SSD-ге кіріспе. 2-бөлім. Интерфейс

В соңғы бөлім «SSD-ге кіріспе» сериясында біз дискілердің пайда болу тарихы туралы айттық. Екінші бөлімде дискілермен әрекеттесу интерфейстері туралы айтылады.

Процессор мен перифериялық құрылғылар арасындағы байланыс интерфейстер деп аталатын алдын ала анықталған конвенцияларға сәйкес жүзеге асырылады. Бұл келісімдер өзара әрекеттесудің физикалық және бағдарламалық деңгейін реттейді.

Интерфейс – жүйе элементтері арасындағы өзара әрекеттесу құралдарының, әдістерінің және ережелерінің жиынтығы.

Интерфейстің физикалық орындалуы келесі параметрлерге әсер етеді:

• байланыс арнасының сыйымдылығы;
• бір уақытта қосылған құрылғылардың максималды саны;
• орын алатын қателер саны.

Диск интерфейстері құрастырылған Енгізу/шығару порттары, ол жад енгізу/шығаруына қарама-қарсы және процессордың мекенжай кеңістігінде орын алмайды.

Параллель және сериялық порттар

Мәліметтер алмасу әдісі бойынша енгізу/шығару порттары екі түрге бөлінеді:

• қатарлас;
• дәйекті.

Аты айтып тұрғандай, параллель порт бір уақытта бірнеше биттен тұратын машина сөзін жібереді. Параллель порт деректер алмасудың ең қарапайым тәсілі болып табылады, өйткені ол күрделі схемалық шешімдерді қажет етпейді. Қарапайым жағдайда машина сөзінің әрбір биті өзінің сигналдық сызығы бойынша жіберіледі және кері байланыс үшін екі қызметтік сигнал желісі пайдаланылады: Деректер дайын и Деректер қабылданды.

Параллель порттар бір қарағанда өте жақсы масштабталатын сияқты: сигналдық сызықтардың көп болуы бір уақытта көбірек биттердің тасымалдануын және, демек, жоғары өткізу қабілеттілігін білдіреді. Бірақ сигналдық желілер санының көбеюіне байланысты олардың арасында кедергілер пайда болады, бұл жіберілетін хабарламалардың бұрмалануына әкеледі.

Сериялық порттар параллель порттарға қарама-қарсы. Деректер бір уақытта бір бит жіберіледі, бұл сигнал желілерінің жалпы санын азайтады, бірақ енгізу/шығару контроллеріне күрделілік қосады. Таратқыш контроллері бір уақытта машина сөзін қабылдайды және бір уақытта бір бит жіберуі керек, ал қабылдағыш контроллері өз кезегінде разрядтарды қабылдап, оларды бірдей тәртіпте сақтауы керек.

Сигнал желілерінің аз саны хабарламаларды беру жиілігін кедергісіз арттыруға мүмкіндік береді.

SCSI

Шағын компьютерлік жүйелер интерфейсі (SCSI) 1978 жылы пайда болды және бастапқыда әртүрлі профильдегі құрылғыларды бір жүйеге біріктіруге арналған. SCSI-1 спецификациясы 8 құрылғыға дейін (контроллермен бірге) қосуға арналған, мысалы:

• сканерлер;
• таспа жетектері (стримерлер);
• оптикалық жетектер;
• дискілер және басқа құрылғылар.

SCSI бастапқыда Shugart Associates System Interface (SASI) деп аталды, бірақ стандарттар комитеті компанияның атауын бекітпейді, және бір күндік ми шабуылынан кейін Small Computer Systems Interface (SCSI) атауы пайда болды. SCSI «әкесі» Ларри Баучер бұл аббревиатураны «сексуалды» деп айтуды көздеген, бірақ Дал Аллан Мен «scuzzy» («айтшы») деп оқимын. Кейіннен бұл стандартқа «skazi» сөзінің айтылуы берік бекітілді.

SCSI терминологиясында қосылған құрылғылар екі түрге бөлінеді:

• бастамашылар;
• мақсатты құрылғылар.

Бастамашы мақсатты құрылғыға пәрмен жібереді, содан кейін бастамашыға жауап жібереді. Инициаторлар мен мақсаттар SCSI-1 стандартында өткізу қабілеттілігі 5 МБ/с болатын жалпы SCSI шинасына қосылған.

Қолданылатын «жалпы шина» топологиясы бірқатар шектеулер қояды:

• Автобустың ұштарында арнайы құрылғылар қажет - терминаторлар;
• Автобустың өткізу қабілеті барлық құрылғылар арасында ортақ;
• Бір уақытта қосылған құрылғылардың максималды саны шектеулі.

