12. Интерфейсы жд, эволюция производительности.
Интерфейсы НМД
В состав компьютеров часто входят специальные устройства, называемые дисковыми контроллерами. К каждому дисковому контроллеру может подключаться несколько дисковых накопителей. Между дисковым контроллером и основной памятью может быть целая иерархия контроллеров и магистралей данных, сложность которой определяется главным образом стоимостью компьютера. Поскольку время передачи часто составляет очень небольшую часть общего времени доступа к диску, контроллер в высокопроизводительной системе разъединяет магистрали данных от диска на время позиционирования так, что другие диски, подсоединенные к контроллеру, могут передавать свои данные в основную память. Поэтому время доступа к диску может увеличиваться на время, связанное с накладными расходами контроллера на организацию операции ввода/вывода.
HDD CPU
Контроллер диска Основная память
Интерфейс
SCSI Главный
адаптер
ШинаSCSI
Рис. 10.2 Структура интерфейсов НМД
Необходимо отметить, что в последнее время все большее распространение получил интерфейс SCSI. Он не только более производителен, но и поддерживает до 16 устройств, что очень важно для файл-серверов и серверов сети.
Интерфейс IDE.
Семейство интерфейсов накопителей IDE (Integrated Drive Electronics) пришло на смену интерфейсам ST506 и ESDI, использовавшимся для подключения жестких дисков к соответствующим контроллерам. В IDE впервые введена стандартная шина для обмена с контроллером за счет использования совмещенной с диском специальной электроники для управления диском и этой шиной (отсюда и название интерфейса). В результате параметры диска (число головок/дорожек/секторов) для устройств IDE уже имеют некий абстрактный смысл, непосредственно не связанный с физическими параметрами накопителя. Трансляцию логических параметров в физические и осуществляет электроника диска. В качестве синонима интерфейса IDE применяется термин ATA (AT Attachment).
Интерфейс EIDE имеет первичный и вторичный каналы, к каждому из которых можно подключить два устройства, т.е. всего их может быть четыре. Это может быть жесткий диск, CD-ROM или переключатель дисков. В будущем возможна будет установка ленточного накопителя с разъемом EIDE, но к нему потребуется специальное программное обеспечение. Два устройства на одном канале EIDE должны поочередно взаимодействовать с шиной. Если на одном канале находятся жесткий диск и CD-ROM, жесткий диск вынужден ждать, пока доступ к CD-ROM будет завершен. Поскольку CD-ROM - устройство относительно медленное, производительность падает. Поэтому все советуют подключать CD-ROM ко вторичному каналу, а жесткий диск - к первичному. Первичный и вторичный каналы работают более-менее независимо друг от друга (с помощью управляющей микросхемы EIDE). Физически интерфейс IDE реализован при
помощи плоского 40-жильного кабеля, на котором могут быть разъемы для подключения одного или двух устройств. Общая длина кабеля не должна превышать 45 см, причем между разъемами должно быть расстояние не менее 15 см. Интерфейс IDE поддерживает несколько способов обмена. Сначала основным способом обмена был режим PIO (Programmed Input/Output), при котором обмен данными производился через регистры процессора под его непосредственным управлением. Следствием этого является высокая загрузка процессора при операциях ввода/вывода. Вторым способом является использование режима прямого доступа к памяти DMA (Direct Memory Access), при котором контроллер интерфейса IDE и контроллер прямого доступа к памяти материнской платы пересылают данные между диском и оперативной памятью, не загружая центральный процессор. Существует несколько разновидностей интерфейса IDE, совместимых снизу вверх друг с другом.
CпецификацияEnhancedIDE(EIDE)
В целях развития возможностей интерфейса IDE компанией Western Digital была предложена его расширенная спецификация Enhanced IDE (синонимы: E-IDE, Fast ATA, ATA-2 и Fast ATA-2), которая обрела затем статус американского стандарта ANSI под названием ATA-2. Она содержит ряд нововведений: поддержку IDE-накопителей емкостью свыше 504 Мбайт, поддержку в системе нескольких контроллеров IDE и подключение к одному контроллеру до четырех устройств, а также поддержку периферийных устройств, отличных от жестких дисков (приводов CD-ROM, CD-R и DVD-ROM, накопителей LS-120 и ZIP, магнитооптики, стримеров и т. п.). Расширение спецификации IDE для поддержки иных типов накопителей с интерфейсом IDE называют также ATAPI (ATA Packed Interface). В Enhanced IDE также введены элементы распараллеливания операций обмена и контроля за целостностью данных при передаче. Контроллер Enhanced IDE имеет два канала: первичный (Primary) и вторичный (Secondary), к каждому из которых подключаются до двух накопителей по схеме Master/Slave. В спецификацию интерфейса Enhanced IDE добавлена поддержка режимов PIO Mode 3 и 4, а также режимы DMA Single Word Mode 2 и Multi Word DMA Mode 1 и 2. Максимальная скорость передачи данных по шине в режиме PIO Mode 3 составляет 11,1 Мбайт/с, а в режимах PIO Mode 4 и Single Word DMA Mode 2 ? 16,7 Мбайт/с. Режим Multi Word DMA Mode 2 позволяет получить пиковую скорость обмена свыше 20 Мбайт/с. В числе нововведений интерфейса Enhanced IDE, приведших к существенному увеличению его пропускной способности, следует отметить поддержку режима Bus Mastering. В этом режиме контроллер Enhanced IDE пересылает данные при помощи DMA без участия центрального процессора. Во время передачи данных устройство, поддерживающее Bus Mastering, захватывает шину и становится арбитром шины (bus master). Такой подход позволяет снизить загрузку процессора с 60-90% при операциях ввода/вывода до 10-15%. Преимуществами этого подхода можно воспользоваться прежде всего под операционными системами Windows 9x/NT/2000 при наличии соответствующих Bus Master-драйверов. Попыткой дальнейшего развития интерфейса АТА был проект стандарта АТА-3, в котором основное внимание уделялось повышению надежности:
AТА-3 содержит средства, повышающие надежность передачи данных с использованием высокоскоростных режимов, что действительно является проблемой, поскольку кабель IDE/ATA остался тем же, что и при рождении стандарта;
АТА-3 включает Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology (SMART);
АТА-3 не был утвержден в качестве стандарта ANSI в основном потому, что не вводил новых режимов передачи данных, хотя технология SMART в настоящее время широко используется производителями жестких дисков.
Следующим шагом в развитии интерфейса IDE/ATA явился стандарт Ultra ATA (он же Ultra DMA, он же ATA-33, он же DMA-33, его же иногда называют АТА-3(!)). Ultra ATA является стандартом де-факто использования самого быстрого режима DMA - mode 3, обеспечивающего скорость передачи данных 33.3 МВ/сек. Для обеспечения надежной передачи данных по все тому же кабелю используются специальные схемы контроля и коррекции ошибок, при этом сохраняется обратная совместимость с предыдущими стандартами - АТА и АТА-2. То есть если вы, купив жесткий диск с интерфейсом Ultra АТА, вдруг обнаружили, что ваша системная плата его не поддерживает, не огорчайтесь - диск все равно будет работать, хотя и медленнее) И, наконец, последние достижения в этой области - интерфейсы Ultra ATA/66 и Ultra ATA/100, позволяющие осуществлять передачу данных со скоростью 66МВ/сек и 100МВ/сек соответственно.