Учебное пособие «Периферийные устройства вычислительных систем»

Интерфейс Serial ATA (SATA)

Параллельная 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), пришедший на смену параллельному интерфейсу физических накопителей. Serial ATA (SATA) обратно совместим на программном уровне, т.е. используемое программное обеспечение взаимодействует с новой архитектурой без каких-либо ограничений. Другими словами, существующая базовая система ввода-вывода, операционные системы и утилиты, работающие с параллельным ATA, точно также будут работать и с последовательным интерфейсом.

Serial ATA поддерживает все существующие устройства ATA и ATAPI, в число которых входят дисководы CD-ROM, CD-RW и DVD, накопители на магнитной ленте, дисководы SuperDisk, а также накопители других типов, поддерживаемые в настоящее время параллельным АТА (PATA).

Со временем SATA, как фактический стандарт внутренних запоминающих устройств, используемых в ПК, полностью вытеснит параллельный интерфейс АТА.

Спецификация стандартов SATA

В настоящее время существует три версии стандарта SATA. Эти версии отличаются только скоростью передачи данных (табл. 7.6). Скорость передачи данных последовательного интерфейса, использующего более узкий, длинный и менее дорогой кабель, равна 150 Мбайт/с, 300 или даже 600 Мбайт/с.
Таблица 7.6

Тип Serial ATA

Ширина шины, бит

Частота шины, МГц

Число циклов данных за один такт

Пропускная способность Мбайт/с.

SATA-150

SATA-300

SATA-600

1500

3000

6000

150

300

600

Кодирование данных

Для кодирования и расшифровки данных, передаваемых по кабелю, SATA использует специальную схему шифрования, получившую название 8B/10B. Первоначально код 8B/10B был разработан (и запатентован) компанией IBM в начале 1980-х годов для использования в быстродействующей передаче данных.

В настоящее время эта схема используется во многих высокоскоростных стандартах передачи данных, включая Gigabit Ethernet, Fibre Channel, FireWire и др. Основной особенностью схемы кодирования 8B/10B является то, что количество последовательно передаваемых нулей (или единиц) не должно превышать четырех.

В одном закодированном 10-разрядном символе не может быть использовано более шести или менее четырех нулей (единиц). Передача нулей и единиц осуществляется в виде изменения величины подаваемого напряжения. Поэтому промежуток между переходными напряжениями, которые подаются передатчиком, получается достаточно сбалансированным, с более устойчивым и регулярным потоком импульсов. Нагрузка схемы становится более постоянной, что приводит к повышению ее надежности.

Во время преобразования 8-разрядных данных в 10-разрядные закодированные символы некоторое количество 10-разрядных комбинаций остается неиспользованным. Часть из них применяется для управления потоком, разграничения пакетов данных, выполнения проверки ошибок или каких-либо других специальных операций.

Физический интерфейс SATA

В схеме физической передачи интерфейса SATA используется так называемый дифференцированный метод “без возврата к нулю” (Non-Return to Zero - NRZ). В этой схеме применяется сбалансированная пара проводов, по каждому из которых подается напряжение, равное

0,25В (рис. 7.3). Сигналы посылаются дифференцированно: если по одному проводу пары передается напряжение +0,25B, то по другому соответственно –0,25B. Таким образом, разность напряжений постоянно составляет 0,5В (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 12В используется стандартный 4-контактный силовой разъем, а также дополнительный 15-контактный силовой кабель и разъем питания, обеспечивающие подачу электроэнергии напряжением 3,3В. 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 4,5A, 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.

Рис. 7.3. Структура кабеля передачи данных SATA

Примечание. Контакты разъема расположены в один ряд на расстоянии 1,27мм (0,05 дюйма) друг от друга. Выводы заземления длиннее, поэтому они контактируют друг с другом раньше, чем сигнальные или силовые контакты. Это позволяет подключать кабель во время работы компьютера.

Первое поколение накопителей SATA со скоростью вращения 7200 об/мин (например, Seagate Barracuda V) имеет скорость передачи данных не более 40-50 Мбайт/с.

