Контроллеры жд

Собственно контроллер накопителя физически расположен на плате электроники и предназначен для обеспечения операций преобразования и пересылке информации от головок чтения/записи к интерфейсу накопителя. Часто, контроллером называют интерфейс накопителя или интерфейс ПК с накопителем, что в общем не верно. Контроллер жестких дисков представляет собой сложнейшее устройство - микрокомпьютер, со своим процессором, ОЗУ и ПЗУ, схемами и системой ввода/вывода и т.п. Однако, в большинстве случаев, производители размещают их в одном или двух микрочипах.

Контроллер занимается множеством операций преобразования потока данных. Так как длинна дорожек неравна, данные на различные дорожки необходимо записывать неравномерно. Это становится проблемой, по сравнению с гибкими дисками, для носителей с высокой плотностью записи (число дорожек более 1000). Простые контроллеры, как правило, записывают одно и тоже количество информации на каждую дорожку, независимо от ее длинны. Для этого контроллер упаковывает данные более плотно, начиная с определенной по счету дорожки. Цилиндр, с которого начинается более плотная упаковка данных, называется цилиндром начальной прекомпенсации (Starting Cylinder for Precompensation - SCP). Для компенсации искажения информации при чтении, запись данных производится с предварительным смещением битов, которое учитывает искажения.

Многие производители создают устройства, которые записывают различный объем информации на внутренние и внешние дорожки за счет размещения на них разного числа секторов. Это возможно, благодаря аппаратному скрытию от программ и пользователя физических характеристик устройства на уровне его контроллера и/или интерфейса (устройства с IDE, EIDE и SCSI интерфейсами). Поэтому, накопители, как правило, имеют различное физическое и логическое число цилиндров.

Также, в силу исторических причин, многие операционные системы, работающие с накопителями на ЖМД через BIOS, разработаны таким образом, что не могут оперировать числом цилиндров более 1024. Поскольку в настоящее время, накопители больших объемов (более 1Мб) имеют более 1024 физических цилиндра, то применяется программный пересчет, при котором, накопитель определяется его контроллером и процедурами BIOS как имеющий не более 1024 цилиндра, но имеющий некоторое нереальное число головок, поверхностей и секторов. Функция же пересчета для отыскания нужного сектора ложится либо на BIOS ПК, либо на BIOS контроллера, либо на интерфейс.

Данные, записываемые в сектора, защищаются от некоторых ошибок чтения/записи при помощи расчета и записи вместе с ними контрольной суммы - кода контроля ошибок.

Лекция 3 27.09.05

Характеристики интерфейсов

Ide/ata

IDE(IntegratedDriveElectronics) - это название типа жестких дисков, имеющих интерфейсATA(ATAttachment). Дешевая электроника IDE в сочетании с параллельной передачей данных ATA позволяет производить жесткие диски, приобретение которых не пустит вас по миру. Тем не менее, не стоит забывать, что ATA не предназначен для внешних подключений, и не любит кабелей длиной более 60см. То есть, такие ATA кабели можно купить, только вот использовать их я вам не советую.

Один канал ATA может поддерживать до двух дисков, первый - master и вторичный - slave. Очень часто, если не сказать, почти всегда, люди ставят на один канал жесткий диск как master и другое, более медленное устройство, типа CD-ROM, как slave. Но так как IDE может обращаться только к одному устройству на канале одномоментно, то таким образом снижается производительность системы в целом. Все материнские платы имеют по два интегрированных канала IDE, а некоторые и четыре.

Сегодня на рынке присутствуют три основных стандарта IDE дисков: ATA/33, ATA/66 и ATA/100. В данном случае число показывает максимальную пропускную способность в мегабайтах в секунду. Только не забывайте, что для ATA/66 и ATA/100 требуется специальный ATA/66/100 80-контактный кабель, а со стандартным 40-контактным ваш ATA/66/100 диск будет работать как ATA/33. Как правило, такой кабель идет в комплекте со всеми материнскими платами, поддерживающими ATA/66/100. Ёти три стандарта называют одним словом UDMA.

Все IDE диски должны работать со всеми вариантами ATA. Диск ATA/100 должен отлично функционировать с контроллером ATA/33, а диск ATA/33 должен так же прекрасно работать с контроллером ATA/100. Но, понятно, что работать винчестер будет на скорости самого медленного компонента. В обоих, приведенных случаях это будет скорость ATA/33, то есть максимальная пропускная способность будет равна 33Мб/сек. Иногда можно наткнуться на некоторые несовместимости, типа, когда конкретный диск не желает работать с конкретным кабелем, или два диска от разных производителей не желают сосуществовать на одном канале контроллера.

