Serial ATA в преддверии рыночного бума
Все, кто хоть раз занимался самостоятельной сборкой компьютера или хотя бы открывал корпус системного блока, наверняка помнят неудобные кабели-шлейфы, с помощью которых к материнской плате подсоединяются жесткие диски и другие устройства хранения данных. Такие широкие плоские шлейфы имеют 40 и 80 проводов, но проблема заключается даже не в том, что эти кабели неудобно подсоединять, а в том, что для обеспечения нормальной вентиляции внутри корпуса эти шлейфы необходимо правильно укладывать. В противном случае они создают сопротивление потоку воздуха, что приводит к нежелательному повышению температуры внутри корпуса. Но, похоже, скоро все мучения по укладке шлейфов закончатся. Недалек тот день, когда производители жестких дисков перейдут на новый интерфейс, известный под названием Serial ATA (Serialized AT Attachment).
обственно,
на конструкции самих жестких дисков и их скоростных характеристиках переход
на Serial ATA никак не отразится, а вот контроллер интерфейса будет принципиально
другим. Итак, попробуем разобраться, что нам сулит переход на новый интерфейс.
Начнем с традиционного интерфейса Parallel ATA (PATA). Напомним, что это параллельный
интерфейс, то есть биты данных передаются параллельно по нескольким проводам.
Первоначально интерфейс PATA имел максимальную скорость передачи данных 33 Мбайт/с
(ATA33) и диски с таким интерфейсом подключались с использованием 40-пинового
шлейфа. Однако в настоящее время физическая скорость чтения жестких дисков превосходит
50 Мбайт/с и использование интерфейса ATA33 не позволяет реализовать возможности
жестких дисков. На смену этому интерфейсу пришел сначала интерфейс ATA66 с максимальной
пропускной способностью 66 Мбайт/с, а затем и интерфейс ATA100 с 100 Мбайт/с.
Несколько позднее появился и новый интерфейс ATA133 с максимальной пропускной
способностью 133 Мбайт/с.
Конечно, для многих современных дисков интерфейса ATA100 более чем достаточно, чтобы реализовать их скоростные возможности. И в этом смысле может быть не совсем понятно, зачем потребовался интерфейс ATA133. Ответить на этот вопрос можно так: дело здесь не в увеличившейся пропускной способности, а в максимально возможном объеме жесткого диска. Стандарт ATA100 допускает использование максимального объема жесткого диска до 137 Гбайт, что связано с 28-битной адресацией сектора. Современные диски вплотную подошли к этому пределу — их максимальный объем составляет 120 Гбайт, поэтому дальнейшее увеличение емкости дисков просто невозможно в стандарте ATA100. В стандарте же ATA133 (и в этом его главное преимущество) используется 48-битная адресация сектора, что позволяет адресовать диски с невероятно большим объемом — 144 Пбайт (петабайт).
Казалось бы, стандарт ATA133 решил все проблемы и можно больше не беспокоиться, но… согласно пресловутому закону Мура, плотность размещения транзисторов на чипе удваивается каждые 18 месяцев. Подобный закон можно сформулировать и в отношении жестких дисков. Конечно, увеличение скорости чтения для жестких дисков происходит не столь стремительно, как хотелось бы, но если сейчас она составляет 50-60 Мбайт/с, то можно ожидать, что к 2004 году эта скорость возрастет до 100-120 Мбайт/с и пропускной способности интерфейса ATA133 будет уже недостаточно.
Есть несколько способов повысить пропускную способность интерфейса: увеличить разрядность шины данных, или увеличить тактовую частоту передачи, или сделать и то и другое сразу. Однако теория теорией, а практическая реализация таких способов наталкивается на непреодолимые (в настоящий момент) проблемы, поскольку увеличение разрядности шины данных (то есть когда передача становится все более «параллельной») накладывает жесткие ограничения на максимальную частоту передачи. Это вызывает сложности синхронизации, возникновение паразитных модуляционных сигналов при одновременном переключении сигналов в соседних проводах, интерференцию сигналов на высоких частотах и т.д. Поэтому для реализации большей пропускной способности был выбран путь последовательной передачи данных: разрядность шины данных свели к минимуму и повысили тактовую частоту передачи.