Стандарт SATA, как и Parallel ATA (PATA), разрабатывался в качестве основного интерфейса устройств хранения данных, используемых в персональном компьютере, поэтому он не предназначен для подключения внешних устройств. По своим характеристикам SATA не может соперничать с интерфейсами высокоскоростных внешних устройств, к которым относятся SCSI, USB 2.0 и IEEE_1394 (FIre Wire). Судя по всему, в течение нескольких ближайших лет SATA полностью заменит параллельный интерфейс АТА.

Контрольные вопросы

Что означают термины ATA, IDE, SATA?
Каковы характерные особенности интерфейсов приборного уровня ST506/412, ESDI?
В чём заключается разница между интерфейсами системного уровня ATA/SATA и SCSI?
Какие основные сигналы определяет интерфейс ATA?
В чём смысл программной трансляции геометрии накопителей (CHS)?
Какова особенность схемы подключения IDE-устройства к шине IDE?
Какие сведения о дисководе можно получить в результате выполнения команды идентификации диска?
За счёт чего возникают преимущества SATA по сравнению с ATA и в чём они заключаются?
Какой метод кодирования используется в интерфейсе SATA?

Избыточный массив независимых дисковых накопителей (RAID)

Назначение RAID-массива

Избыточный массив независимых (или недорогих) дисковых накопителей (Redundant Array of Independent/Inexpensive Disks - RAID) разрабатывался в целях повышения отказоустойчивости и эффективности систем компьютерных запоминающих устройств.

Технология RAID была разработана в Калифорнийском университете в 1987 году. В ее основу был положен принцип использования нескольких дисков небольшого объема, взаимодействующих друг с другом посредством специального программного и аппаратного обеспечения, в качестве одного диска большой емкости.

Первоначальная конструкция RAID предусматривала простое соединение областей памяти нескольких отдельных дисков. Но, как оказалось, подобная схема снижает надежность матрицы и практически не влияет на ее быстродействие. Например, четыре диска, объединенных в матрицу, которая работает как один диск, будут “сбоить” в четыре раза чаще, чем один диск той же емкости.

Для повышения надежности и быстродействия матрицы ученые университета Беркли предложили шесть различных уровней RAID. Каждый из этих уровней характеризуется определенной отказоустойчивостью (надежностью), емкостью запоминающего устройства и быстродействием.

В июле 1992 года была создана организация RAID Advisory Board (RAB), которая занимается стандартизацией, классифицированием и изучением RAID. Собранные материалы находятся на Web-узле организации (https://www.raid.advisory.com). RAB занимается разработкой спецификаций RAID, согласованием программ для его различных уровней, а также систематизацией класса программ для аппаратного обеспечения RAID.

В настоящее время организация RAB определила семь стандартных уровней RAID: от RAID-0 до RAID-6.

Уровни RAID и их свойства

Избыточный массив независимых дисковых накопителей (RAID) обычно реализуется посредством платы контроллера RAID. Кроме того, реализация RAID может быть обеспечена с помощью соответствующих программ (что не рекомендуется). Ниже перечислены существующие уровни RAID:

Уровень RAID-0 - расслоение

Содержимое файла записывается одновременно на несколько дисков матрицы, которая работает как один дисковод большой емкости. Этот уровень обеспечивает высокую скорость выполнения операций чтения/записи, но очень низкую надежность. Для реализации уровня необходимы, как минимум, два дисковода;

Уровень RAID-1 - зеркальное отражение

Данные, записанные на одном диске, дублируются на другом, что обеспечивает превосходную отказоустойчивость (при повреждении одного диска происходит считывание данных с другого диска). При этом заметного повышения эффективности матрицы по сравнению с отдельным дисководом не происходит. Для реализации уровня необходимы, как минимум, два дисковода;

Уровень RAID-2 - разрядный код коррекции ошибок

Одновременно происходит побитовое дробление данных и запись кода коррекции ошибок (ЕСС) на нескольких дисках. Этот уровень предназначен для запоминающих устройств, не поддерживающих ЕСС (все дисководы SCSI и ATA имеют встроенный внутренний код коррекции ошибок). Обеспечивает высокую скорость передачи данных и достаточную надежность матрицы. Для реализации этого уровня требуется несколько дисководов. В настоящее время не существует коммерческих контроллеров RAID-2 или дисководов, не поддерживающих код коррекции ошибок;

