Esata что это такое
Первое знакомство с Power eSATA
За последние годы интерфейс eSATA уже перестал быть чем-то экзотическим, превратившись во вполне нормальное средство подключения к компьютеру внешних жестких дисков. Многие им уже пользуются, благо и альтернатив особых нет — USB 3.0 все еще маячит на горизонте, а все остальные внешние интерфейсы слишком медленные. Даже былой король по скорости — FireWire 800, на практике, обеспечивает лишь порядка 80 МБ/с, в то время как даже одиночные настольные винчестеры перешагнули границу в 100 МБ/с, а есть ведь еще и внешние массивы из нескольких дисков. При этом практическое применение FW800 под управлением наиболее распространенных на сегодня операционных систем семейства Microsoft Windows сопряжено с рядом трудностей. Да и поддержку этого интерфейса к компьютеру, как правило, приходится «прикручивать» самостоятельно, причем она обходится не так и дешево. Массовые внешние интерфейсы (такие, как повсеместно представленный USB 2.0 и немного более редкий, но тоже часто встречающийся FW400), на практике. обеспечивают лишь 30-40 МБ/с, чего даже для портативных винчестеров уже маловато, не говоря уже об их более крупных собратьях. А у eSATA таких проблем нет — по скорости он в точности соответствует внутреннему SATA, на который винчестеры и рассчитаны. Причем поддержка eSATA обходится очень дешево — иногда можно и просто один из чипсетных портов наружу вывести, а уж поставить копеечный контроллер вообще дело не хитрое.
Производители ВЖД это учитывают, так что сейчас в ассортименте практически всех их (неважно — о крупной или не очень компании идет речь) есть стационарные модели, поддерживающие eSATA. А для портативных все вендоры предпочитают продолжать использовать «обычный» USB чаще всего — модели с eSATA до сих пор можно пересчитать по пальцам. Причина этого проста, и заключается она в отсутствии питания на eSATA. Стационарные накопители все равно нуждаются в собственном БП, так что там замена одного интерфейсного кабеля другим никаких неудобств не приносит, зато производительность значительно возрастает. А с портативным ВЖД хуже — им вполне достаточно того количества электричества, которое обеспечивает один USB-порт, так что при задействовании этого интерфейса можно обойтись всего одним кабелем. Но если нам хочется увеличить скорость работы, то и для обмена данными придется использовать один кабель, и для подвода энергии (с того же USB, например) еще один. Разумеется, это неудобно, да и прирост скорости все же не настолько радикальный, как в случае стационарных ВЖД. И новый интерфейс крайне медленно прокладывает путь в этот сегмент рынка, поскольку при выборе между «быстрее» и «удобнее» 90% пользователей компьютеров, все-таки, выберут второе.
Мы взяли картинку с сайта компании MSI, поэтому о ней и упоминаем. На самом деле, «Power eSATA» хоть и не является уже принятым межотраслевым стандартом, но вряд ли стандартизация за горами — очень простое решение, тем более уже используемое не одним производителем, а несколькими. Правда, несколько менее активно, чем хотелось бы. В частности, MSI применяет порты такого типа пока всего в одной модели материнских плат (MSI 790FX-GD70 под АМ3) и в восьми моделях ноутбуков. И у других производителей есть ноутбуки с Power eSATA, а наиболее активным пользователем этой технологии среди производителей материнских плат является компания ASRock — все три модели на чипсете Х58, и одна — на Р45 снабжены таким портом.
