Paweł Saran
Praca kontrolna
Urządzenia Techniki Komputerowej
„Dyski IDE, SATA i SCSI”
Dysk twardy w naszym komputerze od kilku lat komunikuje się z komputerem za pomocą magistrali IDE/ATA. Jest to standard transmisji równoległej wykorzystującej 40 sygnałów. Przez tych 40 żył biegnie prąd o napięciu 5V. Tak wysokie napięcie i tak szybki transfer powoduje masę interferencji elektromagnetycznych. Rozwiązaniem tego okazało się zastosowanie dla każdego przewodu „ekranu” czyli kolejnej żyły. I tak oto wraz ze standardem ATA66 mamy 80-żyłowe przewody sygnałowe. Dyski kręciły się już z prędkością 7200 obrotów na minutę (rpm), potrzebowały szybszej komunikacji z komputerem.
Powstał więc nowy standard – ATA100, który oferował maksymalny przesył danych na poziomie 100 MB/s. Można powiedzieć, że na tym rozwój tej technologii się zakończył. Pewnym rozszerzeniem jest nie przyjęty przez wszystkich, w szczególności przez Intela, standard Maxtora – ATA 133. Rozszerzenie to zostało wprowadzone przez firmę głownie dla obsługi większych dysków twardych (300 GB), których niestety nie obsługuje ATA100.
Końcem tamtego stulecia rozpoczęto prace nad nowym standardem – Serial-ATA. Pracę zakończono w roku 2001.
• Najważniejszą zmianą w stosunku do równoległego (Parallel-ATA) jest wzrost prędkości przesyłu do 150 MB/s, stąd też nazwa – S-ATA 150.
• Interfejs w przeciwieństwie do swojego poprzednika przesyła dane szeregowo. Czyli nie naraz 40 sygnałów, a jeden, ale za to nie porównywalnie szybciej.
• Nie ma też tak wysokiego napięcia zasilającego – teraz jest 250 mV. Do przesyłu danych służą dwie linie, jedna „nadawcza” druga zaś „odbiorcza”. W dodatku ich charakterystyka (odwrócone fazy) powoduje, że wszelkie interferencje elektromagnetyczne po prostu nie występują - wytłumiają się.
• 40 pinową grubą taśmę, bardzo niewygodną w użyciu zastąpiono cieniutkim 7 żyłowym kablem o maksymalnej długości 1 m. W przypadku ATA 100 / ATA 133 jest to jedynie 40 cm.
• Nie ma już problemu ze zworkami. Nie musimy się już martwić, że jeden napęd jest master, a drugi musi być slave. Jeden dysk oznacza jedno połączenie (punkt-punkt).
• W myśl idei HotPlug dodano możliwość podłączania napędu w czasie pracy komputera.
• Zmieniono również standardowe zasilanie. Zamiast czterostykowego molexa, mamy cienki kabelek z 15 wyprowadzeniami. Oprócz standardowych 12V oraz 5V dysk dostaje jeszcze zasilanie z linii 3,3 V.
Trzeba jednak zaznaczyć, że nie wszyscy producenci dysków zrezygnowali ze standardowego złącza MOLEX służącego do zasilania dysków. Nowe zasilanie stosuje Seagate oraz Samsung. Natomiast Maxtor, WesternDigital czy Hitachi oferują dyski z nowym jak i starym zasilaniem równocześnie. Bardzo ważnym jest, że nie można podłączyć obydwu linii – mogłoby to spowodować awarię dysku. Stosowanie starego zasilania w niczym nie przeszkadza, nie ogranicza też wydajności dysku. Jedyne co, to nie będziemy mogli podłączyć dysku „na ciepło” czyli w czasie włączonego komputera. Jak się jednak okazuje nie jest to wielka strata, gdyż na dzień dzisiejszy mało który zasilacz taką funkcję oferuje.
Kontrolery Serial-ATA
Nieodłącznym elementem procesu komunikacji dysku twardego z komputerem jest jego kontroler. W przypadku Serial-ATA dopiero teraz praktycznie każda nowo zakupiona płyta główna oferuje ten standard. Przy wyborze takiej płyty należy zwrócić uwagę czy obsługujący standardS-ATA kontroler jest zintegrowany z chipsetem czy jest to osobny układ.
