Rozhraní pro HDD, SSD a mechaniky optických pamětí

Transkript

1 Rozhraní pro HDD, SSD a mechaniky optických pamětí Pevný disk (resp. mechanika optických pamětí) je vybaven řadičem (rozhraním), který řídí chod diskové mechaniky a umožňuje komunikaci s ostatními řídicími obvody na základní desce. 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 nad určitou stopu, řízení pohonu disku, řízení čtení a zápisu včetně kódování a dekódování dat, 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 vyvinuto 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 neumožňovalo připojování jiných zařízení než pevné disky (optické mechaniky, 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 ATA rozhraní (resp. PATA, IDE) Rozhraní ATA (Advanced Technology), je standardní paralelní rozhraní zprostředkovávající komunikaci mezi pevným diskem a základní deskou. Umožňuje připojení pevných disků, mechanik optických pamětí, páskových a disketových mechanik. 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. Nové generace disků měly řadič umístěn přímo na pevný disk (tím se zkrátil kabel na minimum) a vlastní rozhraní pak slouží pouze jako prostředník mezi diskem a sběrnicí (IDE - Integrated Drive Electronics, integrovaná elektronika zařízení). ATA rozhraní využívá 40ti-pinového konektoru, na nějž se připojují ploché datové kabely. Původní specifikace rozhraní ATA podporovaly pouze přenosové módy PIO 0 až PIO 5 (PIO - Programmed Input Output). PIO je režim využívající přímo hlavní procesor k řízení přenosů dat a dle své verze dokáže poskytnout propustnost 2 až 22MB/s. Hlavní nevýhodou je výrazné vytížení procesoru a tím také zpomalení práce celého počítače. Základní desky dnešních počítačů jsou vybaveny rozhraním Ultra ATA, umožňující zapojení až 4 zařízení a 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 Pro rychlejší přenos dat využívá režim DMA (Direct Memory Access přímý přístup k operační paměti), díky kterému již disky nemusejí k přenosu dat využívat hlavní procesor (menší zatížení procesoru, rychlejší odezva počítače). Z důvodu vyššího rušení mezi datovými vodiči byl původně 40ti-žilový plochý kabel doplněn o dalších 40 stínicích vodičů. Nevýhodou paralelního rozhraní ATA zůstává nízká rychlost přenosu dat, větší šířka kabelu a jeho omezená maximální délka na 45 cm. Problémem PATA rozhraní je také nemožnost přistupovat k oběma diskům, které jsou připojeny na jeden datový kabel (kanál) zároveň. 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 (zpomaluje komunikaci mezi oběma disky). 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).

4 1.3 Rozhraní SCSI (čti skazi ) Rozhraní SCSI (Small Computer Systems Interface) je standardní paralelní rozhraní vyvinuté firmou Macintosh. Rozhraní je nezávislé na zařízení, tzn. k počítači je přes SCSI možné připojovat funkčně zcela rozdílná zařízení (pevné disky, páskové jednotky, mechaniky optických paměti, tiskárny, skenery, atd.). Každé periferní zařízení má integrovaný vlastní řadič a používá samostatný komunikační kanál. Vývojáři se snažili o nezávislost procesoru na typu periferie - komunikace procesoru s řadičem periferní jednotky pomocí standardních příkazů nezávislých na typu periferie. Každý řadič dostává příkazy, které mají pro všechna periferní zařízení stejnou podobu, různé řadiče je ale musí interpretovat různě. Hlavní výhoda rozhraní SCSI byla ve své době jeho přenosová rychlost a velké množství současně připojených zařízení s vlastními řadiči SCSI, 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). Jednotlivá zařízení jsou propojená pomocí sběrnice a nesou jednoznačnou identifikaci v podobě identifikačního čísla (ID v rozmezí 0-7). ID 7 bývá většinou nastaveno na SCSI rozhraní a ID 0 bývá zařízení, ze kterého se zavádí operační systém. Sběrnice musí být na koncových zařízeních ukončena tzv. terminátory (zakončovací impedance), které ji impedančně přizpůsobují a zabraňují tak odrazu signálů od konce vedení (útlum signálu). SCSI rozhraní existuje nejčastěji v těchto podobách: zásuvný modul do základní desky (přídavná karta) integrovaný (on-board) host adaptér přímo na základní desce

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. Nevýhody paralelního rozhraní: při postupném zvyšování přenosové rychlosti (resp. taktovací frekvence) se více projeví parazitní kapacity a zvýšené rušení mezi vodiči, větší šířka sběrnice obvykle znamená širší kabel, sériová rozhraní používají pro přenos dat tzv. rozdílový signál na přijímací straně se vyhodnocuje rozdíl napětí mezi vodiči, ne úroveň celkového napětí. Případná indukce ovlivní oba vodiče stejnou měrou větší odolnost vůči rušení. sériová rozhraní používají nižší úroveň napětí (mv) pro přenos dat rychlejší přepnutí mezi stavy log. 0 a log. 1, sériová rozhraní využívají tenký kabel (resp. konektory menších rozměrů), který i přes vysokou taktovací frekvenci může relativně dlouhý. 2.1 Serial ATA (SATA) SATA (Serial ATA) je sériové rozhraní určené pro HDD, SSD a mechaniky optických pamětí. SATA přenáší data seřazená do datového paketu mnohem vyšší rychlostí než u paralelního IDE/ATA (PATA) rozhraní díky vyššímu taktovacímu kmitočtu (např MHz u SATA 1). SATA I podporovala teoretický datový tok až 1,5 Gb/s (1 bit 1500 MHz). Jelikož SATA rozhraní používá 10 bitové kódování dat (nikoliv 8 bitů), je přepočet 1500 / 10 = 150 MB/s. Kromě rychlejší sběrnice nabízí SATA kabeláž a konektory pro spolehlivou a jednoduchou montáž. Menší konektor a tenčí datový kabel nezabírá tolik místa v počítači a nebrání proudění vzduchu. Přenos dat rozhraním SATA má výrazně menší energetické nároky než PATA (řadič vyhodnocuje rozdíl napětí mezi dvojicí signálových vodičů menší rušení, vyšší rychlost). Ke každému disku vede jen jeden datový kabel, proto odpadají problémy s konfigurací. Není potřeba nastavovat Master/Slave. Zařízení jsou vždy Master, nesdílejí sběrnici s jiným zařízením. Odpadají tedy časové prodlevy při přepínaní mezi zařízeními. SATA II je SATA rozhraní druhé generace. Nabízí teoretickou přenosovou rychlost 3 Gb/s (1 bit 3000 MHz), tzn. 3000/10 = 300 MB/s. Mezi standardem SATA I a SATA II zůstala zachována zpětná kompatibilita, která byla vyřešena pomocí přepínacího jumperu. Tímto se současně vyřešily problémy se staršími chipsety při detekci HDD s řadičem SATA II.

