固態硬盤簡介。 第 2 部分。界面

В 最後部分 循環《SSD入門》我們講了磁盤出現的歷史。 第二部分將介紹與驅動器交互的接口。

處理器和外圍設備之間的通信根據稱為接口的預定義約定進行。 這些協議規範了交互的物理和軟件級別。

接口——系統元素之間交互的一組手段、方法和規則。

接口的物理實現會影響以下參數：

• 通信通道的吞吐量；
• 同時連接的設備的最大數量；
• 發生的錯誤數。

磁盤接口建立在 輸入/輸出端口，這與內存 I/O 相反，不佔用處理器地址空間中的空間。

並行端口和串行端口

根據數據交換的方式，I/O端口分為兩種類型：

• 平行;
• 持續的。

顧名思義，並口一次發送一個機器字，由若干位組成。 並行端口是最簡單的數據交換方式，因為它不需要復雜的電路解決方案。 在最簡單的情況下，機器字的每一位都在自己的信號線上發送，並使用兩條服務信號線進行反饋： 數據準備就緒 и 接受數據.

乍一看，並行端口的擴展性很好：更多的信號線 - 一次傳輸更多的位，因此吞吐量更高。 但是，由於信號線數量的增加，它們之間會產生干擾，導致傳輸的信息失真。

串口與並口相反。 數據一次發送一位，這減少了信號線的總數，但使 I/O 控制器複雜化。 發送器控制器一次接收機器字並且必須一次發送一位，而接收器控制器又必須接收這些位並以相同的順序存儲它們。

少量的信號線可以讓你在不受干擾的情況下增加信息傳輸的頻率。

SCSI

小型計算機系統接口 (SCSI) 出現於 1978 年，最初設計用於將各種配置文件的設備組合到一個系統中。 SCSI-1 規範規定最多可連接 8 個設備（連同控制器），例如：

• 掃描器；
• 磁帶機（流媒體）；
• 光驅；
• 磁盤驅動器和其他設備。

SCSI 最初被命名為 Shugart Associates System Interface (SASI)，但標準委員會不同意以該公司命名，經過一天的頭腦風暴，小型計算機系統接口 (SCSI) 這個名稱誕生了。 SCSI 之父 Larry Boucher 打算將首字母縮寫詞發音為“性感”，但是 達爾艾倫 閱讀“sсuzzy”（“告訴”）。 隨後，“tell”的發音被牢牢地固定在這個標準中。

在 SCSI 術語中，連接的設備分為兩種類型：

• 發起人；
• 目標設備。

發起者向目標設備發送命令，然後目標設備向發起者發送響應。 啟動器和目標連接到公共 SCSI 總線，在 SCSI-1 標準中，該總線的帶寬為 5 MB/s。

使用的“公共總線”拓撲有許多限制：

• 在總線的末端，需要特殊的設備——終結器；
• 總線帶寬在所有設備之間共享；
• 同時連接的設備的最大數量是有限的。

總線上的設備由一個稱為 SCSI 目標 ID. 系統中的每個 SCSI 單元由至少一個邏輯設備表示，該邏輯設備由物理設備中的唯一編號尋址。 邏輯單元號 （倫）。

SCSI 中的命令以以下形式發送 命令描述塊 (Command Descriptor Block，CDB)，由操作碼和命令參數組成。 該標準描述了 200 多個命令，分為四類：

• 強制性 — 必須由設備支持；
• 選配 - 可以實施；
• 供應商特定 - 由特定製造商使用；
• 過時的 - 過時的命令。

在眾多命令中，只有三個命令是設備必須執行的：

• 測試裝置就緒 ——檢查設備的準備情況；
• 請求感覺 — 請求上一條命令的錯誤代碼；
• 咨詢 ——要求設備的主要特性。

目標設備接收並處理命令後，向發起方發送一個狀態碼，描述執行的結果。

SCSI（SCSI-2 和 Ultra SCSI 規範）的進一步改進擴展了使用的命令列表，並將連接設備的數量增加到 16 個，總線上的數據交換速率高達 640 MB/s。 由於 SCSI 是一個並行接口，增加數據交換的頻率與最大電纜長度的減少相關，並導致使用不便。

從 Ultra-3 SCSI 標准開始，出現了對“熱插拔”的支持——在電源打開時連接設備。

第一個已知的 SCSI SSD 是 M-Systems FFD-350，於 1995 年發布。 該光盤成本高，未被廣泛使用。

目前，並行 SCSI 不是流行的磁盤接口，但命令集仍在 USB 和 SAS 接口中積極使用。

亞太旅遊協會/亞太旅遊協會

接口 ATA （高級技術附件），也稱為 PATA (Parallel ATA)由西部數據於1986年開發。 IDE 標準的營銷名稱（Eng. Integrated Drive Electronics - “驅動器內置電子設備”）強調了一項重要的創新：驅動控制器集成到驅動器中，而不是在單獨的擴展板上。

將控制器置於驅動器內的決定立即解決了幾個問題。 首先，驅動器到控制器的距離縮短了，這對驅動器的性能產生了積極影響。 其次，內置控制器僅針對特定類型的驅動器“銳化”，因此更便宜。