Разница в производительности между ATA/33, 66 и 100 не так уж велика, так как разговор идет о пиковой пропускной способности, которая в реальной работе достигается крайне редко. Не существует дисков ATA/100 обеспечивающих передачу данных даже в 66Мб/сек, и очень мало таких. Что позволяют передачу в 33Мб/сек. Только кэш память жесткого диска может воспользоваться преимуществами повышенной пропускной способности. Но для этого размер кэша должен быть достаточно большим. А большинство IDE дисков имеет всего 512Кб кэш памяти, и только некоторые, те, что самые дорогие, могут похвастаться кэшом в 2 или даже 4 Мб.

Фирма Maxtor представила спецификацию на новый интерфейс UltraATA-133, позиционировав ее, как переходное решение между постепенно устаревающим Ultra-100 и перспективным SerialATA. Планка по пропускной способности возросла до 133 Мбай/сек.

Так что главным недостатком IDE по-прежнему остается малая скорость. Современные IDE диски догнали по скоростным характеристикам старые модели SCSI дисков, но с новыми SCSI винчестерами ин все равно не сравниться. Можно приобрести достаточно быстрый IDE диск со скоростью вращения 7200 оборотов в минуту (rpm), но ведь можно купить и SCSI привод со скоростью 15,000rpm, который будет намного быстрее. А еще время наработки на отказ, заявляемое производителями, у IDE дисков гораздо меньше, чем у SCSI дисков. Возможно, это просто маркетинговые меры, но повсеместно бытует мнение, что SCSI устройства надежнее, чем IDE.

Тем не менее, даже диски со скоростью вращения 7200 оборотов на шпинделе, достаточно дороги. Большинство моделей присутствующих на нашем рынке имеют скорость вращения 5400rpm. Такие диски стоят дешевле на 30-40 долларов и производят меньше шума, но производительность у них меньше. Хотя для домашнего использования, это то, что нужно.

Будущее ATA, скорее всего. Лежит на пути перехода к стандарту Serial ATA. Serial ATA будет иметь кабель со всего двумя контактами (один на прием, один на передачу), и должен обеспечить IDE пропускную способность до 1.5Гбит/сек, а возможно и больше. Ёто вдвое перекрывает пропускную способность ATA/100, у которого контактов в 40 раз больше. Единственной отрицательной стороной Serial ATA является то, что на одном канале может быть только одно устройство, но при наличии контроллера с несколькими каналами это не проблема.

Преимущества

Неплохая производительность за малые деньги

Широкая распространенность, и, следовательно, совместимость с большинством существующего оборудования.

Недостатки

Не самые скоростные диски

Жесткое ограничение по длине кабеля

Только внутренние

SerialATA

Несмотря на то, что последние версии параллельного интерфейса АТА вполне удовлетворяют требованиям современных жестких дисков, все возможности по своему дальнейшему совершенствованию они уже полностью исчерпали и в скором времени параллельный интерфейс АТА должен быть заменен на новый. В качестве его замены всей компьютерной индустрией безоговорочно принят новый стандарт Serial ATA. Он будет поддерживать все накопители, включая винчестеры, CD, DVD, флоппи-дисководы и другие подобные устройства при подключении их к системным платам. Как следует из названия, в Serial ATA вместо передачи данных в параллельном режиме по многожильному кабелю используется принцип последовательной передачи данных. Первое поколение Serial ATA будет иметь пропускную способность 1,5 Гбит/с, затем скорости возрастут до 3 Гбит/с во второй спецификации и позднее до 6 Гбит/с, при этом сохранится обратная совместимость с Serial ATA первой версии.

Интерфейс предназначен для подключения внутренних устройств, поэтому максимальная длина кабеля относительно невелика — 1 метр, тем не менее, это в 2 раза больше, чем у параллельного АТА интерфейса (45 см). Всего кабель состоит из 7 жил: две дифференциальные пары для передачи и для приема и три общих (заземляющих) провода. Контроллер Serial ATA рассчитан на подключение 2 устройств по схеме point-to-point, то есть каждое из них подключается отдельным кабелем и обмен информацией происходит параллельно. Кроме этого, Serial ATA позволяет осуществлять замену накопителей в «горячем» режиме. Не менее важно и снижение питающих напряжения с нынешних 5 В до 3,3 В. Кроме того, Serial ATA будет обладать средствами исправления ошибок (по ECC), что гарантирует целостность передаваемых по кабелю данных. Изменения архитектуры Serial ATA лежат только в области физического интерфейса, а по регистрам и программному обеспечению он будет полностью совместим с нынешним параллельным ATA. Поэтому не будет необходимости менять драйверы, да и архитектура Serial ATA будет полностью прозрачной для ныне существующих BIOS-ов и операционных систем. Для совместимости с ныне существующим оборудованием (системные платы и жесткие диски) будут выпускаться специальные адаптеры-переходники с интерфейса IDE на интерфейс Serial ATA и наоборот. В целом последовательный интерфейс Serial ATA рассчитан на те же сферы применения, что и параллельный АТА (Parallel ATA, PATA) /&/mdash; персональные компьютеры любого уровня и ноутбуки, а так же в серверах начального уровня.