Уровень RAID-3 - расслоение с контролем четности

Объединение уровня RAID-0 с дополнительным дисководом, используемым для обработки информации контроля четности. Этот уровень фактически представляет собой видоизмененный уровень RAID-0, для которого характерно уменьшение общей полезной емкости матрицы при сохранении числа дисководов. Однако при этом достигается высокая степень целостности данных и отказоустойчивости, так как в случае повреждения одного из дисков данные могут быть восстановлены. Для реализации этого уровня необходимы, как минимум, три дисковода (два или более для данных и один - для контроля четности);

Уровень RAID-4 - cблокированные данные с контролем четности Этот уровень подобен уровню RAID-3 и отличается только тем, что запись информации осуществляется на независимые дисководы в виде больших блоков данных, что приводит к увеличению скорости чтения больших файлов. Для реализации этого уровня необходимы, как минимум, три дисковода (два или более для данных и один - для контроля четности);

Уровень RAID-5 - сблокированные данные с распределенным контролем четности

Этот уровень подобен RAID-4, но предполагает более высокую производительность, которая достигается за счет распределения системы контроля четности по категориям жестких дисков. Для реализации этого уровня необходимы, как минимум, три дисковода (два или более для данных и один - для контроля четности);

Уровень RAID-6 - сблокированные данные с двойным распределенным контролем четности

Подобен уровню RAID-5 и отличается тем, что данные контроля четности записываются дважды за счет использования двух различных схем контроля четности. Это обеспечивает более высокую надежность матрицы в случае множественных отказов дисковода. Для реализации этого уровня необходимы, как минимум, четыре дисковода (два или более для данных и два - для контроля четности).

Сфера применения массивов RAID

До недавнего времени практически все контроллеры RAID создавались на основе дисководов SCSI. С профессиональной точки зрения SCSI-RAID является самым приемлемым вариантом, так как объединяет положительные стороны RAID с достоинствами SCSI как интерфейса, предназначенного для поддержки нескольких дисководов. В настоящее время появились контроллеры ATA-RAID, которые позволяют значительно уменьшить стоимость реализаций RAID.

Стандарт ATA-RAID предназначен в основном для индивидуальных пользователей, стремящихся к повышению производительности системы или простому зеркальному отражению дисков для резервирования данных. Ради повышения функциональности системы адаптеры ATA-RAID поддерживают уровень RAID-0, который обеспечивает расслоение данных. К сожалению, это приводит к снижению надежности дисковой матрицы, так как при повреждении диска все данные, находящие на нем, будут потеряны. Надежность матрицы, работающей на уровне RAID-0, повышается с увеличением количества используемых дисководов. Не ждите, что при использовании четырех дисководов эффективность матрицы также увеличится в четыре раза. Она будет просто близка к постоянной скорости передачи данных. Определенные затраты возникают из-за контроллера, выполняющего расслоение данных, а также могут быть связаны с периодом времени ожидания (имеется в виду время, используемое для поиска данных). Однако даже в этом случае эффективность матрицы будет выше, чем какого-либо отдельного дисковода.

Для достижения более высокой надежности адаптеры ATA RAID поддерживают уровень RAID1, который представляет собой зеркальное отображение дисковода. При этом происходит дублирование данных, записанных на одном из дисков. При повреждении какого-либо дисковода, система может работать с данными, сохраненными на другом диске. К сожалению, эффективность матрицы при этом практически не изменяется; более того, будет использоваться только половина существующего объема диска. Другими словами, устанавливаются два диска, а по сути, получается только один (второй диск является зеркальным отображением первого). Тем не менее, в эпоху накопителей большой емкости, имеющих невысокую стоимость, это не играет существенной роли. Например, если системная плата включает в себя адаптер ATA RAID, можно создать массив ATA RAID 1 емкостью 160 Гбайт (два жестких диска по 80 Гбайт), который обойдется примерно в 200 долларов (по 100 долларов за каждый диск). За выделенный адаптер ATA RAID придется заплатить еще 100 долларов. С целью уменьшить пространство, занимаемое кабельной разводкой, подумайте о реализации массива Serial ATA RAID, в котором используется узкий кабель SATA, упомянутый в одном из предыдущих разделов.

