Introduksjon til SSD. Del 2. Grensesnittet

I i forrige del I syklusen «Introduksjon til SSD» har vi snakket om historien bak harddiskene. Den andre delen vil fortelle om grensesnitt for interaksjon med lagringsenheter.

Kommunikasjonen mellom prosessoren og perifere enheter skjer i henhold til forhåndsbestemte avtaler, kjent som grensesnitt. Disse avtalene regulerer både fysiske og programvare-nivåer for interaksjon.

Grensesnittet er en samling av midler, metoder og regler for interaksjon mellom systemelementer.

Den fysiske realiseringen av grensesnittet påvirker følgende parametere:

• båndbredden til kommunikasjonskanalen;
• maksimalt antall samtidig tilkoblede enheter;
• antallet oppståtte feil.

Diskgrensesnitt er bygget på inngangs- og utgangsporter, noe som er motsatt av inngang/utgang gjennom minnet og ikke tar opp plass i prosessorens adresseområde.

Parallell- og serielle porter

Etter måten data utveksles på, deles inngangs- og utgangsporter inn i to typer:

• parallell;
• seriell.

Som navnet antyder, sender en parallellport en maskinord, som består av flere biter, samtidig. Parallellporten er den enkleste formen for datautveksling, da den ikke krever komplekse kretsdesign. I det enkleste tilfellet sendes hver bit av maskinordet gjennom sin egen signalbane, og to service-signallinjer brukes for tilbakemelding: Data klar og Data mottatt.

Parallellporter ser ved første øyekast ut til å være veldig skalerbare: flere signallinjer betyr flere biter som overføres samtidig, og dermed høyere båndbredde. Likevel, på grunn av det økte antallet signallinjer, oppstår det interferensinteraksjon mellom dem, noe som fører til forvrengning av de overførte meldingene.

Serielle porter er det motsatte av parallellporter. Dataoverføring skjer én bit om gangen, noe som reduserer det totale antallet signallinjer, men kompliserer inngangs- og utgangskontrolleren. Overføringskontrolleren mottar maskinordet om gangen og må overføre én bit, mens mottakerkontrolleren på sin side må motta bitene og lagre dem i samme rekkefølge.

Det lave antallet signallinjer gjør at overføringsfrekvensen kan økes uten støy.

SCSI

Small Computer Systems Interface (SCSI) ble introdusert i 1978 og ble opprinnelig utviklet for å samordne forskjellige typer enheter i et felles system. SCSI-1 spesifikasjonen tillot tilkobling av opptil 8 enheter (inkludert kontrolleren), slik som:

• skannere;
• båndstasjoner (streamere);
• optiske drivere;
• diskstasjoner og andre enheter.

Opprinnelig ble SCSI kalt Shugart Associates System Interface (SASI), men standardiseringskomiteen ville ikke godkjenne et navn oppkalt etter selskapet, og etter en idémyldring kom navnet Small Computer Systems Interface (SCSI). «Faren» til SCSI, Larry Boucher, hadde til hensikt at forkortelsen skulle uttales som «sexy», men Dal Allan leste det som «sсuzzy» («skazi»). Senere ble uttalen «skazi» godt etablert som standard.

I SCSI-terminologi deles tilkoblede enheter inn i to typer:

• initiativer;
• mål-enheter.

Initiatoren sender en kommando til mål-enheten, som deretter sender svar tilbake til initiatoren. Initiatorer og mål-enheter er koblet til en felles SCSI-buss, med en båndbredde på 5 MB/s i SCSI-1 standarden.

Den brukte «felles buss» topologien medfører visse begrensninger:

• spesielle enheter — termineringsenheter — må befinne seg i endene av bussen;
• båndbredden på bussen deles mellom alle enhetene;
• det maksimale antallet enheter som kan tilkobles samtidig er begrenset.