W przypadku osobnego układu (najczęściej jest to produkt Silicon Image, rzadziej Promise) komunikacja odbywa się przez wąską szynę PCI, która ma maksymalną przepustowość 133 MB/s. Dlatego też polecamy rozwiązania, gdzie S-ATA znajduje się bezpośrednio w chipsecie. Jak wiemy doskonale dzisiejsze dyski 7200 rpm oferują prędkość odczytu w okolicach 40 do 60 MB/s oraz zapis w granicach 30 do 50 MB/s Niestety architektura dysku twardego nie zmieniona od ponad 20 lat, nie pozwala na pełne wykorzystanie łącza.
Niepodważalną wadą dysku Serial-ATA jest jego brak wstecznej kompatybilności. Niestety nie podłączymy go do płyt głównych, nie wyposażonych w ten interfejs. Jednak wygoda
podłączenia, gabaryty kabelka podłączeniowego oraz jego długość zdecydowanie przemawiają na korzyść S-ATA. Wreszcie zrezygnowano z kłopotliwej konfiguracji zworkowej.
Teraz połączenie dysk – kontroler jest bardzo proste, nie trzeba nic konfigurować. Problem pojawia się w przypadku instalacji systemu na kontrolerze S-ATA, do których Windows nie ma sterowników. Konieczne jest wówczas stosowanie odpowiednich sterowników podczas instalacji systemu. Na szczęście większość producentów płyt głównych dostarcza takowe w zestawie.
Jak wynika z testów, dysk Serial-ATA to jest dokładnie ten sam dysk, co zwykły komunikujący się w sposób równoległy z resztą komputera. Dowodem na to jest elektronika dysku twardego. Jedyną różnicą jakiej się dopatrzymy między tymi dyskami jest wlutowany jeden, mały układ firmy Marvell służący do tłumaczenia sygnału P-ATA na S-ATA.
To dzięki niemu dysk komunikuje się z komputerem za pomocą standardu Serial-ATA. Układ ten jest niczym innym jak swoistym dekoderem sygnału. Jak nie trudno się domyśleć każdy dekoder potrzebuje czasu na zdekodowanie sygnału, co wprowadza dodatkowe opóźnienia. Doskonale widać to w większości testów, w których dysk Serial-ATA delikatnie przegrywa ze swoim „starszym bratem”. Różnice są jednak tak małe, że nie można ich traktować jako wyznacznik przy wyborze dysku.
Jest też druga strona wlutowania dekodera do elektroniki dysku. Trzeba zauważyć, że wyraźnie zostały skrócone ścieżki sygnałowe. Prowadzi to do wzrostu transferu wewnętrznego, tak bardzo ważnego podczas operacji na tej samej partycji, czy w obrębie dwóch partycji na tym samym dysku.
SATA
SATA (ang. Serial Advanced Technology Attachment) - szeregowa magistrala Serial ATA jest następcą równoległej magistrali ATA. Do transmisji przewidziane są cieńsze i bardziej elastyczne kable z mniejszą liczbą styków, co pozwala na stosowanie mniejszych złączy na płycie głównej w porównaniu do równoległej magistrali ATA. Wąskie kable ułatwiają instalację i prowadzenie ich w obudowie, co poprawia warunki chłodzenia wewnątrz obudowy. Interfejs przeznaczony do komunikacji umożliwia szeregową transmisję danych między kontrolerem a dyskiem komputera z maksymalną przepustowością ok. 1,5 gigabitów/s (rzeczywista 150MB/s) .
15-pinowa wtyczka zasilająca w standardzie SATA.
SATA 2
Obecnie w sprzedaży dostępne są dyski z kontrolerem wyposażonym w magistralę SATA2, która umożliwia transfer danych z prędkością 3 gigabitów/s (rzeczywista 300 MB/s). Podwojenie przepustowości w przypadku domowego komputera niewiele zmienia, lecz doskonale sprawdza się w przypadku serwerów, gdzie stosowane są rozbudowane macierze dyskowe lub systemy pamięci zewnętrznej. Nowy standard wprowadza trzy nowe specyfikacje usprawniające działanie kontrolerów dysków twardych:
7-pinowa wtyczka służąca do przesyłania danych
Wynik badania dysku z mechanizmem kolejkowania zadań, za pomocą programu PC Mark
Schemat działania powielacza portów
Kolejkowanie zadań (ang. Native Command Queuing) Mechanizm kolejkowania poleceń ma za zadanie zwiększyć wydajność i efektywność dysku twardego poprzez takie ustawianie zadań odczytu i zapisu na nośniku, aby jego głowice musiały wykonać jak najmniej skoków. W ten sposób można uzyskać do 10% wzrostu wydajności.
