Rozhraní pevných disků (HDD interface)

Typy rozhraní sběrnice

Z celkového hlediska se rozhraní pevných disků dělí na pět typů: paralelní ATA (PATA, nazývané také IDE nebo EIDE), SATA, SCSI, Fibre Channel a SAS. IDE se většinou používá ve výrobcích pro domácnost. A některá z nich se používají v serverech webových stránek. SCSI se používá hlavně na trhu serverů. Zatímco Fibre Channel se používá pouze ve špičkových serverech a je nákladný. V současné době je hlavním proudem u pevných disků rozhraní SATA. Používá ho většina notebooků a stolních počítačů a používají ho také pevné disky SSD. SAS se obecně používá v oblasti serverů. Má vysokou přenosovou rychlost a vysokou spolehlivost. V rámci širokých kategorií IDE a SCSI existuje řada specifických typů rozhraní, které lze rozdělit podle různých technických specifikací a přenosových rychlostí.

Co je IDE?

2.1 Definice integrované elektroniky disku

Plným názvem je IDE "Integrated Drive Electronics" a jeho původní význam se vztahuje na pevné disky, které v sobě integrují "řadič pevného disku" a "tělo disku". Tento přístup snižuje počet a délku kabelů pro rozhraní pevného disku, zvyšuje spolehlivost přenosu dat a usnadňuje výrobu pevného disku. 

IDE představuje typ rozhraní harddisků, ale ve skutečných aplikacích jsou lidé zvyklí nazývat také první pevný disk typu IDE ATA-1. Tento typ rozhraní by všakl s rozvojem technologií odstraněn. Postupem času se vyvinulo více typů rozhraní pevných disků, například ATA, Ultra ATA, DMA, Ultra DMA a další rozhraní jsou všechna rozhraní pevných disků IDE.

Co je SCSI?

3.1 Základy SCSI

Úplný název SCSI je "Small Computer System Interface", což je naprosto odlišné rozhraní od IDE. SCSI není specificky určeno pro pevné disky, ale jedná se o technologii vysokorychlostního přenosu dat široce používanou v oblasti mikropočítačů. Jejími výhodami jsou široký rozsah použití, multitasking, velká šířka pásma, nízká míra obsazení procesoru a výměna za provozu. SCSI se tedy používá hlavně ve středně výkonných a výkonných serverech a špičkových pracovních stanicích. Vyšší cena však ztěžuje jeho popularizaci stejně jako v případě IDE. SCSI má navíc některé potenciální problémy. Má omezenou podporu systémového BIOSu a je třeba jej nastavit pro každý konkrétní počítač. Neexistuje ani společné softwarové rozhraní SCSI.

3.2 Jednotlivé verze rozhraní SCSI 

Co je Fiber Channel (FC)?

4.1 Přehled Fibre Channel

Fibre Channel je totéž co SCSI. Původně se nejedná o technologii rozhraní vyvinutou pro účely návrhu a vývoje pevných disků, ale speciálně navrženou pro síťové systémy. S vývojem úložných systémů se však postupně uplatňuje i v systémech pevných disků. Fibre Channel byl vyvinut za účelem zvýšení rychlosti a flexibility vícediskových úložných systémů. Výrazně zlepšuje rychlost komunikace vícediskových systémů. Hlavními vlastnostmi Fibre Channel jsou: hot swap, vysoká šířka pásma, vzdálené připojení, velký počet připojených zařízení atd. Dokáže splnit požadavky na vysokou rychlost přenosu dat u špičkových pracovních stanic, serverů, dílčích sítí hromadných úložišť a periferních zařízení pro obousměrnou a sériovou datovou komunikaci prostřednictvím rozbočovačů, přepínačů a spojení bod-bod.

4.2 Protokol Fiber Channel

Co je SATA?

5.1 Definice Serial ATA

SATA je zkratka pro "Serial Advanced Technology Attachment" nebo "Serial ATA". Jedná se o rozhraní používané k připojení pevných disků ATA k základní desce počítače. SATA používá sériový režim připojení. Sběrnice Serial ATA používá vestavěný taktovací signál, který má silnější schopnost korekce chyb. Oproti minulosti je jeho největší rozdíl v tom, že dokáže kontrolovat přenosové instrukce (nejen data). Chyby jsou automaticky opravovány, což výrazně zvyšuje spolehlivost přenosu dat.