ATA和SCSI一樣，採用的是並行I/O方式，這體現在所使用的電纜上。 使用 IDE 接口連接驅動器需要 40 芯電纜，也稱為扁平電纜。 最近的規範使用 80 線短截線，其中一半以上是接地環路，以減少高頻干擾。

ATA 電纜上有兩到四個連接器，其中一個連接到主板，其餘連接到驅動器。 在一個迴路中連接兩個設備時，其中一個必須配置為 碩士, 第二個作為 奴隸. 第三個設備只能以只讀模式連接。

跳線的位置決定了特定設備的作用。 與設備相關的術語“主機”和“從機”並不完全正確，因為對於控制器而言，所有連接的設備都是從機。

ATA-3 的一項特殊創新是外觀 自我監控, 分析和報告技術 (SMART). 五家公司（IBM、Seagate、Quantum、Conner 和 Western Digital）已聯手標準化硬盤健康評估技術。

自 1998 年發布的標準第 33.3 版以來，就一直支持固態硬盤。 此版本的標準提供高達 XNUMX MB/s 的數據傳輸速率。

該標準對ATA線纜提出了嚴格的要求：

• 羽流必須是扁平的；
• 最大火車長度 18 英寸（45.7 厘米）。

又短又寬的火車很不方便，而且會影響冷卻。 隨著標準的每個後續版本，提高傳輸頻率變得越來越困難，ATA-7 從根本上解決了這個問題：並行接口被串行接口取代。 之後，ATA 獲得了 Parallel 一詞並被稱為 PATA，而該標準的第七版獲得了不同的名稱 - Serial ATA。 SATA 版本編號從一開始。

的SATA

串行 ATA (SATA) 標準於 7 年 2003 月 XNUMX 日推出，通過以下更改解決了其前身存在的問題：

• 並口換成串口；
• 寬 80 線電纜替換為 7 線；
• “公共總線”拓撲結構已被“點對點”連接所取代。

儘管 SATA 1.0（SATA/150，150 MB/s）比 ATA-6（UltraDMA/130，130 MB/s）略快，但向串行通信的轉變為速度“奠定了基礎”。

ATA 中用於數據傳輸的 1.0 條信號線被兩對雙絞線取代：一根用於傳輸，另一根用於接收。 SATA 連接器的設計更能抵抗多次重新連接，SATA XNUMX 規範使熱插拔成為可能。

驅動器上的某些引腳比其他所有引腳都短。 這樣做是為了支持“熱插拔”（Hot Swap）。 在替換過程中，設備以預定順序“丟失”和“找到”線路。

一年多之後，即 2004 年 3 月，SATA 規範的第二版發布。 除了加速高達 2.0 Gb/s 之外，SATA XNUMX 還引入了技術 本機命令隊列 (NCQ)。 支持 NCQ 的設備能夠獨立組織傳入命令的執行順序，以實現最佳性能。

接下來三年，SATA 工作組致力於改進現有規範，2.6 版引入了緊湊型 Slimline 和微型 SATA (uSATA) 連接器。 這些連接器是原始 SATA 連接器的較小版本，專為筆記本電腦中的光驅和小型驅動器而設計。

雖然第二代 SATA 為 HDD 提供了足夠的帶寬，但 SSD 需要更多帶寬。 2009 年 6 月，第三版 SATA 規範發布，帶寬增加到 XNUMX Gb/s。

SATA 3.1 版本中特別關注固態驅動器。 Mini-SATA (mSATA) 連接器已經出現，旨在連接筆記本電腦中的固態驅動器。 與 Slimline 和 uSATA 不同，新連接器看起來像 PCIe Mini，儘管它與 PCIe 不兼容。 除了新的連接器之外，SATA 3.1 還擁有將 TRIM 命令與讀寫命令排隊的能力。

TRIM 命令通知 SSD 沒有攜帶有效載荷的數據塊。 在 SATA 3.1 之前，此命令會刷新緩存並暫停 I/O 操作，然後是 TRIM 命令。 這種方法在刪除操作期間降低了磁盤性能。

SATA 規範沒有跟上 SSD 訪問速度的快速增長，導致 2013 年在 SATA 3.2 標準中做出了妥協，稱為 SATA Express。 開發人員沒有再次將 SATA 的帶寬加倍，而是使用了廣泛使用的 PCIe 總線，其速度超過 6 Gb/s。 支持 SATA Express 的驅動器擁有自己的外形規格，稱為 M.2。

SAS

與ATA“競爭”的SCSI標準也沒有停滯不前，在Serial ATA出現僅一年後的2004年，又重生為串行接口。 新界面的名稱是 Serial Attached SCSI - 串行連接SCSI （SAS）。

儘管 SAS 繼承了 SCSI 命令集，但變化很大：

• 串行接口；
• 帶電源的29線電纜；
• 點對點連接

SCSI 術語也得到了繼承。 控制器仍然稱為發起者，連接的設備稱為目標。 所有目標設備和啟動器組成一個 SAS 域。 在 SAS 中，連接帶寬不取決於域中的設備數量，因為每個設備都使用自己的專用通道。

