В Trong loạt bài “Giới thiệu về SSD”, chúng ta đã nói về lịch sử hình thành của các ổ đĩa. Phần thứ hai sẽ nói về giao diện tương tác với ổ đĩa.
Giao tiếp giữa bộ xử lý và thiết bị ngoại vi diễn ra theo các quy ước được xác định trước gọi là giao diện. Các thỏa thuận này quy định mức độ tương tác vật lý và phần mềm.
Giao diện là tập hợp các công cụ, phương thức và quy tắc tương tác giữa các thành phần hệ thống.
Việc triển khai vật lý của giao diện ảnh hưởng đến các tham số sau:
- dung lượng kênh truyền thông;
- số lượng thiết bị được kết nối đồng thời tối đa;
- số lỗi xảy ra.
Giao diện đĩa được xây dựng trên Cổng vào/ra, ngược lại với I/O bộ nhớ và không chiếm dung lượng trong không gian địa chỉ của bộ xử lý.
Cổng song song và nối tiếp
Theo phương pháp trao đổi dữ liệu, cổng I/O được chia thành hai loại:
- song song, tương đông;
- nhất quán.
Như tên cho thấy, một cổng song song sẽ gửi một từ máy bao gồm nhiều bit cùng một lúc. Cổng song song là cách đơn giản nhất để trao đổi dữ liệu vì nó không yêu cầu các giải pháp mạch điện phức tạp. Trong trường hợp đơn giản nhất, mỗi bit của từ máy được gửi dọc theo đường tín hiệu của chính nó và hai đường tín hiệu dịch vụ được sử dụng để phản hồi: Dữ liệu đã sẵn sàng и Dữ liệu được chấp nhận.
Các cổng song song thoạt nhìn có vẻ có quy mô rất tốt: nhiều đường tín hiệu hơn có nghĩa là nhiều bit được truyền cùng một lúc và do đó, thông lượng cao hơn. Tuy nhiên, do số lượng đường tín hiệu tăng lên nên xảy ra hiện tượng nhiễu giữa chúng, dẫn đến hiện tượng méo tín hiệu được truyền đi.
Cổng nối tiếp ngược lại với cổng song song. Dữ liệu được gửi mỗi lần một bit, điều này làm giảm tổng số đường tín hiệu nhưng lại tăng thêm độ phức tạp cho bộ điều khiển I/O. Bộ điều khiển máy phát nhận từng từ máy và phải truyền từng bit một, còn bộ điều khiển máy thu phải nhận các bit và lưu trữ chúng theo cùng một thứ tự.
Một số lượng nhỏ đường tín hiệu cho phép bạn tăng tần suất truyền tin nhắn mà không bị nhiễu.
SCSI
Giao diện hệ thống máy tính nhỏ (SCSI) xuất hiện vào năm 1978 và ban đầu được thiết kế để kết hợp các thiết bị có nhiều cấu hình khác nhau thành một hệ thống duy nhất. Thông số kỹ thuật SCSI-1 được cung cấp để kết nối tối đa 8 thiết bị (cùng với bộ điều khiển), chẳng hạn như:
- máy quét;
- ổ băng từ (bộ truyền phát);
- Ổ quang;
- ổ đĩa và các thiết bị khác.
SCSI ban đầu được gọi là Shugart Associates System Interface (SASI), nhưng ủy ban tiêu chuẩn sẽ không chấp thuận cái tên theo tên công ty, và sau một ngày cân nhắc, cái tên Small Computer Systems Interface (SCSI) đã ra đời. "Cha đẻ" của SCSI, Larry Boucher, dự định từ viết tắt sẽ được phát âm là "sexy", nhưng Tôi đọc “scuzzy” (“nói cho tôi biết”). Sau đó, cách phát âm của “skazi” đã được xác định chắc chắn theo tiêu chuẩn này.
Trong thuật ngữ SCSI, các thiết bị được kết nối được chia thành hai loại:
- người khởi xướng;
- các thiết bị mục tiêu.
