מבוא ל-SSD. חלק 2. ממשק

В חלק אחרון מחזור "מבוא ל-SSD" דיברנו על ההיסטוריה של המראה של דיסקים. החלק השני יספר על הממשקים לאינטראקציה עם כוננים.

התקשורת בין המעבד לציוד היקפי מתרחשת על פי מוסכמות מוגדרות מראש הנקראות ממשקים. הסכמים אלה מסדירים את רמת האינטראקציה הפיזית והתוכנה.

ממשק - מכלול אמצעים, שיטות וכללי אינטראקציה בין מרכיבי המערכת.

היישום הפיזי של ממשק משפיע על הפרמטרים הבאים:

• תפוקה של ערוץ התקשורת;
• המספר המרבי של מכשירים המחוברים בו זמנית;
• מספר השגיאות המתרחשות.

ממשקי דיסק בנויים יציאות I/O, שהוא ההפך מ-I/O זיכרון ואינו תופס מקום במרחב הכתובות של המעבד.

יציאות מקבילות וטוריות

על פי שיטת חילופי הנתונים, יציאות I/O מחולקות לשני סוגים:

• מקביל;
• עִקבִי.

כפי שהשם מרמז, היציאה המקבילה שולחת מילת מכונה בכל פעם, המורכבת ממספר ביטים. יציאה מקבילה היא הדרך הקלה ביותר להחליף נתונים, מכיוון שהיא אינה דורשת פתרונות מעגלים מורכבים. במקרה הפשוט ביותר, כל סיביות של מילת המכונה נשלחת בקו האות שלו, ושני קווי אות שירות משמשים למשוב: נתונים מוכנים и הנתונים התקבלו.

יציאות מקבילות, במבט ראשון, מתארכות היטב: יותר קווי אות - יותר ביטים משודרים בכל פעם, ולכן, תפוקה גבוהה יותר. עם זאת, עקב הגידול במספר קווי האות, נוצרת הפרעה ביניהם, המובילה לעיוות של ההודעות המועברות.

יציאות טוריות הן ההיפך מקביליות. הנתונים נשלחים ביט אחד בכל פעם, מה שמפחית את המספר הכולל של קווי האות, אך מסבך את בקר ה-I/O. בקר המשדר מקבל את מילת המכונה בכל פעם וחייב לשדר ביט אחד בכל פעם, ובקר המקלט בתורו חייב לקבל את הביטים ולאחסן אותם באותו סדר.

מספר קטן של קווי אות מאפשר לך להגביר את תדירות העברת ההודעות ללא הפרעות.

SCSI

ממשק מערכות מחשב קטן (SCSI) הופיע עוד בשנת 1978 ותוכנן במקור לשלב התקנים מפרופילים שונים למערכת אחת. מפרט SCSI-1 סיפק לחיבור של עד 8 מכשירים (יחד עם הבקר), כגון:

• סורקים;
• כונני קלטות (סטרימרים);
• כוננים אופטיים;
• כונני דיסקים והתקנים אחרים.

SCSI נקרא במקור Shugart Associates System Interface (SASI), אך ועדת התקנים לא הייתה מאשרת שם על שם החברה, ולאחר יום של סיעור מוחות, נולד השם Small Computer Systems Interface (SCSI). ה"אב" של SCSI, לארי בוצ'ר, התכוון שהראשי תיבות יבטא "סקסי", אבל דאל אלן קרא "sсuzzy" ("ספר"). לאחר מכן, ההגייה של "לספר" הייתה מעוגנת היטב בתקן זה.

בטרמינולוגיה של SCSI, התקנים מחוברים מחולקים לשני סוגים:

• יוזמים;
• מכשירי יעד.

היוזם שולח פקודה למכשיר היעד, ולאחר מכן שולח תגובה ליוזם. היוזמים והמטרות מחוברים לאפיק SCSI משותף, בעל רוחב פס של 1 MB/s בתקן SCSI-5.

הטופולוגיה של "אוטובוס נפוץ" בשימוש מטילה מספר הגבלות:

• בקצוות האוטובוס יש צורך במכשירים מיוחדים - טרמינטורים;
• רוחב הפס של האוטובוס משותף בין כל המכשירים;
• המספר המרבי של מכשירים המחוברים בו זמנית מוגבל.