Enhetene på bussen identifiseres med et unikt nummer, kalt SCSI Target ID. Hver SCSI-enhet i systemet er representert av minst én logisk enhet, som adresseres med et unikt nummer for den fysiske enheten, kalt Logical Unit Number (LUN).

Kommandoer i SCSI sendes som kommando beskrivelsesblokker (Command Descriptor Block, CDB), som består av operasjonskode og parameterne for kommandoen. Standarden beskriver over 200 kommandoer, delt inn i fire kategorier:

• Mandatory — må støttes av enheten;
• Optional — kan implementeres;
• Vendor-specific — brukes av en spesifikk produsent;
• Obsolete — utdaterte kommandoer.

Blant de mange kommandoene er kun tre av dem obligatoriske for enhetene:

• TEST UNIT READY — sjekker enhetens beredskap;
• REQUEST SENSE — ber om feilkoden fra forrige kommando;
• INQUIRY — ber om grunnleggende spesifikasjoner for enheten.

Etter å ha mottatt og behandlet kommandoen, sender det målrettede enheten en statuskode tilbake til initiatoren, som beskriver resultatet av utførelsen.

Videre forbedring av SCSI (spesifikasjonene SCSI-2 og Ultra SCSI) utvidet listen over brukte kommandoer og økte antall tilkoblede enheter til 16, samt hastigheten på dataoverføring via bussen til 640 MB/s. Siden SCSI er et parallelt grensesnitt, var økningen av dataoverføringshastigheten knyttet til en reduksjon i maksimal kabel lengde, noe som førte til ulemper ved bruk.

Fra standarden Ultra-3 SCSI ble støtten for 'hot plugging' introdusert - tilkobling av enheter mens strømmen er på.

Den første kjente SSD-en med SCSI-grensesnitt kan anses som M-Systems FFD-350, utgitt i 1995. Disken hadde en høy kostnad og var ikke allment tilgjengelig.

I dag er parallell SCSI ikke en populær tilkoblingsgrensesnitt for disker, men kommandosettet brukes fortsatt aktivt i USB- og SAS-grensesnitt.

ATA / PATA

Grensesnittet ATA (Advanced Technology Attachment), også kjent som PATA (Parallel ATA) ble utviklet av Western Digital i 1986. Den markedsførte betegnelsen IDE (Integrated Drive Electronics) understreket den viktige innovasjonen: kontrolleren ble innebygd i enheten, snarere enn på et eget utvidelseskort.

Løsningen å plassere kontrolleren inne i enheten løste flere problemer. For det første, avstanden fra lagringsenheten til kontrolleren ble redusert, noe som hadde en positiv effekt på ytelsen til dataenheten. For det andre var den innebygde kontrolleren 'tilpasset' kun for en type enhet og var derfor billigere.

ATA, i likhet med SCSI, bruker en parallell metode for inn- og utgang, noe som reflekteres i de brukte kablene. For tilkobling av disker med IDE-grensesnitt er 40-ledere kabler, også kalt flate kabler, nødvendige. I nyere spesifikasjoner brukes 80-leders flate kabler, hvor over halvparten er jordingsledninger for å redusere interferens på høye frekvenser.

På ATA-flaten er det mellom to og fire kontakter, hvorav en er koblet til hovedkortet, mens de andre er til lagringsenhetene. Når to enheter er tilkoblet samme kabel, må en av dem konfigureres som Master, mens den andre må være Slave. Det tredje enheten kan kun kobles til i «kun les»-modusen.

Plasseringen av jumperen definerer rollen til den spesifikke enheten. Begrepene Master og Slave i forhold til enheter er ikke helt korrekte, da alle tilkoblede enheter er Slaves i forhold til kontrolleren.

En spesiell nyvinning i ATA-3 er innføringen av Selvmonitorering, Analyse- og rapporteringsteknologi (S.M.A.R.T.). Fem selskaper (IBM, Seagate, Quantum, Conner og Western Digital) samarbeidet og standardiserte teknologien for vurdering av tilstandene til lagringsenheter.

