Компьютерная шина, используемая для систем хранения данных
Доступ к жестким дискам осуществляется через один из нескольких типов шин , включая параллельный ATA (PATA, также называемый IDE или EIDE ; описанный до появления SATA как ATA), Serial ATA (SATA), SCSI , Serial Attached SCSI (SAS). и Fibre Channel . Мостовая схема иногда используется для подключения жестких дисков к шинам, с которыми они не могут взаимодействовать изначально, например IEEE 1394 , USB , SCSI , NVMe и Thunderbolt .
Семейства дисковых интерфейсов
Интерфейсы дисковых накопителей превратились из простых интерфейсов, требующих подключения сложных контроллеров к компьютеру, в интерфейсы высокого уровня, которые представляют собой согласованный интерфейс с компьютерной системой независимо от внутренней технологии жесткого диска. В следующей таблице перечислены некоторые распространенные интерфейсы жестких дисков в хронологическом порядке:
Ранние интерфейсы
Кабель передачи данных (вверху) и кабель управления (внизу), соединяющие плату контроллера и жесткий диск типа ST-506 . Кабель питания не показан.
Самые ранние интерфейсы жесткого диска (HDD) представляли собой интерфейсы последовательных битовых данных , которые подключали жесткий диск к контроллеру с помощью двух кабелей: одного для управления, другого для данных. [a] Для питания использовался дополнительный кабель, первоначально часто переменного тока, но позже обычно подключаемый непосредственно к блоку питания постоянного тока. Контроллер обеспечивал важные функции, такие как последовательное/параллельное преобразование, разделение данных и форматирование дорожек, и требовал согласования с приводом (после форматирования) для обеспечения надежности. Каждый кабель управления мог обслуживать два или более дисков, а выделенный (и меньший) кабель для передачи данных обслуживал каждый диск.
Примеры таких ранних интерфейсов включают:
Многие ранние приводы IBM, например IBM 2311 , [1] имели такой интерфейс.
Интерфейс SMD был популярен на миникомпьютерах в 1970-х годах.
ST-506 использовал MFM (модифицированную частотную модуляцию) для метода кодирования данных.
ST412, вариант ST-506, был доступен в вариантах кодирования MFM или RLL (Run length Limited).
Enhanced Small Disk Interface (ESDI) представлял собой стандартный интерфейс, аналогичный ST412, поддерживающий более высокие скорости передачи данных между процессором и диском.
В интерфейсах последовательных битовых данных частота данных, схема кодирования данных, записанных на поверхность диска, и обнаружение ошибок - все это повлияло на конструкцию поддерживающего контроллера. Используемые схемы кодирования включали частотную модуляцию (FM), модифицированную частотную модуляцию (MFM) и кодирование RLL [2] на частотах, например, в диапазоне от 0,156 МГц (FM на 2311) до 7,5 МГц (RLL на ST412) МГц. Таким образом, каждый раз, когда внутренние технологии развивались, происходила необходимая задержка, поскольку контроллеры проектировались или перепроектировались с учетом этого прогресса; это, а также стоимость разработки контроллера, привело к внедрению последовательных интерфейсов Word.
Enhanced Small Disk Interface (ESDI) был попыткой минимизировать время разработки контроллера за счет поддержки нескольких скоростей передачи данных со стандартной схемой кодирования данных; обычно это автоматически согласовывалось дисководом и контроллером; Однако в большинстве случаев 15- или 20-мегабитные диски ESDI не были совместимы с предыдущими версиями (т. е. 15- или 20-мегабитный диск не работал на 10-мегабитном контроллере). Диски ESDI обычно также имели перемычки для установки количества секторов на дорожку и (в некоторых случаях) размера сектора.
Последовательные интерфейсы Word
Последовательные интерфейсы History Word подключают жесткий диск к адаптеру шины [b] одним кабелем для комбинированной передачи данных и управления. (Как и все ранние интерфейсы, описанные выше, каждый привод также имеет дополнительный кабель питания, обычно прямой к блоку питания.) Самые ранние версии этих интерфейсов обычно имели 8-битную параллельную передачу данных на/от накопителя, но 16-битную версии стали гораздо более распространенными, и существуют 32-битные версии. Словесный характер передачи данных делает конструкцию адаптера главной шины значительно проще, чем конструкцию контроллера жесткого диска-предшественника.
CTL-I (интерфейс контроллера) [3] представлял собой последовательный интерфейс с 8-битными словами, представленный IBM для своих жестких дисков мейнфреймов, начиная с 3333 в 1972 году. [4] 3333 был первым устройством в цепочке, состоящей из восьми устройств. Жесткие диски типа 3330 ; он содержал контроллер CTL-I и два дисковода типа 3330. Впоследствии первый диск (содержащий контроллер CTL-I) в цепочке дисков был обозначен IBM как A-блок. [5] Диски внутри блока A и все остальные диски в цепочке имели интерфейсы, аналогичные ранним интерфейсам, описанным выше. А-юниты, подключенные к IBM Directors или интегрированным приложениям .