6 Specifikace řadiče SATA II podporuje technologi NCQ (Native Command Queing), která se projeví, pokud procesor požaduje souběžný zápis/čtení dat z několika aplikací současně. Řadič disku dokáže tyto požadavky (čtení/zápis) uspořádat tak, aby se hlavička disku pohybovala co nejméně (rychlejší zápis/čtení dat). Dále je implementována technologie Hot Plug, tedy připojování a odpojování disku za provozu. SATA III nabízí teoretickou přenosovou rychlost 6 Gb/s (1 bit 6000 MHz), tzn. 6000/10 = 600 MB/s kterou využijí především SSD (Solid State Drive). Jedná se o polovodičový pevný disk založený na technologii velmi rychlých flashrom pamětí. Všechny tři specifikace rozhraní SATA jsou vzájemně kompatibilní, lze tedy například připojit HDD s rozhraním SATA jedna k řadiči SATA III a naopak. Dojde pouze ke snížení přenosové rychlosti. 2.2 Rozhraní esata, esatap Specifikace esata (External Serial ATA) umožňuje připojení disků a jiných zařízení přes SATA rozhraní externě, tedy mimo počítač. Rozhraní esata nabízí vyšší rychlost přenosů dat mezi počítačem a externím zařízením oproti rozhraním USB 2.0 a FireWire. Nové konektory esata jsou 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. esata však neobsahuje napájecí vodiče (pouze datové), nutnost externího napájení disku! Z tohoto důvodu vzniklo rozhraní esatap (esata Power), které umožňuje přenos dat a zároveň napájení připojeného disku. Jedná se v podstatě o kombinaci esata a USB rozhraní. Napájecí napětí může být buď pouze 5 V (notebook), nebo tzv. duální napájení, tedy 5 V / 12 V (desktop PC).

7 2.3 Rozhraní msata Rozhraní msata včetně konektoru je integrováno přímo na základní desce a je určeno speciálně pro připojení SSD s tímto rozhraním. Slot msata pro karty s délkou 51 mm má své široké uplatnění především v noteboocích a ultraboocích, kde je možné provozovat jak klasický 2,5" HDD, tak i SSD, přestože nejsou v notebooku dvě 2,5" šachty. Bývá však integrován také na desktopových základních deskách. Podporuje především tyto technologie od Intelu: Intel Rapid Start Umožní počítači probuzení ze spánku během několika sekund, neboť při hibernaci počítače nejsou data uložena na pomalém plotnovém HDD, ale rychlém SSD. Intel Smart Response SSD se chová jako chytrá cache. Operační systém si na SSD uloží nejčastěji používaná data, často spouštěné aplikace a části operačního systému. Jejich spouštění je mnohem rychlejší. 2.4 Rozhraní M.2 Jedná se o moderní univerzální rozhraní na současných základních deskách (desktop, notebook, ultrabook), které v současnosti primárně slouží k připojení rychlých SSD v podobě modulu (karty).

8 Dle specifikace je v jednom M.2 konektoru čtveřice PCI-Express linek (Generace 2.0, 3.0), dvojice kanálů SATA 6 Gb/s (SATA III), trojice kanálů USB (2.0, 3.0), Audio, atd. M.2 je tedy univerzální konektor, k jehož funkcím je nutné přistupovat klíčováním kontaktů: Velmi rychlé SSD M.2 moduly jsou přímo spojeny přes PCI Express 4 s CPU (přenosová rychlost až 4000 MB/s). Využívají konektor s klíčováním M. Pomalejší SSD M.2 moduly jsou propojeny s CPU nepřímo přes obvod PCH (jižní most) prostřednictvím rozhraní SATA III (přenosová rychlost do 600 MB/s) a sběrnice PCI Express 2. Obvykle využívají konektor s klíčováním B + M. Způsob připojení SSD M.2 modulu k procesoru závisí na čipové sadě:

9 2.5 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 a je odolnější proti selhání řadiče. SAS podporuje teoretické přenosové rychlosti 1.5 Gb/s, 3 Gb/s a 6 Gb/s. SAS řadiče obvykle podporují připojení SATA disku. K řadiči SATA však není možné připojit disk SAS. Disk SAS má konektor upravený zámkem tak, že jej není možné připojit ke konektoru SATA (opačnému připojení ovšem zámek nebrání). Na rozdíl 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 nutnosti použít čtyři samostatné kabely. Kabel také slouží k připojení řadiče a expandéru (expand = rozšíření). Vhodné především pro vytváření tzv. diskových polí, které jsou tvořeny velkým počtem disků.