Вовед во SSD. Дел 2. Интерфејс

В последен дел циклус „Вовед во SSD“ зборувавме за историјата на појавата на дискови. Вториот дел ќе каже за интерфејсите за интеракција со дискови.

Комуникацијата помеѓу процесорот и периферните уреди се случува според претходно дефинирани конвенции наречени интерфејси. Овие договори го регулираат физичкото и софтверското ниво на интеракција.

Интерфејс - збир на средства, методи и правила на интеракција помеѓу елементите на системот.

Физичката имплементација на интерфејсот влијае на следните параметри:

• пропусната моќ на каналот за комуникација;
• максималниот број на истовремено поврзани уреди;
• бројот на грешки кои се појавуваат.

Дискот интерфејси се изградени I/O порти, што е спротивно на влезот/излезот на меморијата и не зафаќа простор во адресниот простор на процесорот.

Паралелни и сериски порти

Според начинот на размена на податоци, I/O портите се поделени на два вида:

• паралелно;
• конзистентна.

Како што имплицира името, паралелната порта испраќа машински збор во исто време, кој се состои од неколку битови. Паралелната порта е најлесниот начин за размена на податоци, бидејќи не бара сложени решенија за кола. Во наједноставниот случај, секој бит од машинскиот збор се испраќа на сопствената сигнална линија, а две линии за сервисни сигнали се користат за повратна информација: Подготвени се податоците и Податоците се прифатени.

Паралелните порти, на прв поглед, добро се размеруваат: повеќе сигнални линии - повеќе битови се пренесуваат истовремено и, според тоа, поголема пропусност. Меѓутоа, поради зголемувањето на бројот на сигналните линии, се јавуваат пречки меѓу нив, што доведува до изобличување на пренесените пораки.

Сериските порти се спротивни на паралелните. Податоците се испраќаат по еден бит, што го намалува вкупниот број на сигнални линии, но го комплицира контролерот за влез/излез. Контролорот на предавателот го прима машинскиот збор во исто време и мора да пренесува по еден бит, а контролорот на приемникот за возврат мора да ги прима битовите и да ги складира по истиот редослед.

Мал број сигнални линии ви овозможуваат да ја зголемите фреквенцијата на пренос на пораки без пречки.

SCSI

Интерфејсот за мали компјутерски системи (SCSI) се појави во 1978 година и првично беше дизајниран да комбинира уреди од различни профили во еден систем. Спецификацијата SCSI-1 предвидува поврзување до 8 уреди (заедно со контролорот), како што се:

• скенери;
• ленти погони (стримери);
• оптички погони;
• диск драјвови и други уреди.

SCSI првично беше наречен Shugart Associates System Interface (SASI), но комитетот за стандарди не го одобри името по компанијата, и по еден ден на бреинсторминг, се роди името Small Computer Systems Interface (SCSI). Таткото на SCSI, Лери Баучер, имал намера кратенката да се изговара „секси“, но Дал Алан читај „sсuzzy“ („кажи“). Последователно, изговорот на „кажи“ беше цврсто вграден во овој стандард.

Во терминологијата SCSI, поврзаните уреди се поделени на два вида:

• иницијатори;
• целните уреди.

Иницијаторот испраќа команда до целниот уред, кој потоа испраќа одговор до иницијаторот. Иницијаторите и целите се поврзани со заедничка магистрала SCSI, која има пропусен опсег од 1 MB/s во стандардот SCSI-5.

Користената топологија „заедничка магистрала“ наметнува голем број ограничувања:

• на краевите на автобусот, потребни се специјални уреди - терминатори;
• пропусниот опсег на автобусот се дели меѓу сите уреди;
• Максималниот број на истовремено поврзани уреди е ограничен.

Уредите во магистралата се идентификуваат со повикан единствен број SCSI Целен ID. Секоја единица SCSI во системот е претставена со најмалку еден логички уред, кој е адресиран со единствен број во физичкиот уред. Број на логичка единица (ЛУН).

Наредбите во SCSI се испраќаат во форма блокови за опис на команди (Command Descriptor Block, CDB), кој се состои од оперативен код и командни параметри. Стандардот опишува повеќе од 200 команди, поделени во четири категории:

• Задолжителна — мора да биде поддржан од уредот;
• Факултативна - може да се имплементира;
• Специфичен за продавачот - се користи од конкретен производител;
• Застарен - застарени команди.

Меѓу многуте команди, само три од нив се задолжителни за уредите:

• ПОДГОТВЕНА ТЕСТ ЕДИНИЦА — проверка на подготвеноста на уредот;
• БАРАЈ СЕНС — го бара кодот за грешка од претходната команда;
• Испраќам барање — побарајте ги главните карактеристики на уредот.