Автобустағы құрылғылар шақырылатын бірегей нөмір арқылы анықталады SCSI мақсатты идентификаторы. Жүйедегі әрбір SCSI бірлігі физикалық құрылғыда бірегей нөмір арқылы адрестелетін кем дегенде бір логикалық құрылғымен ұсынылған. Логикалық бірлік нөмірі (LUN).

SCSI командалары ретінде жіберіледі командаларды сипаттау блоктары (Командалық дескриптор блогы, CDB), операциялық код пен пәрмен параметрлерінен тұрады. Стандарт төрт санатқа бөлінген 200-ден астам командаларды сипаттайды:

• міндетті - құрылғының қолдауы болуы керек;
• міндетті емес - жүзеге асыруға болады;
• Жеткізушіге тән - нақты өндіруші пайдаланған;
• Ескірген - ескірген командалар.

Көптеген командалардың ішінде тек үшеуі ғана құрылғылар үшін міндетті:

• СЫНАҚ ДАЙЫН — құрылғының дайындығын тексеру;
• СҰРАУ — алдыңғы команданың қате кодын сұрайды;
• СҰРАУ — құрылғының негізгі сипаттамаларын сұрау.

Пәрменді қабылдап, орындағаннан кейін мақсатты құрылғы бастамашыға орындалу нәтижесін сипаттайтын күй кодын жібереді.

SCSI (SCSI-2 және Ultra SCSI спецификациялары) одан әрі жетілдіру пайдаланылған командалар тізімін кеңейтіп, қосылған құрылғылардың санын 16-ға дейін, ал шинадағы деректер алмасу жылдамдығын 640 МБ/с дейін арттырды. SCSI параллель интерфейс болғандықтан, деректер алмасу жиілігін арттыру кабельдің максималды ұзындығының азаюымен байланысты болды және пайдалануда қолайсыздыққа әкелді.

Ultra-3 SCSI стандартынан бастап, «ыстық қосу» қолдауы пайда болды - қуат қосулы кезде құрылғыларды қосу.

SCSI интерфейсі бар алғашқы белгілі SSD дискісін 350 жылы шығарылған M-Systems FFD-1995 деп санауға болады. Дисктің құны жоғары болды және кең тараған жоқ.

Қазіргі уақытта параллель SCSI дискіге қосылудың танымал интерфейсі емес, бірақ командалар жинағы әлі де USB және SAS интерфейстерінде белсенді түрде қолданылады.

ATA/PATA

интерфейс ATA (Advanced Technology Attachment), сондай-ақ белгілі PATA (Parallel ATA) 1986 жылы Western Digital әзірлеген. IDE стандартының маркетингтік атауы (Integrated Drive Electronics) маңызды инновацияны атап өтті: диск контроллері бөлек кеңейту тақтасына емес, дискіге салынған.

Контроллерді дискінің ішіне орналастыру туралы шешім бірден бірнеше мәселені шешті. Біріншіден, дискіден контроллерге дейінгі қашықтық азайды, бұл дискінің сипаттамаларына оң әсер етеді. Екіншіден, кіріктірілген контроллер тек белгілі бір диск түріне «бейімделді» және, тиісінше, арзанырақ болды.

ATA, SCSI сияқты, пайдаланылатын кабельдерге әсер ететін параллель енгізу/шығару әдісін пайдаланады. IDE интерфейсін пайдаланып дискілерді қосу үшін кабельдер деп те аталатын 40 сымды кабельдер қажет. Соңғы техникалық сипаттамаларда 80 сымды ілмектер пайдаланылады: олардың жартысынан көбі жоғары жиіліктердегі кедергілерді азайтуға негіз болып табылады.

ATA кабелінде екіден төртке дейін қосқыш бар, олардың біреуі аналық платаға, ал қалғандары дискілерге қосылған. Екі құрылғыны бір кабельмен қосқанда, олардың біреуін конфигурациялау керек Master, ал екіншісі - сияқты құл. Үшінші құрылғыны тек оқуға арналған режимде қосуға болады.

Секіргіштің орны нақты құрылғының рөлін көрсетеді. Құрылғыларға қатысты Master және Slave терминдері мүлдем дұрыс емес, өйткені контроллерге қатысты барлық қосылған құрылғылар бағынышты болып табылады.

АТА-3-тегі ерекше жаңалық - сыртқы түрі Өзін-өзі бақылау, Талдау және есеп беру технологиясы (SMART). Бес компания (IBM, Seagate, Quantum, Conner және Western Digital) дискілердің денсаулығын бағалау үшін күштер мен стандартталған технологияны біріктірді.

