4.13.10 Контроллеры дисководов контроллеры fdd
На современных материнских платах контроллер FDD интегрирован в южный мост Chipset, и на материнской плате имеется специальный разъем для подключения 34-х жильного кабеля.
В этом кабеле между разъемами для подключения к дисководам перекручены 6 жил для присвоения разных имен приводам FDD (А – дальний разъем, после перекрутки, В – ближний разъем). По этим жилам передаются сигналы выбора накопителя и включения двигателя.
Помимо подключения одного или двух дисководов в определенной последовательности нужно сообщить системе тип каждого FDD и его объем.
Контроллеры винчестеров режимы передачи данных
Для передачи данных между винчестером и памятью РС используются два основных режима:
Режим программного ввода/вывода (Programmed Input/Output, PIO);
Режим прямого доступа к памяти (Direct Memory Access, DMA).
РЕЖИМ PIO
В режиме PIO каждый байт информации с жесткого диска сначала считывается центральным процессором и только потом записывается в оперативную память (ОЗУ). Это замедляет скорость считывания и не позволяет процессору проводить в это время другие расчеты.
Этот режим используется в однозадачных операционных системах, когда процессор компьютера производит обращение к диску, а затем обрабатывает новые данные.
РЕЖИМ DMA
В многозадачных операционных системах целесообразно использовать режим прямого доступа к памяти (DMA). Ввод/вывод данных в этом режиме осуществляется в оперативную память РС, минуя CPU. Этот процесс происходит под управлением специального ЕIDE-контроллера в паузах между обращениями CPU к оперативной памяти.
В этом случае процессор программирует контроллер ЕIDE, указывая откуда он должен взять данные и в какую область памяти их поместить. После получения этих указаний контроллер захватывает управление шиной PCI и выполняет операции без участия CPU.
Максимальная скорость передачи данных в стандарте Ultra DMA/33 достигает 33 МБ/с. Современные Chipset поддерживают режимы: Ultra DMA/66 и Ultra DMA/100.
ATA и SATA
Первые стандарты для винчестеров IDE были разработаны компаниями Western Digital и Compaq Computer в 1986 г. Тогда для подключения использовался 40-проводной кабель и имелась возможность одновременного обслуживания двух устройств. Первые IDE-накопители управлялись центральным процессором, отвлекая значительные вычислительные ресурсы, и обладали множеством других недостатков, главный из которых - слишком малая емкость. Несмотря на это, IDE стал очень популярным стандартом и был зарегистрирован Национальным институтом стандартизации США (ANSI), получив название АТА (а также ATAPI). Первая версия интерфейса, АТА-1, обладала следующими возможностями:
РIO mode 0, 1 и 2 (до 8,3 MBps) (программируемый ввод/вывод);
Singleword DMA mode 0, 1 и 2(до 8,3 MBps) (одиночная передача в режиме прямого доступа кпамяти);
Multiword DMA mode 0 (до 4,2 MBps) (групповая передача в режиме прямого доступа к памяти).
Единственным различием между IDE и АТА является то, что IDE определяет спецификацию на электронику винчестеров, а АТА – на интерфейсное соединение между HDD и ПК; тем не менее, данные термины используются как слова-синонимы.
Вскоре после появления IDE вышла усовершенствованная версия – Enhanced IDE (EIDE), которая была разработана той же компанией Western Digital. Соответствующий стандарт от ANSI назывался АТА-2. Он позволял превысить традиционный предел емкости жесткого диска в 528 MB. При включенном режиме LBA в BIOS он мог поддерживать HDD объемом до 8,4 GB.
EIDE также допускал обслуживание до четырех винчестеров при использовании двух кабелей. Кроме того, появились следующие новые режимы: РIO mode 3 и 4 (до 16,6 MBps), Multiword DMA mode 1 и 2 (до 16,6 MBps), а также Block Transfer для повышения производительности (данный режим делает возможной передачу нескольких команд чтения/записи за одно прерывание).
