77733

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) и их интерфейсы

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

В этих устройствах могут быть реализованы различные физические принципы хранения информации магнитный оптический магнитооптический электронный в любых их сочетаниях. Устройства внешней памяти оперируют блоками информации но никак не байтами или словами как например оперативная память. Процедуры обмена с устройствами внешней памяти привязаны к типу устройства его контроллеру и способу подключения устройства к системе интерфейсу.

Русский

2015-02-05

3.5 MB

9 чел.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) и их интерфейсы

Назначение ВЗУ. ВЗУ относятся к внешней памяти компьютера — они позволяют сохранять информацию для последующего ее использования независимо от состояния компьютера (включен или выключен). В этих устройствах могут быть реализованы различные физические принципы хранения информации - магнитный, оптический, магнитооптический, электронный в любых их сочетаниях. Внешняя память принципиально отличается от внутренней (оперативной, постоянной и специальной) способом доступа к ней процессора (исполняемой программы). Устройства внешней памяти оперируют блоками информации, но никак не байтами или словами, как, например, оперативная память. Процедуры обмена с устройствами внешней памяти привязаны к типу устройства, его контроллеру и способу подключения устройства к системе (интерфейсу).

Взаимодействие ВЗУ с вычислительной системой и организация блочной записи/чтения.

ВЗУ подключается к компьютеру (хосту), в котором присутствуют процессор и оперативная память. Для хоста ВЗУ должно обеспечивать возможность записи блоков данных из внутренней памяти (как правило ОЗУ) в устройство внешней памяти и обратное считывание этих блоков из ВЗУ в ОЗУ. Взаимодействие с ВЗУ выполняется по инициативе хоста – точнее исполняемой программы, выполняемой процессором хоста. В отличие от взаимодействия с внутренней памятью (ОЗУ), которой можно оперировать на уровне записи-чтения отдельных байтов, операции обмена с ВЗУ всегда блочные. Размер блока неделимой единицы хранения информации в ВЗУ — может быть как фиксированный, так и произвольный. В настоящее время наибольшее распространение получили устройства с фиксированным размером блока — это упрощает взаимодействие. Самый популярный размер блока — 512 байт, хотя в ряде устройств используются и иные размеры блока. Блок может быть переписан из внутренней памяти во внешнюю или обратно только целиком, и для выполнения любой операции обмена с внешней памятью требуется специальная процедура (подпрограмма записи/считывания).

Блоки в ВЗУ могут адресоваться различными способами. Наиболее простой и удобной является линейная адресация логических блоков, при которой каждый блок хранимых данных адресуется одномерньш адресом (числом) LBA (Logical Block Address — адрес логического блока). Для дисковых устройств существует иные способы адресации — это реальная физическая  трехмерная адресация CHS (CylinderHeadSector — цилиндр—головка—сектор).

1. Характеристики внешних запоминающих устройств

1)Физические принципы хранения информации

Устройства хранения, относящиеся к внешней памяти компьютера, обеспечивают энергонезависимое хранение блоков информации на каком-либо физическом носителе. Физические принципы энергонезависимого хранения и соответствующие им носители разнообразны, ниже перечислены те, которые получили наибольшее распространение.

Магнитный принцип основан на перемагничивании участков носителя в соответствии со значениями битов записываемой информации. Пример устройства с подвижным носителем в виде диска или ленты, где запись и считывание производятся на дорожку.

Магнитооптический принцип храненияпри записи оптика (лазер) используется для разогрева перемагничиваемого участка (это позволяет значительно уменьшить размер участка — повысить плотность записи), затем магнитным способом осуществляется запись (происходит изменение оптических свойств материала),  а считывании происходит оптическим способом (свойства отраженного луча зависят от состояния магнитной «ячейки»).

Оптический принцип основан на изменении оптических свойств участка носителя: степени прозрачности (CD/DVD-R/RW) или коэффициента отражения (CD/DVD-ROM).

Электрический принцип основан на пороговых эффектах в полупроводниковых структурах (микросхемах). Этот принцип используется в твердотельной памяти - флэш-памяти и различных картах памяти.

2)Метод доступа к информации

По методу доступа к информации устройства внешней памяти разделяются на устройства с прямым (или непосредственным) доступом и устройства с последовательным доступом. В устройстве хранения прямого доступа (Direct Access Storage Device, DASD) есть возможность обращения к блокам по их адресам в произвольном порядке и, что важно, допускается произвольное чередование операций записи и чтения блоков. Традиционными устройствами с прямым доступом являются дисковые накопители. Обычно в понятие «диск», или «дисковое устройство» (disk device), вкладывают значение «устройство внешней памяти прямого доступа».

В устройствах последовательного доступа произвольное чередование операций записи и чтения, относящихся к произвольным адресам блоков, либо невозможно, либо затруднительно (требует дополнительных внутренних операций, занимающих длительное время). Традиционными устройствами последовательного доступа являются накопители на магнитной ленте (tape device), они же стримеры. Здесь для доступа к блокам информации с произвольными адресами приходится вхолостую считывать (или ускоренно перематывать) все блоки, находящиеся между ними. Необходимость последовательного сканирования блоков (вперед или назад) — неотъемлемое свойство устройств последовательного доступа с подвижным носителем. Несмотря на очевидный проигрыш во времени доступа к требуемым данным, ленточные устройства последовательного доступа в качестве внешней памяти находят применение для хранения очень больших массивов информации и эффективно используются для чтения-записи длинных последовательностей блоков.