Но, разумеется, этого всего достаточно мало. А оборудование, рассчитанное на порт Power eSATA, уже начало появляться, так что и нам в лаборатории потребовалось уже что-нибудь такое эдакое. Причем идея со сменой материнской платы на тестовом стенде как-то не прельщала. Попытка найти контроллер с интерфейсом PCIe (или, на худой конец, PCI) с Power eSATA успехом не увенчалась — с «простым» eSATA их множество, но от этого не легче. Выяснилось, что компания Kanguru свою флэшку, рассчитанную на этот интерфейс, продает в комплекте со специальным кабелем-переходником, превращающим пару портов eSATA и USB в порт eSATA. Но продукция этого производителя не поставляется к нам на рынок, а найти такой кабель отдельно не удалось. Зато нам посчастливилось обнаружить в продаже столь необходимый адаптер в формате ExpressCard. А поскольку поддержка этого ноутбучного интерфейса к нашему тестовому стенду была уже «прикручена» ранее (когда потребовалось протестировать флэш-накопители в этом формате), так что это оказалось решением проблемы.
Оплатив покупку на eBay, вскоре мы дождались посылки, в которой оказалась небольшая картонная коробка без опознавательных знаков. Из нее был извлечен искомый адаптер, тоже почти без опознавательных знаков (во всяком случае, все найденное в интернете по несколько неприличному на вид сочетанию «A&S» к теме явно не относилось), бумажная инструкция в виде одного сложенного листа, CD с драйверами (огромной кучей для всех контроллеров, вообще выпускаемых этим заводом) и очень интересный кабель, позволяющий подключить любой мобильный SATA-винчестер к порту Power eSATA без использования каких-либо дополнительных коробочек и прочего. Последнему мы обрадовались лишь немногим меньше, чем самому адаптеру — во-первых, наглядная демонстрация полезности такого решения, во-вторых, хороший способ протестировать на практике его способности в плане производительности.
Итак, с глубоким прискорбием вынуждены констатировать факт, что использование SiI3531 скорость весьма заметно «режет». Теоретически, пропускная способность PCIe 1x хоть и недостаточна для полноценной реализации заявленного режима SATA300, однако каких-никаких 250 МБ/с составляет, то есть для нашего тестового носителя данных могла бы оказаться достаточной. Но на практике, данная компактная микросхема до теоретических возможностей шины далеко «не добирает» — что при чтении, что при записи данных все уперлось ровно в 118 МБ/с. Справедливости ради, должны заметить, что скорбь наша имеет, скорее, теоретический характер — просто были надежды, что хотя бы 200 МБ/с от данного контроллера удастся получить. А на практике, и 118 МБ/с — это пусть не идеально, но очень хорошо — редкий винчестер даже на внешних дорожках способен на большее. Это если говорить про стационарные, а не стоит забывать, что наиболее интересна модификация eSATA с питанием для винчестеров портативных, где все гораздо скромнее. Однако при этом по удобству подключения при таком использовании она вполне сравнима с USB, а сравнивать эти два способа по скорости подключения — сами видите, несерьезно просто. Сколь бы неудачным не оказался конкретный контроллер, попавшийся вам в руки, все равно, можно быть уверенным, что вся «неудачность» может быть лишь при сравнении с чипсетным SATA-контроллером, но никак не с другими интерфейсами.
Таким образом, свою проблему мы решили — постепенно появляющиеся в продаже флэш-накопители с интерфейсом Power eSATA есть на чем тестировать, да и освоение этой модификации интерфейса производителями ВЖД тоже теперь нас врасплох не застанет. Впрочем, очевидно, что адаптеры, типа изученного сегодня, будут интересны не только для тестирования оборудования, но и для практического использования. Ведь на данный момент, мягко говоря, не каждый ноутбук снабжен даже «простым» разъемом eSATA, а эксплуатировать ВЖД без скоростных ограничений хочется многим пользователям. Для стационарных моделей, впрочем, гоняться именно за Power eSATA не требуется, однако если и покупать дополнительное оборудование, то есть смысл позаботиться о том, чтобы его функциональность была максимальной (тем более, когда не приходится платить за это лишних денег). Очевидно, что с этой задачей протестированное устройство справляется несколько лучше, чем более привычные eSATA-адаптеры в том же формате ExpressCard. Но пользователей десктопов пока, к сожалению, порадовать нечем — им нужно либо заранее подбирать соответствующую модель материнской платы, либо ждать появления в широкой продаже подходящих карт расширения с интерфейсом PCIe.