Bộ khởi tạo sẽ gửi lệnh đến thiết bị đích, sau đó thiết bị này sẽ gửi phản hồi đến bộ khởi tạo. Bộ khởi tạo và mục tiêu được kết nối với một bus SCSI chung, có băng thông 1 MB/s theo tiêu chuẩn SCSI-5.
Cấu trúc liên kết “bus chung” được sử dụng có một số hạn chế:
- Ở các đầu của xe buýt cần có các thiết bị đặc biệt - thiết bị đầu cuối;
- Băng thông bus được chia sẻ giữa tất cả các thiết bị;
- Số lượng thiết bị kết nối đồng thời tối đa bị giới hạn.
Các thiết bị trên xe buýt được xác định bằng một số duy nhất gọi là ID mục tiêu SCSI. Mỗi đơn vị SCSI trong hệ thống được đại diện bởi ít nhất một thiết bị logic, được đánh địa chỉ bằng một số duy nhất trong thiết bị vật lý Số đơn vị lôgic (LUN).
Các lệnh SCSI được gửi dưới dạng khối mô tả lệnh (Khối mô tả lệnh, CDB), bao gồm mã hoạt động và các tham số lệnh. Tiêu chuẩn mô tả hơn 200 lệnh, được chia thành bốn loại:
- bắt buộc - phải được thiết bị hỗ trợ;
- Tùy chọn - có thể được thực hiện;
- Nhà cung cấp cụ thể - được sử dụng bởi một nhà sản xuất cụ thể;
- Lỗi thời - các lệnh lỗi thời.
Trong số rất nhiều lệnh, chỉ có ba lệnh là bắt buộc đối với thiết bị:
- ĐƠN VỊ THỬ NGHIỆM ĐÃ SN SÀNG - kiểm tra tính sẵn sàng của thiết bị;
- YÊU CẦU SENSE — yêu cầu mã lỗi của lệnh trước đó;
- YÊU CẦU - yêu cầu về các đặc tính cơ bản của thiết bị.
Sau khi nhận và thực hiện lệnh, thiết bị đích sẽ gửi cho bộ khởi tạo một mã trạng thái mô tả kết quả thực hiện.
Cải tiến hơn nữa về SCSI (thông số kỹ thuật SCSI-2 và Ultra SCSI) đã mở rộng danh sách các lệnh được sử dụng và tăng số lượng thiết bị được kết nối lên 16, đồng thời tốc độ trao đổi dữ liệu trên bus lên 640 MB/s. Vì SCSI là giao diện song song nên việc tăng tần số trao đổi dữ liệu có liên quan đến việc giảm độ dài cáp tối đa và dẫn đến sự bất tiện khi sử dụng.
Bắt đầu với tiêu chuẩn Ultra-3 SCSI, đã xuất hiện hỗ trợ “cắm nóng” - kết nối các thiết bị trong khi bật nguồn.
Ổ SSD đầu tiên được biết đến có giao diện SCSI có thể được coi là M-Systems FFD-350, được phát hành vào năm 1995. Đĩa có giá thành cao và không được phổ biến rộng rãi.
Hiện tại, SCSI song song không phải là giao diện kết nối đĩa phổ biến nhưng bộ lệnh vẫn được sử dụng tích cực trong giao diện USB và SAS.
ATA/PATA
Giao diện ATA (Đính kèm công nghệ nâng cao), còn được gọi là HOOF (Parallel ATA) được Western Digital phát triển vào năm 1986. Tên tiếp thị cho tiêu chuẩn IDE (Điện tử Ổ đĩa Tích hợp) nhấn mạnh một sự đổi mới quan trọng: bộ điều khiển ổ đĩa được tích hợp vào ổ đĩa, thay vì trên một bo mạch mở rộng riêng biệt.
