 skipunum, skipt í fjóra flokka:

• Skylda - verður að vera studdur af tækinu;
• Valfrjálst - hægt að útfæra;
• Seljandi sértækt - notað af tilteknum framleiðanda;
• Úreltur - úreltar skipanir.

Meðal margra skipana eru aðeins þrjár þeirra nauðsynlegar fyrir tæki:

• PRÓFAEINING TILBÚIN — athuga hvort tækið sé tilbúið;
• BESKIÐ SENSE — biður um villukóða fyrri skipunarinnar;
• Fyrirspurn — beiðni um grunneiginleika tækisins.

Eftir að hafa móttekið og framkvæmt skipunina sendir marktækið upphafsmanni stöðukóða sem lýsir framkvæmdarniðurstöðunni.

Frekari endurbætur á SCSI (SCSI-2 og Ultra SCSI forskriftir) stækkuðu listann yfir notaðar skipanir og fjölgaði tengdum tækjum í 16 og gagnaskiptahraða í strætó í 640 MB/s. Þar sem SCSI er samhliða viðmót tengdist aukning á gagnaskiptatíðni minnkun á hámarks snúrulengd og leiddi til óþæginda við notkun.

Frá og með Ultra-3 SCSI staðlinum birtist stuðningur við „hitatengingu“ - að tengja tæki á meðan kveikt er á straumnum.

Fyrsta þekkta SSD drifið með SCSI viðmóti getur talist M-Systems FFD-350, gefið út árið 1995. Diskurinn kostaði mikið og var ekki útbreiddur.

Eins og er er samhliða SCSI ekki vinsælt disktengiviðmót, en skipanasettið er samt virkt notað í USB og SAS tengi.

ATA/PATA

tengi ATA (Advanced Technology Attachment), einnig þekkt sem HÓFUR (Parallel ATA) var þróað af Western Digital árið 1986. Markaðsheitið fyrir IDE staðalinn (Integrated Drive Electronics) lagði áherslu á mikilvæga nýjung: drifstýringin var innbyggð í drifið, frekar en á sérstakri stækkunartöflu.

Ákvörðunin um að setja stjórnandann inni í drifinu leysti nokkur vandamál í einu. Í fyrsta lagi hefur fjarlægðin frá drifinu til stjórnandans minnkað sem hefur jákvæð áhrif á eiginleika drifsins. Í öðru lagi var innbyggði stjórnandinn „sérsniðinn“ aðeins fyrir ákveðna tegund drifs og var því ódýrari.

ATA, eins og SCSI, notar samhliða I/O aðferð, sem hefur áhrif á snúrurnar sem notaðar eru. Til að tengja drif með IDE tengi þarf 40 víra snúrur, einnig kallaðar snúrur. Nýrri forskriftir nota 80 víra lykkjur: meira en helmingur þeirra er tilefni til að draga úr truflunum á háum tíðnum.

ATA snúran er með frá tveimur til fjórum tengjum, þar af eitt tengt við móðurborðið og hitt við drifið. Þegar tvö tæki eru tengd með einni snúru verður annað þeirra að vera stillt sem Meistari, og annað - sem Slave. Þriðja tækið er eingöngu hægt að tengja í skrifvarinn ham.

Staða stökkvarans tilgreinir hlutverk tiltekins tækis. Hugtökin Master og Slave í tengslum við tæki eru ekki alveg rétt, þar sem með tilliti til stjórnandans eru öll tengd tæki þrælar.

Sérstök nýjung í ATA-3 er útlitið Sjálfseftirlit, Greiningar- og skýrslutækni (SMART). Fimm fyrirtæki (IBM, Seagate, Quantum, Conner og Western Digital) hafa tekið höndum saman og staðlað tækni til að meta heilbrigði diska.

Stuðningur við solid-state drif birtist með fjórðu útgáfu staðalsins, gefin út árið 1998. Þessi útgáfa af staðlinum veitti gagnaflutningshraða allt að 33.3 MB/s.