Nyní je obecným datovým rozhraním rozhraní SATA. Důvodem, proč může nahradit rozhraní IDE, je skutečnost, že výkon rozhraní SATA je výrazně vyšší než výkon rozhraní IDE. Rychlost rozhraní SATA je také mnohem vyšší než u rozhraní IDE a podporuje také výměnu za provozu/zapojení za provozu.

5.2 Rozhraní SATA

Většina počítačů, které používáme, disponuje také rozhraním SATA. Aktuální rozhraní SATA má tři verze 1.0, 2.0 a 3.0. Platí, že čím větší číslo verze, tím později se objeví, a tím lepší je výkon, což je dáno především vyšší rychlostí přenosu dat. Rozhraní SATA 3.0 je dnes nejpoužívanějším rozhraním, i když od jeho uvedení již byly vydány čtyři revize, a to 3.1 až 3.4. Verze rozhraní SATA jsou zpětně kompatibilní a vyšší verze jsou kompatibilní s nižšími. Součástí některých pevných disků s rozhraním SATA jsou tzv. jumpery. Vzhledem k odlišnému nastavení jumperů se liší i číslo verze rozhraní SATA stejného pevného disku. Kromě toho skutečná přenosová rychlost rozhraní vyžaduje podporu základní desky SATA.

Potřebuji obnovit data na poškozeném disku SATA

SSD má vyšší výkon, menší rozměry a vyšší požadavky na rozhraní. Vysoce výkonné disky SSD v podstatě přešly na rozhraní M.2, U.2 a PCIe, nicméně rozhraní SATA určitě nebude v krátké době zrušeno. Nadále zůstává v základním spektru využití, zejména na trhu s pevnými disky. Specifikace SATA 3.3 inovovaná o SATA-IO přináší také některé nové funkce, optimalizuje podporu SMR a lze ji vypnout na dálku. Technologie šindelového magnetického záznamu SMR může zvýšit hustotu ukládání na HDD o 25 %.

Rozhraní SATA vstoupilo do éry 6 Gb/s ze standardu 3.0 v roce 2009. V roce 2011 bylo aktualizováno rozhraní SATA 3.1, v roce 2013 bylo aktualizováno rozhraní SATA 3.2 a v roce 2016 pak bylo aktualizováno rozhraní SATA 3.3. Tyto dílčí aktualizace však nepřinesly mnoho nových funkcí. Koneckonců úzkým hrdlem pevných disků není přenosová rychlost a z hlediska rozhraní je obtížné dosáhnout výrazných vylepšení.

5.3 Rozhraní IDE vs. SATA

Pevný disk SATA má oproti pevnému disku IDE nově navrženou konstrukci, umožňuje rychlejší přenos dat, šetří místo a má mnoho dalších výhod:

1. Pevný disk SATA má vyšší přenosovou rychlost než pevný disk IDE. SATA může poskytnout špičkovou přenosovou rychlost 150 MB/s. S postupem vývoje pak dosahuje rychlosti 300 MB/s a 600 MB/s. Tím získáme přenosovou rychlost téměř 10krát vyšší než u pevných disků IDE.
2. Ve srovnání s datovým kabelem PATA40 pinů pevných disků IDE je kabel SATA malý a tenký. Navíc má dlouhou délku přenosového kabelu, kterou lze prodloužit až na 1 metr, což usnadňuje instalaci zařízení a kabeláže ve stroji. Protože velikost konektoru je malá, tento druh kabelu účinně zlepšuje proudění vzduchu uvnitř počítače a také urychluje rozptyl tepla ve skříni.
3. Snížila se spotřeba energie. Pevné disky SATA mohou pracovat s proudem 500 mA.
4. SATA může být zpětně kompatibilní se zařízeními PATA pomocí víceúčelových čipových sad nebo sériově-paralelních převodníků. Vzhledem k tomu, že SATA a PATA mohou používat stejný disk, není třeba upgradovat nebo měnit operační systém.
5. SATA nepotřebuje nastavovat propojky master a slave disku. Systém BIOS je očísluje v pořadí 1, 2, 3. Zatímco u pevného disku IDE je třeba nastavit hlavní a podřízený disk prostřednictvím propojovacích jumperů.
6. SATA také podporuje připojení za provozu. Pevné disky IDE výměnu za provozu nepodporují.

Co je M.2?

