现代硬盘接口技术的研究及应用

来源:南粤论文中心 作者:郭志勇 杨金同 司 发表于:2010-07-01 10:20  点击:
【关健词】研究,应用,技术,接口,硬盘,现代,SATA,速度,NCQ,
硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件,作用是在硬盘缓存和主机内存之间传输数据。不同的硬 盘接口决定着硬盘与计算机之间的连接速度,在整个 系统中,硬盘接口的优劣直接影响着程序运行快慢和 系统性能好坏。长期以来,随着计算机技术的发展, 硬盘技术也在不断进步,传统的接口技术是一直在使 用的Ultra ATA,但有好些方面都显得过时而需要改进 了:数据线太粗,安装不方便,影响机箱内空气流通, 不利于机箱散热,这是传统IDE接口即Ultra ATA硬 盘的致命缺点。这种延用已久的IDE硬盘还有其它 方面的

不支持热拔插。并行A1rA在支持设备热插拔方 面能力有限,这一点对服务器方面的应用非常重要。 因为服务器通常采用RAID的方式,任何一块硬盘坏 了都可以热拔插更换,而不影响数据的完整性,确保 服务器任何情况下都正常开着。具有热插拔支持功 能的SCSI和光纤通道占据了企业级应用的几乎全部
市场,并行A1'A空有价格优势而不能获得一席之地,
主要原因就是它不支持热拔插。 不够完善的错误检验技术。Ultra   ATA引入了基
于CRC的数据包出错检测,该技术是ATA一3标准的 组成部分。但是,没有任何一种并行ATA标准提供命 令和状态包的出错检测。尽管命令和状态包出错的 范围和几率都小,但它们出错的可能性还是存在的。
使用过时的5伏电压。处理器核心从几个方面要 求向低电压过渡。较低电压允许更快的信号陡变,这 对提高速度、降低热耗至关重要。现在的CPU核心电 压基本上都小于2伏,为保持与系统主板上其它芯片 的互操作性,通常使用3.3伏的外部电压分离出来,5 伏电压成为过时的标准。虽然大部分目前的ATA/ ATAPI一6标准为并行ATA设备指定的直流电压供应 为3.3V(-I-8%),但一些模式的接收器大于4伏,所以 要使用过时的5伏电压。
接口速度的可升级性差。Ultra  ATA是受并行总 线特性的限制,带宽容易受到限制,经过多次升级,目 前最高传输率也只是133M字节/秒。
鉴于以上五个方面的问题,随着人们和市场注重 于硬盘的传输速度和容量两个方面的要求,SATA技 术的硬盘出现了,它比IDE硬盘接口表现在以下几个 方面优越性:
一、SATA是Serial A1'A的缩写,即串行A1.A。这 是一种完全不同于并行ATA的新型硬盘接口类型,由 于采用串行方式传输数据而得名。由于SATA硬盘接 口使用串行总线,不再使用过时的并行总线接口,数 据线从80pin变成了7pin,长度达到1米(IDE线的长 度不能超过0.4米),安装更方便,利于机箱散热。除 此之外,它还有很多优点:一对一连接,没有主从盘的烦恼。每个设备都卣接与主板相连,独享150M字节/ 秒带宽,设备间的速度不会互栩影响。
二、支持热拔插。SATA支持低端服务器的应用,
数据传输更加可靠。SArl’A提高了错误检查的能力, 除了对CRC对数据检错之外,还会对命令和状态包进 行检错,因此和并行ATA相比提高了接入的整体精确 度,使串行ATA在企业RAID和外部存储应用中具有 更大的吸引力。
三、低电压信号。SATA的信号电压最高只有0.5 伏,低电压一方面能更好地适应新平台强调3.3伏的 电源趋势,另一方面有利于速度的提高。
四、带宽升级潜力大。SATA不依赖于系统总线 的带宽,而是内置时钟。刚推出的这一代SA7FA内置
1500MHz时钟,可以达到150M字节/秒的接口带宽。 由于不再依赖系统总线频率,每一代SATA升级带宽 的增加都是成倍的:下一代300M字节/秒,再下一代 可以达到600M字节/秒。
尽管如此,SATA仍然存在一些不足之处: 首先,SATA的诸多先进性总体上对个人电脑用
户意义不是太大,它最大的意义反而是适应了入门级 企业应用的需要。其次,nForce4、915之前的那些主板 使用SATA硬盘,在安装操作系统的时候需要用到软 盘,就象SCSI硬盘那样,比较麻烦。另外,国内用户的 电脑配置相对落后,前期主板还不支持SATA硬盘。