3)Конструктивное исполнение устройств, формфакторы и разъемы питания.

По отношению к корпусу компьютера устройства могут быть внутренними (internal) и внешними (external). Внутренние устройства помещаются в специальные трех-, пятидюймовые или иные специальные отсеки корпуса компьютера. Питаются такие устройства от блока питания компьютера. Внешние устройства помещают в отдельный защитный корпус и питаются они собственного блока питания или от интерфейса (USB или Fire-Wire). Есть внешние устройства, которые подключаются к LPT-порту и получают питание +5 В от разъема клавиатуры компьютера. Внешнее исполнение имеют как малогабаритные портативные устройства, так и особо крупные дисковые массивы. Сами приводы для внешних и внутренних устройств обычно имеют одинаковый конструктив одного из распространенных форматов (типоразмеров).

Интерфейсы подключения ВЗУ должны обеспечивать существенное удаление их от компьютера. Это удаление может быть в пределах метра (SATA, SAS), единиц-десятков метров (SCSI, FibreChannel, USB, FireWire), километров (Fibre Channel) и вообще необозримым (iSCSI). От внутренних интерфейсов протяженности более полуметра, как правило, не требуется.

Для приводов устройств с подвижным носителем используется несколько стандартных форматов (типоразмеров).

Типоразмер 5"-дюймов  имеет размеры лицевой панели 146,1 х 41,4 мм (5,75" х 1,63") и глубину около 203 мм (8"). Этот формат называется полувысотным пятидюймовым форматом (доли дюйма для краткости опускают) — 5" half-height form-factor. Он используется как стандартный для многих типов устройств: НГМД с дискетами диаметром 5", приводов CD и DVD, стримеров, магнитооптики, HDD и др.

Типоразмер 3"-дюйма имеет ширину и высоту 101,6 х 25.4 мм (4" х 1") и длину (глубину) около 146 мм (5,74"). Этот формат широко используется для FDD и современных трехдюймовых HDD, хотя среди них встречаются и «тонкие» модели высотой 20 мм (0,75"), и «толстые» — высотой 41 мм (1.6").

Для портативных компьютеров используют формат HDD (типоразмер) 2,75" (его называют и 2,5") с размерами 70 х 12,7 х 100 мм (2,76" х 0,5" х 3,95") и более тонкие -70 х 9 х 100 мм. Накопители формата 1,8" имеют габариты 54 х 7 х 71 мм, а особо тонкие — 54 х 5 х 71 мм.

Для ВЗУ определенных форматов стандартизованы разъемы питания и интерфейсов. Стандартные разъемы подключения питания HDD и FDD приведены на рис.1. Миниатюрные разъемы используются только для питания трехдюймовых FDD и HDD. Практически для всех остальных устройств трех- и пятидюймовых форматов применяются большие разъемы. Напряжение +5 В задействуют для питания электронных схем, напряжение +12 В — для питания двигателей, хотя в некоторых накопителях приводы могут питаться и от цепи +5 В. В момент запуска двигателей ток потребления по цепи +12 В может превышать установившееся значение в несколько раз. В компьютерах и системах хранения с большим числом накопителей моменты их запуска стараются разнести во времени, что позволяет снизить пиковую нагрузку на источник питания. Возможность управления запуском двигателей зависит от интерфейса ВЗУ. Для современных HDD с интерфейсом типа SATA используется специализированный разъем питания.

Твердотельные устройства хранения на флэш-памяти выпускаются в разнообразных конструктивных исполнениях и различными интерфейсами. Современные малогабаритные карты (Compact Flash, SmartMedia, MMC, SD и др.) требуют специальных интерфейсных слотов. Твердотельные устройства хранения с интерфейсом типа USB (устройства размером с брелок) подключаются в разъем порта USB. Питание для твердотельных ВЗУ подается по интерфейсу.

В формате карт Compact Flash (CFA Type II, 42,8 x 36,4 x 5,0 мм) выпускаются и микровинчестеры (microdrive). Они предназначены, в основном мобильных устройств (например, для цифровых фотокамер), но могут подключаться к шине USB через адаптер интерфейса CompactFlash (по сигналам это интерфейс АТА), правда, с потерей в скорости передачи.

Рис. 1. Разъемы питания накопителей

4)Емкость устройств хранения

Важнейшим техническим параметром ВЗУ являются емкость (capacity). Емкость устройства в первую очередь определяется физическим принципом носителя и совершенствованием технологии производства ВЗУ. Емкость может ограничиваться пределом возможности адресации блоков, свойственным тому или иному интерфейсу подключения.

5)Время доступа (access time) определяется как усредненный интервал от получения устройством запроса на чтение блока данных до фактического начала передачи данных. Время доступа определяется принципом действия самого устройства и уровнем технологий, используемых при его изготовлении и в значительной степени зависят от интерфейса ВЗУ. Дисковые устройства имеют время доступа от единиц до сотен миллисекунд. Для электронных ВЗУ время доступа определяется быстродействием используемых микросхем памяти и при чтении составляет доли микросекунд, причем запись может продолжаться значительно дольше, что объясняется природой энергонезависимой электронной памяти. Для устройств с подвижными носителями основной расход времени имеет место в процессе позиционирования головок (seek time — время поиска) и ожидания подхода к ним требуемого участка носителей (latency — скрытый период). В операциях записи этот параметр не очень информативен, поскольку данные могут быть быстро помещены в кэш устройства (но еще не сохранены на носитель). От того, что может делать компьютер  во время этой неизбежной задержки, предшествующей передаче запрашиваемых данных, зависит эффективность (общая производительность) компьютерной системы.