Rozhraní M.2 je nová specifikace rozhraní. Jedná se o nový standard přizpůsobený pro počítače, který má nahradit původní rozhraní mSATA. Ať už jde o menší rozměry nebo vyšší přenosový výkon, M.2 je ve srovnání s mSATA podstatně dokonalejší.

Rozhraní M.2 se obecně dělí na dva typy. Při nákupu SSD disků M.2 je třeba věnovat pozornost interním protokolům. Jedním z nich je použití tradičního protokolu SATA AHCI, který se výkonem nijak neliší od běžných pevných disků SATA; druhým je použití zcela nového protokolu NVMe, který může poskytnout SSD diskům výkon dosahující až 3000 MB/s a více. 

Co je SAS?

SAS (Serial Attached SCSI) je nová generace technologie SCS, která je stejná jako současná populární technologie SATA. Využívá sériovou technologii k dosažení vyšší přenosové rychlosti a zkrácením kabelu zlepšuje vnitřní uspořádání prostoru. SAS je nové rozhraní vyvinuté po paralelním SCSI. Toto rozhraní je navrženo pro zlepšení výkonu, dostupnosti a rozšiřitelnosti úložného systému a pro zajištění kompatibility se SATA.

Technologie SAS může být zpětně kompatibilní se SATA. Konkrétně se kompatibilita obou projevuje především v kompatibilitě fyzické části a protokolu. Na fyzické vrstvě jsou rozhraní SAS a rozhraní SATA plně kompatibilní a pevný disk SATA lze přímo používat v prostředí SAS. Z hlediska standardů rozhraní je SATA dílčím standardem SAS, takže řadič SAS může přímo řídit pevné disky SATA, ale disky SAS nelze přímo používat v infrastruktuře SATA. Řadič SATA totiž nemůže řídit pevný disk SAS. Pokud jde o protokol, SAS se skládá ze tří typů protokolů, které používají odpovídající protokoly pro přenos dat podle různých zařízení. Mezi nimi se k přenosu příkazů SCSI používá sériový protokol SCSI (SSP), k údržbě a správě připojených zařízení se používá protokol správy SCSI (SMP) a k přenosu dat mezi SAS a SATA se používá kanálový protokol SATA (STP). V rámci spolupráce tří protokolů proto může SAS bezproblémově spolupracovat se SATA a řadou zařízení SCSI.

K základní desce systému SAS lze připojit dvouportové, vysoce výkonné disky SAS a vysokokapacitní, levné disky SATA. V úložném systému tak mohou existovat současně jednotky SAS i SATA. Je však třeba poznamenat, že systém SATA není kompatibilní se systémem SAS, takže jednotky SAS nelze připojit k zadní desce SATA. Díky kompatibilitě systému SAS mohou uživatelé používat pevné disky s různými rozhraními, aby splnili požadavky na kapacitu nebo výkon různých aplikací. Mají tak větší flexibilitu při rozšiřování úložného systému, což umožňuje maximalizovat přínosy úložných zařízení pro aplikace.

V systému lze ke každému portu SAS připojit až 16256 externích zařízení a systém SAS využívá přímý sériový přenos typu point-to-point s přenosovou rychlostí až 3 Gb/s. Odhaduje se, že v budoucnu se objeví vysokorychlostní rozhraní s rychlostí 6 Gb/s nebo dokonce 12 Gb/s. Výrazně se také zlepšil výkon rozhraní SAS. Poskytuje také 3,5palcová a 2,5palcová rozhraní, takže může splnit požadavky různých serverových prostředí. SAS se spoléhá na expandéry SAS, které umožňují připojit více zařízení. Většina expandérů má 12 portů.

Ve srovnání s tradičním paralelním rozhraním SCSI má SAS výrazně vyšší rychlost rozhraní. S použitím sériových kabelů může nejen dosáhnout delší vzdálenosti připojení, ale také zlepšit schopnost proti rušení. Kromě toho může tento kabel také výrazně zlepšit rozptyl tepla uvnitř skříně.

Technický průvodce: AHCI a protokol NVMe

Zde se zaměříme na protokol AHCI a protokol NVMe disku SSD.

Existují dva hlavní přenosové protokoly pro SSD (Solid State Drive): První je protokol AHCI a druhý je protokol NVMe.