Разъёмы на ноутбуках: что они дают и зачем их так много?
Если взять в руки современный ноутбук, по на его боковых гранях можно обнаружить с полтора десятка различных разъёмов. Полагаем, большинство людей прекрасно знают, для чего именно они предназначены. Если не все, то хотя бы часть разъёмов точно будет опознана.
Но разработка новых стандартов продолжается ежедневно. К примеру, год назад встретить на мобильном компьютере разъёмы eSATA или HDMI было нельзя, а теперь они попадаются всё чаще. Поэтому мы решили сделать материал – чтобы объяснить назначение большинства интерфейсов, служащих для подключения внешних устройств к ноутбуку. Вместе с тем мы вкратце перечислим их возможности и характеристики, а также перспективы.
Начнём мы с самого известного и распространённого интерфейса – USB. Его финальная спецификация была представлена в далёком 1996 году. Главным назначением новой последовательной шины (USB расшифровывается как Universal Serial Bus – «универсальная последовательная шина) было заменить целый сонм интерфейсов одним универсальным.
Разъёмы USB 1.0 стали постепенно появляться на материнских платах, но настоящий бум их распространения случился после выхода USB 1.1 в 1998 году. В обновлённой спецификации были исправлены ошибки и повышена стабильность работы. Следующим шагом стало появление USB 2.0 в 2000 году. Именно этот стандарт на сегодняшний день распространён больше всех.
Шина USB работает за счёт так называемого USB-хоста. Таких в компьютере в зависимости от чипсета и установленных плат расширения может быть как один, так и несколько. К нему можно подключать до 127 устройств. Наращивание портов происходит за счёт подключения USB-хабов. При этом хаб считается отдельным устройством (то есть если вы подключите четырёхпортовый хаб и четыре устройства к нему, то для USB-хоста число подключённых устройств будет равно пяти). Уровень вложенности подключения хабов не может превышать пяти.
Введение в SSD. Часть 2. Интерфейсная
В прошлой части цикла «Введение в SSD» мы рассказали про историю появления дисков. Вторая часть расскажет про интерфейсы взаимодействия с накопителями.
Общение между процессором и периферийными устройствами происходит в соответствии с заранее определенными соглашениями, называемыми интерфейсами. Эти соглашения регламентируют физический и программный уровень взаимодействия.
Интерфейс — совокупность средств, методов и правил взаимодействия между элементами системы.
Физическая реализация интерфейса влияет на следующие параметры:
Параллельные и последовательные порты
По способу обмена данными порты ввода-вывода делятся на два типа:
Параллельные порты, на первый взгляд, отлично масштабируются: больше сигнальных линий — больше бит передается за раз и, следовательно, выше пропускная способность. Тем не менее, из-за увеличения количества сигнальных линий между ними возникает интерференционное взаимодействие, приводящее к искажению передаваемых сообщений.
Последовательные порты — противоположность параллельным. Отправка данных происходит по одному биту за раз, что сокращает общее количество сигнальных линий, но усложняет контроллер ввода-вывода. Контроллер передатчика получает машинное слово за раз и должен передавать по одному биту, а контроллер приемника в свою очередь должен получать биты и сохранять в том же порядке.
Малое количество сигнальных линий позволяет без помех увеличивать частоту передачи сообщения.
Small Computer Systems Interface (SCSI) появился в далеком 1978 году и был изначально разработан, чтобы объединять устройства различного профиля в единую систему. Спецификация SCSI-1 предусматривала подключение до 8 устройств (вместе с контроллером), таких как:
Изначально SCSI имел название Shugart Associates System Interface (SASI), но стандартизирующий комитет не одобрил бы название в честь компании и после дня мозгового штурма появилось название Small Computer Systems Interface (SCSI). «Отец» SCSI, Ларри Баучер (Larry Boucher) подразумевал, что аббревиатура будет произноситься как «sexy», но Дал Аллан (Dal Allan) прочитал «sсuzzy» («скази»). Впоследствии произношение «скази» прочно закрепилось за этим стандартом.