6)Скорость записи и считывания определяется как отношение объема записываемых или считываемых данных ко времени, затрачиваемому на эту операцию. В затраты времени входят и время доступа, и скорость передачи данных. При этом оговаривается характер запросов - линейный или случайный, что сильно сказывается на скорости из-за влияния времени доступа. При определении скорости выполнения линейных запросов чтения-записи (linear transfer rate readAvrite) производится обращение к длинной цепочке блоков с последовательным нарастанием адреса. При определении скорости выполнения случайных запросов чтения-записи (random transfer rate read/write) соседние запросы направляются в разные точки носителя. Для современных многозадачных ОС характерно чередующееся выполнение нескольких потоков запросов, и в каждом потоке высока вероятность последовательного нарастания адреса. Способность устройств хранения обслуживать множество запросов, помещая их в свои внутренние очереди, в значительной степени влияет на производительность системы в целом. Возможность эффективной работы с очередями существенно зависит от интерфейса устройства хранения.

7)Скорость передачи данных (Transfer Speed, Transfer Rate, или сокращенно XFER) определяется как производительность обмена данными, измеряемая после завершения поиска данных. Однако в способе измерения этого параметра возможны разночтения, поскольку современные устройства имеют в своем составе буферную память существенных размеров. Скорости обмена буферной памяти с собственно носителем (внутренняя скорость) и с внешним интерфейсом могут существенно различаться. Если скорость работы внешнего интерфейса ограничивается быстродействием электронных схем и достижимой частотой передаваемых сигналов, то внутренняя скорость более жестко ограничивается возможностями электромеханических устройств (скоростью движения носителя и плотностью записи). При измерениях скорости передачи на небольших объемах пересылок проявится ограничение внешнего интерфейса буферной памяти, при средних объемах ограничение внутренней скорости, а при больших объемах проявится еще и время поиска последующих блоков информации. Например, в качестве скорости передачи данных могут указывать максимальную скорость интерфейса, а о внутренней скорости можно судить по частоте вращения дисковых носителей и числу секторов на треке.

2. Организация  интерфейсов ВЗУ

ВЗУ, как минимум, состоит из собственно носителя (фиксированного или сменного) и средств доступа к носителю (интерфейса) – контроллера, стандартизированных кабелей (шлейфов) и разъемов. К средствам доступа к ВЗУ  также относятся необходимые узлы записи и считывания, а для подвижных носителей еще и привод (двигатель) и механизмы позиционирования устройств считывания, но эти элементы считаются частью конструкции ВЗУ. Для твердотельных устройств аналогом средств позиционирования являются средства адресации (выбора микросхемы, банка памяти, адреса).

Контроллер устройства хранения занимается управлением ВЗУ, избыточным кодированием и декодированием, исправлением ошибок или/и организацией повторных обращений к носителю и другими вспомогательными операциями.

Контроллер, совместно со своим программным драйвером, должен обеспечивать базовые операции:

♦ сохранение (запись) информации из указанной области внутренней памяти хоста (размером в целое количество блоков) в указанное место на носителе устройств;

♦ считывание указанных блоков с носителя устройства в указанную область внутренней памяти хоста;

♦ вспомогательные операции, включая определение состояния и параметров носителя, форматирование носителя (если требуется), тестирование и т. п.

С точки зрения вычислительной системы соотношение интеллекта аппаратного контроллера ВЗУ и сложности его программного драйвера зависит от типа ВЗУ. Для оптимизации производительности системы в целом (хоста и его устройств хранения) стремятся повышать интеллект контроллера ВЗУ (это снизит загрузку ЦП системы). Для удешевления устройства хранения контроллер могут и упрощать до простейшего интерфейсного адаптера.

Физическое местоположение контроллера ВЗУ зависит от реализации устройства. Обобщенная схема подключения устройства к хосту приведена на рис.2. Если контроллер располагается отдельно от устройства, то интерфейс устройства хранения бывает сугубо специфическим. Если контроллер встроен в устройство хранения, то вся специфика взаимодействия с носителем скрывается внутри устройства во внутреннем интерфейсе между средствами доступа к носителю и контроллером. При этом появляется свобода в выборе интерфейса подключения устройства (фактически контроллера ВЗУ) к вычислительной системе (хосту).

Рис. 2. Устройство хранения, подключенное к хосту, и его интерфейсы

Характеристики интерфейса подключения

Существенным параметром интерфейса подключения устройства хранения является скорость передачи данных. Если интерфейс подключения устройства хранения обеспечивает связь средств доступа к носителю с контроллером, то этот интерфейс должен также обеспечивать передачу данных со скоростью доступа (записи и чтения) к носителю. В современных устройствах контроллер, расположенный вместе с носителем, обладает собственной буферной памятью. При этом проявляется независимость пропускной способности внешнего интерфейса от скорости доступа к носителю. Это дает дополнительную свободу в выборе интерфейса подключения. Конечно, чем выше быстродействие внешнего интерфейса, тем быстрее происходит обмен данными с устройством хранения: задержка, требуемая для передачи данных между буферной памятью устройства и памятью хоста, уменьшается. В самых высокоскоростных современных винчестерах внутренняя скорость обмена (между носителем и контроллером) приближается к гигабиту в секунду, Скорость, обеспечиваемая внешним интерфейсом, как правило выше внутренней. Однако и при медленном внешнем интерфейсе устройство хранения не теряет работоспособности, так что в ряде случаев ради удобства, дешевизны и доступности подключения жертвуют производительностью обмена с устройством хранения. Есть устройства хранения, критичные к скорости внешнего интерфейса: записывающие устройства оптических дисков не могут останавливать процесс записи в произвольном месте. Однако и эта проблема решается: увеличивается объем буферной памяти до такого размера, чтобы в нем умещался фрагмент, требующий непрерывной записи. К быстродействию внешнего интерфейса критичны и ленточные устройства хранения: несвоевременность доставки данных может приводить к их переходу в старт-стопный режим, что вызывает дополнительное снижение их производительности и повышение износа носителя.