Støtte for SSD-er kom med den fjerde versjonen av standarden, utgitt i 1998. Denne versjonen av standarden ga dataoverføringshastigheter opptil 33,3 MB/s.

Standarden stiller strenge krav til ATA-kabler:

• kabelen må være flat;
• maksimal lengde på kabelen er 18 tommer (45,7 centimeter).

Den korte og brede kabelen var upraktisk og hindret kjølingen. Det ble stadig vanskeligere å øke overføringsfrekvensen med hver påfølgende versjon av standarden, og ATA-7 løste problemet radikalt: den parallelle grensesnittet ble erstattet med et seriøst. Etter dette fikk ATA tillegget Parallel og ble kalt PATA, mens den syvende versjonen av standarden fikk et nytt navn — Serial ATA. Versjonsnummereringen for SATA begynte med en.

SATA

Standarden Serial ATA (SATA) ble introdusert 7. januar 2003 og løste problemene til sin forgjenger med følgende endringer:

• den parallelle porten ble erstattet med en seriell;
• den brede 80-tråds kabelen ble erstattet med en 7-tråds;
• topologien «felles buss» ble erstattet med tilkoblingen «punkt-til-punkt».

Selv om standarden SATA 1.0 (SATA/150, 150 MB/s) var litt raskere enn ATA-6 (UltraDMA/130, 130 MB/s), var overgangen til seriell datautveksling en «forberedelse til» hastighetsøkning.

Seksten signallinjer for datatransport i ATA ble erstattet med to tvinnede par: ett for sending og ett for mottak. SATA-kontaktene er designet for større motstand mot flere tilkoblinger, og spesifikasjonen SATA 1.0 muliggjorde «hot plug».

Noen pinner på diskene er kortere enn de andre. Dette er gjort for å støtte «hot swap». Under utskifting «taper» enheten og «finner» linjene i en forhåndsbestemt rekkefølge.

Litt over ett år senere, i april 2004, ble den andre versjonen av SATA-spesifikasjonen lansert. Utover en hastighetsøkning til 3 Gbit/s, ble det introdusert teknologien Native Command Queuing (NCQ). Enheter som støtter NCQ kan selvstendig organisere rekkefølgen på utførelsen av innkommende kommandoer for å oppnå maksimal ytelse.

I løpet av de neste tre årene jobbet SATA Working Group med å forbedre den eksisterende spesifikasjonen, og i versjon 2.6 ble det innført kompakte kontakter som Slimline og micro SATA (uSATA). Disse kontaktene er en redusert versjon av den originale SATA-kontakten og er designet for optiske stasjoner og små disker i bærbare datamaskiner.

Selv om den andre generasjonen av SATA hadde tilstrekkelig båndbredde for harddisker, krevde solid-state-disker mer. I mai 2009 ble den tredje versjonen av SATA-spesifikasjonen lansert med en økt båndbredde på 6 Gbit/s.

Spesielt mye oppmerksomhet ble rettet mot solid-state-disker i SATA 3.1-utgaven. En Mini-SATA (mSATA) kontakt ble introdusert for tilkobling av solid-state-disker i bærbare datamaskiner. I motsetning til Slimline og uSATA, var den nye kontakten lik PCIe Mini, selv om den ikke var elektrisk kompatibel med PCIe. Utover den nye kontakten kunne SATA 3.1 også skryte av muligheten til å sette TRIM-kommandoer i kø sammen med lese- og skrivekommandoer.

TRIM-kommandoen varsler solid-state-disken om dataspor som ikke bærer nyttelast. Før SATA 3.1, førte utførelsen av denne kommandoen til tilbakestilling av hurtigbufferne og pauser i inn- og utdataoperasjoner før TRIM-kommandoen ble utført. Denne tilnærmingen reduserte diskens ytelse under slettingsoperasjoner.

