В надрах жорстких дисків

Сергій КРУШНЕВИЧ

Бібліографія: В недрах жестких дисков. Крушневич Сергей // Мой компьютер. 2004. - №44. - C. 24-25

Сьогодні я пропоную розібратися з основними інтерфейсами, які широко використовуються для підключення накопичувачів.

Інтерфейс обміну даними

Інтерфейсом накопичувача на жорстких магнітних дисках, образно кажучи, прийнято називати набір електроніки, з'єднувальних пристроїв та протоколу передачі даних (тобто мови спілкування між пристроями), які виконують обмін даними між комп'ютером та контролером НЖМД.

Зважаючи на те, що НЖМД встановлюються не тільки у звичні нам персональні комп'ютери, а й у масу іншої техніки (побутова та техніка, що носиться, банкомати та багато іншого), то в цій статті під словом комп'ютер слід розуміти пристрій, до якого підключається жорсткий диск.

Спілкуємося паралельно

Історія виникнення паралельного інтерфейсу сягає корінням в далекі 1983-1984 роки. Після виходу в світ жорсткого диска моделі AT (Advanced Technology) виробництва IBM, компанії Western Digital та Compaq вирішили вбудувати AT-сумісний контролер прямо у накопичувач (до цього він знаходився на материнській платі). Це дозволило уніфікувати жорсткі диски (у сенсі підключення), і знизити вартість зв'язки контролер-жорсткий диск (так як відпала потреба у підтримці різних стандартів контролерів НЖМД засобами материнської плати). Цей тип інтерфейсу отримав назву ATA (AT Attachment – у перекладі доповнення/прикріплення до AT), який широко відомий також під ім'ям IDE (Integrated Drive Electronics – електроніка, інтегрована у привід). У зв'язку з тим, що стандарт АТ передбачав підключення до ISA-шини (попередниця PCI), а вона була 16-ти розрядна, то і АТА інтерфейс також залишився 16-розрядним (і донині).

Після офіційного затвердження стандарту, він мав такі характеристики: підключення до двох пристроїв на один канал (конфігуруються при встановленні як master та slave (рис. 1); режими передачі даних PIO (Programmed Input Output – програмоване введення-виведення) 0,1,2 і DMA (Direct Memory Access – прямий доступ до пам'яті) 0,1,2. Більш детально ці стандарти були розкриті у статті Володимира СИРОТИ «PIOнери АТА-інтерфейсу» (Мой компьютер №40 (263)). Розглянемо їх коротко. Протокол PIO передбачає керування режимом обміну даних між ОЗП та накопичувачем за допомогою центрального процесора. Навпаки, протокол DMA забезпечує обмін даними безпосередньо між пам'яттю та накопичувачем оминаючи процесор. Завдяки чому процесор займається тим часом більше важливими справами.

Рис.1. IDE-інтерфейс

ATA інтерфейс спочатку розроблявся виключно для підключення жорстких дисків, але зросла популярність таких пристроїв як CD-ROM, дисководів та інших носіїв інформації, що змусило розробників ввести розширення стандарту - ATAPI (ATA Packet Interface – пакетна передача даних). Заодно розробники запровадили швидші режими передачі даних – PIO 3, 4 та Ultra DMA 33 (33 – швидкість передачі даних, мегабайт на секунду). Також було введено розширена система діагностики, яка в процесі розвитку отримала назву – SMART.

В процесі подальшого розвитку АТА-інтерфейсу в основному підвищувалася швидкість передачі даних – Ultra DMA 66, 100 та 133.

Для підключення використовувався 40-жильний кабель. При передачі даних за стандартами вище Ultra DMA 33 виникла неприємність – паразитна ємність, що виникає між сусідніми провідниками у сполучному кабелі, зводила нанівець подальше підвищення швидкості. Тому для більш швидкісних режимів довелося застосувати інший – 80-жильний кабель, який містив ті самі 40 «сигнальних жил», між якими розташувалися екрануючі жили – з'єднані з корпусом.

Ці два різновиди кабелів (шлейфів) використовуються і досі.

Сказі - це вам не казки

Одночасно з паралельним Інтерфейсом розвивався ще один тип - SCSI (Small Computer System Interface). З'явився інтерфейс SCSI в кінці 70-х початку 80-х років минулого століття завдяки організації Shugart Associates System Interface та спочатку називався як SASI. Після офіційного затвердження інтерфейсу, він отримав знайому нам назву SCSI (в народі його одразу прозвали як «сказі»).

Основною перевагою інтерфейсу SCSI є можливість звільнення шини для іншого пристрою, при виконанні тривалих операцій (наприклад, читання запису або пошуку) та можливість зміни черговості команд (Native Command Queuing). Ці можливості дозволили суттєво підняти продуктивність передачі даних. Другою перевагою є те, що інтерфейс не прив'язаний безпосередньо до засобів зберігання даних, та може бути використаний будь-яким пристроєм (наприклад, сканером), крім того, підключені пристрої можуть спілкуватися один з одним безпосередньо. Третьою перевагою SCSI є можливість підключення до семи пристроїв (рис. 2), тоді як ATA забезпечує максимум два канали. Ну і довжина інтерфейсного кабелю SCSI пристрою може досягати 25 метрів (зазвичай 6-12 метрів), тоді як у АТА максимум 45 см (за стандартом). SCSI також є паралельним інтерфейсом.