Интерфейсы ВЗУ

Первые устройства хранения в ПК накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) подключались интерфейсным кабелем (шлейфом) к контроллеру, отделенному от самих устройств. Этот специализированный интерфейс (FDD) сохранился до сих пор, им подключают дисководы, требующие скорости пере чачи всего 500 Кбит/с (около 60 Кбайт/с). К интерфейсу дисководов подключали  старые стримеры (очень медленные).

Аналогичный интерфейс (опять-таки специфический ST-506) поначалу использовался и для подключения первых винчестеров (так называемых MFM и RLL), по нему передавались «сырые» усиленные данные записи/чтения с головок диска и сигналы управления приводом. Позже в накопителях появился интерфейс дисков ESDI, обеспечивающий скорость передачи данных до 1 Мбайт/с.

Параллельная шина АТА (IDE) - самый массовый интерфейс, применяемый для ВЗУ, также является специфическим. Специфика обусловлена историей его появления: чтобы не вводить новых интерфейсов, контроллер НЖМД, подключаемый к шине ISA, «разрезали» около интерфейса шины ISA. Цель этой операции приблизить контроллер к приводу, из-за чего пришлось удлинить связь между основной частью контроллера (устройством АТА) и точкой его подключения (буферным адаптером, подключенным к шине ISA). По этому интерфейсу в параллельном виде передаются байты сохраняемых данных и содержимого регистров контроллера. Со временем место подключения изменилось (теперь это шина РСI ее последователи), но ради совместимости и преемственноcти интерфейс АТА сохранялся (постепенно модернизируясь). Для устройств логически отличающихся от жестких дисков, - - оптических, магнитооптических, ленточных и любых других - в 1996 г. была принята спецификация ATAPI. Это пакетное расширение интерфейса АTA позволяет передавать по шине АТА устройству блоки командной информации, структура которых позаимствована из SCSI. Достигнутый потолок скорости ATA/ATAPI 133 Мбайт/с (в Ultra DMA Mode 6). Первоначально интерфейс ATA обладал ограничением адресуемого объема данных в 137 Гбайт, в последних версиях (ATA/ATAPI-6) это ограничение преодолено, нынешний «потолок» 144 Пбайт (248 блоков). Физически интерфейс АТА это ленточный кабель-шлейф, предназначенный для подключения устройств внутри системного блока компьютера. Первоначально интерфейс не допускал «горячего» подключения-отключения; эта возможность появилась в реализациях АТА для блокнотных, а затем и для настольных ПК (для съемных устройств).

Последовательный интерфейс Serial ATA (SATA) - преемник своего параллельного предшественника. Здесь повышается скорость обмена с устройством, решается проблема одновременной работы с несколькими устройствами, сразу используется расширенная адресация. Кабели и разъемы последовательного интерфейса SATA компактны, «горячее» подключение реализуется естественным образом: в SATA каждое устройство подключается к собственному порту хост-контроллера, а не к общей шине. Поначалу интерфейс SATA предназначался только для подключения внутренних устройств, позже он стал и внешним интерфейсом. В SATA-II появились новые элементы: мультиплексоры, позволяющие подключать к одному порту хоста несколько устройств, и селекторы портов, позволяющие подключать одно устройство (или мультиплексор) к двум хостам (но работать устройство может только с одним хостом).

Интерфейс SCSI главный конкурент АТА для устройств хранения - является универсальным. Он предназначен для подключения устройств различных классов: дисковых, ленточных, оптических и других устройств хранения, принтеров, сканеров, коммуникационных и прочих устройств. В интерфейсе SCSI определена идеология взаимодействия хоста с устройствами, эффективная при работе с множеством устройств в многозадачных системах. Интерфейс SCSI поначалу существовал только в виде параллельной шины. Согласно современным стандартам, протоколы интерфейса SCSI позволяют работать не только с параллельной шиной или последовательным интерфейсом SAS (недавно появившийся вариант SCSI), но и с другими средствами доставки: последовательной шиной IEEE 1394 (FireWire), Fibre Channel SSA, а также любыми IP-сетями — iSCSI. Все варианты SCSI пригодны как для внутреннего, так и для внешнего подключения; они имеют поддержку «горячего» подключения-отключения, необходимую в больших и ответственных системах хранения данных. Предел адресации данных для устройств SCSI первоначально составлял 2 Тбайт (32-разрядная адресация блоков), позже ввели возможность 64-разрядной адресации блоков (объем хранения - до 9 444 732 965 739 290 427 392 байт).

Интерфейс SAS создан на основе дешевого интерфейса SATA и даже обеспечивает совместимость устройств SATA с контроллерами SAS (но не наоборот). Сферы применений этих интерфейсов различны. Устройства SAS предназначены для систем хранения данных предприятий, они имеют одно- или двухпортовые интерфейсы. Устройства SATA (только однопортовые) предназначены для настольных систем, они дешевле устройств SAS. По схемотехнике и встроенному ПО (firmware) устройства SAS близки к устройствам Fibre Channel (двухпортовым), применяемым в сетях хранения данных) масштабов предприятия.

