Анализ современных накопителей. Интерфейсы

Большинство накопителей IDE можно сконфигурировать следующим образом: первичный (один накопитель); первичный (два накопителя); вторичный (два накопителя); выбор  кабеля.

7.2 Последовательный интерфейс Serial ATA (SATА)

С появлением стандарта ATA7 могло показаться, что  параллельный интерфейс ATA, используемый более 10 лет, уже выходит из игры. Передача данных, осуществляемая по плоскому кабелю со скоростью более 100 Мбайт/с, порождает множество проблем, связанных с синхронизацией сигнала и электромагнитным излучением. Их решением стал новый последовательный интерфейс АТА (Serial ATA, или SATA), пришедший на смену параллельному интерфейсу физических накопителей. Он обратно совместим на программном уровне, т.е. используемое программное обеспечение взаимодействует с новой архитектурой без каких-либо ограничений. Другими словами, существующая BIOS, операционные системы и утилиты, работающие с параллельным ATA, точно также будут работать и с последовательным интерфейсом.  

Существуют, конечно, определенные физические различия: нельзя, например, подключить дисководы  стандарта ATA к хостадаптерам последовательного  интерфейса ATA или наоборот. В SATA используются более узкие 7контактные кабели, позволяющие упростить схему подключения системных компонентов и уменьшить габариты кабельных разъемов. Конструкция микросхемы SATA отличается меньшим количеством контактов и пониженным напряжением питания. Все эти изменения позволили избежать многих проблем, характерных для параллельного интерфейса ATA.  

Переход на последовательный интерфейс и  двухточечные соединения в Serial ATA дает ряд преимуществ:

каждое  устройство получает монопольный канал  связи с контроллером, что позволяет  повысить производительность обмена с устройствами;

исключаются ненужные протокольные взаимодействия ведущего и ведомого устройств параллельной шины и связанные с ними проблемы совместимости устройств;

появляется  возможность одновременной работы контроллера с несколькими устройствами с использованием механизма FPDMA и эффективной поддержкой очередей (NCQ);

упрощается (для пользователя) конфигурирование устройств (не требуется выбор адреса);

обеспечивается  возможность полной поддержки горячего подключения/отключения;

имеются перспективы повышения скорости обмена с устройствами (относительно базовой скорости 150 Мбайт/с);

упрощаются  и удешевляются кабели и разъемы;

улучшаются  условия охлаждения устройств - тонкий кабель не препятствует циркуляции воздуха  в корпусе компьютера или массива устройств.  

Помимо  преимуществ последовательного  двухточечного интерфейса, в SATA решена проблема адресации - введен режим LBA-48, появившийся и в последних  версиях параллельного интерфейса (ATA/ATAPI-6). Наиболее эффективно возможности SATA используются в его естественном режиме работы, а не в режиме совместимости с параллельным интерфейсом АТА.  

В настоящее  время многие системы поддерживают как последовательный, так и параллельный интерфейсы. Можно сказать, что SATA, как  фактический стандарт внутренних запоминающих устройств, используемых в ПК, практически полностью вытеснил параллельный интерфейс АТА.  

В ноябре 2000 года была завершена первая спецификация SATA 1.0, а в октябре 2002 года выпущена следующая версия спецификации SATA 2.0, которая дала возможность использовать этот интерфейс для подключения сетевых устройств хранения данных.  

Последовательный  интерфейс ATA единовременно передает только один бит данных. В интерфейсе используется узкий 7-жильный кабель с ключевыми разъемами шириной не более 14 мм (0,55 дюйма) на каждом конце. Подобная конструкция позволяет избежать проблем с циркуляцией воздуха, возникающих при использовании более широких плоских кабелей стандарта ATA. Следует заметить, что разъемы находятся только на концах кабелей. Кабели, в свою очередь, используются для соединения устройства непосредственно с контроллером (обычно на системной плате). В последовательном интерфейсе перемычки “главный–подчиненный” не используются, так как каждый кабель поддерживает только одно устройство. Концы кабеля совершенно одинаковы, т.е. разъем системной платы и разъем подсоединяемого устройства практически не отличаются. Максимальная длина кабеля SATA достигает одного метра (39,37 дюйма), что значительно превышает 18-дюймовый максимум для параллельного интерфейса ATA. Скорость передачи данных последовательного интерфейса SATA 1.0, использующего более узкий, длинный и менее дорогой кабель, равна 150 Мбайт/с (в полтора раза больше скорости передачи параллельного ATA/100).  