Қатты күйдегі дискілерді қолдау стандарттың 1998 жылы шыққан төртінші нұсқасымен пайда болды. Стандарттың бұл нұсқасы 33.3 МБ/с дейінгі деректерді беру жылдамдығын қамтамасыз етті.

Стандарт ATA кабельдеріне қатаң талаптар қояды:

• пойыз тегіс болуы керек;
• пойыздың максималды ұзындығы - 18 дюйм (45.7 сантиметр).

Қысқа және кең пойыз ыңғайсыз болды және салқындатуға кедергі жасады. Стандарттың әрбір келесі нұсқасымен тарату жиілігін арттыру қиынырақ болды және ATA-7 мәселені түбегейлі шешті: параллель интерфейс сериялық интерфейске ауыстырылды. Осыдан кейін ATA Parallel сөзін алды және PATA деп аталды, ал стандарттың жетінші нұсқасы басқа атау алды - Serial ATA. SATA нұсқаларының нөмірленуі біреуден басталды.

SATA

Serial ATA (SATA) стандарты 7 жылдың 2003 қаңтарында енгізілді және келесі өзгерістермен алдыңғысының мәселелерін шешті:

• параллель порт сериялық портқа ауыстырылды;
• кең 80 сымды кабель 7 сымдымен ауыстырылады;
• «Жалпы шина» топологиясы «нүктеден нүктеге» байланыспен ауыстырылды.

SATA 1.0 стандарты (SATA/150, 150 МБ/с) ATA-6 (UltraDMA/130, 130 МБ/с) қарағанда біршама жылдамырақ болғанына қарамастан, деректердің сериялық алмасу әдісіне көшу жылдамдықтарын арттырды

АТА-да деректерді беруге арналған он алты сигналдық сызық екі бұралған жұппен ауыстырылды: біреуі жіберуге, екіншісі қабылдауға арналған. SATA коннекторлары бірнеше қайта қосуға төзімді болу үшін жасалған және SATA 1.0 спецификациясы Hot Plug мүмкіндігін берді.

Дискілердегі кейбір түйреуіштер басқаларына қарағанда қысқа. Бұл Hot Swap функциясын қолдау үшін жасалады. Ауыстыру процесі кезінде құрылғы алдын ала белгіленген тәртіпте сызықтарды «жоғалтады» және «табады».

Бір жылдан сәл астам уақыт өткен соң, 2004 жылдың сәуірінде SATA спецификациясының екінші нұсқасы шықты. 3 Гбит/с дейін жеделдетуден басқа, SATA 2.0 технологиясын енгізді Ұлттық командалық кезек (NCQ). NCQ қолдауы бар құрылғылар максималды өнімділікке қол жеткізу үшін қабылданған командалардың орындалу ретін дербес ұйымдастыра алады.

Келесі үш жылда SATA жұмыс тобы бар спецификацияны жақсарту бойынша жұмыс жасады және 2.6 нұсқасында ықшам Slimline және micro SATA (uSATA) қосқыштары пайда болды. Бұл қосқыштар бастапқы SATA қосқышының кішірек нұсқасы болып табылады және оптикалық дискілер мен ноутбуктердегі шағын дискілерге арналған.

SATA екінші буынының қатты дискілер үшін өткізу қабілеттілігі жеткілікті болғанымен, SSD дискілері көбірек қажет болды. 2009 жылдың мамыр айында SATA спецификациясының үшінші нұсқасы өткізу қабілеттілігін 6 Гбит/с дейін ұлғайту арқылы шығарылды.

SATA 3.1 шығарылымындағы қатты күйдегі дискілерге ерекше назар аударылды. Ноутбуктердегі қатты күйдегі дискілерді қосуға арналған Mini-SATA (mSATA) қосқышы пайда болды. Slimline және uSATA-дан айырмашылығы, жаңа қосқыш PCIe Mini-ге ұқсас болды, бірақ ол PCIe-мен электрлік үйлесімді емес. Жаңа қосқышқа қосымша, SATA 3.1 оқу және жазу пәрмендерімен TRIM пәрмендерін кезекке қою мүмкіндігімен мақтана алды.

TRIM пәрмені SSD дискісіне пайдалы жүктемені көтермейтін деректер блоктары туралы хабарлайды. SATA 3.1 нұсқасына дейін бұл пәрменді орындау кэштерді тазартуға және енгізу/шығару тоқтатылады, содан кейін TRIM пәрмені орындалады. Бұл тәсіл жою операциялары кезінде дискінің өнімділігін төмендетті.