Для того чтобы объединить высокую эффективность с повышением надежности матрицы, следует воспользоваться уровнями RAID-3 или RAID-5.

Например, практически все профессиональные контроллеры RAID, используемые в сетевых файловых серверах, предназначены для работы на уровне RAID-5. При этом стоимость подобных контроллеров значительно выше. Кроме того, для реализации уровня RAID-5 необходимы, как минимум, три дисковода.

Большинство контроллеров ATA RAID позволяют объединять различные уровни RAID, например, уровни 0 и 1, что дает возможность повысить надежность матрицы при отсутствии дополнительных затрат. Для реализации этих уровней нужны четыре дисковода, два из которых образуют уровень RAID0. При этом их содержимое записывается во второй массив дисков, образующих уровень RAID1. Подобная схема позволяет примерно в два раза повысить эффективность матрицы, сохранив при этом резервный набор данных.

Контроллеры ATA-RAID в настоящее время поставляются компаниями Arco Computer Products, Iwill, Promise Technology, HighPoint и др. Типичным примером контроллера ATA-RAID является Promise FastTrak 100/TX4. Этот контроллер позволяет соединить до четырех дисководов, которые, в свою очередь, могут быть организованы в уровни RAID-0, 1 или режим 0+1. В этой плате также используются отдельные каналы передачи данных (кабели) ATA для каждого дисковода, чем достигается максимальная эффективность системы. Компания Promise Technology также предлагает менее дорогой контроллер стандарта ATA-RAID, имеющий только два канала данных - FastTrak 100/TX2. Этот контроллер тоже позволяет соединять до четырех дисководов, но при совместном использовании двух кабелей АТА эффективность матрицы будет ниже. Это связано с тем, что дисковод может единовременно передавать данные только по одному кабелю, что снижает вдвое производительность всей матрицы.

При поиске нужного контроллера ATA-RAID в первую очередь рекомендуют обращать внимание на следующие параметры:

поддержка уровней RAID (в основном это уровни 0, 1 и сочетание уровней 0+1);
два или четыре канала;
поддержка скоростей ATA/100 или ATA/133;
поддержка разъемов PCI с частотами 33 или 66 МГц;
ATA или SATA (интерфейс SATA имеет более высокую скорость передачи данных).

Избыточный массив независимых дисковых накопителей может быть организован и без дорогих контроллеров RAID, для этого следует воспользоваться средствами операционных систем более старших моделей (чаще всего серверных).

Например, операционные системы Windows NT/2000 и XP Server поддерживают реализацию RAID на программном уровне, используя при этом как расслоение, так и зеркальное отображение данных. Для установки параметров и управления функциями RAID, а также восстановления поврежденных данных в этих операционных системах используется программа Disk Administrator. Тем не менее, при организации сервера, который должен сочетать в себе эффективность и надежность, лучше воспользоваться контроллерами ATA-RAID или SCSI-RAID, аппаратно поддерживающими уровни RAID-3 или RAID-5.

Сравнительно недавно началась работа над последующим стандартом - SATA II,1, который определяет расширения SATA-1.0. Они включают в себя большую скорость передачи данных - 3 Гб/с. Ожидается, что последующие спецификации будут определять скорости передачи данных до 6 Гб/с.

Контрольные вопросы

Что такое «расслоение» и «зеркальное отображение» данных?
Что означает термин «реализация RAID на программном уровне, на аппаратном уровне»?
Какие выгоды даёт массив RAID?

Интерфейс малых компьютерных систем (SCSI)

Аббревиатура SCSI расшифровывается как Small Computer System Interface. Это универсальный интерфейс, используемый для подключения устройств различного типа к персональному компьютеру. Интерфейс SCSI 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.

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 (Ultra-320) SCSI поддерживает скорость передачи данных до 320 Мбайт/с. В настоящее время разрабатывается еще более быстрый интерфейс Ultra5 (Ultra-640), позволяющий передавать данные со скоростью 640 Мбайт/с. Сравните это с показателями 133 Мбайт/с (ATA_6) и 150 Мбайт/с нового интерфейса SATA.