Новый стандарт, в котором реализован метод последовательной передачи данных, получил название Serial ATA (Serialized AT Attachment). В этом стандарте версии 1.0 предусмотрена максимальная пропускная способность 155 Мбайт/с, а об ограничениях на размеры дисков можно просто забыть на ближайшие лет десять. Конечно, цифра 155 Мбайт/с не слишком впечатляет по сравнению со 133 Мбайт/с в стандарте PATA133. Не сменили ли в этом случае шило на мыло? Вовсе нет, так как стандарт Serial ATA имеет весьма высокие потенциальные возможности, а в следующих версиях Serial ATA предусматривается удвоение скорости передачи, то есть сначала 300 Мбайт/с, а затем и 600 Мбайт/с (см. таблицу).
Понятно, что цифры в 300 и 600 Мбайт/с уже впечатляют. Учитывая, что на сегодняшний момент скорость чтения жестких дисков составляет порядка 50-60 Мбайт/с, это очень неплохой задел на будущее.
Правда, здесь нужно сделать одну оговорку. Сегодняшняя PCI-шина в обычных настольных ПК (не серверный вариант) является 32-битной и 33-мегагерцевой, а ее максимальная пропускная способность составляет 133 Мбайт/с. Следовательно, если контроллеры Serial ATA будут реализовываться как PCI-устройства, то все их преимущества сведутся на нет самой PCI-шиной. Даже если SATA-контроллеры будут интегрироваться в южный мост чипсета в обход PCI-шины, то и в этом случае пропускная способность шины, связывающей южный и северный мосты, окажется узким местом и не позволит реализовать все возможности стандарта SATA. Но выход есть: параллельно с разработкой нового стандарта SATA ведутся работы и по разработке новой универсальной шины PCI-Express (рис. 1), но это тема уже для следующей статьи.
А теперь, после этого небольшого «лирического отступления», вернемся к теме нашей статьи. Как уже отмечалось, стандарт SATA150 подразумевает последовательную передачу данных, а потому в новых кабелях будет всего четыре провода (рис. 2)! Одна пара работает на передачу, а другая — на прием, то есть реализуется полнодуплексный режим передачи. Согласитесь, что иметь дело с таким тонким кабелем куда приятнее, чем с 80-пиновым кабелем в стандарте PATA133 или PATA100. Кроме того, никаких коллизий и не надо производить согласование по системной шине (рис. 3).
Протокол Serial ATA предусматривает три уровня:
- Транспортный уровень (Transport Layer) — отвечает за согласование с протоколами более высокого уровня, такими как PCI или Parallel ATA.
- Канальный уровень (Link Layer) — отвечает за формирование пакетов данных, 8b/10b-кодирование/раскодирование, проверку CRC-сумм во входящих пакетах и генерацию этих сумм в исходящих пакетах. Этот уровень также управляет потоками данных, буферизацией и скоростью передачи.
- Физический уровень (Phy Layer) — получает данные в 10b-коде и отвечает за их преобразование к последовательному виду (сериализация данных).
По сравнению с традиционным параллельным интерфейсом, интерфейс Serial ATA имеет большую помехозащищенность и мало восприимчив к электромагнитным помехам за счет использования низкоуровневых дифференциальных сигналов. Уровень сигнала измеряется не по отношению к «земле», а по отношению к уровню сигнала в соседнем проводе, то есть как разница сигналов в двух проводниках. Любая наведенная помеха сказывается на обоих сигналах, однако их дифференциальная разница при этом не меняется (рис. 4). Другим преимуществом Serial ATA, повышающим его помехозащищенность, является использование контрольных CRC-сумм.
