ATA/SATA/SCSI/SAS/FC都是應(yīng)用于存儲(chǔ)領(lǐng)域的總線,在當(dāng)今的存儲(chǔ)系統(tǒng)中,普遍應(yīng)用的硬盤接口主要有SATA、SCSI、SAS和FC,ATA比較古老,在一些老的低端存儲(chǔ)系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用,目前基本上被SATA所替代。中國(guó)通信人博客,~1rEg?A]6/3D[[0Qp
?ATA總線中國(guó)通信人博客 |%z)G,z BJyE
ATA技術(shù)是一個(gè)關(guān)于IDE(Integrated Device Electronics)的技術(shù)規(guī)范族。最初,IDE只是一項(xiàng)企圖把控制器與盤體集成在一起為主要意圖的硬盤接口技術(shù)。 隨著IDE/EIDE得到的日益廣泛的應(yīng)用,全球標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議將該接口自誕生以來(lái)使用的技術(shù)規(guī)范歸納成為全球硬盤標(biāo)準(zhǔn),這樣就產(chǎn)生了ATA(Advanced Technology Attachment)。
3e4fTVr0ATA發(fā)展至今經(jīng)過(guò)多次修改和升級(jí),每新一代的接口都建立在前一代標(biāo)準(zhǔn)之上,并保持著向后兼容性。到目前為止,一共推出7個(gè)版本:ATA-1、ATA-2、ATA-3、ATA-4、ATA-5、ATA-6、ATA-7。
|T%IQ?f@F3w^F3^01). ATA-1是建立在ISA96-pin標(biāo)準(zhǔn)連接器上的附屬設(shè)備,使用40或44pin的連接器和電纜。在44pin方案里 ,額外多出的4個(gè)引腳用來(lái)向那些沒(méi)有單獨(dú)電源接口的設(shè)備提供電力支持。它在主板上有一個(gè)插口,支持一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)從設(shè)備,每個(gè)設(shè)備的最大容量為504MB,支持的PIO-0模式傳輸速率只3.3MB/s。ATA-1接口的硬盤大小為5英寸,而不是現(xiàn)在主流的3.5英寸。中國(guó)通信人博客-E#q$fLpEY+@2H A
2). ATA-2常被稱為EIDE (Enhanced IDE)、Fast ATA 或 Fast ATA-2。它在ATA的基礎(chǔ)上增加了2種PIO和2種DMA模式(PIO-3),不僅將硬盤的最高傳輸率提高到16.6MB/S,還同時(shí)引進(jìn)LBA地址轉(zhuǎn)換方式,突破了固有的504MB的限制,可以支持最高達(dá)8.1GB的硬盤。中國(guó)通信人博客sy#iRt%F B3}M(N
3). ATA-3沒(méi)有引入更高速度的傳輸模式,在傳輸速度上并沒(méi)有任何的提升,最高速度仍舊為16.6MB/s。只在電源管理方案方面進(jìn)行了修改,引入了了簡(jiǎn)單的密碼保護(hù)的安全方案。但引入了一個(gè)劃時(shí)代的技術(shù),那就是S.M.A.R.T(Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology,自監(jiān)測(cè)、分析和報(bào)告技術(shù))。這項(xiàng)技術(shù)會(huì)對(duì)包括磁頭、盤片、電機(jī)、電路等硬盤部件進(jìn)行監(jiān)測(cè),通過(guò)檢測(cè)電路和主機(jī)上的監(jiān)測(cè)軟件對(duì)被監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè),把其運(yùn)行狀況和歷史記錄同預(yù)設(shè)的安全值進(jìn)行分析、比較,當(dāng)超出了安全值的范圍,會(huì)自動(dòng)向用戶發(fā)出警告,進(jìn)而對(duì)硬盤潛在故障做出有效預(yù)測(cè),提高了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性。中國(guó)通信人博客'a1{q:^tt'X