Quyết định đặt bộ điều khiển bên trong ổ đĩa đã giải quyết được một số vấn đề cùng một lúc. Thứ nhất, khoảng cách từ ổ đĩa đến bộ điều khiển đã giảm xuống, điều này có tác động tích cực đến đặc tính của ổ đĩa. Thứ hai, bộ điều khiển tích hợp chỉ được “điều chỉnh” cho một loại ổ đĩa nhất định và do đó rẻ hơn.
ATA, giống như SCSI, sử dụng phương pháp I/O song song, ảnh hưởng đến cáp được sử dụng. Để kết nối các ổ đĩa sử dụng giao diện IDE, cần có cáp 40 dây, còn được gọi là cáp. Các thông số kỹ thuật gần đây hơn sử dụng vòng 80 dây: hơn một nửa trong số đó là vòng nối đất để giảm nhiễu ở tần số cao.
Cáp ATA có từ hai đến bốn đầu nối, một trong số đó được kết nối với bo mạch chủ và phần còn lại với các ổ đĩa. Khi kết nối hai thiết bị bằng một cáp, một trong số chúng phải được cấu hình là Bậc thầy, và thứ hai - như Nô lệ. Thiết bị thứ ba có thể được kết nối độc quyền ở chế độ chỉ đọc.
Vị trí của jumper xác định vai trò của một thiết bị cụ thể. Các thuật ngữ Master và Slave liên quan đến thiết bị không hoàn toàn chính xác, vì đối với bộ điều khiển, tất cả các thiết bị được kết nối đều là Slave.
Một cải tiến đặc biệt ở ATA-3 là sự xuất hiện Tự Giám Sát, Công nghệ phân tích và báo cáo (S.M.A.R.T.). Năm công ty (IBM, Seagate, Quantum, Conner và Western Digital) đã hợp lực và tiêu chuẩn hóa công nghệ để đánh giá tình trạng ổ đĩa.
Hỗ trợ cho ổ đĩa thể rắn xuất hiện cùng với phiên bản thứ tư của tiêu chuẩn, được phát hành vào năm 1998. Phiên bản tiêu chuẩn này cung cấp tốc độ truyền dữ liệu lên tới 33.3 MB/s.
Tiêu chuẩn đưa ra các yêu cầu nghiêm ngặt đối với cáp ATA:
- đoàn tàu phải bằng phẳng;
- chiều dài tàu tối đa là 18 inch (45.7 cm).
Tàu ngắn và rộng gây bất tiện và cản trở việc làm mát. Việc tăng tần số truyền với mỗi phiên bản tiêu chuẩn tiếp theo ngày càng trở nên khó khăn hơn và ATA-7 đã giải quyết triệt để vấn đề: giao diện song song được thay thế bằng giao diện nối tiếp. Sau đó, ATA có được từ Parallel và được gọi là PATA, và phiên bản thứ bảy của tiêu chuẩn này nhận được một tên khác - Serial ATA. Việc đánh số các phiên bản SATA bắt đầu từ một.
SATA
Chuẩn Serial ATA (SATA) được giới thiệu vào ngày 7 tháng 2003 năm XNUMX và giải quyết các vấn đề của phiên bản tiền nhiệm với những thay đổi sau:
- cổng song song đã được thay thế bằng cổng nối tiếp;
- cáp rộng 80 dây được thay thế bằng cáp 7 dây;
- Cấu trúc liên kết "bus chung" đã được thay thế bằng kết nối "điểm-điểm".
Mặc dù thực tế là tiêu chuẩn SATA 1.0 (SATA/150, 150 MB/s) nhanh hơn một chút so với ATA-6 (UltraDMA/130, 130 MB/s), việc chuyển đổi sang phương thức trao đổi dữ liệu nối tiếp đã “chuẩn bị nền tảng” cho tăng tốc độ
Mười sáu đường tín hiệu để truyền dữ liệu trong ATA được thay thế bằng hai cặp xoắn: một để truyền, một để nhận. Đầu nối SATA được thiết kế để có khả năng phục hồi cao hơn sau nhiều lần kết nối lại và thông số kỹ thuật SATA 1.0 giúp cho tính năng Cắm nóng trở nên khả thi.