Чтобы получить конкурентное преимущество, компания Quantum совместно с Intel разработала новую версию интерфейса для настольных жестких дисков – спецификацию Ultra ATA, также известную под названиями Ultra ATA/33, Ultra DMA33, ATA/ATAPI-4, Ultra DMA 2. Благодаря использованию обоих фронтов передаваемого сигнала эффективная рабочая частота возросла в два раза, соответственно и скорость передачи данных по интерфейсу увеличилась с 16,6 до 33,3 MBps.
Кроме того, для повышения надежности в Ultra АТА был введен циклический контрольный код (CRC). Этот стандарт определял следующие режимы: Ultra DMA Mode 0,1 и 2 (скорости 16,6; 25,0 и 33,3 MBps). Параллельно разрабатывался стандарт РIO Mode 5, но он обеспечивал скорость передачи всего 22,2 MBps и не имел режима прямого доступа к памяти, а потому так и не был реализован.
Увеличение пропускной способности оказалось очень кстати ввиду возрастания скорости чтения с пластин. Уже в 1998 г. была разработана следующая версия – Ultra ATA/66 (ATA/ATAPI-5). Стандарт предусматривал очередное увеличение скорости (до 66,6 MBps), а также смену кабеля с 40- на 80-жильный, в котором 40 дополнительных проводников заземлены для снижения высокочастотных помех и повышения надежности канала передачи данных. Также были добавлены новые режимы: Ultra DMA Mode 3 и 4 (скорости 44,4 и 66,6 MBps). Тем не менее, стандарт оказался полностью обратносовместимым, т. е. к материнским платам с контроллером Ultra АТА/66 можно было подключить диск хоть АТА-1, и наоборот, диск стандарта Ultra АТА/66 работал на плате с АТА-1.
На рынке Ultra АТА/66 появился в 1999 г., однако скорость жестких дисков продолжала расти такими темпами, что спустя всего год потребовалась очередная версия АТА. В результате летом 2000 г. появился стандарт Ultra ATA/100 (ATA/ATAPI-6). Используя преимущества нового кабеля и разъема, пропускную способность повысили до 100 MBps посредством сокращения длительности такта передачи сигнала.
Впоследствии в стандарт ATA/ATAPI-6 был включен еще и режим Ultra АТА/133, разработанный фирмой Maxtor в 2001 г. Данный режим не приобрел популярности среди производителей жестких дисков, несмотря на поддержку его разработчиками чипсетов для материнских плат. Причина этого достаточно проста: остальные компании уже ориентировались на другой стандарт – Serial ATA, поскольку недостатки обычного АТА (параллельного АТА) проявились еще при разработке Ultra ATA/100. Дальнейшее наращивание пропускной способности ограничивалось физически многожильным IDE-кабелем.
Вернемся теперь к Serial ATA. На прошедшем весной 2000 г. Intel Developer Forum (IDF) корпорация Intel и другие производители ПК и дисков (IBM, Dell, Seagate, Quantum, Maxtor, APT Technologies и пр.) образовали группу по выработке спецификации и продвижению на рынок нового интерфейса — Serial ATA. Официально он был представлен широкой общественности в сентябре 2001 г., когда на IDF компании Seagate (при деятельном участии Intel и APT Technologies) были впервые продемонстрированы винчестеры, совместимые с Serial ATA Revision 1.0.
Активный переход на новый последовательный интерфейс SATA планировался в 2002 г., однако этого не произошло. Основной проблемой стало отсутствие для конечного пользователя видимых преимуществ от данного стандарта – материнские платы с контроллерами SATA стоили значительно дороже, и их было сложно найти. То же касалось и жестких дисков, поскольку производители (за исключением Seagate и, в одном случае, WD) не стали специально разрабатывать винчестеры под новый стандарт, а просто установили на старые Parallel АТА-диски мост PATA-to-SATA. По той же причине не возрастала и скорость при переходе от РАТА к SATA (справедливости ради заметим, что и Seagate Barracuda 7200.7, несмотря на родной интерфейс, не получила прибавки в скорости). Переплачивать только за более тонкие кабели решились немногие, да и существовала проблема с переходниками питания для SATA – их было очень сложно достать. Из-за этого часть компаний оснастили свои HDD двумя разъемам питания – обычным и SATA. Возросшая до 150 MBps пропускная способность интерфейса также оказалась невостребованной. Переломным стал 2003 г. – именно тогда производители чипсетов для материнских плат представили продукты с интегрированной поддержкой SATA, что позволило начать продвижение стандарта в массы.
