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    現代硬盤接口技術的研究及應用

    來源:南粵論文中心 作者:郭志勇 楊金同 司 發表于:2010-07-01 10:20  點擊:
    【關健詞】研究,應用,技術,接口,硬盤,現代,SATA,速度,NCQ,
    硬盤接口是硬盤與主機系統間的連接部件,作用是在硬盤緩存和主機內存之間傳輸數據。不同的硬 盤接口決定著硬盤與計算機之間的連接速度,在整個 系統中,硬盤接口的優劣直接影響著程序運行快慢和 系統性能好壞。長期以來,隨著計算機技術的發展, 硬盤技術也在不斷進步,傳統的接口技術是一直在使 用的Ultra ATA,但有好些方面都顯得過時而需要改進 了:數據線太粗,安裝不方便,影響機箱內空氣流通, 不利于機箱散熱,這是傳統IDE接口即Ultra ATA硬 盤的致命缺點。這種延用已久的IDE硬盤還有其它 方面的

    不支持熱拔插。并行A1rA在支持設備熱插拔方 面能力有限,這一點對服務器方面的應用非常重要。 因為服務器通常采用RAID的方式,任何一塊硬盤壞 了都可以熱拔插更換,而不影響數據的完整性,確保 服務器任何情況下都正常開著。具有熱插拔支持功 能的SCSI和光纖通道占據了企業級應用的幾乎全部
    市場,并行A1'A空有價格優勢而不能獲得一席之地,
    主要原因就是它不支持熱拔插。 不夠完善的錯誤檢驗技術。Ultra   ATA引入了基
    于CRC的數據包出錯檢測,該技術是ATA一3標準的 組成部分。但是,沒有任何一種并行ATA標準提供命 令和狀態包的出錯檢測。盡管命令和狀態包出錯的 范圍和幾率都小,但它們出錯的可能性還是存在的。
    使用過時的5伏電壓。處理器核心從幾個方面要 求向低電壓過渡。較低電壓允許更快的信號陡變,這 對提高速度、降低熱耗至關重要。現在的CPU核心電 壓基本上都小于2伏,為保持與系統主板上其它芯片 的互操作性,通常使用3.3伏的外部電壓分離出來,5 伏電壓成為過時的標準。雖然大部分目前的ATA/ ATAPI一6標準為并行ATA設備指定的直流電壓供應 為3.3V(-I-8%),但一些模式的接收器大于4伏,所以 要使用過時的5伏電壓。
    接口速度的可升級性差。Ultra  ATA是受并行總 線特性的限制,帶寬容易受到限制,經過多次升級,目 前最高傳輸率也只是133M字節/秒。
    鑒于以上五個方面的問題,隨著人們和市場注重 于硬盤的傳輸速度和容量兩個方面的要求,SATA技 術的硬盤出現了,它比IDE硬盤接口表現在以下幾個 方面優越性:
    一、SATA是Serial A1'A的縮寫,即串行A1.A。這 是一種完全不同于并行ATA的新型硬盤接口類型,由 于采用串行方式傳輸數據而得名。由于SATA硬盤接 口使用串行總線,不再使用過時的并行總線接口,數 據線從80pin變成了7pin,長度達到1米(IDE線的長 度不能超過0.4米),安裝更方便,利于機箱散熱。除 此之外,它還有很多優點:一對一連接,沒有主從盤的煩惱。每個設備都卣接與主板相連,獨享150M字節/ 秒帶寬,設備間的速度不會互栩影響。
    二、支持熱拔插。SATA支持低端服務器的應用,
    數據傳輸更加可靠。SArl’A提高了錯誤檢查的能力, 除了對CRC對數據檢錯之外,還會對命令和狀態包進 行檢錯,因此和并行ATA相比提高了接入的整體精確 度,使串行ATA在企業RAID和外部存儲應用中具有 更大的吸引力。
    三、低電壓信號。SATA的信號電壓最高只有0.5 伏,低電壓一方面能更好地適應新平臺強調3.3伏的 電源趨勢,另一方面有利于速度的提高。
    四、帶寬升級潛力大。SATA不依賴于系統總線 的帶寬,而是內置時鐘。剛推出的這一代SA7FA內置
    1500MHz時鐘,可以達到150M字節/秒的接口帶寬。 由于不再依賴系統總線頻率,每一代SATA升級帶寬 的增加都是成倍的:下一代300M字節/秒,再下一代 可以達到600M字節/秒。
    盡管如此,SATA仍然存在一些不足之處: 首先,SATA的諸多先進性總體上對個人電腦用
    戶意義不是太大,它最大的意義反而是適應了入門級 企業應用的需要。其次,nForce4、915之前的那些主板 使用SATA硬盤,在安裝操作系統的時候需要用到軟 盤,就象SCSI硬盤那樣,比較麻煩。另外,國內用戶的 電腦配置相對落后,前期主板還不支持SATA硬盤。