Một số chân trên đĩa ngắn hơn tất cả các chân khác. Điều này được thực hiện để hỗ trợ Hot Swap. Trong quá trình thay thế, thiết bị “mất” và “tìm” dòng theo thứ tự định trước.
Hơn một năm sau, vào tháng 2004 năm 3, phiên bản thứ hai của đặc tả SATA được phát hành. Ngoài khả năng tăng tốc lên tới 2.0 Gbit/s, công nghệ SATA XNUMX còn được giới thiệu Hàng đợi lệnh gốc (NCQ). Các thiết bị có hỗ trợ NCQ có thể tổ chức độc lập thứ tự thực thi các lệnh nhận được để đạt được hiệu suất tối đa.
Trong ba năm tiếp theo, Nhóm làm việc SATA đã làm việc để cải thiện thông số kỹ thuật hiện có và trong phiên bản 2.6, các đầu nối Slimline và micro SATA (uSATA) nhỏ gọn đã xuất hiện. Các đầu nối này là phiên bản nhỏ hơn của đầu nối SATA gốc và được thiết kế cho ổ đĩa quang và ổ đĩa nhỏ trong máy tính xách tay.
Mặc dù thế hệ thứ hai của SATA có đủ băng thông cho ổ cứng nhưng SSD lại yêu cầu nhiều hơn. Vào tháng 2009 năm 6, phiên bản thứ ba của đặc tả SATA được phát hành với băng thông tăng lên XNUMX Gbit/s.
Người ta đặc biệt chú ý đến ổ đĩa thể rắn trong phiên bản SATA 3.1. Đầu nối Mini-SATA (mSATA) đã xuất hiện, được thiết kế để kết nối ổ cứng thể rắn trong máy tính xách tay. Không giống như Slimline và uSATA, đầu nối mới tương tự như PCIe Mini, mặc dù nó không tương thích về điện với PCIe. Ngoài đầu nối mới, SATA 3.1 còn có khả năng xếp hàng các lệnh TRIM bằng các lệnh đọc và ghi.
Lệnh TRIM thông báo cho SSD về các khối dữ liệu không mang tải trọng. Trước SATA 3.1, việc thực thi lệnh này sẽ khiến bộ nhớ đệm bị xóa và I/O sẽ bị treo, theo sau là lệnh TRIM. Cách tiếp cận này làm giảm hiệu suất đĩa trong quá trình xóa.
Thông số kỹ thuật SATA không thể theo kịp sự tăng trưởng nhanh chóng về tốc độ truy cập của ổ đĩa thể rắn, dẫn đến sự xuất hiện vào năm 2013 của một thỏa hiệp có tên là SATA Express trong tiêu chuẩn SATA 3.2. Thay vì tăng gấp đôi băng thông SATA một lần nữa, các nhà phát triển đã sử dụng bus PCIe được sử dụng rộng rãi với tốc độ vượt quá 6 Gbps. Các ổ đĩa hỗ trợ SATA Express có kiểu dáng riêng được gọi là M.2.
SAS
Chuẩn SCSI “cạnh tranh” với ATA cũng không đứng yên và chỉ một năm sau khi Serial ATA xuất hiện, năm 2004, nó được tái sinh dưới dạng giao diện nối tiếp. Tên giao diện mới là SCSI nối tiếp nối tiếp (CÓI).
Mặc dù thực tế là SAS kế thừa bộ lệnh SCSI nhưng những thay đổi vẫn rất đáng kể:
- giao diện nối tiếp;
- cáp nguồn 29 dây;
- kết nối điểm-điểm
Thuật ngữ SCSI cũng được kế thừa. Bộ điều khiển vẫn được gọi là bộ khởi tạo và các thiết bị được kết nối vẫn được gọi là mục tiêu. Tất cả các thiết bị đích và thiết bị khởi tạo tạo thành một miền SAS. Trong SAS, thông lượng kết nối không phụ thuộc vào số lượng thiết bị trong miền vì mỗi thiết bị sử dụng kênh chuyên dụng riêng.