В терминологии SCSI подключаемые устройства делятся на два типа:
Используемая топология «общая шина» накладывает ряд ограничений:
Устройства на шине идентифицируются по уникальному номеру, называемому SCSI Target ID. Каждый SCSI-юнит в системе представлен минимум одним логическим устройством, адресация которого происходит по уникальному в пределах физического устройства номеру Logical Unit Number (LUN).
Команды в SCSI отправляются в виде блоков описания команды (Command Descriptor Block, CDB), состоящих из кода операции и параметров команды. В стандарте описано более 200 команд, разделенных в четыре категории:
Дальнейшее усовершенствование SCSI (спецификации SCSI-2 и Ultra SCSI) расширило список используемых команд и увеличило количество подключаемых устройств до 16-ти, а скорость обмена данными по шине до 640 МБ/c. Так как SCSI — параллельный интерфейс, повышение частоты обмена данными было сопряжено с уменьшением максимальной длины кабеля и приводило к неудобству в использовании.
Начиная со стандарта Ultra-3 SCSI появилась поддержка «горячего подключения» — подключение устройств при включенном питании.
Первым известным SSD диском с интерфейсом SCSI можно считать M-Systems FFD-350, выпущенный в 1995 году. Диск имел высокую стоимость и не имел широкой распространенности.
В настоящее время параллельный SCSI не является популярным интерфейсом подключения дисков, но набор команд до сих пор активно используется в интерфейсах USB и SAS.
ATA / PATA
Интерфейс ATA (Advanced Technology Attachment), так же известный как PATA (Parallel ATA) был разработан компанией Western Digital в 1986 году. Маркетинговое название стандарта IDE (англ. Integrated Drive Electronics — «электроника, встроенная в привод») подчеркивало важное нововведение: контроллер привода был встроен в привод, а не на отдельной плате расширения.
Решение разместить контроллер внутри привода решило сразу несколько проблем. Во-первых, уменьшилось расстояние от накопителя до контроллера, что положительным образом повлияло на характеристики накопителя. Во-вторых, встроенный контроллер был «заточен» только под определенный тип привода и, соответственно, был дешевле.
ATA, как и SCSI, использует параллельный способ ввода-вывода, что отражается на используемых кабелях. Для подключения дисков с использованием интерфейса IDE необходимы 40-жильные кабели, также именуемые шлейфами. В более поздних спецификациях используются 80-жильные шлейфы: более половины из которых — заземления для уменьшения интерференции на высоких частотах.
На шлейфе ATA присутствует от двух до четырех разъемов, один из которых подключается в материнскую плату, а остальные — в накопители. При подключении двух устройств одним шлейфом, одно из них должно быть сконфигурировано как Master, а второе — как Slave. Третье устройство может быть подключено исключительно в режиме «только чтение».
Положение перемычки задает роль конкретного устройства. Термины Master и Slave по отношению к устройствам не совсем корректны, так как относительно контроллера все подключенные устройства — Slaves.
Особенным нововведением в ATA-3 считается появление Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology (S.M.A.R.T.). Пять компаний (IBM, Seagate, Quantum, Conner и Western Digital) объединили усилия и стандартизировали технологию оценки состояния накопителей.
Поддержка твердотельных накопителей появилась с четвертой версии стандарта, выпущенной в 1998 году. Эта версия стандарта обеспечивала скорость обмена данными до 33.3 МБ/с.
Стандарт выдвигает жесткие требования к шлейфам ATA:
Стандарт Serial ATA (SATA) был представлен 7 января 2003 года и решал проблемы своего предшественника следующими изменениями:
Шестнадцать сигнальных линий для передачи данных в ATA были заменены на две витые пары: одна для передачи, вторая для приема. Коннекторы SATA спроектированы для большей устойчивости к множественным переподключениям, а спецификация SATA 1.0 сделала возможным «горячее подключение» (Hot Plug).