התקנים באוטובוס מזוהים על ידי מספר ייחודי הנקרא מזהה יעד SCSI. כל יחידת SCSI במערכת מיוצגת על ידי לפחות התקן לוגי אחד, אשר מטופל על ידי מספר ייחודי בתוך ההתקן הפיזי. מספר יחידה לוגית (LUN).

פקודות ב-SCSI נשלחות בטופס בלוקים של תיאור פקודה (Command Descriptor Block, CDB), המורכב מקוד פעולה ופרמטרי פקודה. התקן מתאר יותר מ-200 פקודות, המחולקות לארבע קטגוריות:

• חובה - חייב להיות נתמך על ידי המכשיר;
• אופציונלי - ניתן ליישם;
• ספציפי לספק - בשימוש על ידי יצרן ספציפי;
• מְיוּשָׁן - פקודות מיושנות.

בין הפקודות הרבות, רק שלוש מהן הן חובה עבור מכשירים:

• יחידת הבדיקה מוכנה - בדיקת מוכנות המכשיר;
• בקש חוש - מבקש את קוד השגיאה של הפקודה הקודמת;
• חקירה - בקש את המאפיינים העיקריים של המכשיר.

לאחר קבלת הפקודה ועיבודה, מכשיר היעד שולח קוד סטטוס ליוזם, המתאר את תוצאת הביצוע.

שיפור נוסף של SCSI (מפרטי SCSI-2 ו-Ultra SCSI) הרחיב את רשימת הפקודות בשימוש והגדיל את מספר ההתקנים המחוברים עד 16, ואת קצב החלפת הנתונים באפיק עד 640 מגה-בייט/שניה. מכיוון ש-SCSI הוא ממשק מקביל, הגדלת תדירות חילופי הנתונים הייתה קשורה לירידה באורך הכבל המרבי והובילה לאי נוחות בשימוש.

החל מתקן Ultra-3 SCSI, הופיעה תמיכה ב"חיבור חם" - חיבור מכשירים כאשר המתח פועל.

ה-SCSI SSD הידוע הראשון היה ה-M-Systems FFD-350, שיצא ב-1995. עלות הדיסק הייתה גבוהה ולא היה בשימוש נרחב.

נכון לעכשיו, SCSI מקביל אינו ממשק דיסק פופולרי, אך ערכת הפקודות עדיין נמצאת בשימוש פעיל בממשקי USB ו-SAS.

ATA/PATA

ממשק ATA (Advanced Technology Attachment), הידוע גם בשם פַּרסָה (Parallel ATA) פותחה על ידי Western Digital בשנת 1986. השם השיווקי של תקן IDE (Eng. Integrated Drive Electronics - "אלקטרוניקה מובנית בכונן") הדגיש חידוש חשוב: בקר הכונן שולב בכונן, ולא בלוח הרחבה נפרד.

ההחלטה למקם את הבקר בתוך הכונן פתרה מספר בעיות בבת אחת. ראשית, המרחק מהכונן לבקר ירד, מה שהשפיע לטובה על ביצועי הכונן. שנית, הבקר המובנה "השחיז" רק עבור סוג מסוים של כונן ובהתאם, היה זול יותר.

ATA, כמו SCSI, משתמש בשיטת קלט/פלט מקבילה, שבאה לידי ביטוי בכבלים שבהם נעשה שימוש. חיבור כוננים באמצעות ממשק IDE דורש כבלים של 40 ליבות, המכונים גם כבלים שטוחים. במפרטים עדכניים יותר נעשה שימוש בסתמי 80 חוטים, יותר ממחציתם הם לולאות הארקה כדי להפחית הפרעות בתדרים גבוהים.

ישנם שניים עד ארבעה מחברים בכבל ה-ATA, אחד מהם מחובר ללוח האם, והשאר לכוננים. בעת חיבור שני התקנים בלולאה אחת, אחד מהם חייב להיות מוגדר כ אב, והשני כ עבד. ניתן לחבר את המכשיר השלישי רק במצב קריאה בלבד.

המיקום של המגשר קובע את תפקידו של מכשיר מסוים. המונחים Master ו-Slave ביחס להתקנים אינם נכונים לחלוטין, שכן ביחס לבקר, כל המכשירים המחוברים הם Slaves.