Port Multiplier (powielacze portów) definiuje sposób podłączania jednego złącza SATA do kilku urządzeń. Każde takie urządzenie jest odpowiednikiem koncentratora sieciowego. Do jednego portu hosta można podłączyć do szesnastu urządzeń SATA. Pojedynczy dysk twardy nie może wykorzystać całej zwiększonej przepustowości, czyli około 384 MB/s (dla przykładu interfejs SCSI oferuje prędkość 320 MB/s), lecz dzięki powielaczom, cztery dyski połączone równolegle mogą w pełni wykorzystać oferowaną przepustowość. Dodatkowym atutem, podobnie jak w poprzednim standardzie, jest zmniejszenie liczby kabli i poprawienie przepływu powietrza wewnątrz obudowy a więc także lepsze chłodzenie pamięci masowej SATA (dysków twardych). Specyfikacja Port Multiplier dodaje asynchroniczną metodę powiadamiania o podłączeniu lub odłączeniu urządzenia w ten sposób oszczędza się czas normalnie potrzebny na częste procedury sprawdzania gotowości urządzenia (dysku).
Port Selector umożliwia podłączenie dwóch różnych portów do tego samego urządzenia w celu utworzenia nadmiarowej ścieżki do tego urządzenia. Port Selector to zasadniczy element budulcowy dla producentów rozwiązań RAID, NAS i systemów kopiowania "dysk na dysk", opracowujących w pełni redundantne topologie pamięci masowej. Umożliwia także w prosty sposób udostępnianie np. zewnętrznej pamięci masowej więcej niż jednemu serwerowi, zastępując stosowane obecnie wolne łącza typu sieć Ethernet. Długość przewodu SATA może dochodzić do 2 metrów.
Przeważnie dyski z SATA 2 mają montowaną zworkę, która w celu zapewnienia kompatybilności, ogranicza dysk do prędkości standardowego SATA. Aby zdjąć to ograniczenie wystarczy wyjąć zworkę.
External SATA
Złącze eSATA to zewnętrzny port Serial-ATA II, przeznaczony do podłączania napędów poza komputerem.
Główną ideą eSATA jest zapewnienie identycznej prędkości przesyłania danych w urządzeniach zewnętrznych, jaka osiągalna jest dla napędów wewnętrznych. Osiągane przez ten standard prędkości nie odbiegają od tych oferowanych przez SATA-II – maksymalne przepustowości to 150 MB/s oraz 300 MB/s, czyli znacznie więcej niż może zaoferować port USB 2.0
Porównanie kabli SATA i eSATA.
SATA 3
Obecnie trwają prace nad trzecią wersją interfejsu SATA III, która ma według planów umożliwić przesyłanie danych z prędkością 6 Gb/s (750 MB/s), czyli dwukrotnie większą od SATA II oraz nieco większą od Ultra 640 SCSI. Standard ma być gotowy w drugim kwartale 2009. Pierwszymi dyskami które skorzystają z nowego standardu będą dyski SSD, które już osiągają szybkości większe od SATA II. SATA III będzie wstecznie kompatybilny z istniejącymi rozwiązaniami.
SCSI
Wszystkie urządzenia podłączone do magistrali są równorzędne, każde z nich może pełnić rolę zarówno inicjatora (rozpoczynać operację) jak i celu (wykonywać operację zleconą przez inicjator). Niektóre urządzenia potrafią pełnić tylko jedną z ról.
Terminator magistrali SCSI
Elektryczna budowa magistrali SCSI wymaga zakończenia jej specjalnym terminatorem.
Każde z urządzeń podłączonych do magistrali SCSI posiada unikalny w obrębie magistrali adres – identyfikator (ang. SCSI ID). Pierwotnie do adresowania urządzeń wykorzystywane były trzy bity magistrali co pozwalało na połączenie ze sobą maksymalnie 8 urządzeń. W chwili gdy magistrala danych rozrosła się do szerokości 16 bitów została również rozszerzona do 4 bitów część adresująca urządzenia. Identyfikator pełni również rolę priorytetu przy rozstrzyganiu próby jednoczesnego dostępu więcej niż jednego urządzenia do magistrali. Zwyczajowo kontroler posługuje się identyfikatorem 7. W obrębie jednego identyfikatora istnieją również tzw. LUN (ang. Logical Unit Number) identyfikujące tzw. urządzenie logiczne na jakie może być podzielone urządzenie fizyczne SCSI. Przykładem takiego urządzenia mogą być zmieniarki płyt CD, w których poszczególne elementy składowe (magazynki, czytniki) mogą być identyfikowane przy pomocy LUN.
