Hyrje në SSD. Pjesa 2. Ndërfaqja

В pjesa e fundit Në serinë "Hyrje në SSD", folëm për historinë e shfaqjes së disqeve. Pjesa e dytë do të flasë për ndërfaqet për ndërveprim me disqet.

Komunikimi ndërmjet procesorit dhe pajisjeve periferike ndodh sipas konventave të paracaktuara të quajtura ndërfaqe. Këto marrëveshje rregullojnë nivelin fizik dhe softuerik të ndërveprimit.

Ndërfaqja është një grup mjetesh, metodash dhe rregullash të ndërveprimit midis elementeve të sistemit.

Zbatimi fizik i ndërfaqes ndikon në parametrat e mëposhtëm:

• kapaciteti i kanalit të komunikimit;
• numri maksimal i pajisjeve të lidhura njëkohësisht;
• numri i gabimeve që ndodhin.

Ndërfaqet e diskut janë ndërtuar mbi Portet hyrëse/dalëse, e cila është e kundërta e memorjes I/O dhe nuk zë hapësirë ​​në hapësirën e adresave të procesorit.

Porta paralele dhe serike

Sipas metodës së shkëmbimit të të dhënave, portat I/O ndahen në dy lloje:

• paralele;
• konsistente.

Siç sugjeron emri, një port paralel dërgon një fjalë makine të përbërë nga disa bit në të njëjtën kohë. Një port paralel është mënyra më e thjeshtë për të shkëmbyer të dhëna, pasi nuk kërkon zgjidhje komplekse qarkore. Në rastin më të thjeshtë, çdo pjesë e një fjale makinerie dërgohet përgjatë linjës së vet të sinjalit dhe dy linja sinjalesh shërbimi përdoren për reagime: Të dhënat gati и Të dhënat u pranuan.

Portat paralele duket se përshkallëzohen shumë mirë në shikim të parë: më shumë linja sinjali do të thotë se më shumë bit transferohen në një kohë dhe, për rrjedhojë, xhiro më e lartë. Megjithatë, për shkak të rritjes së numrit të linjave të sinjalit, ndodh interferenca midis tyre, duke çuar në shtrembërim të mesazheve të transmetuara.

Portet serike janë e kundërta e porteve paralele. Të dhënat dërgohen një bit në një kohë, gjë që redukton numrin e përgjithshëm të linjave të sinjalit, por i shton kompleksitet kontrolluesit I/O. Kontrolluesi i transmetuesit merr një fjalë të makinës në të njëjtën kohë dhe duhet të transmetojë një bit në një kohë, dhe kontrolluesi i marrësit nga ana e tij duhet të marrë bitet dhe t'i ruajë ato në të njëjtin rend.

Një numër i vogël i linjave të sinjalit ju lejon të rrisni frekuencën e transmetimit të mesazhit pa ndërhyrje.

SCSI

Ndërfaqja e Sistemeve të Vogël Kompjuterike (SCSI) u shfaq në vitin 1978 dhe fillimisht u krijua për të kombinuar pajisje të profileve të ndryshme në një sistem të vetëm. Specifikimi SCSI-1 parashikonte lidhjen deri në 8 pajisje (së bashku me kontrolluesin), si:

• skanerë;
• kasetë (streamers);
• disqet optike;
• disqet e diskut dhe pajisje të tjera.

SCSI fillimisht quhej Shugart Associates System Interface (SASI), por komiteti i standardeve nuk miratoi emrin e kompanisë, dhe pas një dite idesh, lindi emri Small Computer Systems Interface (SCSI). "Babai" i SCSI, Larry Boucher, synonte që akronimi të shqiptohej "seksi", por Dal Allan Kam lexuar "scuzzy" ("më thuaj"). Më pas, shqiptimi i "skazi" iu caktua në mënyrë të vendosur këtij standardi.

Në terminologjinë SCSI, pajisjet e lidhura ndahen në dy lloje:

• iniciatorë;
• pajisjet e synuara.

Iniciatori dërgon një komandë në pajisjen e synuar, e cila më pas i dërgon një përgjigje iniciatorit. Iniciatorët dhe objektivat janë të lidhur me një autobus të zakonshëm SCSI, i cili ka një gjerësi brezi prej 1 MB/s në standardin SCSI-5.

Topologjia e përdorur "autobus i zakonshëm" imponon një sërë kufizimesh:

• Në skajet e autobusit kërkohen pajisje speciale - terminatorë;
• Gjerësia e brezit të autobusit ndahet midis të gjitha pajisjeve;
• Numri maksimal i pajisjeve të lidhura njëkohësisht është i kufizuar.

