Новые технологии в интерфейсах жестких дисков

С увеличением возможностей современных вычислительных машин, возникает потребность в передаче все больших объемов данных. Приложения мультимедиа, работа серверов и сетей также требуют увеличения скорости передачи данных. Соответственно, имеются все основания для увеличения скорости работы контроллеров жестких дисков.

На настоящий момент в компьютерной промышленности используются две технологии интерфейсов жестких дисков:

• Стандартный интерфейс IDE (integrated drive electronics), предложенный фирмой IBM и разрабатываемый в настоящее время Western Digital
• Small computer system interface (SCSI), предложенный Shugart Associates System Interface (SASI) и развиваемый American National Standards Institute (ANSI)

Обе технологии развиваются параллельно, покрывая различные части рынка: IDE - для настольных и портативных систем и SCSI - для серверов и рабочих станций. На этой странице описано настоящее положение и перспективы этих технологий контроллеров жестких дисков.

Кратко об Ultra DMA-33

С совершенствованием электроники, схемы управления жестким диском были уменьшены до 3.5 дюйма и интегрированы в сам жесткий диск. Вследствие этого необходимость в дополнительной интерфейсной карте отпала. Теперь такой IDE-контроллер стал стандартом для жестких дисков РС. В настоящее время название интерфейса IDE изменено на Advanced Technology Attachment (ATA).

Новый протокол Ultra DMA-33 (также называемый ATA-33) является попыткой увеличить пропускную способность интерфейса ATA. Представленные в стандарте ATA протоколы PIO (programmed input/output) mode 4 и DMA (direct memory access) Mode 2 позволяют передавать данные с максимальной скоростью 16.6 Mбайт в секунду. В действительности же реальная скорость передачи данных намного ниже.

Приемущества Ultra DMA-33:

• Большая, чем у ATA скорость передачи данных. Ultra DMA-33 имеет три режима 0, 1 и 2. При использовании самого быстрого Ultra DMA 33 Mode 2 скорость передачи данных может достигать 33Мбайт в секунду. Такая высокая скорость передачи данных достигается использованием для пересылки восходящего и спадающего уровня сигнала.
• Протокол передачи данных в этих режимах использует контроль за наличием ошибок путем подсчета контрольной суммы cyclic redundancy check (CRC). Все предыдущие протоколы такой контроль не осуществляли.
• Получением данных управляет приемник

Для использования режима Ultra DMA-33 от системы требуется:

• Жесткий диск, который поддерживал бы один из трех режимов Ultra DMA
• Совместимые с Ultra DMA материнскую плату и BIOS
• Драйвера операционной системы, способные включить режим Ultra DMA

Производительность Ultra DMA-33

На представленной диаграмме изображены результаты сравнения PIO Mode 4 и Ultra DMA-33 Mode 2. Они показывают, что Ultra DMA-33 Mode 2 значительно быстрее передает данные, чем PIO Mode 4 в офисных и High-End приложениях.

Эти тесты выполнялись на системе с 200-MHz Intel Pentium процессором на материнской плате с чипсетом 82430TX, 32 Mб памяти и жестким диском Quantum Fireball ST на 6.4 Гб, поддерживающим Ultra DMA-33.

Следует иметь в виду, что эти измерения проводились в системе с одним работающим приложением - ZD WinBench 97, в случае же реальной многозадачности разрыв был бы гораздо выше.

Будущее ATA

Скорее всего, дальнейшее развитие интерфейса ATA от Ultra DMA-33 до Ultra DMA-66 возможно только путем изменения схем соединения и принципов передачи сигналов. Таким образом, более перспективным направлением представляется замена интерфейса ATA на, например, высокоскоростную последовательную шину Fireware (IEEE 1394 или i.Link). Фактически адаптер, который соединял бы ATA-жесткий диск с шиной Fireware уже разработан. Этот адаптер называется Tailgate и вставляется в интерфейсный разъем жесткого диска.

Применение такой технологии позволит довести скорость передачи данных до 400 Мбит в секунду, увеличить надежность системы, а также осуществлять установку и конфигурирование дисков "на ходу", без отключения питания.

В ближайшие год-два ожидается начало массового производства жестких дисков с интерфейсом Fireware. А уже в середине 1998 года пропускная способность IEEE 1394 будет доведена до 800 Мбит в секунду.

Ultra SCSI

В отличие от ATA, поддерживающего ограниченный набор специфических перифирийных устройств, интерфейс SCSI был разработан, чтобы поддерживать много видов внутренних и внешних периферийных устройств. Первоначально, SCSI интерфейс поддерживал до восьми устройств с 5-MHz параллельной шиной.

Поскольку SCSI стандарт развивался, частота шины была увеличена до 10 MHz (Fast SCSI) и число сигнальных линий возросло с восьми до 16 (Wide SCSI), таким образом получилось Fast/Wide SCSI. Число обслуживаемых устройств также увеличилось до 16.

В настоящее время используется интерфейс Ultra SCSI, использующий шинную частоту 20 MHz. Но для возможности работы устройств на такой частоте длину соединительного кабеля пришлось ограничить полуторами метрами. Ultra/Wide SCSI поддерживает 16 устройств и обеспечивает скорость передачи данных до 40 Мбайт в секунду.

Ultra SCSI устройства могут работать и с более медленной SCSI шиной (также как и применение медленных устройств возможно на быстрой шине - при этом шина работает со скоростью наиболее медленного устройства), используя не все свои возможности, но наибольшей скорости передачи данных можно достичь лишь в случае использования устройств с одинаковым интерфейсом. Сравнение различных интерфейсов SCSI приведено в таблице:

Будущее SCSI

В настоящее время планируется расширение параллельной шины SCSI до Ultra2, что обеспечит увеличение пропускной способности до 80 Мбайт в секунду. Такое усовершенствование будет базироваться на применении технологии LVD (low-voltage differential - низковольтовый дифференциал).

Применение устройств, использующих LVD-технологию, возможно одновременно на одной шине с устройствами, не поддерживающими такой протокол. Ultra2 позволит также увеличить длину кабеля до 12 метров.

Технология LVD может быть применена в application-specific integrated circuit (ASIC - интегрированная электроника, ориентированная на применение в конкретном приложении) - устройствах, таким образом реализация Ultra2 будет похожа на текущую Ultra технологию.

Другая технология интерфейса, названная Fibre Channel-Arbitrated Loop (FC-AL), позволит подключение до 126 SCSI-устройств и обеспечит скорость передачи более 100 Мб/с. Длина кабеля в этом случае достигнет 30 метров, в случае применения медной проволоки, или 1 километра в случае применения оптоволокна.

Применение FC-AL позволяет выполнять "горячее" подключение и имеет дополнительные линии для контроля и коррекции ошибок. Хотя решение FC-AL значительно дороже параллельного интерфейса SCSI, вероятно оно будет применяться в высококачественных серверах уже в начале следующего года.

Резюме

Повышение эффективности и частоты продолжает требовать усовершенствований оригинальных интерфейсов SCSI и АТА. Ultra SCSI призван удовлетворить потребности серверов и высококачественных рабочих станций. К тому же интерфейс SCSI - поддерживает множественные потоки данных, диски большой емкости, и с большими значениями скорости передачи данных - до 40 Мбайт в секунду. А на типичном настольном компьютере достаточно применения Ultra DMA-33, значительно улучшающего производительность по сравнению с предшественниками.