Работа над SATA продолжалась, к стандарту 1.0 начали выпускаться дополнения, и в 2004-м на их основе появилась вторая версия SATA.
Посмотрим, что же в ней было нового.
Во-первых, увеличилась пропускная способность (со 150 до 300 MBps). Учитывая, что скорость чтения с одиночного диска на данный момент приближается к 70 MBps, пропускной способности первой версии стандарта скорее всего с головой хватит на ближайшие несколько лет. С другой стороны – запас карман не тянет, да и лучше такая ситуация, чем то, что творилось несколькими годами ранее со стандартами АТАЗЗ/66/100/133.
Во-вторых, поддержка Native Command Queuing (NCQ), или технологии маршрутизации команд, стала фактически неотъемлемой частью стандарта SATA II, до этого же NCQ являлась необязательным дополнением SATA 1.0. NCQ позволяет переупорядочивать до 32 команд чтения/записи жесткого диска с целью достижения оптимальной производительности и снижения износа его механизмов.
Для использования данной технологии необходимы три условия: контроллер SATA II или SATA 1.0 с поддержкой NCQ (на плате или отдельный), драйверы для операционной системы с поддержкой команд NCQ и жесткий диск с NCQ. С первым и вторым на данный момент проблем нет – контроллеры SATA II имеются на всех материнских платах с чипсетами i915/925 и выше а также nForce4, соответствующие драйверы для них уже есть.
Однако в связи с тем, что часть работы с NCQ выполняет драйвер, при включении данной технологии может наблюдаться некоторое повышение загрузки процессора. Производители жестких дисков заняли разные позиции: Maxtor и Seagate представили свои винчестеры с поддержкой NCQ еще в 2005 году, Samsung и Hitachi сделали это сравнительно недавно, a WD поступила достаточно странно – ее новые диски серии JS, несмотря на логотип SATA II, несовместимы с NCQ! Это пока единственный случай отклонения от стандарта, но перед покупкой стоит внимательно изучить спецификации на товар.
И, в-третьих, добавлена функция горячего подключения, ранее являвшаяся опциональной. После установки соответствующих драйверов жесткий диск стандарта SATA II в системе определяется как съемное устройство и может быть в любой момент безопасно отключен. Что еще более удобно – в комплекте с некоторыми материнскими платами поставляется специальная планка на заднюю стенку с двумя SATA-разъемами и разъемом питания, благодаря чему можно подключить SATA II винчестер, не вскрывая системный блок и не используя дополнительные приспособления вроде USB- или FireWire-карманов.
В целом, вторая версия SATA является скорее стандартизацией тех возможностей SATA, которые ранее были отданы на откуп производителям жестких дисков/контроллеров, а не чем-то радикально новым. Тем не менее, на данный момент уже имеет смысл обращать внимание на тип и версию интерфейса винчестера, а при покупке отдавать предпочтение более новой версии, не забывая, конечно, и о цене.
NCQ
Несмотря на значительный рост производительности жестких дисков, они по-прежнему остаются самым медленным компонентом в системе, ответственным за задержки в выполнении программ. Экстенсивный путь развития HDD, предполагающий увеличение плотности записи данных и повышение частоты вращения шпинделя, ведет к значительному удорожанию продукции или же не дает ожидаемого прироста быстродействия. Поэтому разработчикам приходится изыскивать новые пути решения проблемы, одним из которых является внедрение технологии СОРТИРОВКИ ОЧЕРЕДИ КОМАНД – Native Command Queuing (NCQ), в последнее время ставшей довольно популярной.