SATA-spesifikasjonen klarte ikke å følge den raske veksten i tilgangshastigheten til solid-state-disker, noe som førte til introduksjonen av en kompromissløsning kalt SATA Express i SATA 3.2-standarden i 2013. I stedet for å doble båndbredden til SATA igjen, utnyttet utviklerne den utbredte PCIe-bussen, som har hastigheter som overskrider 6 Gbit/s. Disker som støtter SATA Express fikk sin egen formfaktor kalt M.2.

SAS

Den «konkurrerende» ATA-standarden SCSI sto heller ikke stille, og bare ett år etter lanseringen av Serial ATA, i 2004, ble det omdannet til et sekvensielt grensesnitt. Navnet på det nye grensesnittet er Serial Attached SCSI (SAS).

Til tross for at SAS arvet SCSI-instruksjonssettet, var endringene betydelige:

• sekventiell grensesnitt;
• 29-pinners strøm kabel;
• punkt-til-punkt tilkobling

Terminologien fra SCSI ble også arvet. Kontrolleren kalles fortsatt initiator, mens de tilkoblede enhetene kalles mål. Alle mål-enheter og initiator danner et SAS-domene. I SAS er båndbredden på tilkoblingen uavhengig av antall enheter i domenet, da hver enhet bruker sin dedikerte kanal.

Det maksimale antallet enheter som kan kobles til et SAS-domene ifølge spesifikasjonen overstiger 16 000, og i stedet for SCSI-ID for adressering brukes en identifikator World-Wide Name (WWN).

WWN er en unik identifikator med en lengde på 16 byte, lik MAC-adressen for SAS-enheter.

Til tross for likheten mellom SAS- og SATA-kontakter, er disse standardene ikke helt kompatible. Imidlertid kan en SATA-disk kobles til en SAS-kontakt, men ikke omvendt. Kompatibiliteten mellom SATA-disker og SAS-domenet oppnås ved hjelp av SATA Tunneling Protocol (STP).

Den første versjonen av SAS-1 har en båndbredde på 3 Gbit/s, mens den nyeste, SAS-4, forbedret dette tallet syv ganger: 22,5 Gbit/s.

PCIe

Peripheral Component Interconnect Express (PCI Express, PCIe) er et sekvensielt grensesnitt for datatransport, introdusert i 2002. Utviklingen ble startet av Intel, og ble senere overført til en spesialorganisasjon — PCI Special Interest Group.

Det sekvensielle grensesnittet PCIe var ikke noe unntak og ble en logisk fortsettelse av det parallelle PCI, som var ment for tilkobling av utvidelseskort.

PCI Express skiller seg betydelig fra SATA og SAS. PCIe-grensesnittet har et variabelt antall linjer. Antallet linjer er lik potenser av to og varierer mellom 1 og 16.

Begrepet «linje» i PCIe refererer ikke til en spesifikk signal linje, men til en separat full duplex kommunikasjonskanal bestående av følgende signal linjer:

• mottak+ og mottak-;
• overføring+ og overføring-;
• fire jordlinjer.

Antallet PCIe-linjer påvirker direkte den maksimale båndbredden til forbindelsen. Den moderne standarden PCI Express 4.0 tillater å oppnå 1,9 GB/s per linje, og 31,5 GB/s ved bruk av 16 linjer.

«Appetitten» til solid-state-disker vokser veldig raskt. Både SATA og SAS klarer ikke å øke båndbredden sin for å «henge med» SSD, noe som har ført til fremkomsten av SSD-disker med PCIe-tilkobling.

Selv om PCIe Add-In-kort festes med skruer, støtter PCIe «hot swapping». De korte pinnene PRSNT lar deg bekrefte at kortet er helt installert i sporet.

Solid-state-disker som er koblet til via PCIe reguleres av en egen standard. Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification og finnes i mange formfaktorer, men om dem vil vi snakke i neste del.