4). ATA-4也習(xí)慣被稱為Ultra DMA 33或ATA33。因?yàn)閺?/span>ATA-4開(kāi)始正式支持Ultra DMA數(shù)據(jù)傳輸模式,首次在ATA接口中采用了Double Data Rate(雙倍數(shù)據(jù)傳輸)技術(shù),讓接口在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)兩次,時(shí)鐘上升和下降期各有一次數(shù)據(jù)傳輸,這樣數(shù)據(jù)傳輸率一下從16MB/s提升至33MB/s。Ultra DMA 33還引入了一個(gè)新技術(shù)-冗余校驗(yàn)計(jì)術(shù)(CRC),該技術(shù)的設(shè)計(jì)方針是系統(tǒng)與硬盤在進(jìn)行傳輸?shù)倪^(guò)程中,隨數(shù)據(jù)發(fā)送循環(huán)的冗余校驗(yàn)碼,對(duì)方在收取的時(shí)候也對(duì)該校難碼進(jìn)行檢驗(yàn),只有在完全核對(duì)正確的情況下才接收并處理得到的數(shù)據(jù),這對(duì)于高速傳輸數(shù)據(jù)的安全性有著極有力的保障。中國(guó)通信人博客u Hj_9G5EN4SD,p1V5W
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5). ATA-5也就是“Ultra DMA 66”,也叫ATA66,是建立在Ultra DMA 33硬盤接口的基礎(chǔ)上,同樣采用了UDMA技術(shù)。Ultra DMA 66讓主機(jī)接收/發(fā)送數(shù)據(jù)速率達(dá)到66.6 MB/s,是U-DMA/33的兩倍。保留了上代Ultra DMA 33的核心技術(shù)冗余校驗(yàn)計(jì)術(shù)(CRC)。在工作頻率提成的同時(shí),電磁干擾問(wèn)題開(kāi)始在ATA接口中,為保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性,防止電磁干擾,Ultra DMA 66接口開(kāi)始使用40針腳80芯的電纜,40針腳是為了兼容以往的ATA插槽,減小成本的增加。80芯中新增的都是地線,與原有的數(shù)據(jù)線一一對(duì)應(yīng),這種設(shè)計(jì)可以降低相鄰信號(hào)線之間的電磁干擾。中國(guó)通信人博客QNw:ND]
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6). ATA-6也是使用40針80芯的數(shù)據(jù)傳輸電纜,并且完全向下兼容,支持ATA-4、ATA-5接口的設(shè)備完全可以繼續(xù)在ATA-6接口中使用。ATA-6的數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)100MB/s。
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7). ATA-7是ATA接口的最后一個(gè)版本,也叫ATA133。只有邁拓公司推出一系列采用ATA133標(biāo)準(zhǔn)的硬盤,這是第一種在接口速度上超過(guò)100MB/s的IDE硬盤。邁拓是目前惟一一家推出這種接口標(biāo)準(zhǔn)硬盤的制造商,而其他IDE硬盤廠商則停止了對(duì)IDE接口的開(kāi)發(fā),轉(zhuǎn)而生產(chǎn)Serial ATA接口標(biāo)準(zhǔn)的硬盤。ATA133接口支持133 MB/s數(shù)據(jù)傳輸速度,在ATA接口發(fā)展到ATA100的時(shí)候,這種并行接口的電纜屬性、連接器和信號(hào)協(xié)議都表現(xiàn)出了很大的技術(shù)瓶頸,而在技術(shù)上突破這些瓶頸存在相當(dāng)大的難度。中國(guó)通信人博客^M(q{n}g
?SATA總線
0/-M9mOZo6/?P?tbi0上面介紹的ATA總線在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)采用的是并行方式,總線位寬為16bits,所以ATA也叫做PATA(Parallel ATA)。隨著CPU技術(shù)的高速發(fā)展,對(duì)外部總線帶寬的要求也越來(lái)越高,想要提高總線的帶寬,有兩種方法:增加數(shù)據(jù)線的根數(shù)或增加時(shí)鐘頻率。增加數(shù)據(jù)線的根數(shù),勢(shì)必會(huì)增加系統(tǒng)硬件的復(fù)雜度,使系統(tǒng)的可靠性下降,此方法不可行。那么,就提高總線的時(shí)鐘頻率,但是,隨著時(shí)鐘頻率的提高,并行總線的串?dāng)_和同步問(wèn)題表現(xiàn)的越來(lái)越突出,使總線不能正常工作。所以PATA總線的終極速率最終止步在133MB/s。各廠商不得不放棄PATA,去開(kāi)發(fā)新的技術(shù)。中國(guó)通信人博客b%g Y'rQp^0G
中國(guó)通信人博客?KF6uH&H
在此背景下產(chǎn)生,Intel、IBM、DELL、ADT、Maxtor和Seagate等幾家公司共同推出新的硬盤接口總線SATA。SATA即Serial ATA,串行ATA的意思。它將PATA總線的并行傳輸方式改為串行傳輸方式,規(guī)避了并行總線在高速下的串?dāng)_和同步問(wèn)題。