חידוש מיוחד ב-ATA-3 הוא המראה ניטור עצמי, טכנולוגיית ניתוח ודיווח (SMART). חמש חברות (IBM, Seagate, Quantum, Conner ו-Western Digital) איחדו כוחות ותקנו את טכנולוגיית הערכת בריאות הכונן.

תמיכה בכונני מצב מוצק קיימת מאז גרסה 1998 של התקן, שיצאה ב-33.3. גרסה זו של התקן סיפקה קצבי העברת נתונים של עד XNUMX MB/s.

התקן מציב דרישות מחמירות עבור כבלי ATA:

• הפלומה חייבת להיות שטוחה;
• אורך הרכבת המרבי 18 אינץ' (45.7 סנטימטרים).

הרכבת הקצרה והרחבה הייתה לא נוחה והפריעה לקירור. זה נעשה קשה יותר ויותר להגדיל את תדר השידור עם כל גרסה שלאחר מכן של התקן, ו-ATA-7 פתר את הבעיה באופן קיצוני: הממשק המקביל הוחלף בממשק טורי. לאחר מכן, ATA רכשה את המילה Parallel והפכה לכינוי PATA, והגרסה השביעית של התקן קיבלה שם אחר - Serial ATA. מספור גרסת SATA התחיל מאחד.

SATA

התקן Serial ATA (SATA) הוצג ב-7 בינואר 2003 וטיפל בבעיות של קודמו בשינויים הבאים:

• יציאה מקבילה מוחלפת בטורית;
• כבל רחב 80 חוטים הוחלף ב-7 חוטים;
• הטופולוגיה של "אוטובוס משותף" הוחלפה בחיבור "נקודה לנקודה".

למרות ש-SATA 1.0 (SATA/150, 150 MB/s) היה מהיר יותר במעט מ-ATA-6 (UltraDMA/130, 130 MB/s), המעבר לתקשורת טורית "קבע את הקרקע" למהירויות.

1.0 קווי אות להעברת נתונים ב-ATA הוחלפו בשני זוגות מעוותים: אחד לשידור, השני לקליטה. מחברי SATA מתוכננים להיות עמידים יותר בפני חיבורים חוזרים מרובים, ומפרט SATA XNUMX איפשר חיבור חם.

כמה פינים בכוננים קצרים יותר מכל האחרים. זה נעשה כדי לתמוך ב"החלפה חמה" (Hot Swap). במהלך תהליך ההחלפה, המכשיר "מאבד" ו"מוצא" את הקווים בסדר קבוע מראש.

קצת יותר משנה לאחר מכן, באפריל 2004, שוחררה הגרסה השנייה של מפרט SATA. בנוסף להאצה של עד 3 Gb/s, SATA 2.0 הציגה טכנולוגיה תור לפיקוד ילידי (NCQ). מכשירים עם תמיכת NCQ מסוגלים לארגן באופן עצמאי את סדר הביצוע של פקודות נכנסות כדי להשיג ביצועים מקסימליים.

בשלוש השנים הבאות עבדה קבוצת העבודה של SATA לשיפור המפרט הקיים, וגרסה 2.6 הציגה מחברי Slimline ו-micro SATA (uSATA) קומפקטיים. מחברים אלו הם גרסה קטנה יותר של מחבר ה-SATA המקורי ומיועדים לכוננים אופטיים וכוננים קטנים במחשבים ניידים.

בעוד שלדור השני של SATA היה מספיק רוחב פס עבור כונני HDD, כונני SSD דרשו יותר. במאי 2009, הגרסה השלישית של מפרט SATA שוחררה עם רוחב פס מוגדל ל-6 Gb/s.

תשומת לב מיוחדת ניתנה לכוננים מוצקים במהדורת SATA 3.1. הופיע מחבר Mini-SATA (mSATA), שנועד לחבר כונני מצב מוצק במחשבים ניידים. בניגוד ל-Slimline ו-uSATA, המחבר החדש נראה כמו PCIe Mini, למרות שהוא לא היה תואם חשמלית ל-PCIe. בנוסף למחבר החדש, SATA 3.1 התהדרה ביכולת להעמיד פקודות TRIM בתור עם פקודות קריאה וכתיבה.

הפקודה TRIM מודיעה ל-SSD על בלוקי נתונים שאינם נושאים מטען. לפני SATA 3.1, פקודה זו תשטוף מטמונים ותשהה פעולות קלט/פלט, ואחריה פקודת TRIM. גישה זו הורידה את ביצועי הדיסק במהלך פעולות המחיקה.