Шины LPT/USB. Для внешних устройств хранения с успехом применяют подключение и к шине USB, (ранее к LPT-порту). Интерфейс LPT-порта обеспечивает невысокую скорость передачи (до 2 Мбайт/с), но он присутствует практически на всех компьютерах (даже очень старых). Шина USB 1.0 для устройства хранения может предоставить пропускную способность до 1,2 Мбайт/с, шина USB 2.0 до 25 Мбайт/с.

В настоящее время более эффективна для подключения внешних устройств шина FireWire, выступающая в роли среды доставки SCSI.

Сравнительные характеристики интерфейсов устройств хранения данных приведены в табл.1.

Таблица 1. Характеристики интерфейсов устройств хранения

Интерфейс

FDD

ATA

SATA

I/II

SCSI

SAS

FC-SW

FC-AL

FireWire/

IEEE

1394

iSCSI

USB

1.х/2.0

LPT

Скорость,

Мбайт/с

0.06

133

150/

300

160

320

(640)

150

300

100

200

100

200

10-

160

1-100

1,2/

24

2

Число

устройств

2

2

4 и

Выше

**

16

16384

224

126

63

н/о1

127

1

Длина

кабеля,

м

0.5

0,5

1

25

3

60

500

10 км

60

500

10 км

4,5

(100)

100

500

5

5

Максимальная

длина, м

0.5

0.5

1

25

(400

нc)

10

10 км

10 км

72

н/о

25

5

Одновремен-

ный

обмен

-

-

-

-

+

+

-

-

+

-

-

Работа с

несколькими

инициаторами

-

-

-

+

+

+

+

+

+

-

-

1 н/о -   нет ограничений.

FC (Fibre Channel) – оптический канал

**Хост-контроллер интерфейса SATA поддерживает подключение  от 4 (и выше) устройств, но интерфейсный кабель – одно устройство.

Здесь показаны максимальные значения основных параметров. Реальная скорость передачи данных всегда ниже. Топологические ограничения (число устройств и максимальное удаление) для ряда интерфейсов указаны формально (в пределах работоспособности). Реальные значения, отвечающие эффективной конфигурации, могут быть скромнее (например, считается, что FC-AL эффективно работает при числе узлов до 30 и длине кольца до 100м). Под возможностью одновременного обмена подразумеваются физически одновременно выполняемые передачи информации, относящиеся к решению разных задач (от одного или нескольких инициаторов с одним или несколькими целевыми устройствами). Работа с несколькими инициаторами тоже имеется в виду одновременная (селектор порта SATA эту возможность не обеспечивает).

При всем разнообразии интерфейсов в большинстве случаев выбирать приходится между двумя основными ATA/SATA  и SCSI/SAS. Шина АТА в современных системах работает в режиме UltraDMA, так что по быстродействию и защищенности от ошибок она не отстает от конкурентов. Для внешних устройств широко применяются интерфейсы USB и FireWire. Достоинства и недостатки основных интерфейсов подключения устройств хранения сведены в табл. 2.

Таблица 2. Сравнение интерфейсов устройств хранения

Интер-

фейс

Достоинства

Недостатки

АТА

Массовость. Низкая цена устройств и кабелей. Простота конфигурирования. Эффективность при малом числе устройств

Малое число устройств: до 2 на шине (обычно есть 2 шины). Только для внутренних устройств. Низкая эффективность при работе с двумя устройствами на шине Высокая загрузка ЦП и большое число прерываний при отработке запросов

SATA

То же. Независимость устройств. Высокая эффективность при поддержке NCQ и устройствами, и контроллером

Малая распространенность устройств и контроллеров с поддержкой NCQ

SCSI

Большое число подключаемых устройств, внутренних и внешних. Высокая эффективность в многозадачных системах при большом числе устройств

Высокая цена контроллера, устройств и аксессуаров (кабели, терминаторы). Сложность установки и конфигурирования

SAS

То же. Возможность физически одновременного обмена с несколькими устройствами. Простота подключения и конфигурирования

Высокая цена оборудования

USB

Удобство подключения. Распространенность. Средняя скорость (USB 2.0)

Загрузка ЦП, возрастающая с увеличением числа устройств. Низкая скорость (USB 1.0)

FireWire

Удобство подключения. Высокая скорость. Эффективная работа с множеством устройств

Малая распространенность в PC

Не попавший в таблицу интерфейс Fibre Channel применяют для подключения устройств внешней памяти в больших системах. Этот интерфейс позволяет значительно разносить устройства памяти и компьютеры (допускается разделяемое использование устройств). Эти свойства ценны для особо ответственных применений, когда требуется обеспечить живучесть системы даже при частичных разрушениях (при стихийных бедствиях, катастрофах и прочих «радостях» современного бытия).

External SATA (eSATA/xSATA) — интерфейс, предназначенный для подключения внешних устройств хранения данных. SATA выходит на рынок внешних накопителей и предлагает более производительную альтернативу таким внешним интерфейсам, как USB и FireWire. Существует eSATA, а также расширенная версия — xSATA. xSATA позволяет использовать кабель длиной до 8 метров вместо двух. Технология уже интегрируется в современные материнские платы для настольных систем.