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SATA只有4根線,分別為:發(fā)送數(shù)據(jù)線,接收數(shù)據(jù)線,電源線,地線。
U)xKviW0SATA有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn),分別為SATA和SATA II。SATA的有效帶寬為150MB/s,數(shù)據(jù)速率為1.5Gbps(傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了8B/10B變換,150MB/s*10=1.5Gbps),SATA II的有效帶寬為300MB/s,數(shù)據(jù)速率為3Gbps。中國(guó)通信人博客kJo/lCA)m
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無(wú)論是SATA總線還是SATA II總線,其實(shí)對(duì)硬盤性能的影響都不大。因?yàn)槟壳坝脖P性能的瓶頸集中在由硬盤內(nèi)部機(jī)械機(jī)構(gòu)和硬盤存儲(chǔ)技術(shù)、磁盤轉(zhuǎn)速所決定的硬盤內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率上面,就算是目前最頂級(jí)的15000轉(zhuǎn)SCSI硬盤其內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率也不過(guò)才80MB/s左右,更何況普通的7200轉(zhuǎn)桌面級(jí)硬盤了。中國(guó)通信人博客 c!]J3PNg
中國(guó)通信人博客P.~Vd;s*T3Q
目前很多廠商都宣稱自己的SATA硬盤支持熱插拔,但實(shí)際上,SATA在硬盤損壞的時(shí)候,不能像SCSI/SAS和FC硬盤一樣,顯示具體損壞的硬盤,這樣熱插拔功能實(shí)際上形同虛設(shè)。同時(shí),盡管SATA在諸多性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越于PATA,甚至在某些單線程任務(wù)的測(cè)試中,表現(xiàn)出了不輸于SCSI的性能,然而它的機(jī)械底盤仍然為低端應(yīng)用設(shè)計(jì)的,在面對(duì)大數(shù)據(jù)吞吐量或者多線程的傳輸任務(wù)時(shí),相比SCSI硬盤,仍然顯得力不從心。除了速度之外,在多線程數(shù)據(jù)讀取時(shí),硬盤磁頭頻繁地來(lái)回?cái)[動(dòng),使硬盤過(guò)熱是SATA需要克服的缺陷。正是因?yàn)檫@些技術(shù)上致命的缺陷,導(dǎo)致目前為止,SATA還只能在低端的存儲(chǔ)應(yīng)用中徘徊。
ATA/SATA/SCSI/SAS/FC都是應(yīng)用于存儲(chǔ)領(lǐng)域的總線,中國(guó)通信人博客'u8h!]`q-U'Y{9e
?SCSI總線
3F-`6enV0@y7s3P0SCSI是英文Small Computer System Interfae的縮寫,可以直譯為小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)專用接口。它是一種連接主機(jī)和外圍設(shè)備的接口,支持包括硬盤、光驅(qū)及掃描儀在內(nèi)的多種設(shè)備。SCSI總線是一種并行總線,其優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)面廣,性能高;缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴,安裝復(fù)雜。中國(guó)通信人博客 `|&V6F$x6d
內(nèi)置型SCSI總線接口有三種:分別為50PIN、68PIN和80PIN。中國(guó)通信人博客s k&v2m|,p?-]~
68PIN:DB0-DB15、DB(P1)、P_CRCA為數(shù)據(jù)和校驗(yàn)信號(hào);ATN、BSY、ACK、RST、MSG、SEL、C/D、REQ、I/O為控制信號(hào);還有電源和地以及DIFFSESN用于探測(cè)SCSI總線的傳輸模式。中國(guó)通信人博客/`%aCxB4HW6xQG
80PIN:與68PIN接口相比,80PIN接口增加了12V、5V、3.3V電源、MATED信號(hào)、ID選擇信號(hào)、LED指示燈、RMT-SMART、DLYD-START、SPINDLE-SYNC等電源、狀態(tài)和功能信號(hào)。
~4t4Ug5bN0外置型SCSI總線接口有七種:分別為Apple SCSI 、Centronics 、SCSI-2 、Sun Microsystem 、SCSI-3、Wide SCSI-2 、SCA。中國(guó)通信人博客eOm/N Y#s