Некоторые пины на дисках короче, чем все остальные. Это сделано для поддержки «горячей замены» (Hot Swap). В процессе замены устройство «теряет» и «находит» линии в заранее определенном порядке.
Чуть более, чем через год, в апреле 2004-го, вышла вторая версия спецификации SATA. Помимо ускорения до 3 Гбит/с в SATA 2.0 ввели технологию Native Command Queuing (NCQ). Устройства с поддержкой NCQ способны самостоятельно организовывать порядок выполнения поступивших команд для достижения максимальной производительности.
Последующие три года SATA Working Group работала над улучшением существующей спецификации и в версии 2.6 появились компактные коннекторы Slimline и micro SATA (uSATA). Эти коннекторы являются уменьшенной копией оригинального коннектора SATA и разработаны для оптических приводов и маленьких дисков в ноутбуках.
Несмотря на то, что пропускной способности второго поколения SATA хватало для жестких дисков, твердотельные накопители требовали большего. В мае 2009 года вышла третья версия спецификации SATA с увеличенной до 6 Гбит/с пропускной способностью.
Особое внимание твердотельным накопителям уделили в редакции SATA 3.1. Появился коннектор Mini-SATA (mSATA), предназначенный для подключения твердотельных накопителей в ноутбуках. В отличие от Slimline и uSATA новый коннектор был похож на PCIe Mini, хотя и не был электрически совместим с PCIe. Помимо нового коннектора SATA 3.1 мог похвастаться возможностью ставить команды TRIM в очередь с командами чтения и записи.
Команда TRIM уведомляет твердотельный накопитель о блоках данных, которые не несут полезной нагрузки. До SATA 3.1 выполнение этой команды приводило к сбросу кэшей и приостановке операций ввода-вывода с последующим выполнением команды TRIM. Такой подход ухудшал производительность диска при операциях удаления.
Спецификация SATA не успевала за бурным ростом скорости доступа к твердотельным накопителям, что привело к появлению в 2013 году компромисса под названием SATA Express в стандарте SATA 3.2. Вместо того, чтобы снова удвоить пропускную способность SATA, разработчики задействовали широко распространенную шину PCIe, чья скорость превышает 6 Гбит/с. Диски с поддержкой SATA Express приобрели собственный форм-фактор под названием M.2.
«Конкурирующий» с ATA стандарт SCSI тоже не стоял на месте и всего через год после появления Serial ATA, в 2004, переродился в последовательный интерфейс. Имя новому интерфейсу — Serial Attached SCSI (SAS).
Несмотря на то, что SAS унаследовал набор команд SCSI, изменения были значительные:
Максимальное количество одновременно подключенных устройств в SAS-домене по спецификации превышает 16 тысяч, а вместо SCSI ID для адресации используется идентификатор World-Wide Name (WWN).
WWN — уникальный идентификатор длиной 16 байт, аналог MAC-адреса для SAS-устройств.
Несмотря на схожесть разъемов SAS и SATA, эти стандарты не являются полностью совместимыми. Тем не менее, SATA-диск может быть подключен в SAS-коннектор, но не наоборот. Совместимость между SATA-дисками и SAS-доменом обеспечивается при помощи протокола SATA Tunneling Protocol (STP).
Первая версия стандарта SAS-1 имеет пропускную способность 3 Гбит/с, а самая современная, SAS-4, улучшила этот показатель в 7 раз: 22,5 Гбит/с.
Peripheral Component Interconnect Express (PCI Express, PCIe) — последовательный интерфейс для передачи данных, появившийся в 2002 году. Разработка была начата компанией Intel, а впоследствии передана специальной организации — PCI Special Interest Group.
Последовательный интерфейс PCIe не был исключением и стал логическим продолжением параллельного PCI, который предназначен для подключения карт расширения.