3. Взаимодействие ядра системы с устройствами хранения

Общей задачей программы, управляющей устройством хранения (его драйвера), является подача команд устройству и передача блоков данных из устройства в системную память хоста или из памяти в устройство. В этом обмене всегда участвует центральный процессор хоста, посылающий команды в устройство и считывающий его состояние. В самой передаче данных, как правило, принимает участие контроллер DMA (хотя возможен и чисто программный обмен PIO).

Выполнение одиночных команд

Выполнение каждой команды, связанной с обменом данными между хостом и устройством, состоит из нескольких шагов.

1. Посылка команды устройству - указание типа операции (чтение, запись или другая операция); адреса начального блока данных на носителе, участвующего в операции; числа передаваемых блоков. Хост к этому моменту уже должен «знать» местоположение считываемых или записываемых данных в его ОЗУ.

2. Поиск требуемых данных на носителе устройства. Эта операция затрагивает только собственно ВЗУ и его контроллер, занимающийся обслуживанием носителя. Для устройств с встроенным контроллером (а это большинство современных устройств) данная операция является сугубо внутренней. Время, необходимое для ее выполнения, и скрывается за параметром «время доступа».

3. Передача данных между ВЗУ (его контроллером) и ОЗУ  хоста. Скорость выполнения этой операции зависит как от внутренней скорости доступа к носителю устройства, так и от возможностей интерфейса. Время, требуемое для выполнения данной операции, зависит и от объема данных, описанных в команде.

4. Завершение выполнения команды - сообщение хосту об успехе или неуспехе операции (с указанием причины неуспеха) и реальном количестве считанных или записанных данных. Если это количество не совпадает с заказанным (оно не может быть больше заказанного), то хост для удовлетворения своей потребности в чтении или записи данных должен будет подать следующую команду (аналогичную, но с иными начальным адресом и количеством передаваемых данных).

Если заказана операция с большим количеством данных, передача данных может происходить за несколько сеансов, между которыми устройство занимается поиском следующего блока. В каждом сеансе передается один сегмент данных, длина которого произвольна (но кратна размеру блока). Такие приостановки естественны, например, когда считываемая или записываемая последовательность блоков пересекает границу дорожки и/или цилиндра магнитного диска. Будет ли операция продолжена после достижения границы, зависит от устройства, контроллера и интерфейса. Альтернативой продолжению является завершение команды с отчетом о проделанной работе.

Способы организации передачи данных. 1)Если сегментация данных (их передача за несколько сеансов) поддерживается, то появляется возможность неупорядоченной доставки данных - передачи их в порядке, «удобном» устройству. Удобство определяется текущим положением носителя и стремлением минимизировать затраты времени на поиск. Однако это требует как усложнения логики контроллера устройства, так и усложнения интерфейса в его протокольной части. 2)В более простом варианте реализации выдвигается жесткое требование упорядоченности сегментов (порций данных, передаваемых за сеанс) и недопустимость их перекрытия. 3)В самом сложном и эффективном варианте допускается и неупорядоченность (немонотонность нарастания адреса), и возможность перекрытия сегментов. В последнем случае по интерфейсу может передаваться данных больше, чем заказано в команде; при этом сегменты не должны выхолить за границы данных, объявленных в команде.

Оптимизация обслуживания множества запросов

В многозадачных системах желательно иметь возможность параллельного обслуживания множества запросов к ВЗУ. При этом несколько почти одновременно появившихся запросов могут относиться как к одному устройству, так и к разным устройствам. Устройства, поддерживающие очереди команд (запросов, ожидающих обслуживания), позволяют принимать новые команды до того, как исполнены предыдущие. Изменение порядка обслуживания внутри устройства, которое возможно при организации очередей, позволяет оптимизировать исполнение команд для повышения общей пропускной способности. Устройство с подвижным носителем будет стремиться исполнять команды, данные для которых расположены ближе всего к текущему относительному положению головок и носителя. Для дисковых устройств для этого возможна оптимизация по вращению (rotational optimization) и по позиционированию головок (seek optimization). Таким образом, минимизируются основные издержки времени. Применение очередей позволяет совмещать во времени издержки на постановку запросов и получение результатов с задержками передачи данных, свойственными устройствам хранения. Поддержка очередей будет еще более эффективной, если она дополняется вышеописанной сегментацией данных, особенно в варианте с возможностью неупорядоченности. Однако это повышение эффективности ввода-вывода оборачивается усложнением и удорожанием устройств, протоколов, контроллеров и интерфейсов. В балансе между эффективностью и сложностью (стоимостью) и кроются основные различия семейств интерфейсов АТА/SATA и SCSI/SAS.

Обеспечение эффективности ввода-вывода (общие критерии)

Критерии эффективности интерфейсов и самих устройств хранения следующие:

1)Загрузка интерфейса. Интерфейс должен быть как можно более плотно занят передачей полезных данных. Полная загрузка интерфейса возможна лишь при одновременном обслуживании множества запросов в разных устройствах, тогда время, необходимое для фазы поиска в одном устройстве, будет использоваться для передачи данных другими устройствами.

2)Уменьшение отношения суммарных затрат времени на поиск к суммарному времени выполнения команд. Считая параметры (время доступа) устройства неизменными, эффективность будет выше при меньшем числе запросов (команд) и большем объеме данных. При большом числе относительно коротких запросов эффективность можно повысить, лишь поддерживая очереди команд и позволяя устройству их исполнять так, чтобы путь «перескоков» по носителю (операций поиска) был минимален.