SATA спецификациясы қатты күйдегі дискілерге қол жеткізу жылдамдығының жылдам өсуіне төтеп бере алмады, бұл 2013 жылы SATA 3.2 стандартында SATA Express деп аталатын компромисстің пайда болуына әкелді. Әзірлеушілер SATA өткізу қабілеттілігін екі есе көбейтудің орнына, жылдамдығы 6 Гбит/с асатын кеңінен қолданылатын PCIe шинасын пайдаланды. SATA Express қолдайтын дискілер M.2 деп аталатын өзіндік пішін факторына ие болды.

SAS

ATA-мен «бәсекелес» SCSI стандарты да тоқтап қалмады және Serial ATA пайда болғаннан кейін бір жыл өткен соң, 2004 жылы ол сериялық интерфейс ретінде қайта дүниеге келді. Жаңа интерфейстің аты Сериялық тіркелген SCSI (SEDGE).

SAS SCSI пәрмендер жинағын мұра еткеніне қарамастан, өзгерістер маңызды болды:

• сериялық интерфейс;
• 29 сымды қуат кабелі;
• нүктеден нүктеге қосылу

SCSI терминологиясы да мұраға қалды. Контроллер әлі де инициатор деп аталады, ал қосылған құрылғылар әлі де мақсатты деп аталады. Барлық мақсатты құрылғылар мен бастамашы SAS доменін құрайды. SAS жүйесінде қосылым өткізу қабілеті домендегі құрылғылардың санына тәуелді емес, өйткені әрбір құрылғы өзінің арнаулы арнасын пайдаланады.

Спецификацияға сәйкес SAS доменінде бір уақытта қосылған құрылғылардың максималды саны 16 мыңнан асады және адрестеу үшін SCSI идентификаторының орнына идентификатор пайдаланылады. Әлемдік атау (WWN).

WWN — SAS құрылғыларына арналған MAC мекенжайына ұқсас, ұзындығы 16 байт бірегей идентификатор.

SAS және SATA қосқыштарының ұқсастығына қарамастан, бұл стандарттар толығымен үйлесімді емес. Дегенмен, SATA дискісін SAS қосқышына қосуға болады, бірақ керісінше емес. SATA дискілері мен SAS домені арасындағы үйлесімділік SATA туннельдеу протоколы (STP) арқылы қамтамасыз етіледі.

SAS-1 стандартының бірінші нұсқасының өткізу қабілеті 3 Гбит/с, ал ең заманауи, SAS-4 бұл көрсеткішті 7 есе жақсартты: 22,5 Гбит/с.

PCIe

Peripheral Component Interconnect Express (PCI Express, PCIe) – 2002 жылы пайда болған деректерді тасымалдауға арналған сериялық интерфейс. Әзірлеуді Intel бастады, содан кейін оны арнайы ұйымға - PCI арнайы қызығушылық тобына берді.

Сериялық PCIe интерфейсі ерекшелік болмады және кеңейту карталарын қосуға арналған параллель PCI логикалық жалғасы болды.

PCI Express SATA және SAS-тан айтарлықтай ерекшеленеді. PCIe интерфейсінде жолақтардың айнымалы саны бар. Жолдар саны екінің дәрежесіне тең және 1-ден 16-ға дейін.

PCIe жүйесіндегі «жолақ» термині белгілі бір сигнал желісіне емес, келесі сигнал желілерінен тұратын бір толық дуплексті байланыс арнасына сілтеме жасайды:

• қабылдау+ және қабылдау-;
• беріліс+ және беріліс-;
• төрт жерге қосу өткізгіштері.

PCIe жолақтарының саны қосылымның максималды өткізу қабілетіне тікелей әсер етеді. Қазіргі заманғы PCI Express 4.0 стандарты бір жолда 1.9 ГБ/с, 31.5 жолды пайдаланғанда 16 ГБ/с жетуге мүмкіндік береді.

Қатты күйдегі дискілерге деген тәбет өте тез өсуде. SATA және SAS екеуінің де SSD дискілерімен «үйлесу» үшін өткізу қабілеттілігін арттыруға уақыты жоқ, бұл PCIe қосылымдары бар SSD дискілерінің пайда болуына әкелді.

PCIe қондырма карталары бұрандалы болса да, PCIe жылдам ауыстырылады. Қысқа PRSNT түйреуіштері (ағылшынша қазіргі - қазіргі) картаның ұяға толығымен орнатылғанына көз жеткізуге мүмкіндік береді.

PCIe арқылы қосылған қатты күйдегі дискілер бөлек стандартпен реттеледі Тұрақты емес жад хост контроллері интерфейсінің спецификациясы және әртүрлі форма факторларында бейнеленген, бірақ олар туралы келесі бөлімде айтатын боламыз.