    雖然,SATA最大的成功在于吸引了很多低端入 門級服務器的用戶。但在企業級應用方面,它又仍然 在很多方面有待改進:
    單線程的機械底盤。SATA畢竟只是ATA,它的 機械底盤是為8x5線程設計的,而SCSI的機械底盤是
    24x7多線程設計,能更好地滿足服務器多任務的需 要。所以SATA雖然在單任務的測試中不比SCSI差, 但面對大數據吞吐量的服務器,還是有差距的。除了 速度之外,面對多任務數據讀取,硬盤磁頭頻繁地來 回擺動,使硬盤過熱是SATA最大的問題。
    形同虛設的熱拔插功能。在實踐中,RAID硬盤
    陣列是由多個硬盤組成的,必須知道具體哪一塊硬盤 壞了,熱拔插更換才有意義。SATA硬盤雖然可以熱 拔插,但SATA組成的陣列在某塊硬盤損壞的時候,不 能象SCSI、FC和SAS那樣,具有SAF—TE機制用指示 燈顯示,知道具體壞的是哪一塊,熱拔插替換的時候, 如果取下的是好硬盤,就容易使數據出錯。所以SA— TA的熱拔插功能實用性很差。
    速度慢。SATAI.0控制器的傳輸速度效率不高, 雖然標稱具有150MB/s的峰值速度,事實上最快的 SATA硬盤速度也只有60MB/s。SATA相對于SCSI 和FC速度慢,主要原因是機械底盤不同,不適應服務 器應用程序大量非線性的讀取請求。所以SATA硬盤 用來做視頻下載服務器還不錯,用在網上交易平臺則34稍嫌不足。
    整個解決方案成本較高。雖然SATA硬蕊相對于 SCSI硬盤來說很便宜,但整個的SATA方案并不便 宜。主要原因是SATAl.0控制器的每個接口只能連 接一個硬盤,8個硬盤組成的陣列需要8個接口,把每 個接口300多元的成奉算進去,就沒有了價格優勢。
    Intel推出SATA是為在入門級服務器和工作站等 企業應用的,2004年還專門成立了SATAIO(SATA國 際組織)。而現在經常聽到“NCQ硬盤”和“SATAII硬 盤”這兩個名詞,它們是SATA向下一代——SATAII 發展的兩個不同階段的產品:
    第一階段是在SATA的基礎上加入NCQ原生指 令排序、存儲設備管理(Enclosure  Management)、底板 互連、數據分散/集中這四項新特性。
    第二階段是在第一階段的基礎上作進一步改進, 加入了雙宿主主動式故障替換、與多個硬盤高效連 接、3.0Gb(即300MB/s)接口帶寬等特性。
    “NCQ硬盤”的改進:不僅僅是NCQ這么簡單。 由于SATAII的第一階段幾項改進中,NCQ原生
    指令排序技術對個人用戶意義比較大,所以也只有這 一項技術比較多人了解。其實SATAII第一階段加入 的技術包括如下幾項:
    NCQ原生指令排序Native eonm.1and queuing:這是SC— SI早就使用的—種技術,只是最近才應用于SATA硬盤。
    傳統臺式機硬盤都用線性形式處理請求,這種方 式潛在很不好的方面,要理解其中原理,必須對硬盤 物理結構有個基本了解。硬盤里面是圓盤狀的,很象 CD光盤。每一個圓盤由許多同心圓劃分為一條條磁 道,磁道又分出扇區。每個圓盤由一個或多個磁頭負 責讀取。如果數據分布在同一磁道,尋找數據的速度 是最快的。在不同磁道之間移動則消耗很多時間。 假設要讀取三塊數據,其中一塊在圓盤最外邊的磁道 上。一塊在圓盤最里面的磁道上,還有一塊在圓盤最 外邊的磁道上。傳統的硬盤,會依次先瀆取圓盤最外 面的數據,然后讀取最里面的數據,最后再回頭讀取 最外面的數據。這樣一來,磁頭移來移去消耗的尋道 時間多,效率就低了。如果把磁頭移動減到最少,尋 道時間就會相應減少。這就是NCQ的目的所在—— NCQ可以重新編排指令,不讓磁頭從外移到內再移到 外,而是在移向圓盤內圈之前就瀆取外圈的兩塊數 據。現在應該明白CPU的速度對硬盤性能影響微乎 其微,但NCQ技術則可以明顯改善硬盤性能,特別是 對前面提到的SATA多線程性能差、容易磁頭頻繁來 回擺動、硬盤容易過熱這些方面有很大改善。(責任編輯:南粵論文中心)轉貼于南粵論文中心: http://www.dcddqc.com(南粵論文中心__代寫代發論文_畢業論文帶寫_廣州職稱論文代發_廣州論文網)

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