Staðallinn setur fram strangar kröfur um ATA snúrur:

• lestin verður að vera flöt;
• hámarkslengd lestar er 18 tommur (45.7 sentimetrar).

Stutta og breið lestin var óþægileg og truflaði kælingu. Það varð sífellt erfiðara að auka flutningstíðnina með hverri síðari útgáfu staðalsins og ATA-7 leysti vandamálið á róttækan hátt: samhliða viðmótinu var skipt út fyrir raðviðmót. Eftir þetta eignaðist ATA orðið Parallel og varð þekkt sem PATA og sjöunda útgáfan af staðlinum fékk annað nafn - Serial ATA. Númerun SATA útgáfur byrjaði frá einum.

SATA

Serial ATA (SATA) staðallinn var kynntur 7. janúar 2003 og tók á vandamálum forvera hans með eftirfarandi breytingum:

• samhliða tengi hefur verið skipt út fyrir raðtengi;
• breið 80 víra kapalinn er skipt út fyrir 7 víra;
• „Common bus“ svæðisfræði hefur verið skipt út fyrir „point-to-point“ tengingu.

Þrátt fyrir þá staðreynd að SATA 1.0 staðallinn (SATA/150, 150 MB/s) var örlítið hraðari en ATA-6 (UltraDMA/130, 130 MB/s), „undirbjó umskiptin í raðgagnaskiptaaðferð jarðveginn“ fyrir aukinn hraða

Sextán merkjalínum til að senda gögn í ATA var skipt út fyrir tvö snúin pör: önnur til að senda, hin til að taka á móti. SATA tengi eru hönnuð til að vera seigur fyrir mörgum endurtengingum og SATA 1.0 forskriftin gerði Hot Plug mögulega.

Sumir pinnar á diskunum eru styttri en allir hinir. Þetta er gert til að styðja við Hot Swap. Meðan á skiptaferlinu stendur „missir“ tækið og „finnur“ línur í fyrirfram ákveðinni röð.

Aðeins meira en ári síðar, í apríl 2004, kom út önnur útgáfan af SATA forskriftinni. Auk hröðunar allt að 3 Gbit/s kynnti SATA 2.0 tækni Native Command Queuing (NCQ). Tæki með NCQ stuðning eru fær um að skipuleggja sjálfstætt röð móttekinna skipana til að ná hámarks afköstum.

Á næstu þremur árum vann SATA vinnuhópurinn að því að bæta núverandi forskrift og í útgáfu 2.6 komu fyrirferðarlítil Slimline og micro SATA (uSATA) tengi. Þessi tengi eru minni útgáfa af upprunalegu SATA tenginu og eru hönnuð fyrir sjóndrif og lítil drif í fartölvum.

Þó að önnur kynslóð SATA hafi næga bandbreidd fyrir harða diska, þá þurftu SSDs meira. Í maí 2009 var þriðja útgáfan af SATA forskriftinni gefin út með aukinni bandbreidd í 6 Gbit/s.

Sérstaklega var hugað að solid-state drifum í SATA 3.1 útgáfunni. Mini-SATA (mSATA) tengi hefur birst, hannað til að tengja solid-state drif í fartölvum. Ólíkt Slimline og uSATA var nýja tengið svipað PCIe Mini, þó það væri ekki rafmagnssamhæft við PCIe. Til viðbótar við nýja tengið, státaði SATA 3.1 af getu til að setja TRIM skipanir í biðröð með les- og skrifskipunum.

TRIM skipunin lætur SSD vita um gagnablokkir sem bera ekki farm. Fyrir SATA 3.1 myndi framkvæma þessa skipun valda því að skyndiminni væri skolað og I/O yrði stöðvað, fylgt eftir með TRIM skipun. Þessi nálgun rýrði afköst disksins við eyðingaraðgerðir.