Fjernlagringsenheter

Med opprettelsen av store datalagringssystemer oppsto det behov for protokoller som lar deg koble til lagringsenheter som er plassert utenfor serveren. Den første løsningen i dette området var Internet SCSI (iSCSI), utviklet av IBM og Cisco i 1998.

Ideen bak iSCSI-protokollen er enkel: SCSI-kommandoer «pakket» i TCP/IP-pakker og sendt over nettverket. Til tross for den fjerndrevne tilkoblingen gir det klientene inntrykk av at lagringsenheten er koblet lokalt. Et Storage Area Network (SAN) bygget på iSCSI kan bygges på eksisterende nettverksinfrastruktur. Bruken av iSCSI reduserer betydelig kostnadene knyttet til opprettelsen av SAN.

iSCSI har en «premium» versjon — Fibre Channel Protocol (FCP). SAN som bruker FCP bygges på dedikerte fiberoptiske kommunikasjonslinjer. Denne tilnærmingen krever ekstra optisk nettverksutstyr, men er stabil og har høy båndbredde.

Det finnes mange protokoller for å sende SCSI-kommandoer over datanettverk. Likevel er det bare én standard som løser den motsatte oppgaven og lar deg sende IP-pakker over SCSI-bussen — IP-over-SCSI.

De fleste protokoller for opprettelse av SAN bruker SCSI-kommandoer for å styre lagringsenheter, men det finnes unntak, for eksempel den enkle ATA over Ethernet (AoE). AoE-protokollen sender ATA-kommandoer i Ethernet-pakker, men i systemet vises lagringsenhetene som SCSI.

Med fremkomsten av NVM Express-lagringsenheter har iSCSI- og FCP-protokollene sluttet å oppfylle de raskt voksende kravene til solid-state-disker. To løsninger har dukket opp:

• å føre PCI Express-bussen utenfor serveren;
• opprettelse av NVMe over Fabrics-protokollen.

Utslepp av PCIe-banen kobles til opprettelsen av komplisert svitsjeutstyr, men endrer ikke protokollen.

NVMe over Fabrics-protokollen har blitt et godt alternativ til iSCSI og FCP. NVMe-oF bruker fiberoptiske forbindelser og NVM Express-kommandoer.

DDR-T

Standardene iSCSI og NVMe-oF løser problemet med tilkobling av eksterne disker som lokale, mens Intel har valgt en annen vei og maksimerer nærhet av lokale disker til prosessoren. Valget falt på DIMM-spor, hvor RAM installeres. Den maksimale båndbredden til DDR4-kabelen er 25 GB/s, som betydelig overstiger hastigheten til PCIe-bussen. Dermed kom Intel® Optane™ DC Persistent Memory til.

For å koble lagringsenheten til DIMM-sporene ble det oppfunnet en protokoll DDR-T, fysisk og elektrisk kompatibel med DDR4, men krever en spesiell kontroller som ser forskjellen mellom minnebrikken og lagringsenheten. Tilgangshastigheten til lagringsenheten er lavere enn for RAM, men høyere enn for NVMe.

DDR-T-protokollen er kun tilgjengelig med Intel® prosessorer av Cascade Lake generasjonen eller nyere.

Konklusjon

Nesten alle grensesnitt har gjennomgått en lang utviklingsprosess fra sekvensiell til parallell datatransmisjon. Hastighetene for solid-state-disker vokser raskt, i går var solid-state-disker en sjeldenhet, men i dag vekker NVMe ikke lenger spesiell overraskelse.

In our laboratory Selectel Lab du kan teste SSD- og NVMe-disker selv.

Kun registrerte brukere kan delta i undersøkelsen. Logg inn, vær så snill.

Vil NVMe-disker erstatte klassiske SSD-er snart?

• 55.5%Ja100

• 44.4%Nei80

180 brukere har stemt. 28 brukere avsto.

Kilde: habr.com