3)Уменьшение процессорного времени хоста, затрачиваемое на выполнение команд для устройств хранения. В первую очередь следует минимизировать число прерываний центрального процессора, обрабатываемых для обслуживания устройств хранения. Прерывания в компьютерах на базе процессоров х86 (то есть самых массовых) вносят большие накладные расходы. Для минимизации расхода процессорного времени приходится усложнять контроллеры интерфейсов устройств хранения, используя высокоэффективные механизмы прямого управления системной шиной для доступа к памяти (Direct Memory Access, DMA).

Дополнительная информация

Традиционный контроллер DMA (8237А) для работы с устройствами хранения малопригоден: его скорость передачи невысока; пересылаемый блок должен располагаться в непрерывной области физических адресов памяти, не должен пересекать границ 128-килобайтных страниц и должен располагаться в первых 16 мегабайтах адресов ОЗУ. Ограничение 16-битных каналов DMA. связанное с реализацией расширения адреса для 16-разрядного контроллера 8237А.

Современные контроллеры, обеспечивающие устройствам хранения прямой доступ к оперативной памяти, имеют поддержку виртуальной памяти со страничной организацией: они способны при чтении памяти собрать поток данных из произвольного числа областей (gathered read), а при записи «разбросать» поток по этим областям (scatter write). Для них передача блока данных, расположенного в непрерывной области виртуальных (логических) адресов, разбивается на несколько передач в областях с непрерывными физическими адресами. При этом передача описывается таблицей дескрипторов PRD (Physical Region Descriptor -дескриптор физической области). Иное название этой таблицы scatter-rather list. Текущее состояние передачи определяется контекстом DMA набором регистров, управляющих работой канала и задающих текущий адрес ячейки памяти для обмена данными, используя таблицу (или список) дескрипторов. Для того чтобы устройство могло выполнять команды из очереди в произвольном порядке, а также для поддержки сегментации данных, относящихся к одной команде, требуется управление контекстом DMA (в контроллере интерфейса подключения устройств хранения) согласно с поведением собственно устройств. Желательно, чтобы участие процессора хоста в этих переключениях контекста было минимальным, причем как по числу инструкций, которые необходимо выполнить, и особенно, по числу прерываний.

Обеспечение эффективности ввода/вывода в интерфейсах SCSI и АТА

При всем разнообразии интерфейсов подключения ВЗУ наибольший интерес представляют семейства интерфейсов SCSI и АТА. В интерфейс SCSI изначально были заложены возможности эффективной работы с множеством подключенных устройств, получившие развитие в спецификациях SCSI-2 (1994 г.) и архитектурной модели SAM (1996 г.).

В интерфейсе SCSI высокоэффективная поддержка очередей команд внутри устройства подкреплена соответствующими транспортными средствами и изначально сложными контроллерами интерфейсов. Поддержка очередей и возможности сегментации данных (включая неупорядоченность) согласуется между участниками обмена (хост-контроллером и собственно устройством). Качественный контроллер SCSI пользуется этими возможностями, почти не нагружая центральный процессор. Он способен оперировать множеством контекстов заданий и переключать контексты DMA по указаниям от устройств хранения. Важной особенностью идеологии SCSI является клиент-серверная модель, в которой хост является клиентом для сервера устройства хранения. Благодаря этой модели возможно эффективное масштабирование системы хранения данных, подключенной к компьютеру: каждое новое устройство приходит в систему со своим «интеллектуальным ресурсом» - сервером, берущим на себя все заботы по организации выполнения команды. Данная идеология распространяется на все версии интерфейса SCSI и его «родственников» — Fibre Channel и шину FireWire.

Интерфейс АТА по своему происхождению является однозадачным: его прародитель контроллер НDC/AT позволял поочередно исполнять одиночные команды на подключенных к нему (до двух) устройствах. Для транспортировки данных можно было использовать стандартный контроллер DMA, но более высокую скорость передачи данных обеспечивал программный ввод-вывод (режим РIO). Первые адаптеры АТА совместно с подключенными устройствами хранения обеспечивали ту же функциональность с теми же ограничениями. Позже появился стандартный контроллер PCI IDE с более эффективными (на тот момент) каналами прямого доступа к памяти. Этот контроллер хорошо справляется выполнением одиночных команд для одного устройства, подключенного к шине АТА. При этом процессор занят только подачей команды, а по завершении исполнения команды (и передач данных, выполненных по каналу DMA) он получает прерывание. С другим устройством, подключенным к той же шине АТА, можно работать только после завершения команды, посланной первому устройству, интерфейсная шина АТА занята устройством на все время выполнения команды. С переходом на многозадачные операционные системы такое ограничение стало существенным тормозом и потребовало изменений в спецификациях АТА.

В спецификации ATA/ATAPI-4 (еще в 1997 г.) были введены возможность освобождения интерфейса (на время поиска), открывающая путь к более эффективному обслуживанию пары устройств на шине, и поддержка очередей команд внутри одного устройства. Однако при подключении устройств к стандартному контроллеру PCI IDE эту возможность не используют из-за больших накладных расходов. Контроллер PCI IDE Bus Master, применяемый для современных параллельных интерфейсов АТА, имеет по одному контексту для каждого своего канала (шины АТА). Для работы с парой устройств и поддержки очередей процессор должен загружать (и перезагружать) этот контекст в зависимости от изменения состояния обслуживаемых устройств. Эти изменения состояния определяются программно по прерываниям от устройств. Большое количество прерываний сводят на нет потенциальные преимущества многозадачных возможностей самих устройств. Эти возможности используют только при подключении устройств ATA/ATAPI к контроллеру с собственным процессором, который только тем и занимается, что обслуживает ввод-вывод. Если специальный процессор не задействуется, то для эффективной многозадачной работы контроллер должен иметь множество контекстов, переключаемых аппаратно.