W znakomitej większości konfiguracji do magistrali poprzez kontroler podłączony jest jeden komputer oraz urządzenia pamięci masowej (dyski twarde oraz napędy taśmowe). Spotykane są też inne urządzenia, np. skanery, drukarki, nagrywarki.
Magistrala SCSI pozwala na podłączenie dysku do więcej niż jednego komputera (tzw. układ V). Możliwe jest również przesyłanie danych bezpośrednio pomiędzy urządzeniami bez ingerencji komputera (np. wykonanie kopii macierzy dyskowej na taśmie magnetycznej).
Magistralę SCSI można podzielić ze względu na kilka kryteriów:
• sposób transmisji:
• asynchroniczny
• synchroniczny
• prędkość transmisji (przy zastosowaniu szyny 8-bitowej)
• 5 MB/s
• 10 MB/s
• 20 MB/s
• 80 MB/s
• 160 MB/s (przy 16 bitach daje to 320 MB/s)
• szerokość magistrali
• 8 bitów
• 16 bitów
• parametry elektryczne
• sterowanie napięciowe (Single Ended) oznaczane jako SE
• sterowanie różnicowe (Differential lub High Voltage Diferenetial) – HVD
• sterowanie różnicowe niskonapięciowe (Low Voltage Differential) – LVD
Odmiany SCSI
• SCSI-1: pierwsza wersja standardu. Pozwalała na transfer z prędkością 5 MB/s na odległość 6 m,
• SCSI-2: kolejna wersja standardu. Składa się z dwóch wariantów, zwiększających transfer do 10 lub 20 MB/s (odpowiednio Fast SCSI i Wide SCSI). Maksymalna odległość to około 3 metry,
• SCSI-3: znany jako Ultra SCSI, prędkość transferu 20-40 MB/s, teoretycznie maksymalna odległość zostaje nadal 3 metry,
• Ultra2 SCSI: wprowadzono technologię Low Voltage Differential, pozwalającą na zwiększenia maksymalnej odległości do ~12 m. Prędkość transferu 40-80 MB/s,
• Ultra3 SCSI (Ultra160 SCSI): maksymalny transfer 160 MB/s, dodano funkcje wspomagające wykrywanie i usuwanie przekłamań.
• Ultra4 SCSI (Ultra320 SCSI): maksymalny transfer 320 MB/s.
• Ultra 640 SCSI: maksymalny transfer 640 MB/s.
ISCSI
iSCSI (ang. Internet SCSI) to technika umożliwiająca wykonywanie operacji wejścia-wyjścia na dysku twardym odległej maszyny za pomocą protokołu TCP/IP.
Protokół iSCSI umożliwia budowę systemów pamięci masowych SAN (ang. Storage Area Network) przy zastosowaniu macierzy dyskowych SCSI i sieci Ethernet (protokół TCP/IP). Największą zaletą iSCSI jest możliwość tworzenia rozległych systemów SAN przy wykorzystaniu typowych elementów sieciowych, co ułatwia budowę systemu i zmniejsza jego koszt w porównaniu z klasycznymi rozwiązaniami typu Fibre Channel.
Specyfikacja iSCSI określa sposób transformacji równoległych poleceń SCSI na format TCP/IP i na odwrót. Transformacja poleceń może być realizowana zarówno sprzętowo, jak i programowo.
Współczesne systemy operacyjne dość powszechnie wyposażone są w możliwość zarówno świadczenia usług jako cel iSCSI jak też korzystania z nich jako inicjator. Przykładami mogą być:
• open-iSCSI - dostępny np. w dystrybucji Ubuntu
• iSCSI Initiator Service - inicjator dostępny w systemach Windows
• StarWind firmy Rocket Division - samodzielny produkt będący celem iSCSI
• Windows Storage Server - specjalna wersja systemu Windows zoptymalizowana do świadczenia usług iSCSI.
BoczekX-Man