Rozhraní disků. 1. Paralelní rozhraní

Transkript

1 Rozhraní disků Rozhraní (řadič) disků jsou logické obvody, které zprostředkovávají komunikaci mezi pevným diskem (popř. mechanikou optických pamětí, floppy mechanikou, atd.) a ostatními částmi počítače. Rozhraní disku určuje způsob komunikace a tím typ disku, který je možné k němu připojit. Řadič přijímá od procesoru data a čísla stop a sektorů, kam má zapisovat (resp. odkud má data číst). Řadič disponuje určitou množinou signálů, pomocí kterých komunikuje s diskovou jednotkou. Signály řadiče disku dělíme na: Výstupní signály jedná se o řízení diskové jednotky (např. vystavení čtecí/zapisovací hlavy do určitého místa nad záznamovou plochou, řízení pohonu disku, řízení čtení a zápisu, apod.) Vstupní signály většinou se jedná o hlášení stavu jednotky řadiči (např. hlášení o rozpoznání adresy místa na disku, dosažení jmenovitých otáček motoru, chybová hlášení, apod.) či identifikační údaje disku 1. Paralelní rozhraní 1.1. Rozhraní ST506 Rozhraní ST506 bylo vyrobeno firmou Shutgart Technologies s původním označením ST506/412 a jedná se o první ve větší míře používané rozhraní pevných disků pro počítače PC. Existovalo pouze v podobě rozšiřující karty a umožňovalo připojit maximálně dva disky. Rozhraní ST506 nebylo konstruováno pro připojování jiných zařízení než pevné disky (CD- ROM, páskové mechaniky apod.). Jednalo se o rozhraní, které bylo poměrně náchylné na rušení a vyžadovalo tedy co možná nejkratší a kvalitní kabeláž. ST506 bylo s disky spojeno dvěma kabely: 20 žilový kabel pro přenos dat (pro každý disk zvláštní kabel) 34 žilový kabel pro přenos řídících informací (společný pro oba disky) Další nevýhodou tohoto rozhraní byla jeho poměrně komplikovaná komunikace s diskem. Informace o tom, který z disků je první (a zavádí se z něj operační systém) a který disk je zapojen jako druhý, byla nastavena pomocí propojek na rozhraní ST506. Vylepšená varianta tohoto rozhraní se nazývala ESDI rozhraní (Enhanced Small Device Interface), které vzniklo počátkem 80. let. Nabízelo práci s disky o větší kapacitě, vyšší přenosovou rychlost (až 24 Mb/s, tedy 3 MB/s), teoreticky umožňovalo připojit i jiné zařízení než pevný disk, atd. Rozhraní ESDI zachovávalo stejnou kabeláž jako rozhraní ST506 a umožňovalo také připojit maximálně dvě zařízení.

2 1.2. IDE (resp. ATA, PATA) Rozhraní IDE (Integrated Drive Electronics), též nazývané ATA (Advanced Technology), je standardní rozhraní zprostředkovávající komunikaci mezi pevným diskem a základní deskou. Toto paralelní rozhraní sběrnicového typu je používáno od 80. let jako hlavní rozhraní pro interní připojení pevných disků, mechanik optických pamětí, apod. Jedním z limitujících faktorů jak u rozhraní ST506, tak u rozhraní ESDI byl propojující kabel. Čím je delší kabel, tím nižší je maximální přenosová rychlost a tím vyšší je hladina šumu. Tato úvaha vedla k závěru, že hlavní řídící jednotka disku byla umístěna přímo na pevný disk (tím se zkrátil kabel na minimum) a vlastní rozhraní už slouží pouze jako prostředník mezi diskem a sběrnicí. ATA rozhraní využívá 40ti-pinového konektoru, na nějž se připojují ploché datové kabely. Původní specifikace rozhraní ATA podporovaly přenosové módy PIO 0 až PIO 5 (Procesor Input Output). PIO je režim využívající procesor k řízení přenosů dat a dle své verze dokáže poskytnout propustnost 2 až 22MB/s. Základní desky dnešních osobních počítačů jsou vybaveny rozhraním nazývaným Ultra ATA které vzniklo z vylepšené IDE verze EIDE (Enhanced Integrated Drive Electronics). Dovolilo již zapojení až čtyř zařízení a umožnilo výrazně rychlejší přenos dat. UltraATA/33 (33 MB/s) UltraATA/66 (66 MB/s) UltraATA/100 (100 MB/s) UltraATA/133 (133 MB/s, kompatibilní s ATA-66 a ATA-100)