В интерфейсе SATA появилась возможность индивидуального подключения каждого устройства к собственному контроллеру DMA, что позволило решить проблему одновременной работы устройств (избавиться от взаимозависимости пар устройств). Полноценная эффективная поддержка очередей (технология NCQ) появилась только в SATA-II при уходе от совместимости со стандартной моделью контроллера PCI IDE и устройств АТА. Со стороны устройств это выразилось в определении способа, которым устройство сообщает контроллеру, для какой из команд требуется передача данных и какой сегмент данных должен передаваться. Со стороны хоста эта поддержка выразилась в существенном усложнении контроллера, который теперь аппаратно (с точки зрения процессора) управляет посылкой и исполнением множества команд для каждого устройства. Такие возможности имеют контроллеры SATA с интерфейсом AHCI. Устройства, поддерживающие NCQ, совместно с контроллером AHCI по эффективности работы становятся сопоставимыми с SCSI-системами. Заметим, что при этом различие идеологий остается: в SATA используется централизованное управление устройствами со «средним интеллектом», в SCSI каждое устройство   - сервер.

PAGE  6


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

64819. ПАРАМЕТРИ ЗМІН ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ СІРОГО ЛІСОВОГО ҐРУНТУ ПІД ВПЛИВОМ УДОБРЕННЯ КУЛЬТУР І ПІСЛЯДІЇ ВАПНУВАННЯ 237 KB
  Метою досліджень було встановити закономірності впливу післядії вапнування з використанням різних систем удобрення на родючість сірого лісового ґрунту а саме: фізикохімічні властивості процеси перетворення кальцію вмісту гумусу агрохімічні...
64820. Фізичні поля прийомних криволінійних акустичних антен з екранами 9.9 MB
  Криволінійні антенні решітки що утворені з кругових циліндричних п’єзокерамічних перетворювачів відносять до антен що знайшли найбільш широке застосування як у підводній електроакустичній апаратурі та пристроях так і в іншому обладнанні акустичної техніки.
64821. ФУНКЦІЯ НАДАННЯ ПОСЛУГ НАСЕЛЕННЮ ОРГАНАМИ ВНУТРІШНІХ СПРАВ УКРАЇНИ: ТЕОРЕТИКО-ПРАВОВИЙ АСПЕКТ 179 KB
  Вагоме місце в цьому переліку займає впровадження у повсякденну поліцейську практику функції надання послуг населенню. Мюнстер ФРН підкреслювалося що поліція має перетворитися на сервісну службу розвивати систему послуг для громадян.
64822. Обґрунтування резервів підвищення тягових якостей локомотива та їх реалізація керуванням ковзання в системі колеса з рейкою 276.5 KB
  Проблема реалізації максимальних тягових зусиль – складне та багатофакторне завдання, яке пов’язане зі значним різноманіттям конструктивних та експлуатаційних параметрів локомотива. Неточність статичного та динамічного розважування, різниця тягових зусиль та умов зчеплення...
64823. РАДІОВИМІРЮВАЛЬНІ ПРИЛАДИ НА ОСНОВІ ЄМНІСНОГО ЕФЕКТУ В ТРАНЗИСТОРНИХ СТРУКТУРАХ З ВІД’ЄМНИМ ОПОРОМ 425.5 KB
  Сучасний стан розвитку радіовимірювальної техніки суттєвим чином залежить від новітніх досягнень в області розробки методів та засобів радіовимірювань та визначається використанням вдосконалених або принципово нових приладів.
64824. Міжнародна економічна діяльність країн в умовах глобалізації ринку чорних металів 194 KB
  Актуальність наукової розробки обраної теми обумовлена як впливом глобальних процесів розвитку торгових відносин та кон’юнктурних коливань на світовому ринку чорних металів на міжнародну економічну діяльність країн так і посилена...
64825. ЛІКУВАННЯ, ПРОФІЛАКТИКА ТА ПРОГНОЗУВАННЯ МНОЖИННОГО КАРІ3ЄСУ ЗУБІВ У ПІДЛІТКІВ 230 KB
  Проблема розвитку множинного каріозного процесу у підлітків з точки зору психологічних особливостей, що обумовлюють вегетативні порушення, на даний момент недостатньо висвітлена. Застосування комплексного підходу до їх вивчення дасть можливість...
64826. МЕТОД СИНТЕЗУ ДИСКРЕТНИХ СИГНАЛІВ ДЛЯ ПІДВИЩЕННЯ АБОНЕНТСЬКОЇ ЄМНОСТІ СИСТЕМ РАДІОЗВ’ЯЗКУ З КОДОВИМ РОЗДІЛЕННЯМ КАНАЛІВ 899.5 KB
  Становлення та розвиток телекомунікаційних систем України як незалежної держави проходить у відповідності з Концепцією розвитку зв’язку в Україні, яка визначає основні підходи до розвитку та особливостей структурної перебудови зв’язку.
64827. КОНЦЕПТУАЛЬНІ ОСНОВИ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЄДНОСТІ ЛАБОРАТОРНИХ ВИПРОБУВАНЬ 315 KB
  Одночасна присутність на ринку інтересів виробників та споживачів висуває проблему забезпечення необхідної точності та вірогідності результатів випробувань створення умов для забезпечення їх порівнянності та взаємного визнання незалежно від часу і місця проведення випробувань.