Интерфейс малой компьютерной системы (SCSI) , первоначально называвшийся SASI от системного интерфейса Shugart Associates, представляет собой ранний (около 1978 года) интерфейс отраслевого стандарта, специально развернутый для минимизации усилий по интеграции системы. [6] Диски SCSI стали стандартом на серверах и рабочих станциях. Commodore Amiga и Apple Macintosh внедрили диски SCSI в середине 1990-х годов, когда большинство моделей были переведены на диски семейства ATA (а позже и SATA). Только в 2005 году емкость дисков SCSI стала отставать от технологии дисков ATA, хотя самые высокопроизводительные диски по-прежнему доступны только в SCSI, SAS и Fibre Channel. Ограничения по дальности действия кабеля для передачи данных допускают использование внешних устройств SCSI. Первоначально в кабелях данных SCSI использовалась несимметричная (общий режим) передача данных, но SCSI серверного класса мог использовать дифференциальную передачу, либо дифференциальную передачу низкого напряжения (LVD), либо дифференциальную дифференциальную передачу высокого напряжения (HVD). («Низкое» и «высокое» напряжение для дифференциального SCSI относятся к стандартам SCSI и не соответствуют значениям низкого и высокого напряжения, используемым в общем контексте электротехники, как это применяется, например, к установленным законом электротехническим нормам; используются как LVD, так и HVD. сигналы низкого напряжения (3,3 В и 5 В соответственно) в общей терминологии.)
Несколько жестких дисков Parallel ATA
Параллельный ATA , первоначально IDE , а затем стандартизированный под названием AT Attachment (ATA), с псевдонимом P-ATA или PATA, добавленным задним числом после появления нового варианта Serial ATA . Первоначальное название (около 1986 г.) отражало интеграцию контроллера с самим жестким диском. (Эта интеграция не была новой для IDE, она была реализована несколькими годами ранее с дисками SCSI.) Перенос контроллера жесткого диска с интерфейсной карты на дисковод помог стандартизировать интерфейс хост/контроллер, снизить сложность программирования на хост-устройстве. драйвер, а также снижение стоимости и сложности системы. 40-контактное соединение IDE/ATA передает по кабелю передачи данных одновременно 16 бит данных. Первоначально кабель для передачи данных был 40-жильным, но позже более высокие требования к скорости передачи данных на жесткий диск и обратно привели к режиму «ультра DMA», известному как UDMA . Постепенно более быстрые версии этого стандарта в конечном итоге добавили требование к варианту того же кабеля с 80 жилами, где половина проводников обеспечивает заземление , необходимое для улучшения качества высокоскоростного сигнала за счет уменьшения перекрестных помех . Интерфейс для 80-проводников имеет только 39 контактов, отсутствующий контакт действует как ключ, предотвращающий неправильное подключение разъема к несовместимому разъему, что является распространенной причиной повреждения диска и контроллера.
Битовые последовательные интерфейсы
Современные последовательные интерфейсы подключают жесткий диск к адаптеру интерфейса главной шины (сегодня ПК обычно интегрирован в « южный мост ») с помощью одного кабеля данных/управления. Каждый привод также имеет дополнительный кабель питания, обычно прямой к блоку питания.
Fibre Channel (FC) является преемником параллельного интерфейса SCSI на корпоративном рынке. Это последовательный протокол. В дисковых накопителях обычноиспользуется топология подключения Fibre Channel Arbitrated Loop (FC-AL). FC имеет гораздо более широкое применение, чем просто дисковые интерфейсы, и является краеугольным камнем сетей хранения данных (SAN).были разработаны идругие протоколы для этой области, такие как iSCSI и ATA over Ethernet . Как ни странно, в приводах обычно для Fibre Channel используются медные витые пары, а не оптоволокно. Последние традиционно зарезервированы для более крупных устройств, таких как серверы или контроллеры дисковых массивов .
Серийный АТА (SATA). Кабель данных SATA имеет одну пару данных для дифференциальной передачи данных на устройство и одну пару для дифференциального приема от устройства, как и EIA-422 . Для этого необходимо, чтобы данные передавались последовательно. Аналогичная система дифференциальной сигнализации используется в RS485 , LocalTalk , USB , FireWire и дифференциальном SCSI .
SCSI с последовательным подключением (SAS). SAS — это протокол последовательной связи нового поколения для устройств, предназначенный для обеспечения гораздо более высокой скорости передачи данных и совместимый с SATA. SAS использует механически идентичный разъем для передачи данных и питания стандартным 3,5-дюймовым жестким дискам SATA1/SATA2, а многие серверные RAID-контроллеры SAS также способны обращаться к жестким дискам SATA. SAS использует последовательную связь вместо параллельного метода, используемого в традиционных устройствах SCSI, но по-прежнему использует команды SCSI.
Примечания
^ Некоторые жесткие диски были устройствами параллельной передачи данных, например IBM 2305.
^ Сегодня обычно интегрированные, но в ранних вариантах реализации отдельные платы или коробки.
Рекомендации
^ IBM 2311 Field Engineering Theory of Operation. Архивировано 2 декабря 2019 г. в Wayback Machine , октябрь 1967 г., глава 3 и рис. 3-1.
^ "Коды Рида-Соломона - Введение"
^ IBM 3880 Storage Control, Руководство по описанию моделей 1, 2, 3 и 4, GA26-1661-9. сентябрь 1987 г.
^ Через «Новую стратегию прикрепления» IBM намеревалась расстроить PCM
^ «Интерфейс интеллектуальных систем облегчает интеграцию периферийных устройств», Х. Мейер и Дж. Корпи, Electronic Design, 20 августа 1981 г., стр. 97-103.