一個SAS域中同時連接的設備的最大數量，根據規範，超過16個，並且使用標識符代替SCSI ID來尋址 全球名稱 (WWN)。

WWN 是一個 16 字節長的唯一標識符，類似於 SAS 設備的 MAC 地址。

儘管 SAS 和 SATA 連接器之間存在相似之處，但這些標準並不完全兼容。 但是，SATA 驅動器可以連接到 SAS 連接器，但反之則不行。 使用 SATA 隧道協議 (STP) 確保 SATA 驅動器和 SAS 域之間的兼容性。

SAS-1 標準的第一個版本的帶寬為 3 Gb/s，而最現代的 SAS-4 將這個數字提高了 7 倍：22,5 Gb/s。

PCIe

Peripheral Component Interconnect Express（PCI Express，PCIe）是一種用於數據傳輸的串行接口，出現於2002年。 開發由英特爾發起，隨後轉移到一個特殊的組織——PCI Special Interest Group。

串行 PCIe 接口也不例外，成為並行 PCI 的邏輯延續，旨在連接擴展卡。

PCI Express 與 SATA 和 SAS 有很大不同。 PCIe 接口具有可變數量的通道。 行數等於 1 的冪，範圍從 16 到 XNUMX。

PCIe中的術語“通道”並不是指特定的信號通道，而是指由以下信號通道組成的單獨的全雙工通信鏈路：

• 接收+和接收-；
• 傳輸+和傳輸-；
• 四根地線。

PCIe 通道的數量直接影響連接的最大帶寬。 當前的 PCI Express 4.0 標准允許您在單條線路上實現 1.9 GB / s，使用 31.5 條線路時可以達到 16 GB / s。

固態硬盤的“胃口”增長得非常快。 SATA 和 SAS 都無法增加帶寬以跟上 SSD 的步伐，這導致了 PCIe 連接的 SSD 的推出。

雖然 PCIe 附加卡是用螺絲固定的，但 PCIe 是可熱插拔的。 短針 PRSNT（英文 present - present）確保卡完全安裝在插槽中。

通過 PCIe 連接的固態驅動器由單獨的標準監管 非易失性存儲器主機控制器接口規範 並體現在各種形式因素中，但我們將在下一部分中討論它們。

遠程驅動器

創建大型數據倉庫時，需要允許您連接位於服務器外部的驅動器的協議。 該領域的第一個解決方案是 互聯網 SCSI (iSCSI)，由 IBM 和 Cisco 於 1998 年開發。

iSCSI 協議背後的想法很簡單：SCSI 命令被“包裝”到 TCP/IP 數據包中並發送到網絡。 儘管是遠程連接，但它會給客戶一種驅動器已在本地連接的錯覺。 基於 iSCSI 的存儲區域網絡 (SAN) 可以構建在現有網絡基礎設施上。 iSCSI 的使用顯著降低了組織 SAN 的成本。

iSCSI 有一個“高級”選項 - 光纖通道協議 （FCP）。 使用 FCP 的 SAN 建立在專用的光纖通信線路上。 這種方式需要額外的光網絡設備，但穩定且吞吐量高。

有許多協議可用於通過計算機網絡發送 SCSI 命令。 然而，只有一種標準可以解決相反的問題並允許您通過 SCSI 總線發送 IP 數據包 - SCSI 上的 IP.

大多數 SAN 協議使用 SCSI 命令集來管理驅動器，但也有例外，例如簡單的 以太網上的 ATA （範圍）。 AoE 協議在以太網數據包中發送 ATA 命令，但驅動器在系統中顯示為 SCSI。

隨著 NVM Express 驅動器的出現，iSCSI 和 FCP 協議不再滿足 SSD 快速增長的需求。 出現了兩種解決方案：

• 移除服務器外部的 PCI Express 總線；
• 創建 NVMe over Fabrics 協議。

移除 PCIe 總線會創建複雜的交換硬件，但不會更改協議。

NVMe over Fabrics 協議已成為 iSCSI 和 FCP 的良好替代方案。 NVMe-oF 使用光纖鏈路和 NVM Express 命令集。

DDR-T

iSCSI 和 NVMe-oF 標準解決了將遠程驅動器連接為本地驅動器的問題，而英特爾則走另一條路，讓本地驅動器盡可能靠近處理器。 選擇落在連接 RAM 的 DIMM 插槽上。 最大 DDR4 帶寬為 25 GB/s，比 PCIe 總線快得多。 這就是英特爾® 傲騰™ DC 持久內存固態盤的誕生方式。

發明了一種將驅動器連接到 DIMM 插槽的協議 DDR-T, 與 DDR4 物理和電氣兼容，但需要一個特殊的控制器來識別內存條和驅動器之間的區別。 訪問驅動器的速度低於訪問 RAM，但高於訪問 NVMe。

DDR-T 僅適用於英特爾® Cascade Lake 一代處理器或更高版本。

結論

幾乎所有的接口都經歷了從串行到並行數據傳輸的漫長過程。 SSD 速度飛速增長，昨天 SSD 還讓人好奇，而今天 NVMe 不再令人感到意外。

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來源： www.habr.com