Стандарт SCSI-1

Этот стандарт является первой реализацией SCSI. Официальным документом стандарта SCSI-1 является ANSI X3.131-1986.

Схема подключения SCSI-1

Физически шина SCSI-1 – плоский кабель для подключения 8 ПУ (рис. 9.1). Стандарт SCSI-1 определяет 2 способа передачи сигналов - синфазный и дифференциальный. SCSI-1 - шина имеет 8 линий данных, линию четности и 9 управляющих линий.

Рис. 9.1 Схема подключения SCSI

Линии интерфейса SCSI-1

Каждое устройство на магистрали SCSI-1 имеет свой адрес (ID). Управляющие сигналы BSY, SEL, RST служат для инициализации, адресации и захвата шины. Оставшиеся 6 сигналов обеспечивают протокол шины SCSI-1. REQ и ACK - это сигналы для квитирования (рис. 9.2).

Рис. 9.2. Линии интерфейса SCSI
По типу сигналов различают линейные (Single Ended - SE) и дифференциальные (DIFF) версии SCSI, которые несовместимы электрически. Дифференциальные версии SCSI допускают большую суммарную длину кабеля при высоких скоростях.

Универсальные символические обозначения интерфейса SCSI имеют вид рис. 9.3.

Рис. 9.3. Универсальные символические обозначения интерфейса SCSI

Фазы протокола SCSI-1

Выполнение операций на шине SCSI-1 подразделяется на фазы, приведённые в табл. 9.1.

Таблица 9.1

BUS FREE - шина свободна

ARBITRATION - арбитраж

SELEСTION - выборка

RESELECTION-перевыборка

Фазы захвата шины и адресации

COMMAND - команда

DATA - данные

STATUS - состояние

MESSAGE - сообщение

Фазы передачи

Фаза «BUS FREE» возникает, как правило, после системного сброса. Ее признаком является отсутствие сигналов занятости BSY и выборки SEL.

Фаза «ARBITRATION» возникает, когда какое-либо устройство хочет взять на себя управление шиной, т.е. стать инициатором. Определив, что шина свободна, устройство формирует сигнал BSY и на соответствующую линию данных выставляется сигнал-идентификатор ID SCSI-устройства. При этом каждое из 8 возможных устройств шины SCSI может выдавать свой ID-бит только на закрепленную за ними линию данных. Устройство с максимальным значением ID выигрывает арбитраж и берет на себя управление шиной. ID может принимать значения в диапазоне 0-7. Для HOST-адаптера ID=7.

Фаза «SELECTION» дает возможность инициатору выбрать исполнителя для выполнения необходимой функции передачи. Инициатор выставляет ID-номер на шину данных и сигнал SEL.

Фазы «ПЕРЕДАЧИ» включают восемь функций передачи, определяемых сигналами MSG, -C/D, -I/O (табл. 9.2).

Таблица 9.2

Значения сигналов			Название функции передачи
MSG	-C/D	-I/O	Название функции передачи
0	0	0	DATA OUT
0	0	1	DATA IN
0	1	0	COMMAND
0	1	1	STATUS
1	0	0	Резерв
1	0	1	Резерв
1	1	0	MESSAGE OUT
1	1	1	MESSAGE IN

Программное обеспечение интерфейса SCSI не оперирует физическими характеристиками винчестера (т.е. числом CHS), а имеет дело только с логическими блоками (LBA). Поэтому интерфейс может быть использован для любых блочных устройств.

Скорость передачи по шине SCSI-1 достигает 1.5 Мбайт/с в асинхронном режиме и 3-4 Мбайт/с - в синхронном режиме.

Система команд SCSI-1

Адаптеры SCSI не берут на себя функции управления накопителем, а осуществляют лишь передачу накопителю запросов на чтение/запись. Установленные в накопителе контроллеры интерпретируют запросы SCSI в команды накопителя.

Стандарт SCSI-1 включает нормированный список команд - 8 групп по 32 команды в каждой:

- группа 0 содержит такие основные команды, как чтение, запись, позиционирование;

- в группы 1-5 входят расширенные наборы команд, которые используются не всегда;

- команды в группах 6 и 7 зависят от конкретных устройств и могут отличаться от винчестера к винчестеру, они содержат приборно-зависимые тестовые команды;

- группы 2, 3, и 4 резервируются для будущих применений.