SATA forskriftin gat ekki fylgst með hröðum vexti aðgangshraða fyrir solid-state drif, sem leiddi til þess að árið 2013 birtist málamiðlun sem kallast SATA Express í SATA 3.2 staðlinum. Í stað þess að tvöfalda SATA bandbreiddina aftur, notuðu verktakarnir hina mikið notaðu PCIe strætó, en hraðinn fer yfir 6 Gbps. Drif sem styðja SATA Express hafa eignast sinn eigin formstuðli sem kallast M.2.

SAS

SCSI staðallinn, sem „keppir“ við ATA, stóð heldur ekki í stað og aðeins ári eftir að Serial ATA kom fram, árið 2004, endurfæddist hann sem raðviðmót. Nafnið á nýja viðmótinu er Serial Attached SCSI (SEDGE).

Þrátt fyrir að SAS hafi erft SCSI skipanasettið voru breytingarnar verulegar:

• raðviðmót;
• 29 víra rafmagnssnúra;
• punkt-til-punkt tengingu

SCSI hugtök voru einnig í arf. Stjórnandinn er enn kallaður upphafsmaður og tengdu tækin eru enn kölluð skotmarkið. Öll marktæki og frumkvöðull mynda SAS lén. Í SAS er tengingarafköst ekki háð fjölda tækja á léninu, þar sem hvert tæki notar sína sérstaka rás.

Hámarksfjöldi samtímis tengdra tækja á SAS léni samkvæmt forskrift fer yfir 16 þúsund og í stað SCSI auðkennis er auðkenni notað til að takast á við Nafn um allan heim (WWN).

WWN er einstakt auðkenni 16 bæta langt, hliðstætt MAC vistfangi fyrir SAS tæki.

Þrátt fyrir líkt með SAS og SATA tengjum eru þessir staðlar ekki fullkomlega samhæfðir. Hins vegar er hægt að tengja SATA drif við SAS tengi, en ekki öfugt. Samhæfni milli SATA drifs og SAS lénsins er tryggð með því að nota SATA Tunneling Protocol (STP).

Fyrsta útgáfan af SAS-1 staðlinum hefur afköst upp á 3 Gbit/s og sú nútímalegasta, SAS-4, hefur bætt þessa tölu um 7 sinnum: 22,5 Gbit/s.

PCIe

Peripheral Component Interconnect Express (PCI Express, PCIe) er raðviðmót fyrir gagnaflutning, sem kom fram árið 2002. Þróun var hafin af Intel og í kjölfarið flutt til sérstakrar stofnunar - PCI Special Interest Group.

Serial PCIe tengi var engin undantekning og varð rökrétt framhald af samhliða PCI, sem er hannað til að tengja stækkunarkort.

PCI Express er verulega frábrugðið SATA og SAS. PCIe tengið hefur breytilegan fjölda brauta. Fjöldi lína er jafngildi tveggja velda og er á bilinu 1 til 16.

Hugtakið „akrein“ í PCIe vísar ekki til sérstakrar merkislínu, heldur einni fullri tvíhliða samskiptarás sem samanstendur af eftirfarandi merkjalínum:

• móttaka+ og móttaka-;
• sending+ og sending-;
• fjórir jarðleiðarar.

Fjöldi PCIe brauta hefur bein áhrif á hámarksafköst tengingarinnar. Nútíma PCI Express 4.0 staðall gerir þér kleift að ná 1.9 GB/s á einni línu og 31.5 GB/s þegar þú notar 16 línur.

Matarlystin fyrir solid-state drifum vex mjög hratt. Bæði SATA og SAS hafa ekki tíma til að auka bandbreidd sína til að „fylgjast“ með SSD, sem leiddi til þess að SSD drif komu fram með PCIe tengingum.

Þrátt fyrir að PCIe viðbótarkort séu skrúfuð á er hægt að skipta um PCIe. Stuttir PRSNT pinnar (enska til staðar - til staðar) gera þér kleift að ganga úr skugga um að kortið sé alveg sett í raufina.

Solid-state drif sem eru tengd með PCIe eru stjórnað af sérstökum staðli Forskrift fyrir viðmótsviðmót fyrir óstöðugt minni gestgjafastýringar og felast í ýmsum formþáttum, en við munum tala um þá í næsta hluta.