1). Apple SCSI,共有25針,分為兩排,8位,常用于Mac機(jī)和舊式Sun工作站;
/vR0Z0sZfV02). Centronics,共有50針,分為兩排,8位,有點(diǎn)像并行口,它可以連接的設(shè)備數(shù)目最多;
l_,k2Fo};/03). SCSI-2 ,共有50針,分為兩排,8位;
&zKfI2x_e5C04). Sun Microsystem的DD-50SA,共有50針,分為三排;
Gz2pi2S[05). SCSI-3和Wide SCSI-2,共有68針,分為兩排,16位。舊式DEC單終結(jié)SCSI 使用68針高密接口;中國(guó)通信人博客Ch.?RS6z,IG
6). SCA,共有80針,分為兩排。中國(guó)通信人博客iO?~f1eBv
其中Centronics 、SCSI-2 、Sun Microsystem 、SCSI-3、Wide SCSI-2型連接器的針腳數(shù)目相同,但是物理形狀不一樣。
7|X#`6y}n/5a:u0SCSI總線有很多規(guī)格,分別如下:
5h1xU@*/D|3j8e01). SCSI-1:最早的SCSI,支持同步和異步SCSI外圍設(shè)備,支持7臺(tái)8位的外圍設(shè)備,使用8位的通道寬度,傳輸速率為5MB/s;
@6} B@&Yu02). SCSI-2:類似SCSI-1,但是可以支持同時(shí)連接7個(gè)裝置,傳輸速率為 10-20MB/s,目前有CD-R、CD-ROM在使用;中國(guó)通信人博客9L+Dj4Fofg
3). Fast SCSI:8位的通道寬度,使用雙倍的頻率,傳輸速率為 10MB/s;
8oVv(e6dq;P04). Wide SCSI:16位的通道寬度,傳輸速率為20MB/s;
{*ha'GNPP&J B05). ULTRA SCSI:8位的通道寬度,傳輸速率為20MB/s,其允許接口電纜的最大長(zhǎng)度為1.5米;
5a'H,Bd7h8| Wns06). Ultra Wide SCSI:16位的通道寬度,傳輸速率為40MB/s,其允許接口電纜的最大長(zhǎng)度為1.5米;中國(guó)通信人博客V)nq%Q4m/o N?~:{
7). ULTRA 2 SCSI:8位的通道寬度,其采用了LVDS(Low Voltage Differential Signal)傳輸模式,傳輸速率為40MB/s,允許接口電纜的最長(zhǎng)為12米,大大增加了設(shè)備的靈活性,支持同時(shí)掛接16個(gè)裝置(實(shí)際只能有15個(gè)外設(shè),因?yàn)橐闵现黩?qū)動(dòng)器自己);
5i1|RJ(N#T08). WIDE ULTRA 2 SCSI:它跟Ultra 2 SCSI差不多,也是采用LVD傳輸模式,允許最長(zhǎng)接口電纜為12米,可同時(shí)掛接16個(gè)裝置,不同于Ultra 2 SCSI,它有16位的通道寬度,因此傳輸速度為80MB/s;
$mun;`0Ng09). Ultra 160 SCSI:支持最高數(shù)據(jù)傳輸率為160MB/s;中國(guó)通信人博客'MxO0h'EA
10). Ultra 320 SCSI:支持最高數(shù)據(jù)傳輸達(dá)到了320MB/s,是目前最新的SCSI接口類型。SCSI總線各標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)列表如下所示:中國(guó)通信人博客LJ-i#zks2X
9/`)QO$I$i9x&kV0SCSI總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示:
PPe S5H+{0在SCSI總線拓?fù)涞哪┒诵枰B接一個(gè)終結(jié)器,用來(lái)抑制信號(hào)的反射,減小信號(hào)的相互影響,維持線路線路上電壓的穩(wěn)定。中國(guó)通信人博客;|'o e#Xa'UN?EZf
SCSI總線的通信只能在SCSI控制器和外設(shè)之間進(jìn)行,外設(shè)之間是不能直接通信的。窄帶SCSI總線上最多可以掛8設(shè)備(除掉SCSI控制器自己,實(shí)際上只能掛7個(gè)外設(shè)),寬帶SCSI總線上最多可掛16個(gè)設(shè)備(除掉SCSI控制器自己,實(shí)際上只能掛15個(gè)外設(shè))。各個(gè)設(shè)備之間是通過(guò)SCSI ID來(lái)區(qū)分的,設(shè)備的優(yōu)先權(quán)也是通過(guò)SCSI ID來(lái)區(qū)分的,SCSI ID優(yōu)先級(jí)從高到低的排列順序?yàn)椋?span lang='EN-US'>7-6-5-4-3-2-1-0-15-14-13-12-11-10-9-8,ID7的優(yōu)先級(jí)最高,被SCSI總線控制器占用。
中國(guó)通信人博客%U1Y$Z'{l| Btu%E?SAS總線