Для каждого типа устройства команды делятся на 4 категории:

обязательные (M);
расширенного набора (E);
дополнительные команды (O);
уникальные команды конкретного пользователя (V).

Таблица 9.3

Код

Тип

Команда

03h

04h

07h

08h

0Ah

Запрос состояния чтения

Формат

Составить карту дефектных секторов

Чтение данных (21-разр. адрес, 8-разр. счетчик)

Запись данных

12h

25h

28h

2Ah

Запрос типа устройства

Определить емкость или свободное пространство

Чтение данных (32-разр. адрес, 16-разр. счетчик)

Запись данных (32-разр. адрес, 16-разр. счетчик)

1Dh

Запрос диагностики

3Bh

3Ch

Писать буфер

Читать буфер

Стандарт SCSI обладает большим достоинством для изготовителей ПК. Фирмы-изготовители ПК могут поставлять один единственный SCSI, оставляя за пользователем выбор интеллектуального контроллера и соответствующего ему накопителя. Унификация способа подключения устройств с интерфейсом SCSI как на физическом, так и на логическом уровне позволяет пользователю применять периферию различных фирм в одной системе.

Любое оборудование стандарта SCSI поддерживает набор обязательных команд. Расширенный набор команд обеспечивает работу накопителей, имеющих более высокие характеристики, нежели стандартные.

Всё пространство данных, которое используется устройствами с интерфейсом SCSI, логически организовано как последовательный массив блоков. В командах передачи данных указывается номер начального блока и количество передаваемых блоков.

Интерфейс SCSI выполняет каждую команду в два этапа. На первом этапе HOST-контроллер преобразует команды операционной системы в команды формата SCSI. На втором этапе контроллер ЖД осуществляет преобразование команд шины SCSI в сигналы управления накопителем. Обязательный набор команд для передачи номера блока использует 21-разрядный адрес, а для указания количества блоков 8-разрядный счётчик.

Иллюзия совершенного накопителя

По существу, жесткий диск с интерфейсом SCSI имеет свою электронику контроллера диска. Главный адаптер SCSI просто управляет шиной SCSI, которая действует как разновидность локальной мини-сети. Важное следствие такого многослойного управления накопителем состоит в том, что многие физические детали накопителя скрываются от компьютера. Теперь ни компьютер, ни контроллер диска, вставленный в шину компьютера, не командуют накопителю перейти на одну дорожку внутрь или наружу.

Накопитель на шине SCSI выглядит для компьютера как идеализированная большая группа логических блоков, в которых могут храниться данные. Главный адаптер SCSI адресует каждый из этих блоков по адресу логического блока (Logical Block Address - LBA). Чтобы ПК рассматривал накопитель SCSI, как и любой другой жесткий диск, главный адаптер представляет накопитель SCSI компьютеру как обычный трехмерный диск. Но главный адаптер создает количество головок, цилиндров и секторов на дорожке для такого фиктивного диска наиболее удобным для себя образом.

Накопитель SCSI большой емкости может фактически иметь пять дисков с десятью головками, из которых одна или две головки применяются для позиционирования блока головок. Накопитель имеет несколько тысяч дорожек. Внутренние дорожки имеют более 30 секторов, внешние дорожки - в два раза больше, а часть средних дорожек может иметь какое-то промежуточное количество секторов.

Интерфейс ведомого SCSI превращает все это в простой одномерный массив запоминающих блоков. В свою очередь, главный адаптер SCSI создает из линейного массива логических блоков иллюзию фиктивного или логического накопителя, имеющего 64 головки, 32 сектора на дорожке и всего несколько сотен цилиндров. Именно с таким накопителем работает BIOS персонального компьютера.