При обращении к жесткому диску значительная часть времени уходит на поиск необходимых дорожки и сектора для считывания/записи данных. С помощью технологии NCQ очередь поступивших запросов динамически перестраивается в буфере контроллера таким образом, чтобы позиционирование головок осуществлялось максимально быстро. Эта функция приобретает наибольшее значение, когда речь идет о многозадачной среде, в которой несколько приложений независимо обращаются к участкам жесткого диска (процесс не приостанавливается до окончания текущей операции ввода/вывода), физически расположенных довольно далеко друг от друга. Упорядочивание запросов позволяет уменьшить количество перемещений головок для считывания/записи запрашиваемой информации, тем самым сокращая суммарное время выполнения этой операции.
В упрощенном варианте алгоритм NCQ можно представить как схему работы лифта, где так называемая транспортная задача решается не в порядке поступления запросов от пассажиров, а по ходу спуска/подъема кабины. К тому же очередь динамически перестраивается в зависимости от требований входящих людей.
На рис. 4.36 иллюстрируется работа винчестера с технологией NCQ и без нее. Здесь жесткому диску нужно получить данные, находящиеся в секторах 1, 2, 3 и 4. Использование NCQ способствует существенному упрощению траектории движения головки и уменьшению количества оборотов шпинделя, необходимых для завершения всей операции, по сравнению с последовательным выполнением этой же команды. Применение данной технологии позволяет также несколько снизить механическую нагрузку на блок головок чтения/записи, тем самым теоретически уменьшая его износ и увеличивая срок службы.
Ситуация существенно улучшилась после создания интерфейса Serial ATA (SATA). Внедрение NCQ не потребовало значительного изменения базового протокола SATA, к тому же появилась возможность идентификации поддержки устройством очереди команд (для SATA она составляет 32 запроса). Это позволило контроллеру без каких-либо проблем одновременно взаимодействовать с дисками, имеющими NCQ и нет.
Рис. 4.36 – Иллюстрация технологии NCQ
Технология NCQ была объявлена дополнительной функцией в SATA-1.0а, а в SATA-II предполагалась как обязательная составляющая. Однако, к сожалению, в новой спецификации она осталась в качестве рекомендуемого пункта. Для ее работы необходимо выполнение следующих условий: поддержка NCQ жестким диском и контроллером SATA (интегрированным или внешним), а также наличие драйвера для ОС.
Если с программной частью у пользователей, имеющих доступ в Интернет, проблем обычно не возникает, то с аппаратными возможностями все не так просто. Поддержкой NCQ обладают контроллеры, интегрированные в южные мосты чипсетов Intel 9xx (ICH6R/M и ICH7R/M). В то же время, согласно информации с сайта компании Intel, базовые версии ICH6 и ICH7 и более ранние не имеют этой функции. Также обеспечивается работа данной технологии в серии чипсетов NVIDIA nForce4, a платы с наборами логики от VIA получают поддержку NCQ в случае применения южного моста VT8251. SIS включила NCQ в свой южный мост SIS966, а чипсеты с «югами» от ULi обзаведутся NCQ после установки М1575. Потому, если вы хотите иметь в своей системе технологию сортировки команд, при покупке новой материнской платы следует учитывать и этот момент. В случае использования внешних контроллеров SATA нужно внимательно изучить спецификацию.
Для включения NCQ в BIOS платы необходимо выставить режим контроллера AHCI (Advanced Host Controller Interface) и во время инсталляции операционной системы установить (по нажатии F6) соответствующие драйверы (в нашем случае это Intel Matrix Storage Manager 5.5.0.1035), предварительно записав их на дискету.
Результаты тестов показали, что при повседневной работе сортировка очереди запросов не дает никакого преимущества. Более того, в ряде случаев производительность жесткого диска может даже незначительно снижаться. Линейные операции копирования не требуют сортировки, в то время как NCQ работает независимо от этого, затрудняя функционирование контроллера. Практическая ценность технологии сортировки команд, вероятно, возрастет с повсеместным внедрением двухъядерных процессоров. Применение таких CPU зачастую несколько меняет модель использования компьютера, позволяя владельцу ПК безбоязненно работать одновременно с несколькими ресурсоемкими приложениями. При этом в подавляющем большинстве случаев в подобных системах по-прежнему будет один жесткий диск, что даст возможность технологии NCQ в условиях повышенной нагрузки на HDD в полной мере реализовать свое предназначение.