Рис.1. SCSI-інтерфейс

А тепер коротко про технологію зміни черговість команд - NCQ). Ця можливість дозволяє накопичувачу отримувати відразу кілька команд (до 128) та самостійно змінювати черговість їх виконання (наприклад, оптимізуючи переміщення магнітної головки НЖМД).

Переваг у SCSI інтерфейсу над АТА багато, але перешкодою великої популярності стала висока вартість організації. Цей інтерфейс застосовується переважно в високопродуктивних станціях та пристроях, що вимагають високу пропускну здатність, а також досить широко застосовувався для підключення перших CD-ROM, стримерів, сканерів тощо.

В процесі розвитку з'явилося достатньо велика кількість версій SCSI-інтерфейсу,наприклад: Wide SCSI, Ultra SCSI, Ultra Wide SCSI та інші (таблиця 1).

Таблиця 1.

Послідовно швидше

В зв'язку з безперервним зростанням продуктивності дискових систем розпочали виникати проблеми (куди ж без них). Паралельний АТА інтерфейс не міг суттєво підняти пропускну здатність, не зазнаючи значних конструктивних змін. Змінити протоколи та сам процес передачі являв велику загрозу, оскільки це спричинить несумісність нових накопичувачів та старих материнських плат.

У 1999 році сім великих виробників - Intel, IBM, Seagate, Maxtor, Quantum, APT Technologies і Dell об'єдналися в Serial ATA Working Group. У зв'язку з тим, що паралельний інтерфейс передачі даних практично вичерпав свої можливості, було прийнято рішення про розробці абсолютно нового послідовного інтерфейсу для підключення жорстких дисків – «Serial АТА», та його модифікації для підключення інших пристроїв - «АТАPI». Незважаючи на новизну рішення, вже в 2000 році, під час проведення щорічних IDF (Intel Developer Forum), компанія Intel представляє попередню специфікацію нового «Serial АТА» інтерфейсу. До кінця літа з конвеєра зійшов перший жорсткий диск з послідовним інтерфейсом. І вже наприкінці року була представлена фінальна перша версія Serial АТА інтерфейсу.

Отже, подивимося, що тут змінилося. Насамперед, зросла пропускна спроможність до 150Мбайт/с (є можливість підняти швидкість до 300Мбайт/с або навіть 600Мбайт/с). Довжина кабеля може сягати 1 метра. Напруги живлення опустилося з 5В (для старого АТА) до 3.3В, що призводить до зменшення розсіюваної потужності (тобто призводить до більшої економічності). У специфікацію вбудовані засоби контролю та виправлення помилок (ЕСС). Сумісність за командами та регістрами з паралельним інтерфейсом дозволяє програмному забезпеченню не помічати зміни інтерфейсу передачі даних. Ну і найцікавіше – можливість «гарячої» заміни (тобто без виключення живлення ПК) НЖМД або іншого підключеного накопичувача, що особливо актуально для серверних систем, де вимкнення живлення дуже не бажано. І останнє – у новому інтерфейсі застосовано невеликий роз'єм і тонкий провід (7-ми жильний), що сприятливо позначається на циркуляції повітря поблизу накопичувача та зручності і надійності монтажу. До інтерфейсу можливе підключення одного пристрою на канал. До недоліків можна було віднести ненадійна фіксація кабеля в роз'ємі - він легко випадав.

Не встиг цей інтерфейс здобути велику популярність, як наприкінці 2002 з'явилася нова специфікація інтерфейсу - «Serial АТА ІІ». У цієї версії було виправлено дрібні недоробки, у тому числі й вдосконалення кріплення кабелю. Зросла максимальна пропускна здатність до 300Мбайт/с. Також в специфікації з'явилася нова функція, раніше властива тільки SCSI інтерфейсу – технологія зміни черговості команд (Native Command Queuing).

Загалом інтерфейс вийшов навіть дуже непоганий. Зараз більшість материнських плат, що випускаються, поставляються з паралельним та послідовним інтерфейсом, а найновіші – поставляються зовсім без паралельного інтерфейсу.

SCSI завдає удару у відповідь

Поява Serial АТА інтерфейсу зовсім не означало перемогу над SCSI інтерфейсом. На світ вийшов новий послідовний інтерфейс - "Serial SCSI" (SAS). Переваги над паралельним аналогічні Serial АТА.

За аналогією з Serial АТА, SAS інтерфейс було доопрацьовано та з'явився SAS 1.1. Поява цього інтерфейсу дуже порадувала звичайних користувачів, оскільки тепер з погляду фізичного з'єднання SAS став повністю аналогічним SАТА. А це означає, що до шини SAS стало можливим з легкістю підключити SАТА-пристрій. Крім того, протокол інтерфейсу SAS 1.1 дозволяє підключати декілька SАТ-пристроїв до одного порту та одночасно ними керувати.

Цей крок дозволив зблизити два абсолютно різних інтерфейсу. Стандартизації інтерфейсів підключення хочеться дуже радіти, так як у пам'яті відразу спливають походи на радіоринок і пошук сумісності несумісного...

Перелік частин:
В недрах жестких дисков. Частина 1. Магнітні диски та головки
В недрах жестких дисков. Частина 2. Сервопривід магнітної головки та привід дисків
В недрах жестких дисков. Частина 3. Зворотній зв'язок та діагностика через SMART
В недрах жестких дисков. Частина 4. Інтерфейси підключення
В недрах жестких дисков. Частина 5. Перспективні методи запису інформації

Опубліковано: 01.07.2004

Оновленно: 19.10.2023

Serhii K Home Page © 2003-2024