Реферат: Ata [править] Материал из Википедии — свободной энциклопедии

ATA
[править]
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
(Перенаправлено с IDE (интерфейс))

Перейти к: навигация, поиск

У этого термина существуют и другие значения, см. Ата (значения).





Разъемы ATA-контроллера на материнской плате

ATA (англ. Advanced Technology Attachment, Присоединение по продвинутой технологии) — параллельный интерфейс подключения накопителей (жёстких дисков и оптических приводов) к компьютеру. В 90-е годы XX века был стандартом де факто на платформе IBM PC; в настоящее время (2008) вытесняется своим последователем — SATA. Разные версии ATA известны под синонимами IDE, EIDE, UDMA, ATAPI; с появлением SATA также получил название PATA (Parallel ATA).



Предварительное название интерфейса было PC/AT Attachment («Соединение с PC/AT»), так как он предназначался для подсоединения к 16-битной шине ISA, известной тогда как шина AT. В окончательной версии название переделали в «AT Attachment» для избежания проблем с торговыми марками.

Первоначальная версия стандарта была разработана в 1986 году фирмой Western Digital и по маркетинговым соображениям получила название IDE (Integrated Drive Electronics, «Электроника, встроенная в привод»). Оно подчеркивало важное нововведение: контроллер привода располагается в нём самом, а не в виде отдельной платы расширения, как в предшествующем стандарте ST-506 и существовавших тогда интерфейсах SCSI и ST412. Это позволило улучшить характеристики накопителей (за счёт меньшего расстояния до контроллера), упростить управление им (так как контроллер канала IDE абстрагировался от деталей работы привода) и удешевить производство (контроллер привода мог быть рассчитан только на «свой» привод, а не на все возможные; контроллер канала же вообще становился стандартным). Следует отметить, что контроллер канала IDE правильнее называть хост-адаптером, поскольку он перешёл от прямого управления приводом к обмену данными с ним по протоколу.

В стандарте АТА определён интерфейс между контроллером и накопителем, а также передаваемые по нему команды.

Интерфейс имеет 8 регистров, занимающих 8 адресов в пространстве ввода-вывода. Ширина шины данных составляет 16 бит. Количество каналов, присутствующих в системе, может быть больше 2. Главное, чтобы адреса каналов не пересекались с адресами других устройств ввода-вывода. К каждому каналу можно подключить 2 устройства (master и slave), но в каждый момент времени может работать лишь одно устройство. Принцип адресации CHS заложен в названии. Сперва блок головок устанавливается позиционером на требуемую дорожку (Cylinder), после этого выбирается требуемая головка (Head), а затем считывается информация из требуемого сектора (Sector).

Стандарт EIDE (Enhanced IDE, т. е. «расширенный IDE»), появившийся вслед за IDE, позволял использование приводов ёмкостью, превышающей 528 МБ (504 МиБ), вплоть до 8,4 ГБ. Хотя эти аббревиатуры возникли как торговые, а не официальные названия стандарта, термины IDE и EIDE часто употребляются вместо термина ATA. После введения в 2003 году стандарта Serial ATA («Последовательный ATA»), традиционный ATA стали именовать Parallel ATA, имея в виду способ передачи данных по 40-жильному кабелю.

Поначалу этот интерфейс использовался с жёсткими дисками, но затем стандарт был расширен для работы и с другими устройствами, в основном — использующими сменные носители. К числу таких устройств относятся приводы CD-ROM и DVD-ROM, ленточные накопители, а также дискеты большой ёмкости, такие, как ZIP и магнитооптические диски (LS-120/240). Кроме того, из файла конфигурации ядра FreeBSD можно сделать вывод, что на шину ATAPI подключали даже FDD. Этот расширенный стандарт получил название Advanced Technology Attachment Packet Interface (ATAPI), в связи с чем полное наименование стандарта выглядит как ATA/ATAPI.

Первоначальные расширения ATA для работы с приводами CD-ROM не обладали полной совместимостью и являлись фирменными. В результате, для подключения CD-ROM было необходимо устанавливать отдельную плату расширения, специфичную для конкретного производителя, например для Panasonic (существовало не менее 5 специфичных вариантов ATA, предназначенных для подключения CD-ROM). Некоторые варианты звуковых карт, например Sound Blaster, оснащались именно такими портами.