Қашықтағы дискілер

Үлкен деректер қоймаларын құру кезінде серверден тыс орналасқан дискілерді қосуға мүмкіндік беретін хаттамалардың қажеттілігі туындады. Бұл саладағы бірінші шешім болды Интернет SCSI (iSCSI), 1998 жылы IBM және Cisco әзірлеген.

iSCSI протоколының идеясы қарапайым: SCSI пәрмендері TCP/IP пакеттеріне «оралады» және желіге жіберіледі. Қашықтағы қосылымға қарамастан, клиенттер үшін диск жергілікті түрде қосылған деген елес жасалады. iSCSI негізіндегі Storage Area Network (SAN) бар желілік инфрақұрылымға салынуы мүмкін. iSCSI пайдалану SAN жүйесін ұйымдастыру құнын айтарлықтай төмендетеді.

iSCSI-де «премиум» опциясы бар - Талшықты арна протоколы (FCP). FCP қолданатын SAN арнайы талшықты-оптикалық байланыс желілеріне салынған. Бұл тәсіл қосымша оптикалық желілік жабдықты қажет етеді, бірақ тұрақты және жоғары өткізу қабілетіне ие.

Компьютерлік желілер арқылы SCSI командаларын жіберудің көптеген протоколдары бар. Дегенмен, қарама-қарсы мәселені шешетін және IP пакеттерін SCSI шинасы арқылы жіберуге мүмкіндік беретін бір ғана стандарт бар - IP-over-SCSI.

SAN протоколдарының көпшілігі дискілерді басқару үшін SCSI пәрмендер жинағын пайдаланады, бірақ қарапайым сияқты ерекше жағдайлар бар Ethernet арқылы ATA (AoE). AoE протоколы ATA пәрмендерін Ethernet пакеттерінде жібереді, бірақ дискілер жүйеде SCSI ретінде пайда болады.

NVM Express дискілерінің пайда болуымен iSCSI және FCP протоколдары бұдан былай SSD дискілерінің тез өсіп келе жатқан талаптарына жауап бермейді. Екі шешім пайда болды:

• PCI Express шинасын серверден тыс жылжыту;
• NVMe over Fabrics протоколын құру.

PCIe шинасын жою күрделі коммутациялық жабдықты жасауды қамтиды, бірақ хаттаманы өзгертпейді.

NVMe over Fabrics протоколы iSCSI және FCP-ге жақсы балама болды. NVMe-oF талшықты-оптикалық байланыс пен NVM Express нұсқаулар жинағын пайдаланады.

DDR-T

iSCSI және NVMe-oF стандарттары қашықтағы дискілерді жергілікті ретінде қосу мәселесін шешеді, бірақ Intel басқа жолды таңдады және жергілікті дискіні процессорға мүмкіндігінше жақындатты. Таңдау ЖЖҚ қосылған DIMM слоттарында болды. DDR4 арнасының максималды өткізу қабілеттілігі 25 ГБ/с құрайды, бұл PCIe шинасының жылдамдығынан айтарлықтай жоғары. Intel® Optane™ тұрақты жадының SSD құрылғысы осылай дүниеге келді.

Дискілерді DIMM ұяларына қосу үшін протокол ойлап табылды DDR-T, физикалық және электрлік тұрғыдан DDR4-пен үйлесімді, бірақ жад картасы мен жетек арасындағы айырмашылықты көретін арнайы контроллерді қажет етеді. Дискінің қол жеткізу жылдамдығы жедел жадқа қарағанда баяу, бірақ NVMe-ге қарағанда жылдамырақ.

DDR-T тек Intel® Cascade Lake процессорларында немесе одан кейінгі нұсқаларында қол жетімді.

қорытынды

Барлық дерлік интерфейстер деректерді берудің сериялық әдістерінен параллельді әдістеріне дейін ұзақ жолдан өтті. SSD жылдамдығы тез өсуде; кеше ғана SSD дискілері жаңалық болды, бірақ бүгін NVMe ерекше таң қалдырмайды.

Біздің зертханада Таңдау зертханасы SSD және NVMe дискілерін өзіңіз тексере аласыз.

Сауалнамаға тек тіркелген пайдаланушылар қатыса алады. Кіру, өтінемін.

NVMe дискілері жақын арада классикалық SSD дискілерін ауыстыра ма?

• 55.5%Иә100

• 44.4%№80

180 пайдаланушы дауыс берді. 28 пайдаланушы қалыс қалды.

Ақпарат көзі: www.habr.com