Số lượng thiết bị được kết nối đồng thời tối đa trong miền SAS theo thông số kỹ thuật vượt quá 16 nghìn và thay vì ID SCSI, một mã định danh được sử dụng để đánh địa chỉ Tên toàn cầu (WWN).
WWN là mã định danh duy nhất dài 16 byte, tương tự địa chỉ MAC cho thiết bị SAS.
Mặc dù đầu nối SAS và SATA giống nhau nhưng các tiêu chuẩn này không hoàn toàn tương thích. Tuy nhiên, ổ đĩa SATA có thể được kết nối với đầu nối SAS chứ không phải ngược lại. Khả năng tương thích giữa các ổ đĩa SATA và miền SAS được đảm bảo bằng Giao thức đường hầm SATA (STP).
Phiên bản đầu tiên của tiêu chuẩn SAS-1 có thông lượng 3 Gbit/s và phiên bản hiện đại nhất là SAS-4 đã cải thiện con số này lên 7 lần: 22,5 Gbit/s.
PCIe
Peripheral Component Interconnect Express (PCI Express, PCIe) là giao diện nối tiếp để truyền dữ liệu, xuất hiện vào năm 2002. Việc phát triển được Intel bắt đầu và sau đó được chuyển giao cho một tổ chức đặc biệt - Nhóm lợi ích đặc biệt PCI.
Giao diện PCIe nối tiếp cũng không ngoại lệ và trở thành sự tiếp nối hợp lý của PCI song song, được thiết kế để kết nối các thẻ mở rộng.
PCI Express khác biệt đáng kể so với SATA và SAS. Giao diện PCIe có số làn thay đổi. Số dòng bằng lũy thừa của hai và nằm trong khoảng từ 1 đến 16.
Thuật ngữ "làn đường" trong PCIe không đề cập đến một đường tín hiệu cụ thể mà đề cập đến một kênh liên lạc song công hoàn toàn duy nhất bao gồm các đường tín hiệu sau:
- lễ tân+ và lễ tân-;
- truyền+ và truyền-;
- bốn dây dẫn nối đất.
Số làn PCIe ảnh hưởng trực tiếp đến thông lượng tối đa của kết nối. Chuẩn PCI Express 4.0 hiện đại cho phép bạn đạt được 1.9 GB/s trên một dòng và 31.5 GB/s khi sử dụng 16 dòng.
Nhu cầu về ổ đĩa thể rắn đang tăng lên rất nhanh. Cả SATA và SAS đều không có thời gian để tăng băng thông để “theo kịp” SSD, dẫn đến sự xuất hiện của ổ SSD có kết nối PCIe.
Mặc dù thẻ bổ trợ PCIe được gắn vào nhưng PCIe có thể tráo đổi nhanh. Các chân PRSNT ngắn (tiếng Anh hiện tại - hiện tại) cho phép bạn đảm bảo rằng thẻ đã được lắp hoàn toàn vào khe cắm.
Ổ đĩa thể rắn kết nối qua PCIe được quy định bởi một tiêu chuẩn riêng Đặc tả giao diện bộ điều khiển máy chủ bộ nhớ không thay đổi và được thể hiện dưới nhiều dạng khác nhau, nhưng chúng ta sẽ nói về chúng trong phần tiếp theo.
Ổ đĩa từ xa
Khi tạo kho dữ liệu lớn, nảy sinh nhu cầu về các giao thức cho phép kết nối các ổ đĩa nằm bên ngoài máy chủ. Giải pháp đầu tiên trong lĩnh vực này là SCSI Internet (iSCSI), được IBM và Cisco phát triển vào năm 1998.