H3Lfy#^aK0SAS是英文Serial Attached SCSI的縮寫,即串行連接SCSI的意思。跟SATA總線有點(diǎn)類似,都是采用串行技術(shù)以獲得更高的傳輸速度。中國(guó)通信人博客mn9p8X&Px5YJu+^1D
SAS的接口技術(shù)可以向下兼容SATA。具體來(lái)說(shuō),二者的兼容性主要體現(xiàn)在物理層和協(xié)議層的兼容。在物理層,SAS接口和SATA接口完全兼容,SATA 硬盤可以直接使用在SAS的環(huán)境中,從接口標(biāo)準(zhǔn)上而言,SATA是SAS的一個(gè)子標(biāo)準(zhǔn),因此SAS控制器可以直接操控SATA硬盤,但是SAS卻不能直接 使用在SATA的環(huán)境中,因?yàn)?span lang='EN-US'>SATA控制器并不能對(duì)SAS硬盤進(jìn)行控制;
]:a3NJq7BW/~U0SAS系統(tǒng)的背板(Backplane)既可以連接具有雙端口、高性能的SAS驅(qū)動(dòng)器,也可以連接高容量、低成本的SATA驅(qū)動(dòng)器。所以SAS驅(qū)動(dòng)器和 SATA驅(qū)動(dòng)器可以同時(shí)存在于一個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)之中。
,xDVZf5b)G/I0在系統(tǒng)中,每一個(gè)SAS端口可以最多可以連接16256個(gè)外部設(shè)備,并且SAS采取直接的點(diǎn)到點(diǎn)的串行傳輸方式,傳輸?shù)乃俾矢哌_(dá)3Gbps,估計(jì)以后會(huì)有 6Gbps乃至12Gbps的高速接口出現(xiàn)。SAS的接口也做了較大的改進(jìn),它同時(shí)提供了3.5英寸和2.5英寸的接口,因此能夠適合不同服務(wù)器環(huán)境的需求。SAS依靠SAS擴(kuò)展器來(lái)連接更多的設(shè)備,目前的擴(kuò)展器以12端口居多,不過(guò)根據(jù)板卡廠商產(chǎn)品研發(fā)計(jì)劃顯示,未來(lái)會(huì)有28、36端口的擴(kuò)展器引入,來(lái) 連接SAS設(shè)備、主機(jī)設(shè)備或者其他的SAS擴(kuò)展器。
&xL)e?h/nL0和傳統(tǒng)并行SCSI接口比較起來(lái),SAS不僅在接口速度上得到顯著提升(現(xiàn)在主流Ultra 320 SCSI速度為320MB/sec,而SAS才剛起步速度就達(dá)到300MB/sec,未來(lái)會(huì)達(dá)到600MB/sec甚至更多),而且由于采用了串行線纜, 不僅可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的連接距離,還能夠提高抗干擾能力,并且這種細(xì)細(xì)的線纜還可以顯著改善機(jī)箱內(nèi)部的散熱情況。
g y$U6P'vg2KV0?FC總線中國(guó)通信人博客{+k.Qh@B7J:Z{
FC是Fiber Channel的意思,它奠定了存儲(chǔ)領(lǐng)域高端應(yīng)用的基石。它以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的配置方式在系統(tǒng)之間采用了光纜連接。后來(lái)光纖通道的發(fā)展囊括了電子(非光學(xué))實(shí)現(xiàn),并且可以用成本相對(duì)較低的方法將包括硬盤在內(nèi)的許多設(shè)備連接到主機(jī)端口。對(duì)這個(gè)較大的光纖通道標(biāo)準(zhǔn)集有一個(gè)補(bǔ)充稱為光纖通道仲裁環(huán)(FC-AL)。FC-AL使光纖通道能夠直接作為硬盤連接接口,為高吞吐量性能密集型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者開(kāi)辟了一條提高I/O性能水平的途徑。目前高端存儲(chǔ)產(chǎn)品使用的都是FC接口的硬盤。
${e*F*K2bZ?e0FC硬盤名稱由于通過(guò)光學(xué)物理通道進(jìn)行工作,因此起名為光纖硬盤,現(xiàn)在也支持銅線物理通道。就像是IEEE-1394, Fibre Channel 實(shí)際上定義為SCSI-3標(biāo)準(zhǔn)一類,屬于SCSI的同胞兄弟。作為串行接口FC-AL峰值可以達(dá)到2Gbits/s甚至是4Gbits/s。而且通過(guò)光學(xué)連接設(shè)備最大傳輸距離可以達(dá)到10KM。通過(guò)FC-loop可以連接127個(gè)設(shè)備,也就是為什么基于FC硬盤的存儲(chǔ)設(shè)備通??梢赃B接幾百顆甚至千顆硬盤提供大容量存儲(chǔ)空間。
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