虽然,SATA最大的成功在于吸引了很多低端入 门级服务器的用户。但在企业级应用方面,它又仍然 在很多方面有待改进:
单线程的机械底盘。SATA毕竟只是ATA,它的 机械底盘是为8x5线程设计的,而SCSI的机械底盘是
24x7多线程设计,能更好地满足服务器多任务的需 要。所以SATA虽然在单任务的测试中不比SCSI差, 但面对大数据吞吐量的服务器,还是有差距的。除了 速度之外,面对多任务数据读取,硬盘磁头频繁地来 回摆动,使硬盘过热是SATA最大的问题。
形同虚设的热拔插功能。在实践中,RAID硬盘
阵列是由多个硬盘组成的,必须知道具体哪一块硬盘 坏了,热拔插更换才有意义。SATA硬盘虽然可以热 拔插,但SATA组成的阵列在某块硬盘损坏的时候,不 能象SCSI、FC和SAS那样,具有SAF—TE机制用指示 灯显示,知道具体坏的是哪一块,热拔插替换的时候, 如果取下的是好硬盘,就容易使数据出错。所以SA— TA的热拔插功能实用性很差。
速度慢。SATAI.0控制器的传输速度效率不高, 虽然标称具有150MB/s的峰值速度,事实上最快的 SATA硬盘速度也只有60MB/s。SATA相对于SCSI 和FC速度慢,主要原因是机械底盘不同,不适应服务 器应用程序大量非线性的读取请求。所以SATA硬盘 用来做视频下载服务器还不错,用在网上交易平台则34稍嫌不足。
整个解决方案成本较高。虽然SATA硬蕊相对于 SCSI硬盘来说很便宜,但整个的SATA方案并不便 宜。主要原因是SATAl.0控制器的每个接口只能连 接一个硬盘,8个硬盘组成的阵列需要8个接口,把每 个接口300多元的成奉算进去,就没有了价格优势。
Intel推出SATA是为在入门级服务器和工作站等 企业应用的,2004年还专门成立了SATAIO(SATA国 际组织)。而现在经常听到“NCQ硬盘”和“SATAII硬 盘”这两个名词,它们是SATA向下一代——SATAII 发展的两个不同阶段的产品:
第一阶段是在SATA的基础上加入NCQ原生指 令排序、存储设备管理(Enclosure  Management)、底板 互连、数据分散/集中这四项新特性。
第二阶段是在第一阶段的基础上作进一步改进, 加入了双宿主主动式故障替换、与多个硬盘高效连 接、3.0Gb(即300MB/s)接口带宽等特性。
“NCQ硬盘”的改进:不仅仅是NCQ这么简单。 由于SATAII的第一阶段几项改进中,NCQ原生
指令排序技术对个人用户意义比较大,所以也只有这 一项技术比较多人了解。其实SATAII第一阶段加入 的技术包括如下几项:
NCQ原生指令排序Native eonm.1and queuing:这是SC— SI早就使用的—种技术,只是最近才应用于SATA硬盘。
传统台式机硬盘都用线性形式处理请求,这种方 式潜在很不好的方面,要理解其中原理,必须对硬盘 物理结构有个基本了解。硬盘里面是圆盘状的,很象 CD光盘。每一个圆盘由许多同心圆划分为一条条磁 道,磁道又分出扇区。每个圆盘由一个或多个磁头负 责读取。如果数据分布在同一磁道,寻找数据的速度 是最快的。在不同磁道之间移动则消耗很多时间。 假设要读取三块数据,其中一块在圆盘最外边的磁道 上。一块在圆盘最里面的磁道上,还有一块在圆盘最 外边的磁道上。传统的硬盘,会依次先渎取圆盘最外 面的数据,然后读取最里面的数据,最后再回头读取 最外面的数据。这样一来,磁头移来移去消耗的寻道 时间多,效率就低了。如果把磁头移动减到最少,寻 道时间就会相应减少。这就是NCQ的目的所在—— NCQ可以重新编排指令,不让磁头从外移到内再移到 外,而是在移向圆盘内圈之前就渎取外圈的两块数 据。现在应该明白CPU的速度对硬盘性能影响微乎 其微,但NCQ技术则可以明显改善硬盘性能,特别是 对前面提到的SATA多线程性能差、容易磁头频繁来 回摆动、硬盘容易过热这些方面有很大改善。(责任编辑:南粤论文中心)转贴于南粤论文中心: http://www.nylw.net(南粤论文中心__代写代发论文_毕业论文带写_广州职称论文代发_广州论文网)

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