Ý tưởng của giao thức iSCSI rất đơn giản: Các lệnh SCSI được “bọc” trong các gói TCP/IP và truyền tới mạng. Bất chấp kết nối từ xa, ảo tưởng vẫn được tạo ra cho khách hàng rằng ổ đĩa được kết nối cục bộ. Mạng khu vực lưu trữ (SAN) dựa trên iSCSI có thể được xây dựng trên cơ sở hạ tầng mạng hiện có. Sử dụng iSCSI giúp giảm đáng kể chi phí tổ chức SAN.
iSCSI có tùy chọn “cao cấp” - Giao thức kênh sợi quang (FCP). SAN sử dụng FCP được xây dựng trên đường truyền thông cáp quang chuyên dụng. Cách tiếp cận này yêu cầu thêm thiết bị mạng quang nhưng ổn định và có thông lượng cao.
Có nhiều giao thức để gửi lệnh SCSI qua mạng máy tính. Tuy nhiên, chỉ có một tiêu chuẩn giải quyết được vấn đề ngược lại và cho phép gửi các gói IP qua bus SCSI - .
Hầu hết các giao thức SAN sử dụng bộ lệnh SCSI để quản lý ổ đĩa, nhưng vẫn có những trường hợp ngoại lệ, chẳng hạn như giao thức đơn giản ATA qua Ethernet (AOE). Giao thức AoE gửi lệnh ATA trong gói Ethernet, nhưng các ổ đĩa xuất hiện dưới dạng SCSI trong hệ thống.
Với sự ra đời của ổ NVM Express, giao thức iSCSI và FCP không còn đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng nhanh của SSD. Hai giải pháp xuất hiện:
- di chuyển bus PCI Express ra ngoài máy chủ;
- tạo giao thức NVMe qua Fabrics.
Việc loại bỏ bus PCIe liên quan đến việc tạo ra thiết bị chuyển mạch phức tạp nhưng không thay đổi giao thức.
Giao thức NVMe over Fabrics đã trở thành một giải pháp thay thế tốt cho iSCSI và FCP. NVMe-oF sử dụng liên kết cáp quang và bộ lệnh NVM Express.
DDR-T
Các tiêu chuẩn iSCSI và NVMe-oF giải quyết vấn đề kết nối các ổ đĩa từ xa như các ổ đĩa cục bộ, nhưng Intel đã đi theo một con đường khác và đưa ổ đĩa cục bộ đến gần bộ xử lý nhất có thể. Sự lựa chọn rơi vào các khe DIMM mà RAM được kết nối. Băng thông tối đa của kênh DDR4 là 25 GB/s, cao hơn đáng kể so với tốc độ của bus PCIe. Đây là cách SSD bộ nhớ liên tục Intel® Optane™ DC ra đời.
Một giao thức được phát minh để kết nối ổ đĩa với các khe DIMM DDR-T, tương thích về mặt vật lý và điện với DDR4, nhưng cần có bộ điều khiển đặc biệt để nhận ra sự khác biệt giữa thẻ nhớ và ổ đĩa. Tốc độ truy xuất của ổ chậm hơn RAM nhưng lại nhanh hơn NVMe.
DDR-T chỉ khả dụng với bộ xử lý Intel® Cascade Lake trở lên.
Kết luận
Hầu hết tất cả các giao diện đều đã trải qua một chặng đường dài từ phương thức truyền dữ liệu nối tiếp sang song song. Tốc độ SSD đang tăng lên nhanh chóng; mới ngày hôm qua SSD còn là một điều mới lạ, nhưng ngày nay NVMe không còn đặc biệt đáng ngạc nhiên nữa.
Trong phòng thí nghiệm của chúng tôi bạn có thể tự kiểm tra ổ SSD và NVMe.
Chỉ những người dùng đã đăng ký mới có thể tham gia khảo sát. , xin vui lòng.
Ổ NVMe sẽ thay thế ổ SSD cổ điển trong tương lai gần?
-
55.5%Có100
-
44.4%80
180 người dùng bình chọn. 28 người dùng bỏ phiếu trắng.
Nguồn: www.habr.com