מפרט SATA לא עמד בקצב הצמיחה המהירה במהירויות הגישה לכונני SSD, מה שהוביל לפשרה בשנת 2013 בשם SATA Express בתקן SATA 3.2. במקום להכפיל שוב את רוחב הפס של SATA, המפתחים השתמשו באפיק PCIe בשימוש נרחב, שמהירותו עולה על 6 Gb/s. כוננים עם תמיכה ב-SATA Express רכשו גורם צורה משלהם בשם M.2.

SAS

גם תקן ה-SCSI, "מתחרה" ב-ATA, לא עמד מלכת ורק שנה לאחר הופעתה של Serial ATA, ב-2004, הוא נולד מחדש לממשק טורי. שמו של הממשק החדש הוא Serial Attached SCSI (SAS) (SEDGE).

למרות ש-SAS ירשה את ערכת הפקודות SCSI, השינויים היו משמעותיים:

• ממשק טורי;
• כבל 29 חוטים עם ספק כוח;
• חיבור מנקודה לנקודה

המינוח של SCSI עבר גם הוא בירושה. הבקר עדיין נקרא היוזם, וההתקנים המחוברים נקראים המטרה. כל מכשירי היעד והיוזם יוצרים תחום SAS. ב-SAS, רוחב הפס של החיבור אינו תלוי במספר המכשירים בדומיין, שכן כל מכשיר משתמש בערוץ ייעודי משלו.

המספר המרבי של מכשירים המחוברים בו-זמנית בתחום SAS, על פי המפרט, עולה על 16 אלף, ובמקום מזהה SCSI, משמש מזהה לפנייה שם עולמי (WWN).

WWN הוא מזהה ייחודי באורך 16 בתים, בדומה לכתובת ה-MAC עבור התקני SAS.

למרות הדמיון בין מחברי SAS ו-SATA, תקנים אלה אינם תואמים לחלוטין. עם זאת, ניתן לחבר כונן SATA למחבר SAS, אך לא להיפך. תאימות בין כונני SATA לתחום SAS מובטחת באמצעות פרוטוקול SATA Tunneling (STP).

לגרסה הראשונה של תקן SAS-1 יש רוחב פס של 3 Gb/s, והמודרנית ביותר, SAS-4, שיפרה נתון זה פי 7: 22,5 Gb/s.

PCIe

Peripheral Component Interconnect Express (PCI Express, PCIe) הוא ממשק טורי להעברת נתונים, שהופיע ב-2002. את הפיתוח החלה אינטל, ובהמשך הועברה לארגון מיוחד - PCI Special Interest Group.

ממשק ה-PCIe הטורי לא היה יוצא דופן והפך להמשך הגיוני ל-PCI המקביל, שנועד לחבר כרטיסי הרחבה.

PCI Express שונה באופן משמעותי מ-SATA ו-SAS. לממשק PCIe יש מספר משתנה של נתיבים. מספר השורות שווה לחזקות שתיים ונע בין 1 ל-16.

המונח "נתיב" ב-PCIe אינו מתייחס לנתיב אות ספציפי, אלא לקשר תקשורת נפרד דופלקס מלא המורכב מנתיבי האות הבאים:

• קבל+ וקבל-;
• שידור+ ושידור-;
• ארבעה חוטי הארקה.

מספר נתיבי ה-PCIe משפיע ישירות על רוחב הפס המרבי של החיבור. תקן PCI Express 4.0 הנוכחי מאפשר לך להשיג 1.9 GB/s בקו בודד, ו-31.5 GB/s בעת שימוש ב-16 קווים.

ה"תיאבון" של כונני מצב מוצק גדל מהר מאוד. גם SATA וגם SAS לא הצליחו להגדיל את רוחב הפס שלהם כדי לעמוד בקצב של כונני SSD, מה שהוביל להצגת כונני SSD המחוברים ל-PCIe.

למרות שכרטיסי PCIe Add-In מוברגים, PCIe ניתן להחלפה חמה. פינים קצרים PRSNT (הווה באנגלית - הווה) ודא שהכרטיס מותקן במלואו בחריץ.