Другим важным этапом в развитии ATA стал переход от PIO (Programmed input/output, Программный ввод/вывод) к DMA (Direct memory access, Прямой доступ к памяти). При использовании PIO считыванием данных с диска управлял центральный процессор компьютера (CPU), что приводило к повышенной нагрузке на процессор и замедлению работы в целом. По причине этого компьютеры, использующие интерфейс ATA, обычно выполняли операции, связанные с диском, медленнее, чем компьютеры, использующие SCSI и другие интерфейсы. Введение DMA существенно снизило затраты процессорного времени на операции с диском. В данной технологии потоком данных управляет сам накопитель, считывая данные в память или из памяти почти без участия CPU, который выдаёт лишь команды на выполнение того или иного действия. При этом жёсткий диск выдаёт сигнал запроса DMARQ на операцию DMA контроллеру. Если операция DMA возможна, контроллер выдаёт сигнал DMACK и жёсткий диск начинает выдавать данные в 1-й регистр (DATA), с которого контроллер считывает данные в память без участия процессора. Операция DMA возможна, если режим поддерживается одновременно BIOS, контроллером и операционной системой, в противном случае возможен лишь режим PIO.

В дальнейшем развитии стандарта (АТА-3) был введён дополнительный режим UltraDMA 2 (UDMA 33). Этот режим имеет временные характеристики DMA Mode 2, однако данные передаются и по переднему, и по заднему фронту сигнала DIOR/DIOW. Это вдвое увеличивает скорость передачи данных по интерфейсу. Также введена проверка на чётность CRC, что повышает надёжность передачи информации.

В истории развития ATA был ряд барьеров, связанных с организацией доступа к данным. Большинство из этих барьеров, благодаря современным системам адресации и технике программирования, были преодолены. К их числу относятся ограничения на максимальным размер диска в 504 МиБ, ~8 ГиБ, ~32 ГиБ, и 128 ГиБ. Существовали и другие барьеры, в основном связанные с драйверами устройств, и организацией ввода/вывода в операционных системах, не соответствующих стандартам ATA.

Оригинальная спецификация АТА предусматривала 28-битный режим адресации. Это позволяло адресовать 228 (268 435 456) секторов по 512 байт каждый, что давало максимальную ёмкость в 137 ГБ (128 ГиБ). В стандартных PC BIOS поддерживал до 7,88 ГиБ (8,46 ГБ), допуская максимум 1024 цилиндра, 256 головок и 63 сектора. Это ограничение на число цилиндров/головок/секторов CHS (Cyllinder-Head-Sector) в сочетании со стандартом IDE привело к ограничению адресуемого пространства в 504 МиБ (528 МБ). Для преодоления этого ограничения была введена схема адресации LBA (Logical Block Address), что позволило адресовать до 7,88 ГиБ. Со временем и это ограничение было снято, что позволило адресовать сначала 32 ГиБ, а затем и все 128 ГиБ, используя все 28 разрядов (в АТА-4) для адресации сектора. Запись 28-битного числа организована путём записи его частей в соответствующие регистры накопителя (с 1 по 8 бит в 4-й регистр, 9-16 в 5-й, 17-24 в 6-й и 25-28 в 7-й).

Адресация регистров организована при помощи трёх адресных линий DA0-DA2. 1-й регистр с адресом 0 является 16-разрядный, и используется для передачи данных между диском и контроллером. Остальные регистры 8-битные и используются для управления.

Новейшие спецификации ATA предполагают 48-битную адресацию, расширяя таким образом возможный предел до 128 ПиБ (144 петабайт).

Эти ограничения на размер могут проявляться в том, что система думает, что объём диска меньше его реального значения, или вовсе отказывается загружаться и виснет на стадии инициализации жёстких дисков. В некоторых случаях проблему удаётся решить обновлением BIOS. Другим возможным решением является использование специальных программ, таких, как Ontrack DiskManager, загружающих в память свой драйвер до загрузки операционной системы. Недостатком таких решений является то, что используется нестандартная разбивка диска, при которой разделы диска оказываются недоступны, в случае загрузки, например, с обычной DOS-овской загрузочной дискеты. Впрочем, многие современные операционные системы (начиная от Windows NT4 SP3) могут работать с дисками большего размера, даже если BIOS компьютера этот размер корректно не определяет.

[править] Интерфейс ATA

Для подключения жёстких дисков с интерфейсом PATA обычно используется 40-проводный кабель (именуемый также шлейфом). Каждый шлейф обычно имеет два или три разъёма, один из которых подключается к разъёму контроллера на материнской плате (в более старых компьютерах этот контроллер размещался на отдельной плате расширения), а один или два других подключаются к дискам. В один момент времени шлейф P-ATA передаёт 16 бит данных. Иногда встречаются шлейфы IDE, позволяющие подключение трёх дисков к одному IDE каналу, но в этом случае один из дисков работает в режиме read-only.

Долгое время шлейф ATA содержал 40 проводников, но с введением режима Ultra DMA/66 (UDMA4) появилась его 80-проводная версия. Все дополнительные проводники — это проводники заземления, чередующиеся с информационными проводниками. Такое чередование проводников уменьшает ёмкостную связь между ними, тем самым сокращая взаимные наводки. Ёмкостная связь является проблемой при высоких скоростях передачи, поэтому данное нововведение было необходимо для обеспечения нормальной работы установленной спецификацией UDMA4 скорости передачи 66 МБ/с (мегабайт в секунду). Более быстрые режимы UDMA5 и UDMA6 также требуют 80-проводного кабеля.