Pajisjet në autobus identifikohen nga një numër unik i quajtur ID-ja e objektivit SCSI. Çdo njësi SCSI në sistem përfaqësohet nga të paktën një pajisje logjike, e cila adresohet duke përdorur një numër unik brenda pajisjes fizike Numri i njësisë logjike (LUN).

Komandat SCSI dërgohen si blloqet e përshkrimit të komandës (Blloku i përshkruesit të komandës, CDB), i përbërë nga një kod operimi dhe parametra komandimi. Standardi përshkruan më shumë se 200 komanda, të ndara në katër kategori:

• i detyrueshëm - duhet të mbështetet nga pajisja;
• fakultativ - mund të zbatohet;
• Specifik për shitësin - përdoret nga një prodhues specifik;
• i vjetruar - komandat e vjetruara.

Ndër komandat e shumta, vetëm tre prej tyre janë të detyrueshme për pajisjet:

• NJËSIA TESTIMI GATI — kontrollimi i gatishmërisë së pajisjes;
• KËRKESË SENSE — kërkon kodin e gabimit të komandës së mëparshme;
• HETIM — kërkesë për karakteristikat bazë të pajisjes.

Pas marrjes dhe ekzekutimit të komandës, pajisja e synuar i dërgon iniciatorit një kod statusi që përshkruan rezultatin e ekzekutimit.

Përmirësimi i mëtejshëm i SCSI (specifikimet SCSI-2 dhe Ultra SCSI) zgjeroi listën e komandave të përdorura dhe rriti numrin e pajisjeve të lidhura në 16 dhe shpejtësinë e shkëmbimit të të dhënave në autobus në 640 MB/s. Meqenëse SCSI është një ndërfaqe paralele, rritja e frekuencës së shkëmbimit të të dhënave u shoqërua me një ulje të gjatësisë maksimale të kabllit dhe çoi në bezdi në përdorim.

Duke filluar me standardin Ultra-3 SCSI, u shfaq mbështetja për "mbytje të nxehtë" - lidhja e pajisjeve ndërsa energjia është e ndezur.

Disku i parë i njohur SSD me një ndërfaqe SCSI mund të konsiderohet M-Systems FFD-350, i lëshuar në 1995. Disku kishte një kosto të lartë dhe nuk ishte i përhapur.

Aktualisht, SCSI paralele nuk është një ndërfaqe e njohur e lidhjes së diskut, por grupi i komandave përdoret ende në mënyrë aktive në ndërfaqet USB dhe SAS.

ATA/PATA

ndërfaqe ATA (Advanced Technology Attachment), i njohur gjithashtu si PAW (Parallel ATA) u zhvillua nga Western Digital në 1986. Emri i marketingut për standardin IDE (Integrated Drive Electronics) theksoi një risi të rëndësishme: kontrolluesi i diskut ishte i integruar në disk, dhe jo në një tabelë të veçantë zgjerimi.

Vendimi për të vendosur kontrolluesin brenda diskut zgjidhi disa probleme menjëherë. Së pari, distanca nga disku në kontrollues është zvogëluar, gjë që ka një efekt pozitiv në karakteristikat e diskut. Së dyti, kontrolluesi i integruar ishte "përshtatur" vetëm për një lloj të caktuar disku dhe, në përputhje me rrethanat, ishte më i lirë.

ATA, si SCSI, përdor një metodë paralele I/O, e cila ndikon në kabllot e përdorura. Për të lidhur disqet duke përdorur ndërfaqen IDE, kërkohen kabllo me 40 tela, të quajtura gjithashtu kabllo. Specifikimet më të fundit përdorin sythe me 80 tela: më shumë se gjysma e të cilave janë baza për të reduktuar ndërhyrjet në frekuenca të larta.

Kablloja ATA ka nga dy deri në katër lidhës, njëri prej të cilëve është i lidhur me motherboard, dhe pjesa tjetër me disqet. Kur lidhni dy pajisje me një kabllo, njëra prej tyre duhet të konfigurohet si Mjeshtër, dhe e dyta - si rob. Pajisja e tretë mund të lidhet ekskluzivisht në modalitetin vetëm për lexim.

Pozicioni i kërcyesit specifikon rolin e një pajisjeje specifike. Termat Master dhe Slave në lidhje me pajisjet nuk janë plotësisht të sakta, pasi në lidhje me kontrolluesin të gjitha pajisjet e lidhura janë skllevër.