Накопители SCSI всегда выглядят совершенными. В таком накопителе при выполнении программы CHKDSK никогда не видны плохие секторы. Причина этого скрыта в интеллектуальном интерфейсе SCSI-ведомого:

При начальной подготовке накопитель SCSI проверяет каждую ячейку, в которой он может хранить данные, и отвергает ячейки с дефектами. Остальным ячейкам назначаются адреса логических блоков.
В процессе эксплуатации многие накопители SCSI осуществляют контроль работы диска, и если какой-то сектор начинает портиться, накопитель перемещает содержащиеся в нем данные в ближайший запасной сектор, не извещая об этом пользователя (точнее, главный адаптер SCSI). Про такие накопители говорят, что они поддерживают "горячий ремонт" (hot fixes).

Стандарт SCSI-1 в настоящее время устарел и ему на смену пришли следующие версии SCSI-2 и SCSI-3.

Стандарты SCSI-2 и SCSI-3

Стандарт SCSI-2

Официальный документ стандарта SCSI-2 называется ANSI X3.131-1994. Этот стандарт представляет собой улучшенную версию предыдущего стандарта SCSI-1.

Расширенный набор команд использует для адресации блоков 32 разряда и для счётчика блоков - 16 разрядов. С появлением 16 и 32-разрядных процессоров был разработан Wide SCSI-2, который может работать с 16 и 32-разрядными данными, кроме того, была увеличена тактовая частота обмена примерно в 2 раза за счет сокращения критических временных параметров шины и применения новейших БИС (FAST SCSI).

Увеличение тактовой частоты повысило производительность шины до 10 Мбайт/с, что при одновременном увеличении разрядности обеспечит производительность шины 40 Мбайт/с. (табл. 9.4).

Таблица 9.4

Шина [бит]	Модификация SCSI		Тип кабеля
Шина [бит]	Стандарт	Fast	Тип кабеля
SCSI-1 [8]	5 MB/s	10 MB/s	A
SCSI-2 [16]	10 MB/s	20 MB/s	P
SCSI 2 [32]	20 MB/s	40 MB/s	P+Q

Примечание: Fast реализуется при увеличении тактовой частоты обмена в 2 раза за счет применения новейших БИС.

Расширенная шина SCSI-2 отличается от стандартной шины SCSI-1 тем, что является 16-разрядной или 32-разрядной.

Стандартом SCSI-1 обусловлено, что главное устройство, например, основной адаптер, может выдавать в адрес каждого устройства только по одной команде.

Стандарт SCSI-2 позволяет отправлять в каждое устройство до 256 команд; они накапливаются в нем, обрабатываются, и лишь затем от него на шину SCSI поступает ответ. Принимающее устройство может изменить порядок выполнения принятых команд для того, чтобы наиболее эффективно на них реагировать. Эта возможность особенно полезна при работе в многозадачной операционной системе, например, OS/2 или Windows NT.

В качестве основы стандарта SCSI-2 была принята уже оформившаяся общая система команд Common Command Set (CCS) - это набор из 18 базовых команд SCSI. Система CCS разрабатывалась для жестких дисков и в ней не предусматривались команды для управления другими устройствами. В SCSI-2 многие старые команды откорректированы и добавлены некоторые новые (для накопителей CD-ROM, оптических устройств, сканеров, коммуникационных устройств, съёмных жестких дисков и т.п.).

Стандарт SCSI-3

SCSI-3 состоит из нескольких стандартов. Стандарт SPI (SCSI Parallel Interface) определяет взаимодействие между параллельными устройствами SCSI. Существует несколько версий этого стандарта: SPI, SPI-2, SPI-3 и SPI-4. Первые три версии опубликованы, а четвертая пока определена как предварительная. Различные термины, описываемые современными стандартами SPI, представлены в табл. 9.5.

Таблица 9.5

Стандарт SCSI-3

Распространенное название

Соответствует технологии

Реальная скорость, MB/s

SPI Ultra

SPI-2

SPI-3

SPI-4

SPI-5

SCSI

Ultra2 SCSI

Ultra3 SCSI

Ultra4 SCSI

Ultra5 SCSI

Fast-20

Fast-40

Fast-80DT

Fast-160DT

Fast-320DT

20/40

40/80

160

320

640

Сравнение SCSI и ATA: достоинства и недостатки

При сравнении производительностей ATA и SCSI-накопителей необходимо учитывать несколько факторов.