В схеме  физической передачи интерфейса SATA используется так называемый дифференцированный метод “без возврата к нулю” (NonReturn to Zero — NRZ). В этой схеме применяется сбалансированная пара проводов, по каждому из которых подается напряжение, равное ±0,25 В (одна четвертая вольта). Сигналы посылаются дифференцированно: если по одному проводу пары передается напряжение +0,25 В, то по другому соответственно –0,25 В. Таким образом, разность напряжений постоянно составляет 0,5 В (половина вольта). Это означает, что форма передаваемого сигнала всегда находится в противофазе по отношению к сигналу, передаваемому по смежному проводу. Дифференцированная передача минимизирует электромагнитную радиацию и позволяет упростить чтение сигналов на приемном конце.  

В интерфейсе SATA для подачи напряжения 5 и 12 В используется стандартный 4-контактный силовой разъем, а также дополнительный 15контактный силовой кабель и разъем питания, обеспечивающие подачу электроэнергии напряжением 3,3 В. Ширина силового разъема 15-контактного кабеля в этой конструкции равна всего 24 мм (0,945 дюйма). Сила тока, подаваемого на контакты уровней напряжения 3,3, 5 и 12 В, достигает 4,5 А, что обеспечивает достаточную мощность даже для наиболее энергоемких дисководов. Для совместимости с существующими источниками питания дисководы SATA могут быть выполнены как со стандартными 4-контактными разъемами питания, так и с новыми 15-контактными силовыми разъемами.  

SATA изначально  разрабатывался как основной  интерфейс для подключения внутренних  устройств ПК; при этом использование данного интерфейса как внешнего не предполагалось. Однако в случае разработанного стандарта Serial ATA II, интерфейс SATA должен допускать внешние подключения; при этом должна быть обеспечена возможность подключения к одному порту SATA до 15 накопителей. Внешние подключения предполагают использование четырех линий со скоростью передачи данных 300 Мбайт/с, что в сумме составляет 1200 Мбайт/с. Благодаря более низкой стоимости и меньшему размеру кабелей не возникает ни малейшего сомнения в том, что в ближайшие несколько лет устройства с интерфейсом SATA полностью заменят устройства с параллельным интерфейсом ATA в настольных и портативных системах.

7.3 Интерфейс малых компьютерных систем (SCSI)

Аббревиатура SCSI расшифровывается как Small Computer System Interface. Интерфейс SCSI главным образом предназначен для подключения высокоскоростных жестких дисков к высокопроизводительным ПК, таким, как рабочие станции и сетевые серверы. SCSI является не только дисковым, но и системным интерфейсом, т.е. позволяет подключать устройства самых различных типов, в том числе принтеры и сканеры. Шина поддерживает в общей сложности от 7 до 15 устройств. Существуют также многоканальные адаптеры, которые обеспечивают поддержку от 7 до 15 устройств на каждом канале.  

Одно  из устройств, называемое основным (host) адаптером, выполняет роль связующего звена между шиной SCSI и системной  шиной ПК. Шина SCSI взаимодействует  не с самими устройствами (например, с жесткими дисками), а со встроенными  в них контроллерами.  

Как уже  упоминалось, шина SCSI может обеспечить работу 8 или 16 подключенных к ней  модулей, каждому из которых присваивается  идентификационный номер - SCSI ID. Один из модулей является платой адаптера, установленной в компьютере; остальные  семь - периферийными устройствами. К одному и тому же основному адаптеру можно подключать жесткие диски, накопители на магнитной ленте, CDROM, сканеры и другие устройства (не больше 7 или 15). Так как в большинстве компьютеров можно устанавливать до четырех основных адаптеров, а к каждой шине SCSI можно подключать до 15 периферийных устройств, то общее количество устройств может достигать 60! Более того, существуют также двухканальные адаптеры, позволяющие удвоить это число.  

Будучи  “быстрым” интерфейсом, SCSI прекрасно подходит для высокопроизводительных рабочих станций, серверов или каких-либо других систем, которым жизненно необходим эффективный интерфейс для устройств хранения данных. Последняя версия интерфейса Ultra4 (Ultra320) SCSI поддерживает скорость передачи данных до 320 Мбайт/с. В настоящее время разрабатывается еще более быстрый интерфейс Ultra5 (Ultra640), позволяющий передавать данные со скоростью 640 Мбайт/с. Сравните это с показателями 133 Мбайт/с (ATA6) и 300 Мбайт/с нового интерфейса Serial ATA II.  