3 Od PIO módu se zde přešlo k režimu DMA (Direct Memory Access přímý vstup k paměti), díky kterému již disky nemusejí k přenosu dat využívat procesor, takže i méně zatěžují celý systém. U těchto rozhraní se díky výraznému zvýšení přenosových rychlostí objevil problém parazitní kapacitní vazby, kdy se signály jednotlivých datových vodičů navzájem ovlivňují. Řešením bylo, že původně 40ti-žilový plochý kabel byl doplněn o dalších 40 vodičů, které se starají o odrušení jednotlivých datových vodičů (stínění). Paralelní rozhraní typu IDE/ATA se také nazývají PATA (Parallel ATA) kvůli odlišení od nového sériového rozhraní SATA (Serial ATA). Nevýhodou paralelního rozhraní IDE/ATA zůstává nízká rychlost přenosu dat (max. 133 MB/s), velká šířka kabelu a jeho omezená maximální délka na 45 cm, jakož i velikost konektorů se 40 vývody. Problémem paralelního ATA rozhraní je také nemožnost přistupovat k oběma diskům zároveň, pokud jsou připojené jako Master / Slave. To znamená, že vždy je nutné nejdříve ukončit komunikaci s jedním diskem, pak změnit časování (změnit režim přenosu) a teprve pak je možné připojit se k druhému disku. To trvá dlouho a není to vůbec efektivní. Master pro připojení hlavního disku na daném kanálu Slave pro připojení sekundárního disku na daném kanálu Cable select (CS) pro automatické nastavení (u 80ti-žilového kabelu) Rozhraní SCSI Rozhraní SCSI (Small Computer Systems Interface) je standardní paralelní rozhraní vyvinuté firmou Macintosh - uznávaným standardem se stalo poté, co je začala používat firma IBM. SCSI (čti skazi ) je vstupně/výstupní podsystém nezávislý na zařízení - k počítači je přes SCSI možné připojovat funkčně zcela rozdílná zařízení (pevné disky, páskové jednotky, CD-ROM, tiskárny, skenery, atd.). Každé SCSI zařízení má integrovaný vlastní řadič a používá samostatný komunikační kanál. Vývojáři se snažili o nezávislost počítače na typu periferie - komunikace CPU s řadičem periferní jednotky pomocí standardních příkazů nezávislých na typu periferie. Hlavní výhoda rozhraní SCSI byla ve své době jeho rychlost a velké množství současně připojených zařízení s vlastními řadiči, které se vzájemně neovlivňují při práci (multitasking) a nezatěžují procesor. Dále možnost připojení nejen interních ale i externích zařízení, podpora hot swap technologie (připojování a odpojování zařízení za provozu). Délka 80-ti žilového spojovacího kabelu může být až 12 m (SCSI-3). První 8-bitová verze SCSI-1 z 80. let nabízela rychlost přenosu dat 4MB/s a dovolila připojit ke své sběrnici až 8 různých zařízení (pevné disky, mechaniky, skenery). Přídavná karta se zasouvala do slotu sběrnice ISA na základní desce. Délka kabelu max. 6 m. Následující verze SCSI-2 již umožňovala připojit až 16 zařízení, podporovala novou sadu příkazů, přenosová rychlost 10 MB/s, sběrnice VL Bus a PCI, šířka přenášených dat může být 8, 16 či 32 bitů (Wide, Wide-16, Wide-32). Z toho vyplývá, že přenosová rychlost může být 10, 20 nebo 40 MB/s. Délka kabelu max. 3 m.

4 Verze SCSI-3 (tzv. Ultra SCSI) byla určena pro sběrnici VL Bus a PCI, se základní přenosovou rychlostí 20 MB/s. Specifikace rozhraní zahrnuje nový vrstvový model rozhraní, který zjednodušuje tvorbu softwaru. Přenosová rychlost se odvíjí od šířky rozhraní, zde 20 MB/s (8 bitů), 40 MB/s (16 bitů) a 80 MB/s (32 bitů). K rozhraní SCSI-3 bylo možno připojit až 8 (respektive 7, jedno zařízení musí být řadič rozhraní) zařízení při šířce rozhraní 8 bitů nebo 16 zařízení při vyšší bitové šířce rozhraní. Délka kabelu max. 12 m. V roce 2001 byla uvedena verze Ultra320 SCSI s přenosovou rychlostí 320 MB/s, později pak i Ultra640 SCSI s rychlostí dokonce 640 MB/s. Mezi výhody rozhraní patří vysoká přenosová rychlost, možnost zapojit více zařízení bez omezení rychlosti. K nevýhodám patří vyšší cena (i periferií), množství typů, komplikovanější konfigurace.