В большинстве случаев ATA -накопители при выполнении конкретной задачи или по результатам проверки с помощью программ аттестации оказываются лучше, чем аналогичные SCSI-модели. Кроме того, что немаловажно, они дешевле. Однако в некоторых ситуациях SCSI-накопители обеспечивают более высокую производительность и иногда превосходят ATA-накопители по удельной стоимости (на единицу емкости).

Как уже известно, SCSI-накопитель - это тот же IDE-накопитель, но с добавленной микросхемой SBIC контроллера шины SCSI. Поскольку при использовании SCSI-устройства возникают задержки, связанные с прохождением сигналов и команд по шине SCSI, становится ясно, что ATA-накопитель с прямым выходом на системную шину работает быстрее.

При передаче данных по шине SCSI появляются задержки, связанные с процедурами установления соглашения о синхронизации, выбора накопителя-адресата, запроса данных, окончания акта передачи и, наконец, преобразования логических адресов в «координаты», выраженные в понятиях цилиндров, головок и секторов.

В результате интерфейс ATA имеет неоспоримое преимущество при последовательных обменах данными, характерных для однозадачной операционной системы.

Архитектура SCSI-накопителей значительно сложнее, что дает им некоторые преимущества. Так как в каждом SCSI-накопителе есть свой встроенный контроллер диска, который может работать независимо от центрального процессора системы, компьютер может подавать команды одновременно всем имеющимся накопителям. Каждый накопитель может их запомнить, расставить в оптимальном для исполнения порядке, а затем выполнять одновременно со всеми другими накопителями. Данные могут быть накоплены в буфере, а затем при удобном случае очень быстро переданы в совместно используемую всеми устройствами шину SCSI.

Хотя в ATA-накопителях тоже есть встроенные контроллеры, они не могут работать одновременно - накопление и упорядочивание команд (queuing) в них не предусмотрены.

Как нетрудно заметить, у интерфейса SCSI есть некоторые преимущества перед ATA особенно в том, что касается возможностей расширения и работы с многозадачными ОС.

Принято считать, что быстродействие интерфейса SCSI намного выше, чем IDE, но, к сожалению, чаще всего это не так. Ошибка заключается в том, что обычно производительность шин SCSI и ISA сравнивают “в чистом виде”. По 16-разрядной шине Ultra4 SCSI данные можно передавать со скоростью до 320 Мбайт/с, в то время как скорость обмена Ultra-ATA/133 IDE достигает 133 Мбайт/с. Конечно, при таком сравнении интерфейс SCSI выглядит явно предпочтительнее, но реальным фактором снижающим производительность системы является не чистое быстродействие шины, а ограниченные возможности блока HDA и контроллера диска.
Контрольные вопросы

Каковы основные функции хост-контроллера SCSI?
Какие задачи решаются во время фаз захвата шины и адресации?
Какие фазы протокола шины SCSI составляют: а) фазы захвата шины и адресации и б) фазы передачи?
Благодаря какому свойству интерфейс SCSI может быть использован для любых блочных устройств?
Какое устройство на шине SCSI является инициатором передачи и какие функции передачи оно может выполнять?
Какие команды входят в состав обязательных команд для случая НМД?

Литература

Лю Ю-Чжен, Гибсон Г. Микропроцессоры семейства 8086/8088. - М.: Радио и связь,1987.
Пескова С.А. и др. Центральные и периферийные устройства электронных вычислительных средств: учебник для вузов /под ред. О.П. Глудкина. - М.: Высшая школа, 1991.
Гладышев Ю.С. Периферийные устройства вычислительных систем: учебное пособие. - М.: МГТУ ГА, 2006.
Скотт Мюллер. Модернизация и ремонт персональных компьютеров /пер. с англ. - М.: ООО “И.Д. Вильямс”, 2009.
Григорьев В.Л. Видео-системы ПК фирмы IBM. - М.: Радио и связь,1993.
Гудмен Джон. Секреты жесткого диска. - К: Диалектика, 1994.
Ларионов А.М., Горнец Н.Н. Периферийные устройства в вычислительных системах: учебное пособие. - М.: Высшая школа, 1991.
Джордейн Р. Справочник программиста персональных компьютеров типа IBM PC, XT и AT. - M.: Финансы и статистика, 1992.

<предыдущая страница | следующая страница>