Лекция 4 04.10.05

SCSI

SCSI давно стал стандартным интерфейсом для рабочих станций и серверов. И хотя по деньгам SCSI обходится существенно дороже IDE, за эти деньги мы получаем гораздо большую пропускную способность, поддержку большего количества устройств на одном канале, гораздо большую длину кабелей (до 12 метров), поддержку внешних устройств и многозадачность.

Обычная (иногда говорят "узкая") шина SCSI может нести на себе до 8 устройств, а широкая (wide) до 16. Сам SCSI контроллер занимает один адрес, а остальные 15 оставляет для подключаемых устройств (соответственно на узкой шине для устройств остается 7 адресов). Старшие адреса SCSI имеют больший приоритет. Обычно лучше дать больший приоритет медленным устройствам.

Существует множество различных вариантов SCSI. Из устройств доступных сейчас на рынке можно назвать Ultra, Ultra2 и Ultra160 SCSI. Ultra SCSI позволяет передачу 20Мб/сек и имеет 8 адресов. Широкая (wide) версия Ultra SCSI поднимает пропускную способность вдвое, то есть до 40Мб/сек. Ultra2 SCSI, известный так же как LVD (Low Voltage Differential) SCSI, имеет пропускную способность 40Мб/сек, и, соответственно, wide версия его дает нам 80Мб/сек. Ultra160 SCSI продолжает традицию удвоения пропускной способности, но бывает только в варианте wide, что дает нам 16 устройств на канале и 160Мб/сек. SCSI устройства, как правило, обладают совместимостью, что называется, сверху вниз.

Со SCSI часто возникают проблемы, касающиеся установки и первой настройки, особенно у тех, кто проделывает это первый раз. Все эти терминаторы, идентификаторы могут вызвать серьезную головную боль. В то же самое время, все эти проблемы с лихвой окупаются надежностью данного интерфейса. А появление активных терминаторов (к роботам из будущего отношения не имеют) заметно упростило установку SCSI устройств.

Главное преимущество SCSI выражается - самые быстрые, самые объемистые жесткие диски имеют интерфейс SCSI.

Уже появляются первые устройства Ultra320, и следующим шагом будет Ultra640. Сам стандарт SCSI изначально предполагал масштабируемость, и стал масштабируем настолько, что вряд ли что-то может с ним сравниться в этом.

Преимущества

Большая производительность

Большие объемы

Возможность подключения, как внутренних устройств, так и внешних

Недостатки

Дороговизна

Возможны проблемы при установке

SCSI-2

В окончательную редакцию стандарта SCSI-2 включены команды поддержкиCD-ROM, сканеров, коммуникационных устройст, оптический накопителей. Введен широкий вариант ШД, предусматривающий наличие дополнительных 24 информационных линий. Для устройств с разрядностью более восьми используется дополнительный 68-проводный кабель. Введен скоростной вариант шины –FastSCSI2. Путем удвоения частоты обмена засчет применения новых микросхем, кабелей, акт-го согл-я линии, производительность возросла до 10 Мб/сек.

Fibre Channel (оптоволоконный канал)

Fibre channel - это интерфейс, в корне отличающийся от SCSI и IDE. Вообще он ближе к Ethernet и InfiniBand, если это вам что-то говорит. А если нет, то уясните себе следующее, этот интерфейс предназначен не только для того, что бы подсоединять харды и всякую-прочую периферию к системе, а в первую очередь для организации сетей, объединения удаленных друг от друга массивов жестких дисков, и прочих операций требующих высокой пропускной способности в сочетании с большими расстояниями. Fibre channel часто используется для соединения SCSI RAID массивов с сетью рабочей группы либо сервером.

Существующие технологии позволяют пропускную способность Fibre channel в 100Мбит/сек, а теоретический предел данной технологии лежит где-то в районе 1.06Гбит/сек. При этом уже сейчас ряд компаний занят разработкой устройств с пропускной способностью до 2.12Гбит/сек, но это уже следующее поколение интерфейса Fibre channel. На сегодняшнем рынке так же присутствуют решения, когда для достижения супер-большой пропускной способности используется целый ряд каналов Fibre channel одновременно.

В отличие от SCSI, Fibre channel обладает гораздо большей гибкостью. Если SCSI ограничивается всего 12 метрами, то Fibre channel позволяет соединения протяженностью до 10км при использовании оптического кабеля и несколько меньше при использовании относительно недорогих медных соединений.

Преимущества

Очень хорошая масштабируемость

Очень большие расстояния соединений (до 10км)

Высокая пропускная способность

Сеть из множества рабочих станций может работать с одним RAID массивом

Недостатки

Дорого

Очень дорого

Чем лучше, тем дороже