PCI Express значительно отличается от SATA и SAS. Интерфейс PCIe имеет переменное количество линий. Количество линий равно степеням двойки и колеблется в диапазоне от 1 до 16.
Термин «линия» в PCIe обозначает не конкретную сигнальную линию, а отдельный полнодуплексный канал связи, состоящий из следующих сигнальных линий:
«Аппетиты» твердотельных накопителей растут очень быстро. И SATA, и SAS не успевают увеличивать свою пропускную способность, чтобы «угнаться» за SSD, что привело к появлению SSD-дисков с подключением по PCIe.
Хотя PCIe Add-In карты прикручиваются винтом, PCIe поддерживает «горячую замену». Короткие пины PRSNT (англ. present — присутствовать) позволяют удостовериться, что карта полностью установлена в слот.
Твердотельные накопители, подключаемые по PCIe регламентируются отдельным стандартом Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification и воплощены в множестве форм-факторов, но о них мы расскажем в следующей части.
Удаленные накопители
При создании больших хранилищ данных появилась потребность в протоколах, позволяющих подключить накопители, расположенные вне сервера. Первым решением в этой области был Internet SCSI (iSCSI), разработанный компаниями IBM и Cisco в 1998 году.
Идея протокола iSCSI проста: команды SCSI «оборачиваются» в пакеты TCP/IP и передаются в сеть. Несмотря на удаленное подключение, для клиентов создается иллюзия, что накопитель подключен локально. Сеть хранения данных (Storage Area Network, SAN), основанная на iSCSI, может быть построена на существующей сетевой инфраструктуре. Использование iSCSI значительно снижает затраты на организацию SAN.
У iSCSI существует «премиальный» вариант — Fibre Channel Protocol (FCP). SAN с использованием FCP строится на выделенных волоконно-оптических линиях связи. Такой подход требует дополнительного оптического сетевого оборудования, но отличается стабильностью и высокой пропускной способностью.
Существует множество протоколов для отправки команд SCSI по компьютерным сетям. Тем не менее, есть только один стандарт, решающий противоположную задачу и позволяющий отправлять IP-пакеты по шине SCSI — IP-over-SCSI.
Большинство протоколов для организации SAN используют набор команд SCSI для управления накопителями, но есть и исключения, например, простой ATA over Ethernet (AoE). Протокол AoE отправляет ATA-команды в Ethernet-пакетах, но в системе накопители отображаются как SCSI.
С появлением накопителей NVM Express протоколы iSCSI и FCP перестали удовлетворять быстро растущим требованиям твердотельных накопителей. Появилось два решения:
Протокол NVMe over Fabrics стал хорошей альтернативой iSCSI и FCP. В NVMe-oF используются волоконно-оптическая линии связи и набор команд NVM Express.
Стандарты iSCSI и NVMe-oF решают задачу подключения удаленных дисков как локальные, а компания Intel пошла другой дорогой и максимально приблизила локальный диск к процессору. Выбор пал на DIMM-слоты, в которые подключается оперативная память. Максимальная пропускная способность канала DDR4 составляет 25 ГБ/с, что значительно превышает скорость шины PCIe. Так появился твердотельный накопитель Intel® Optane™ DC Persistent Memory.
Для подключения накопителя в DIMM слоты был изобретен протокол DDR-T, физически и электрически совместимый с DDR4, но требующий специального контроллера, который видит разницу между планкой памяти и накопителем. Скорость доступа к накопителю меньше, чем к оперативной памяти, но больше, чем к NVMe.
Протокол DDR-T доступен только с процессорами Intel® поколения Cascade Lake или новее.
Заключение
Почти все интерфейсы прошли долгий путь развития от последовательного до параллельного способа передачи данных. Скорости твердотельных накопителей стремительно растут, еще вчера твердотельные накопители были в диковинку, а сегодня NVMe уже не вызывает особого удивления.
В нашей лаборатории Selectel Lab вы можете самостоятельно протестировать SSD и NVMe диски.