Një risi e veçantë në ATA-3 është pamja Vetë Monitorimi, Teknologjia e analizës dhe raportimit (SMART). Pesë kompani (IBM, Seagate, Quantum, Conner dhe Western Digital) kanë bashkuar forcat dhe teknologjinë e standardizuar për vlerësimin e shëndetit të disqeve.

Mbështetja për disqet e gjendjes së ngurtë u shfaq me versionin e katërt të standardit, të lëshuar në 1998. Ky version i standardit siguronte shpejtësi transferimi të të dhënave deri në 33.3 MB/s.

Standardi parashtron kërkesa strikte për kabllot ATA:

• treni duhet të jetë i sheshtë;
• Gjatësia maksimale e trenit është 18 inç (45.7 centimetra).

Treni i shkurtër dhe i gjerë ishte i papërshtatshëm dhe ndërhyri në ftohje. U bë gjithnjë e më e vështirë rritja e frekuencës së transmetimit me çdo version pasues të standardit, dhe ATA-7 e zgjidhi problemin rrënjësisht: ndërfaqja paralele u zëvendësua nga një seriale. Pas kësaj, ATA fitoi fjalën Parallel dhe u bë i njohur si PATA, dhe versioni i shtatë i standardit mori një emër tjetër - Serial ATA. Numërimi i versioneve SATA filloi nga një.

SATA

Standardi Serial ATA (SATA) u prezantua më 7 janar 2003 dhe adresoi problemet e paraardhësit të tij me ndryshimet e mëposhtme:

• porti paralel është zëvendësuar nga një serial;
• kablloja e gjerë me 80 tela zëvendësohet nga një kabllo me 7 tela;
• Topologjia e "busit të përbashkët" është zëvendësuar nga një lidhje "pikë-në-pikë".

Pavarësisht nga fakti se standardi SATA 1.0 (SATA/150, 150 MB/s) ishte pak më i shpejtë se ATA-6 (UltraDMA/130, 130 MB/s), kalimi në një metodë serike të shkëmbimit të të dhënave "përgatiti terrenin" për shpejtësi të rritura

Gjashtëmbëdhjetë linjat e sinjalit për transmetimin e të dhënave në ATA u zëvendësuan nga dy çifte të përdredhura: njëra për transmetim, tjetra për marrjen. Lidhësit SATA janë krijuar për të qenë më elastik ndaj rilidhjeve të shumta dhe specifikimi SATA 1.0 bëri të mundur Hot Plug.

Disa kunja në disqe janë më të shkurtra se të gjithë të tjerët. Kjo është bërë për të mbështetur Hot Swap. Gjatë procesit të zëvendësimit, pajisja "humb" dhe "gjen" linja në një rend të paracaktuar.

Pak më shumë se një vit më vonë, në prill 2004, u lëshua versioni i dytë i specifikimit SATA. Përveç përshpejtimit deri në 3 Gbit/s, SATA 2.0 prezantoi teknologjinë Radha e komandës vendase (NCQ). Pajisjet me mbështetje NCQ janë në gjendje të organizojnë në mënyrë të pavarur rendin në të cilin komandat e marra janë ekzekutuar për të arritur performancën maksimale.

Gjatë tre viteve të ardhshme, Grupi i Punës SATA punoi për të përmirësuar specifikimet ekzistuese dhe në versionin 2.6 u shfaqën lidhësit kompakt Slimline dhe mikro SATA (uSATA). Këta lidhës janë një version më i vogël i lidhësit origjinal SATA dhe janë krijuar për disqet optike dhe disqe të vogla në laptopë.

Edhe pse gjenerata e dytë e SATA kishte gjerësi bande të mjaftueshme për disqet e ngurtë, SSD-të kërkonin më shumë. Në maj 2009, versioni i tretë i specifikimit SATA u lëshua me gjerësi bande të rritur në 6 Gbit/s.

Vëmendje e veçantë iu kushtua disqeve në gjendje të ngurtë në edicionin SATA 3.1. Është shfaqur një lidhës Mini-SATA (mSATA), i krijuar për lidhjen e disqeve në gjendje të ngurtë në laptopë. Ndryshe nga Slimline dhe uSATA, lidhësi i ri ishte i ngjashëm me PCIe Mini, megjithëse nuk ishte elektrikisht i pajtueshëm me PCIe. Përveç lidhësit të ri, SATA 3.1 krenohej me aftësinë për të vendosur në radhë komandat TRIM me komandat e leximit dhe shkrimit.

Komanda TRIM njofton SSD-në për blloqet e të dhënave që nuk mbajnë ngarkesë. Përpara SATA 3.1, ekzekutimi i kësaj komande do të shkaktonte shkarkimin e cache-ve dhe pezullimin e hyrjes/daljes, e ndjekur nga një komandë TRIM. Kjo qasje degradoi performancën e diskut gjatë operacioneve të fshirjes.