Fjardrifir

Þegar stór gagnavöruhús voru búin til kom upp þörf fyrir samskiptareglur sem gera kleift að tengja drif sem eru staðsett utan netþjónsins. Fyrsta lausnin á þessu sviði var Internet SCSI (iSCSI), þróað af IBM og Cisco árið 1998.

Hugmyndin um iSCSI samskiptareglur er einföld: SCSI skipanir eru „vafðar“ inn í TCP/IP pakka og sendar á netið. Þrátt fyrir fjartenginguna skapast sú blekking fyrir viðskiptavini að drifið sé tengt á staðnum. Hægt er að byggja upp iSCSI byggt geymslusvæðisnet (SAN) á núverandi netkerfi. Notkun iSCSI dregur verulega úr kostnaði við að skipuleggja SAN.

iSCSI er með „premium“ valmöguleika - Fibre Channel Protocol (FCP). SAN sem notar FCP er byggt á sérstökum ljósleiðarasamskiptalínum. Þessi aðferð krefst viðbótar sjónkerfisbúnaðar, en er stöðug og hefur mikla afköst.

Það eru margar samskiptareglur til að senda SCSI skipanir yfir tölvunet. Hins vegar er aðeins einn staðall sem leysir hið gagnstæða vandamál og gerir kleift að senda IP pakka yfir SCSI strætó - IP-yfir-SCSI.

Flestar SAN samskiptareglur nota SCSI skipanasettið til að stjórna drifum, en það eru undantekningar, svo sem einfalt ATA yfir Ethernet (AoE). AoE samskiptareglan sendir ATA skipanir í Ethernet pakka, en drif birtast sem SCSI í kerfinu.

Með tilkomu NVM Express drifa uppfylla iSCSI og FCP samskiptareglur ekki lengur ört vaxandi kröfum SSD diska. Tvær lausnir birtust:

• færa PCI Express strætó út fyrir netþjóninn;
• stofnun NVMe over Fabrics samskiptareglur.

Að fjarlægja PCIe strætó felur í sér að búa til flókinn rofabúnað, en breytir ekki samskiptareglunum.

NVMe over Fabrics samskiptareglur hafa orðið góður valkostur við iSCSI og FCP. NVMe-oF notar ljósleiðaratengil og NVM Express leiðbeiningasettið.

DDR-T

iSCSI og NVMe-oF staðlarnir leysa vandamálið við að tengja fjardiska sem staðbundna, en Intel fór aðra leið og færði staðbundna diskinn eins nálægt örgjörvanum og hægt var. Valið féll á DIMM raufar sem vinnsluminni er tengt í. Hámarksbandbreidd DDR4 rásar er 25 GB/s, sem er verulega hærra en hraði PCIe strætósins. Svona fæddist Intel® Optane™ DC Persistent Memory SSD.

Samskiptareglur voru fundin upp til að tengja drif við DIMM raufar DDR-T, líkamlega og rafmagnssamhæft við DDR4, en þarfnast sérstaks stjórnanda sem sér muninn á minnislykli og drifinu. Aðgangshraði drifsins er hægari en vinnsluminni, en hraðari en NVMe.

DDR-T er aðeins fáanlegt með Intel® Cascade Lake örgjörvum eða nýrri.

Ályktun

Næstum öll viðmót eru komin langt frá raðnúmerum til samhliða gagnaflutningsaðferða. SSD hraði vex hratt; í gær voru SSDs nýjung, en í dag kemur NVMe ekki lengur sérstaklega á óvart.

Á rannsóknarstofu okkar Selectel Lab þú getur prófað SSD og NVMe drif sjálfur.

Aðeins skráðir notendur geta tekið þátt í könnuninni. Skráðu þig inn, takk.

Munu NVMe drif skipta út klassískum SSD diskum í náinni framtíð?

• 55.5%Já100

• 44.4%No80

180 notendur kusu. 28 notendur sátu hjá.

Heimild: www.habr.com