По примањето и обработката на командата, целниот уред испраќа статусен код до иницијаторот, кој го опишува резултатот од извршувањето.

Понатамошното подобрување на SCSI (SCSI-2 и Ultra SCSI спецификации) ја прошири листата на користени команди и го зголеми бројот на поврзани уреди до 16, а стапката на размена на податоци во автобусот до 640 MB/s. Бидејќи SCSI е паралелен интерфејс, зголемувањето на фреквенцијата на размена на податоци беше поврзано со намалување на максималната должина на кабелот и доведе до непријатности при употреба.

Почнувајќи со стандардот Ultra-3 SCSI, се појави поддршка за „жешко приклучување“ - поврзување на уреди кога е вклучено напојувањето.

Првиот познат SCSI SSD беше M-Systems FFD-350, објавен во 1995 година. Дискот имаше висока цена и не беше широко користен.

Во моментов, паралелниот SCSI не е популарен интерфејс на дискот, но множеството на команди сè уште активно се користи во интерфејсите USB и SAS.

АТА/ПАТА

интерфејс АТА (Прилог за напредна технологија), познат и како PATA (Parallel ATA) беше развиен од Western Digital во 1986 година. Маркетиншкото име за стандардот IDE (Eng. Integrated Drive Electronics - „електроника вградена во погонот“) нагласи важна иновација: контролерот на погонот беше интегриран во погонот, а не на посебна табла за проширување.

Одлуката да се постави контролорот во погонот реши неколку проблеми одеднаш. Прво, растојанието од погонот до контролерот е намалено, што позитивно влијаеше на перформансите на погонот. Второ, вградениот контролер беше „наострен“ само за одреден тип на погон и, соодветно, беше поевтин.

ATA, како и SCSI, користи паралелен I/O метод, кој се рефлектира во користените кабли. За поврзување на дискови со помош на интерфејсот IDE потребни се кабли со 40 јадра, кои исто така се нарекуваат рамни кабли. Поновите спецификации користат никулци со 80 жици, од кои повеќе од половина се заземјувачки јамки за да се намалат пречки на високи фреквенции.

На ATA кабелот има два до четири конектори, од кои едниот е поврзан со матичната плоча, а остатокот со погоните. Кога поврзувате два уреди во една јамка, еден од нив мора да биде конфигуриран како Господар, а вториот како Славе. Третиот уред може да се поврзе само во режим само за читање.

Позицијата на скокачот ја одредува улогата на одреден уред. Термините Master и Slave во однос на уредите не се целосно точни, бидејќи во однос на контролорот, сите поврзани уреди се Slaves.

Посебна иновација во АТА-3 е изгледот Самоследење, Технологија за анализа и известување (SMART). Пет компании (IBM, Seagate, Quantum, Conner и Western Digital) ги здружија силите и ја стандардизираа технологијата за проценка на здравјето.

Поддршката за цврсти погони постои уште од верзијата 1998 на стандардот, објавена во 33.3 година. Оваа верзија на стандардот обезбедуваше брзини на пренос на податоци до XNUMX MB/s.

Стандардот поставува строги барања за ATA каблите:

• перницата мора да биде рамна;
• максимална должина на возот 18 инчи (45.7 сантиметри).

Краткиот и широк воз беше незгоден и го попречуваше ладењето. Стануваше сè потешко да се зголеми фреквенцијата на пренос со секоја следна верзија на стандардот, а ATA-7 радикално го реши проблемот: паралелниот интерфејс беше заменет со сериски. После тоа, ATA го доби зборот Parallel и стана познат како PATA, а седмата верзија на стандардот доби поинакво име - Serial ATA. Нумерирањето на верзијата SATA започна од еден.

SATA

Стандардот Serial ATA (SATA) беше воведен на 7 јануари 2003 година и ги реши проблемите на неговиот претходник со следните промени:

• паралелна порта заменета со сериски;
• широк кабел од 80 жици заменет со 7-жичен;
• топологијата „заедничка магистрала“ е заменета со врска „точка до точка“.

Иако SATA 1.0 (SATA/150, 150 MB/s) беше маргинално побрз од ATA-6 (UltraDMA/130, 130 MB/s), преминот кон сериска комуникација „постави основа“ за брзини.

Шеснаесет сигнални линии за пренос на податоци во ATA беа заменети со два изопачени пара: еден за пренос, вториот за прием. SATA конекторите се дизајнирани да бидат поотпорни на повеќекратно поврзување, а спецификацијата SATA 1.0 овозможи топло приклучување.