Specifikimi SATA nuk mund të vazhdonte me rritjen e shpejtë të shpejtësive të aksesit për disqet në gjendje të ngurtë, gjë që çoi në shfaqjen në 2013 të një kompromisi të quajtur SATA Express në standardin SATA 3.2. Në vend që të dyfishonin përsëri gjerësinë e brezit SATA, zhvilluesit përdorën autobusin PCIe të përdorur gjerësisht, shpejtësia e të cilit i kalon 6 Gbps. Disqet që mbështesin SATA Express kanë fituar faktorin e tyre të formës të quajtur M.2.

SAS

Standardi SCSI, "duke konkurruar" me ATA, gjithashtu nuk qëndroi i palëvizshëm dhe vetëm një vit pas shfaqjes së Serial ATA, në 2004, ai rilindi si një ndërfaqe serike. Emri i ndërfaqes së re është Seriali i bashkangjitur SCSI (SEDGE).

Përkundër faktit se SAS trashëgoi grupin e komandave SCSI, ndryshimet ishin domethënëse:

• ndërfaqe serike;
• Kabllo energjie me 29 tela;
• lidhje pikë-pikë

U trashëgua edhe terminologjia SCSI. Kontrolluesi quhet ende iniciator, dhe pajisjet e lidhura quhen ende objektiv. Të gjitha pajisjet e synuara dhe iniciatori formojnë një domen SAS. Në SAS, xhiroja e lidhjes nuk varet nga numri i pajisjeve në domen, pasi secila pajisje përdor kanalin e vet të dedikuar.

Numri maksimal i pajisjeve të lidhura njëkohësisht në një domen SAS sipas specifikimit tejkalon 16 mijë, dhe në vend të një ID SCSI, përdoret një identifikues për adresimin Emri mbarëbotëror (WWN).

WWN është një identifikues unik 16 bajt i gjatë, analog me një adresë MAC për pajisjet SAS.

Pavarësisht nga ngjashmëria e lidhësve SAS dhe SATA, këto standarde nuk janë plotësisht të pajtueshme. Megjithatë, një disk SATA mund të lidhet me një lidhës SAS, por jo anasjelltas. Përputhshmëria midis disqeve SATA dhe domenit SAS sigurohet duke përdorur Protokollin SATA Tunneling (STP).

Versioni i parë i standardit SAS-1 ka një kapacitet prej 3 Gbit/s, dhe më moderni, SAS-4, e ka përmirësuar këtë shifër me 7 herë: 22,5 Gbit/s.

PCIe

Peripheral Component Interconnect Express (PCI Express, PCIe) është një ndërfaqe serike për transferimin e të dhënave, e cila u shfaq në 2002. Zhvillimi filloi nga Intel, dhe më pas u transferua në një organizatë të veçantë - PCI Special Interest Group.

Ndërfaqja serike PCIe nuk ishte përjashtim dhe u bë një vazhdim logjik i PCI paralele, e cila është krijuar për lidhjen e kartave të zgjerimit.

PCI Express është dukshëm i ndryshëm nga SATA dhe SAS. Ndërfaqja PCIe ka një numër të ndryshueshëm korsive. Numri i rreshtave është i barabartë me fuqitë e dy dhe varion nga 1 në 16.

Termi "korsi" në PCIe nuk i referohet një linje sinjali specifik, por një kanali të vetëm komunikimi full-duplex që përbëhet nga linjat e mëposhtme të sinjalit:

• pritje+ dhe pritje-;
• transmetim+ dhe transmetim-;
• katër përçues tokëzimi.

Numri i korsive PCIe ndikon drejtpërdrejt në xhiros maksimale të lidhjes. Standardi modern PCI Express 4.0 ju lejon të arrini 1.9 GB/s në një linjë dhe 31.5 GB/s kur përdorni 16 linja.

Oreksi për disqet në gjendje të ngurtë po rritet shumë shpejt. Të dy SATA dhe SAS nuk kanë kohë për të rritur gjerësinë e brezit të tyre për të "vazhduar" me SSD, gjë që çoi në shfaqjen e disqeve SSD me lidhje PCIe.

Edhe pse kartat shtesë PCIe janë të vidhosura, PCIe mund të shkëmbehet nxehtë. Kunjat e shkurtra PRSNT (anglisht prezente - prezente) ju lejojnë të siguroheni që karta është instaluar plotësisht në fole.