כונני מצב מוצק המחוברים באמצעות PCIe מוסדרים על ידי תקן נפרד מפרט ממשק בקר מארח זיכרון לא נדיף ומגולמים במגוון גורמי צורה, אך עליהם נדבר בחלק הבא.

כוננים מרוחקים

בעת יצירת מחסני נתונים גדולים, היה צורך בפרוטוקולים המאפשרים לחבר כוננים הממוקמים מחוץ לשרת. הפתרון הראשון בתחום זה היה אינטרנט SCSI (iSCSI), שפותחה על ידי יבמ וסיסקו ב-1998.

הרעיון מאחורי פרוטוקול iSCSI הוא פשוט: פקודות SCSI "עטופות" בחבילות TCP/IP ונשלחות לרשת. למרות החיבור המרוחק, זה נותן אשליה ללקוחות שהכונן מחובר באופן מקומי. רשת שטח אחסון (SAN), המבוססת על iSCSI, יכולה להיבנות על תשתית רשת קיימת. השימוש ב-iSCSI מפחית משמעותית את עלות ארגון SAN.

ל-iSCSI יש אפשרות "פרימיום" - פרוטוקול ערוץ סיבים (FCP). SAN באמצעות FCP בנוי על קווי תקשורת סיבים אופטיים ייעודיים. גישה זו דורשת ציוד רשת אופטי נוסף, אך היא יציבה ותפוקה גבוהה.

ישנם פרוטוקולים רבים לשליחת פקודות SCSI ברשתות מחשבים. עם זאת, יש רק תקן אחד שפותר את הבעיה ההפוכה ומאפשר לשלוח מנות IP דרך אפיק SCSI - IP מעל SCSI.

רוב פרוטוקולי ה-SAN משתמשים בערכת הפקודות SCSI לניהול כוננים, אך ישנם חריגים, כגון ATA דרך Ethernet (AOE). פרוטוקול AoE שולח פקודות ATA במנות Ethernet, אך הכוננים מופיעים כ-SCSI במערכת.

עם הופעת כונני NVM Express, פרוטוקולי iSCSI ו-FCP אינם עומדים עוד בדרישות הגדלות במהירות של כונני SSD. יש שני פתרונות:

• הסרה של אוטובוס PCI Express מחוץ לשרת;
• יצירת פרוטוקול NVMe over Fabrics.

הסרת אפיק PCIe יוצרת חומרת מיתוג מורכבת אך אינה משנה את הפרוטוקול.

פרוטוקול NVMe over Fabrics הפך לחלופה טובה ל-iSCSI ו-FCP. NVMe-oF משתמש בקישור סיבים אופטיים ובערכת הפקודות NVM Express.

DDR-T

תקני iSCSI ו-NVMe-oF פותרים את הבעיה של חיבור כוננים מרוחקים ככאלה מקומיים, בעוד אינטל הלכה לכיוון השני והביאה את הכונן המקומי קרוב ככל האפשר למעבד. הבחירה נפלה על חריצי ה-DIMM שאליהם מחובר ה-RAM. רוחב הפס המרבי של DDR4 הוא 25 GB/s, שהוא הרבה יותר מהיר מהאוטובוס PCIe. כך נולד ה-SSD של Intel® Optane™ DC Memory Persistent Memory.

הומצא פרוטוקול לחיבור כונן לחריצי DIMM DDR-T, תואם פיזית וחשמלית ל-DDR4, אך דורש בקר מיוחד שרואה את ההבדל בין פס זיכרון לכונן. מהירות הגישה לכונן היא פחות מאשר ל-RAM, אבל יותר מאשר ל-NVMe.

DDR-T זמין רק עם מעבדים מדור Intel® Cascade Lake ואילך.

מסקנה

כמעט כל הממשקים עברו דרך ארוכה מהעברת נתונים טורית לקבילית. מהירויות SSD מרקיעות שחקים, אתמול כונני SSD היו קוריוז, והיום NVMe כבר לא הפתעה.

במעבדה שלנו Selectel Lab אתה יכול לבדוק כונני SSD ו-NVMe בעצמך.

רק משתמשים רשומים יכולים להשתתף בסקר. להתחברבבקשה.

האם כונני NVMe יחליפו כונני SSD קלאסיים בעתיד הקרוב?

• 55.5%כן100

• 44.4%מספר 80

180 משתמשים הצביעו. 28 משתמשים נמנעו.

מקור: www.habr.com