Некои пинови на погоните се пократки од сите други. Ова е направено за да се поддржи „hot swap“ (Hot Swap). За време на процесот на замена, уредот ги „губи“ и ги „пронаоѓа“ линиите по однапред одреден редослед.

Малку повеќе од една година подоцна, во април 2004 година, беше објавена втората верзија на спецификацијата SATA. Покрај забрзувањето до 3 Gb/s, SATA 2.0 воведе технологија Редирање на матичната команда (NCQ). Уредите со поддршка NCQ можат самостојно да го организираат редоследот на извршување на дојдовните команди за да постигнат максимални перформанси.

Следните три години, работната група SATA работеше на подобрување на постојната спецификација, а верзијата 2.6 воведе компактни Slimline и micro SATA (uSATA) конектори. Овие конектори се помала верзија на оригиналниот SATA конектор и се дизајнирани за оптички дискови и мали дискови во лаптопите.

Додека втората генерација на SATA имаше доволно пропусен опсег за HDD, SSD дисковите бараа повеќе. Во мај 2009 година, беше објавена третата верзија на спецификацијата SATA со зголемена пропусност до 6 Gb / s.

Особено внимание беше посветено на погоните со цврста состојба во изданието SATA 3.1. Се појави конектор Mini-SATA (mSATA), дизајниран за поврзување на дискови со цврста состојба во лаптопите. За разлика од Slimline и uSATA, новиот конектор изгледаше како PCIe Mini, иако не беше електрично компатибилен со PCIe. Покрај новиот конектор, SATA 3.1 можеше да се пофали со способноста да се редат TRIM командите со команди за читање и запишување.

Командата TRIM го известува SSD-то за податочни блокови кои не носат товар. Пред SATA 3.1, оваа команда ќе ги измие кешовите и ќе ги суспендира операциите за влез/излез, проследено со команда TRIM. Овој пристап ги влоши перформансите на дискот за време на операциите за бришење.

Спецификациите SATA не се држат во чекор со брзиот раст на брзината на пристап за SSD дискови, што доведе до компромис во 2013 година наречен SATA Express во стандардот SATA 3.2. Наместо повторно да го удвојат пропусниот опсег на SATA, програмерите ја користеа широко користената магистрала PCIe, чија брзина надминува 6 Gb / s. Дисковите со поддршка за SATA Express имаат стекнато свој сопствен фактор на форма наречен M.2.

САС

Стандардот SCSI, „натпреварувајќи се“ со ATA, исто така не застана и само една година по појавувањето на Serial ATA, во 2004 година, повторно се роди во сериски интерфејс. Името на новиот интерфејс е Сериски прикачен SCSI (САС).

Иако SAS го наследи комплетот на команди SCSI, промените беа значајни:

• сериски интерфејс;
• 29-жичен кабел со напојување;
• поврзување од точка до точка

Наследена е и SCSI терминологијата. Контролорот сè уште се нарекува иницијатор, а поврзаните уреди се нарекуваат цел. Сите целни уреди и иницијаторот формираат SAS домен. Во SAS, пропусниот опсег на поврзување не зависи од бројот на уреди во доменот, бидејќи секој уред користи свој посветен канал.

Максималниот број на истовремено поврзани уреди во SAS домен, според спецификацијата, надминува 16 илјади, а наместо SCSI ID, се користи идентификатор за адресирање Светско име (WWN).

WWN е единствен идентификатор долг 16 бајти, сличен на MAC адресата за SAS уредите.

И покрај сличностите помеѓу SAS и SATA конекторите, овие стандарди не се целосно компатибилни. Сепак, погонот SATA може да се поврзе со SAS конектор, но не и обратно. Компатибилноста помеѓу SATA-дисковите и доменот SAS е обезбедена со помош на SATA Tunneling Protocol (STP).

Првата верзија на стандардот SAS-1 има пропусен опсег од 3 Gb / s, а најмодерната, SAS-4, ја подобри оваа бројка за 7 пати: 22,5 Gb / s.

PCIe

Peripheral Component Interconnect Express (PCI Express, PCIe) е сериски интерфејс за пренос на податоци, кој се појави во 2002 година. Развојот го започна Интел, а потоа беше префрлен во посебна организација - Групата за специјални интереси на PCI.

Серискиот интерфејс PCIe не беше исклучок и стана логично продолжение на паралелниот PCI, кој е дизајниран да поврзува картички за проширување.

PCI Express е значително различен од SATA и SAS. PCIe интерфејсот има променлив број на ленти. Бројот на линии е еднаков на моќност од два и се движи од 1 до 16.

Терминот „лента“ во PCIe не се однесува на одредена сигнална лента, туку на посебна целосно дуплекс комуникациска врска која се состои од следните сигнални ленти:

• прима + и прима-;
• пренос+ и пренос-;
• четири жици за заземјување.