Покупая жесткий диск SCSI, вы на самом деле приобретаете сразу три устройства: собственно жесткий диск, контроллер и адаптер SCSI. В сущности, большинство  дисков SCSI являются жесткими дисками IDE со встроенным адаптером шины SCSI. Но вы можете совершенно не интересоваться типом контроллера, установленного в жестком диске. Непосредственно к нему компьютер обратиться не может, как это происходит при подключении обычного контроллера к системной шине. Взаимодействие с устройствами SCSI осуществляется через основной адаптер, установленный в разъем системной шины, поэтому обратиться к жесткому диску можно только в соответствии с протоколом SCSI.  

Интерфейс SCSI принят в качестве стандарта и  используется практически во всех высокоуровневых PCсовместимых компьютерах. Основной адаптер SCSI либо устанавливается в один из разъемов, либо монтируется на системной плате. Такая конструкция на первый взгляд напоминает интерфейс IDE, поскольку диск SCSI подключается к системной плате с помощью одного-единственного кабеля. Существенная разница заключается в том, что к SCSI можно подключить до семи устройств (причем не обязательно жестких дисков), а к IDE - два, и их выбор весьма ограничен. Кроме того, количество устройств различного типа (помимо жестких дисков), которые поддерживаются интерфейсом SCSI, гораздо больше. Использование SCSI упрощает модернизацию систем, обеспечивая подключение и нормальное функционирование практически любого накопителя SCSI, созданного сторонним производителем.

7.4 Шина USB

Для внешних  устройств хранения с успехом применяют подключение к шине USB.  

В USB реализована  возможность подключения большого количества периферийных устройств  к компьютеру. При подключении  устройств к USB не нужно устанавливать  платы в разъемы системной  платы и реконфигурировать систему; кроме того, экономно используются такие важные системные ресурсы, как IRQ (запросы прерывания). При подключении периферийного оборудования к компьютерам, оснащенным шиной USB, его настройка происходит автоматически, сразу после физического подключения, без перезагрузки или установки. Шина USB позволяет одновременно использовать до 127 устройств, причем такие периферийные устройства, как монитор или клавиатура, могут предоставлять дополнительные разъемы и выступать в качестве концентраторов USB.  

Шина USB представляет собой хост-центрическую аппаратно-программную систему подключения  множества периферийных устройств. Хост-центричность понимается в нескольких аспектах:

• хост отвечает за конфигурирование всех устройств;
• хост управляет всеми обменами (транзакциями) на шине;
• обмен информацией возможен только между хостом (его памятью) и устройствами - однорангового взаимодействия устройств шина USB не позволяет.

Ниже  перечислены компоненты аппаратной части USB:

Периферийные  устройства USB выполняют полезные функции (USB-functions).

Хост-контроллер (host controller) обеспечивает связь шины с ядром компьютера. Хост-контроллер объединяется с корневым хабом (root hub), организующим точки подключения  устройств USB. Существует 2 варианта хост-контроллеров USB 1.x - универсальный (Universal Host Controller, UHC) и открытый (Open Host Controller, OHC). Оба варианта поддерживают скорости FS/LS; высокую скорость шины USB 2.0 (HS и только) поддерживает расширенный хост-контроллер (Enhanced Host Controller, EHC).

Хабы USB (USB hubs) обеспечивают дополнительные точки  подключения устройств.

Кабели USB соединяют устройства с хабами.  

Универсальная последовательная шина версии USB 1.1 - это  интерфейс, работающий со скоростью 12 Мбит/с (1,5 Мбайт/с) и основанный на простом 4-проводном соединении. Эта шина поддерживает до 127 подключаемых устройств и использует топологию звезды, построенную на расширяющих концентраторах, которые могут входить в персональный компьютер, любое периферийное устройство USB и даже быть отдельными устройствами.  

Для одновременного подключения нескольких устройств USB необходимо использовать концентратор. С помощью концентратора к одному порту USB можно подключить клавиатуру, мышь, цифровую камеру, принтер, телефон и т.д. В компьютере устанавливается модуль, называемый корневым концентратором, — начальная точка для подключения всех остальных устройств. Практически все системные платы имеют два или четыре порта USB. В некоторых системах порты USB размещены на передней панели компьютера, что очень удобно для подключения таких устройств, как цифровые камеры или считыватели данных с флэш-карт.  

Спецификация USB 2.0 обратно совместима с USB 1.1 и  использует те же кабели, разъемы и  программное обеспечение, но работает в 40 раз быстрее оригинальной спецификации 1.1. Скорость USB 2.0 составляет 480 Мбит/с (60 Мбайт/с). Такое повышение производительности позволяет использовать более современную периферию — камеры для видеоконференций, сканеры, принтеры, устройства хранения данных. Для конечного пользователя USB 2.0 ничем не отличается от 1.1, за исключением производительности. Все существующие устройства USB 1.1 работают на меньшей скорости с шиной USB 2.0.