Disqet në gjendje të ngurtë të lidhur nëpërmjet PCIe rregullohen nga një standard i veçantë Specifikimi i ndërfaqes së kontrolluesit të hostit të kujtesës jo të paqëndrueshme dhe janë të mishëruara në një sërë faktorësh formash, por ne do të flasim për to në pjesën tjetër.

Disqet në distancë

Kur krijoni depo të mëdha të të dhënave, lindi nevoja për protokolle që lejojnë lidhjen e disqeve të vendosura jashtë serverit. Zgjidhja e parë në këtë fushë ishte Internet SCSI (iSCSI), i zhvilluar nga IBM dhe Cisco në 1998.

Ideja e protokollit iSCSI është e thjeshtë: komandat SCSI "mbështillen" në pako TCP/IP dhe transmetohen në rrjet. Pavarësisht lidhjes në distancë, klientëve krijohet iluzioni se disku është i lidhur lokalisht. Një rrjet i zonës së ruajtjes së bazuar në iSCSI (SAN) mund të ndërtohet në infrastrukturën ekzistuese të rrjetit. Përdorimi i iSCSI ul ndjeshëm koston e organizimit të një SAN.

iSCSI ka një opsion "premium" - Protokolli i kanalit fibër (FCP). Një SAN që përdor FCP është ndërtuar në linja të dedikuara komunikimi me fibra optike. Kjo qasje kërkon pajisje shtesë të rrjetit optik, por është e qëndrueshme dhe ka xhiro të lartë.

Ka shumë protokolle për dërgimin e komandave SCSI përmes rrjeteve kompjuterike. Sidoqoftë, ekziston vetëm një standard që zgjidh problemin e kundërt dhe lejon që paketat IP të dërgohen përmes autobusit SCSI - IP-mbi-SCSI.

Shumica e protokolleve SAN përdorin grupin e komandës SCSI për të menaxhuar disqet, por ka përjashtime, të tilla si të thjeshta ATA mbi Ethernet (AoE). Protokolli AoE dërgon komanda ATA në paketat Ethernet, por disqet shfaqen si SCSI në sistem.

Me ardhjen e disqeve NVM Express, protokollet iSCSI dhe FCP nuk plotësojnë më kërkesat në rritje të shpejtë të SSD-ve. U shfaqën dy zgjidhje:

• lëvizja e autobusit PCI Express jashtë serverit;
• krijimi i protokollit NVMe mbi Fabrics.

Heqja e autobusit PCIe përfshin krijimin e pajisjeve komplekse komutuese, por nuk ndryshon protokollin.

Protokolli NVMe mbi Fabrics është bërë një alternativë e mirë për iSCSI dhe FCP. NVMe-oF përdor një lidhje me fibër optike dhe grupin e udhëzimeve NVM Express.

DDR-T

Standardet iSCSI dhe NVMe-oF zgjidhin problemin e lidhjes së disqeve në distancë si ato lokale, por Intel mori një rrugë tjetër dhe e afroi diskun lokal sa më afër procesorit. Zgjedhja ra në lojëra elektronike DIMM në të cilat është lidhur RAM. Gjerësia maksimale e brezit të një kanali DDR4 është 25 GB/s, që është dukshëm më e lartë se shpejtësia e autobusit PCIe. Kështu lindi SSD me memorie të qëndrueshme Intel® Optane™ DC.

Një protokoll u shpik për të lidhur disqet me lojëra elektronike DIMM DDR-T, i pajtueshëm fizikisht dhe elektrikisht me DDR4, por kërkon një kontrollues të posaçëm që sheh ndryshimin midis kartës së kujtesës dhe diskut. Shpejtësia e aksesit të diskut është më e ngadaltë se RAM, por më e shpejtë se NVMe.

DDR-T disponohet vetëm me procesorë Intel® Cascade Lake ose më vonë.

Përfundim

Pothuajse të gjitha ndërfaqet kanë bërë një rrugë të gjatë nga metodat e transferimit të të dhënave serike në ato paralele. Shpejtësia e SSD-ve po rritet me shpejtësi; vetëm dje SSD-të ishin një risi, por sot NVMe nuk është më veçanërisht befasuese.

Në laboratorin tonë Selectel Lab mund të testoni vetë disqet SSD dhe NVMe.

Vetëm përdoruesit e regjistruar mund të marrin pjesë në anketë. Hyni, te lutem

A do të zëvendësojnë disqet NVMe SSD-të klasike në të ardhmen e afërt?

• 55.5%Po 100

• 44.4%Nr 80

180 përdorues votuan. 28 përdorues abstenuan.

Burimi: www.habr.com