8.1 Protokol AHCI

Advanced Host Controller Interface (AHCI), nastavuje provoz hostitelských řadičů Serial ATA (SATA) způsobem, který není závislý na implementaci ve vlastních čipových sadách základních desek. To znamená, že AHCI umožňuje ovladačům úložišť připojit pokročilé funkce SATA. Pokud používáme SATA SSD, musíme v nastavení základní desky povolit režim AHCI. Při zapnutí režimu AHCI lze totiž výrazně zkrátit počet zbytečných vyhledávání disku SSD a zkrátit dobu vyhledávání dat. Takže SSD při víceúlohovém provozu může uplatnit veškerý výkon a efekty. Podle souvisejících testů výkonu se po zapnutí režimu AHCI zvýší výkon SSD při čtení a zápisu přibližně o 30 %. S postupným zvyšováním výkonu SSD se však tyto standardy staly také hlavním úzkým místem omezujícím SSD disky. Standard AHCI určený pro pevné disky totiž není vhodný pro SSD disky s nízkou latencí.

8.2 Protokol NVMe

Dalším přenosovým protokolem je protokol NVMe, který představuje budoucí výkonnostní trend. Takzvaný protokol NVMe má plně využít nízkou latenci a paralelizaci kanálů PCI-E, výrazně zlepšit výkon čtení a zápisu SSD při řízených nárocích na úložiště. Snižuje vysokou latenci způsobenou AHCI a zcela uvolňuje konečný výkon SATA SSD.

Vzhledem k použití flash paměťových čipů a řídicích jednotek je cena SSD (SSD) s protokolem M.2 NVMe velmi vysoká, což je přibližně dvojnásobek ceny SATA SSD. 

Pokud jde o softwarovou vrstvu, je prodleva standardu NVMe méně než poloviční oproti AHCI. NVMe zjednodušuje způsob volání a při provádění příkazů není třeba číst registry. Každý příkaz AHCI musí načíst registry 4krát, na což je v celkové smyčce spotřebováno 8000 cyklů procesorového času, což způsobuje zpoždění přibližně 2,5 ms. NVMe může podporovat příjem příkazů a prioritizaci požadavků od vícejádrových procesorů současně.

NVMe má automatické přepínání stavu napájení a funkce dynamické správy napájení. Zařízení může po 50 ms nečinnosti přejít ze stavu napájení 0 do stavu napájení 1. Pokud bude i nadále nečinné, přejde po 500 ms do stavu napájení 2 s nižší spotřebou energie. Při přepínání dojde ke krátké prodlevě. SSD může být řízen na velmi nízké úrovni, je-li v nečinnosti. Z hlediska řízení spotřeby bude mít SSD disk NVMe větší výhodu než SSD disk AHCI. To je důležité pro mobilní zařízení, která mohou výrazně zvýšit energetickou výdrž notebooků. Navíc lze SSD disk NVMe snadno přizpůsobit různým platformám a systémům a může zcela běžně fungovat i bez příslušného ovladače dodaného výrobcem. V současné době podporují NVMe SSD systémy Windows, Linux, Solaris, Unix, VMware, UEFI atd.

SSD disky PCIe založené na protokolu NVMe svým výkonem a praktičností daleko předčí tradiční SSD disky na bázi rozhraní SATA AHCI. Lze říci, že je to budoucnost vývoje odvětví disků SSD. Tradiční rozhraní SATA se však pod vlivem snižování výrobních nákladů stane první volbou pro instalaci do běžných strojů.

8.2.1 PCI-E Basic

PCI-E (peripheral component interconnect express) je standard vysokorychlostní sériové rozšiřující sběrnice počítače. Její původní název je "3GIO". Byl navržen společností Intel v roce 2001 jako náhrada starých standardů sběrnic PCI, PCI-X a AGP. Patří mezi vysokorychlostní sériové sběrnice typu bod-bod s velkou šířkou pásma a dvoukanálovým přenosem. Připojená zařízení si přidělují výhradní šířku pásma kanálu a nesdílejí šířku pásma sběrnice. Podporuje především aktivní správu napájení, hlášení chyb, spolehlivý přenos end-to-end, hot plugging, kvalitu služeb ( QOS) a další funkce. PCI-E má také různé specifikace, od PCI-E x1 až po PCI-E x32, které mohou v budoucnu za určitou dobu uspokojit potřeby nízko rychlostních zařízení a vysokorychlostních zařízení.