Бројот на PCIe ленти директно влијае на максималната пропусност на врската. Тековниот стандард PCI Express 4.0 ви овозможува да постигнете 1.9 GB / s на една линија и 31.5 GB / s кога користите 16 линии.

„Апетитите“ на погоните со цврста состојба растат многу брзо. И SATA и SAS не беа во можност да го зголемат својот пропусен опсег за да бидат во чекор со SSD-дисковите, што доведе до воведување на SSD-дискови поврзани со PCIe.

Иако PCIe Add-In-картичките се навртуваат, PCIe може да се замени во топла состојба. Кратки иглички PRSNT (англиски присутен - присутен) проверете дали картичката е целосно инсталирана во отворот.

Погоните во цврста состојба поврзани преку PCIe се регулирани со посебен стандард Спецификација за интерфејс на контролорот на домаќинот за неиспарлива меморија и се отелотворени во различни форми фактори, но за нив ќе зборуваме во следниот дел.

Далечински дискови

Кога креирате големи складишта за податоци, имаше потреба од протоколи кои ви дозволуваат да поврзете дискови лоцирани надвор од серверот. Првото решение во оваа област беше Интернет SCSI (iSCSI), развиен од IBM и Cisco во 1998 година.

Идејата зад протоколот iSCSI е едноставна: SCSI командите се „завиткаат“ во TCP/IP пакети и се испраќаат до мрежата. И покрај далечинското поврзување, им дава илузија на клиентите дека уредот е поврзан локално. iSCSI-базирана мрежа за складирање област (SAN) може да се изгради на постоечката мрежна инфраструктура. Употребата на iSCSI значително ги намалува трошоците за организирање на SAN.

iSCSI има опција „премиум“ - Протокол за канал со влакна (FCP). SAN кој користи FCP е изграден на наменски комуникациски линии со оптички влакна. Овој пристап бара дополнителна оптичка мрежна опрема, но е стабилен и висока пропусност.

Постојат многу протоколи за испраќање SCSI команди преку компјутерски мрежи. Сепак, постои само еден стандард кој го решава спротивниот проблем и ви овозможува да испраќате IP пакети преку магистралата SCSI - IP преку SCSI.

Повеќето SAN протоколи ја користат командата SCSI за управување со дискови, но има исклучоци, како што е едноставниот ATA преку етернет (АОЕ). Протоколот AoE испраќа ATA команди во Ethernet пакети, но дисковите се појавуваат како SCSI во системот.

Со доаѓањето на NVM Express дисковите, протоколите iSCSI и FCP повеќе не ги задоволуваат брзорастечките барања на SSD-дисковите. Постојат две решенија:

• отстранување на магистралата PCI Express надвор од серверот;
• креирање на протоколот NVMe over Fabrics.

Отстранувањето на магистралата PCIe создава сложен хардвер за префрлување, но не го менува протоколот.

Протоколот NVMe over Fabrics стана добра алтернатива на iSCSI и FCP. NVMe-oF користи врска со оптички влакна и сет на команди NVM Express.

ДДР-Т

Стандардите iSCSI и NVMe-oF го решаваат проблемот со поврзување на далечински дискови како локални, додека Intel отиде на друг начин и го доближи локалниот диск што е можно поблиску до процесорот. Изборот падна на слотовите DIMM во кои е поврзана RAM меморијата. Максималниот пропусен опсег на DDR4 е 25 GB/s, што е многу побрзо од магистралата PCIe. Вака се роди Intel® Optane™ DC постојана меморија SSD.

Беше измислен протокол за поврзување на диск со слотови DIMM ДДР-Т, физички и електрично компатибилен со DDR4, но бара посебен контролер што ја гледа разликата помеѓу мемориската лента и погонот. Брзината на пристап до погонот е помала од RAM меморијата, но повеќе од NVMe.

DDR-T е достапен само со процесори од генерацијата Intel® Cascade Lake или понови.

Заклучок

Речиси сите интерфејси поминаа долг пат од сериски до паралелен пренос на податоци. Брзините на SSD вртоглаво растат, вчера SSD-овите беа куриозитет, а денес NVMe веќе не е изненадување.

Во нашата лабораторија Selectel Lab можете сами да ги тестирате дисковите SSD и NVMe.

Само регистрирани корисници можат да учествуваат во анкетата. Најави се, вие сте добредојдени.

Дали NVMe дисковите ќе ги заменат класичните SSD-дискови во блиска иднина?

• 55.5%Да 100

• 44.4%Бр 80 г

Гласаа 180 корисници. 28 корисници беа воздржани.

Извор: www.habr.com