На физическом уровне для передачи данных используется достаточно распространенная методика, которая получила широкое применение в сетевых технологиях. Так, используются скрэмблирование и кодирование 8b/10b, когда каждые исходные 8 бит заменяются в соответствии с определенной таблицей на 10 бит. Такая незначительная избыточность улучшает спектральные характеристики сигнала, ибо исключает возможность появления в цепочке передаваемых бит длинных последовательностей нулей и единиц. Кроме того, повышаются и самосинхронизирующие свойства кода.
В отличие от традиционного стандарта Parallel ATA, где длина кабеля не превышала 80 см, в стандарте SATA 1.0 размер кабеля может достигать 1 м. Другой особенностью стандарта SATA является организация взаимодействия между контроллером и диском по принципу «точка-точка» (peer-to-peer). Напомним, что стандарт Parallel ATA предусматривает подключение на один канал до двух устройств (Master и Slave), соответственно полоса пропускания для обоих устройств не превышает 133 Мбайт/с. В стандарте SATA к одному контроллеру можно подключить только один жесткий диск, поэтому каждому устройству стандарта SATA предоставляется вся полоса пропускания целиком.
К тому же в стандарте SATA предусмотрена поддержка технологии hot swap (использование дисков с горячей заменой), которая уже давно используется в дорогих серверных SCSI-дисках, а с появлением устройств Serial ATA станет стандартом для всех устройств хранения данных.
Естественно, стандарт Serial ATA будет реализован не только в контроллерах на материнских платах, но и в RAID-контроллерах для построения как домашних, так и серверных недорогих дисковых систем. При построении дисковых RAID-массивов особенно важна пропускная способность интерфейса. К примеру, существующие многоканальные IDE RAID-контроллеры для настольных компьютеров, поддерживающие стандарт ATA100, упираются в пропускную способность интерфейса уже при использовании более трех дисков, а использование интерфейса Serial ATA сулит большие преимущества. Правда, при этом не стоит забывать и о пропускной способности PCI-шины, что также ограничивает пропускную способность всего дискового массива. Впрочем, как уже было сказано, проблема шины будет решаться и для настольных компьютеров, а вот использование SATA в серверных платформах начального уровня уже сейчас предполагает широкие перспективы. Напомним, что в серверных платформах, кроме 32-битных 33-мегагерцевых PCI-шин, есть и полноразмерные 64-битные 66-мегагерцевые шины, и шина PCI-X с частотой 133 МГц. Разумеется, пропускной способности этих шин достаточно для реализации высокопроизводительных дисковых подсистем.
Корпорация Intel уже анонсировала первый RAID-контроллер с поддержкой Serial ATA под названием Taft TTM PCI, который выполнен на основе чипа IOP303 и является четырехканальным, то есть позволяет подключить четыре жестких диска. Контроллер использует 32 Мбайт памяти PC133 c ECC и 32 Мбайт флэш-памяти. Taft TTM поддерживает уровни RAID-массива 0, 1, 4, 5 и 10, что дает возможность создавать высокопроизводительные и высоконадежные дисковые подсистемы. Естественно, контроллер поддерживает горячую замену жестких дисков.
Использование RAID-контроллеров с поддержкой Serial ATA довольно перспективно для серверов начального уровня. Однако и традиционный стандарт SCSI в скором будущем будет заменен стандартом Serial Attached SCSI. Интерфейс Serial Attached SCSI предназначен для рынка серверов и устройств хранения данных уровня предприятия и общего назначения, обслуживающих приложения для выполнения ответственных задач. Новая архитектура будет поддерживать более 128 устройств и может использоваться одновременно с дисководами SATA. Появление устройств Serial SCSI ожидается уже в 2004 году. В первой реализации предусматривается пропускная способность интерфейса 300 Мбайт/с, во второй реализации — 600 Мбайт/с, а в третьей — 1200 Мбайт/с (рис. 5).
КомпьютерПресс 11'2002