5 2. Sériové rozhraní Paralelní rozhraní se dostaly do stavu, kdy další zvyšování rychlosti bylo nemožné, především z důvodu parazitní kapacity a zvýšenému rušení mezi vodiči dalším zvyšováním taktovací frekvence (větší náchylnost na chyby při přenosu dat). Proto se přešlo k architektuře sériových rozhraní Serial ATA (SATA) SATA (Serial ATA) je sériové rozhraní pro HDD a mechaniky optických pamětí, na rozdíl od IDE/ATA rozhraní používajících paralelní přenos dat. SATA přenese data seřazená do paketu mnohem vyšší rychlostí než u paralelního IDE/ATA (PATA) rozhraní díky vyššímu taktovacímu kmitočtu (1500MHz). SATA první generace, známá též jako SATA I podporuje teoretický datový tok až 1,5 Gb/s. Kromě rychlejší a spolehlivější sběrnice vylepšuje Serial ATA kabeláž a konektory pro spolehlivou a jednoduchou montáž. Menší konektor a tenčí datový kabel nezabírá tolik místa v počítači a nebrání proudění vzduchu. Kabely SATA jsou tenčí a povolují větší délku. Přenos dat rozhraním SATA potřebuje asi 20x méně energie (napájení 500mV) než PATA. Další výhodou je podpora Hot Plug a Hot Swap. Ke každému disku vede jen jeden datový kabel, proto odpadají problémy s konfigurací. Není potřeba nastavovat Master/Slave. Zařízení jsou vždy Master. Odpadají prodlevy při přepínaní mezi zařízeními. SATA II je rozhraní SATA druhé generace. SATA II nabízí teoretickou přenosovou rychlost 3 Gb/s. Pevné disky s rozhraním SATA II mohou pracovat i na rychlosti 1,5 Gb/s, díky čemuž jsou zpětně kompatibilní se SATA I. SATA II podporuje technologi NCQ (Native Command Queing), která se projeví, pokud jsou spuštěny aplikace se současným přístupem na pevný disk. Technologie NCQ dokáže tyto požadavky (čtení/zápis) uspořádat tak, aby se hlavička disku nepohybovala z jednoho místa na druhé, ale četla/zapisovala data rovnoměrně, tudíž rychleji. SATA III nabízí teoretickou přenosovou rychlost až 6 Gb/s, kterou využijí především disky SSD (Solid State Drive). Jedná se o polovodičový pevný disk založený na technologii velmi rychlých flash pamětí Rozhraní esata Specifikace esata (External Serial ATA) umožňuje připojení disků a jiných zařízení přes SATA rozhraní externě mimo počítač. Nové rozhraní esata nabízí vyšší rychlost přenosů dat mezi počítačem a externím zařízením oproti sběrnicím USB 2.0 a FireWire.

6 Nové konektory esata jsou o robustnější z důvodu častějšího odpojování a připojování disku. Kabely jsou v zásuvce pevně uchyceny pomocí pružinového mechanismu, což odstraňuje problémy s lámáním a odpojováním za provozu. Kabel esata může mít délku až 2 metry Rozhraní msata Malý slot msata (mini SATA) pro disky a karty s délkou 51 mm je používán především v noteboocích a ultraboocích, kde byla rozšířena funkčnost slotu Mini PCI Express o možnost osazení SSD. Díky tomu je možné provozovat jak klasický 2.5" disk, tak i SSD, přestože nejsou v notebooku dvě 2,5" šachty. Existují také klasické základní desky vybavené tímto slotem. Disky s rozhraním msata se používají nejčastěji pro instalaci operačního systému a často používaných aplikací, čímž se značně urychlí odezva počítače. 2.3 Rozhraní SAS Rozhraní SAS (Serial Attached SCSI) je sériové rozhraní nahrazující dřívější paralelně zapojené SCSI [čti skazi ] rozhraní. Používá jak příkazy rozhraní SCSI, tak SATA. Rozhraní SAS je tedy kombinací vlastností SCSI a SATA rozhraní. SAS rozhraní nabízí komunikaci bod-bod, což znamená, že řadič je s každým zařízením propojen samostatným kabelem. Oproti paralelnímu SCSI rozhraní nabízí vyšší přenosovou rychlost, podporu technologie hot swap (některé implementace paralelního SCSI ji také podporují) a vylepšenou schopnost proti selhání řadiče. SAS podporuje teoretické přenosové rychlosti: 1.5 Gb/s, 3 Gb/s a 6 Gb/s (SAS 2.0).

7 SAS řadiče obvykle podporují i SATA zařízení, SAS je tedy pro SATA zpětně kompatibilní. Opačné připojení však možné není, k řadiči SATA není možno připojit disk SAS. Disk SAS má konektor upravený zámkem tak, že jej není možné připojit ke konektoru SATA (opačnému připojení ovšem zámek nebrání). SAS rozhraní SATA rozhraní Narozdíl od SATA rozhraní umožňuje SAS propojit jediný disk ke dvěma řadičům, což zvyšuje bezpečnost u serverů v případě selhání řadiče. Také je možné použít čtyřnásobný kabel. Sdružený SAS kabel se používá například pro připojení čtyř disků k jedinému řadiči bez toho aniž by bylo nutné použít čtyři samostatné kabely. Kabel také slouží k připojení řadiče a expandéru (expand = rozšíření). Expandér se připojí jedním nebo několika (kvůli vyšší propustnosti) SAS kabely a na samotném expandéru inteligentní elektronika obslouží všechna připojená zařízení. Vhodné především pro vytváření tzv. diskových polí, které jsou tvořeny velkým počtem disků. Příklad 36 portového expandéru (1Mini-SAS konektor = 4 porty):