Хотя число проводников удвоилось, число контактов осталось прежним, как и внешний вид разъёмов. Внутренняя же разводка, конечно, другая. Разъёмы для 80-проводного кабеля должны присоединять большое число проводников заземления к небольшому числу контактов заземления, в то время, как в 40-проводном кабеле проводники присоединяются каждый к своему контакту. У 80-проводных кабелей разъёмы обычно имеют различную расцветку (синий, серый и чёрный), в отличие от 40-проводных, где обычно все разъёмы одного цвета (чаще чёрные).

Стандарт ATA всегда устанавливал максимальную длину кабеля равной 46 см. Это ограничение затрудняет присоединение устройств в больших корпусах, или подключение нескольких приводов к одному компьютеру, и почти полностью уничтожает возможность использования дисков PATA в качестве внешних дисков. Хотя в продаже широко распространены кабели большей длины, следует иметь в виду, что они не соответствуют стандарту. То же самое можно сказать и по поводу «круглых» кабелей, которые также широко распространены. Стандарт ATA описывает только плоские кабели с конкретными характеристиками полного и ёмкостного сопротивлений. Это, конечно, не означает, что другие кабели не будут работать, но, в любом случае, к использованию нестандартных кабелей следует относиться с осторожностью.

Если к одному шлейфу подключены два устройства, одно из них обычно называется ведущим (англ. master), а другое ведомым (англ. slave). Обычно ведущее устройство идёт перед ведомым в списке дисков, перечисляемых BIOS’ом компьютера или операционной системы. В старых BIOS’ах (486 и раньше) диски часто неверно обозначались буквами: «C» для ведущего диска и «D» для ведомого.

Если на шлейфе только один привод, он в большинстве случаев должен быть сконфигурирован как ведущий. Некоторые диски (в частности, производства Western Digital) имеют специальную настройку, именуемую single (т. е. «один диск на кабеле»). Впрочем, в большинстве случаев единственный привод на кабеле может работать и как ведомый (такое часто встречается при подключении CD-ROM’а на отдельный канал).

Настройка, именуемая cable select (т. е., «выбор, определяемый кабелем», кабельная выборка), была описана как опциональная в спецификации ATA-1 и стала широко распространена начиная с ATA-5, поскольку исключает необходимость переставлять перемычки на дисках при любых переподключениях. Если привод установлен в режим cable select, он автоматически устанавливается как ведущий или ведомый в зависимости от своего местоположения на шлейфе. Для обеспечения возможности определения этого местоположения шлейф должен быть с кабельной выборкой. У такого шлейфа контакт 28 (CSEL) не подключен к одному из разъёмов (серого цвета, обычно средний). Контроллер заземляет этот контакт. Если привод видит, что контакт заземлён (то есть на нём логический 0), он устанавливается как ведущий, в противном случае (высокоимпедансное состояние) — как ведомый.

Во времена использования 40-проводных кабелей, широко распространилась практика осуществлять установку cable select путём простого перерезания проводника 28 между двумя разъёмами, подключаемыми к диску. При этом ведомый привод оказывался на конце кабеля, а ведущий в середине. Такое размещение в поздних версиях спецификации было даже стандартизировано. К сожалению, когда на кабеле размещается только одно устройство, такое размещение приводит к появлению ненужного куска кабеля на конце, что нежелательно — как из соображений удобства, так и по физическим параметрам: этот кусок приводит к отражению сигнала, особенно на высоких частотах.

80-проводные кабели, введённые для UDMA4, лишены указанных недостатков. Теперь ведущее устройство всегда находится в конце шлейфа, так что, если подключено только одно устройство, не получается этого ненужного куска кабеля. Кабельная выборка же у них «заводская» — сделанная в самом разъёме просто путём исключения данного контакта. Поскольку для 80-проводных шлейфов в любом случае требовались собственные разъёмы, повсеместное внедрение этого не составило больших проблем. Стандарт также требует использования разъёмов разных цветов, для более простой идентификации их как производителем, так и сборщиком. Синий разъём предназначен для подключения к контроллеру, чёрный — к ведущему устройству, серый — к ведомому.

Термины «ведущий» и «ведомый» были заимствованы из промышленной электроники (где указанный принцип широко используется при взаимодействии узлов и устройств), но в данном случае являются некорректными, и потому не используются в текущей версии стандарта ATA. Более правильно называть ведущий и ведомый диски соответственно device 0 (устройство 0) и device 1 (устройство 1). Существует распространённый миф, что ведущий диск руководит доступом дисков к каналу. На самом деле управление доступом дисков и очерёдностью выполнения команд осуществляют контроллер (которым, в свою очередь, управляет драйвер операционной системы). То есть фактически оба устройства являются ведомыми по отношению к контроллеру.

[править] Версии стандарта ATA, скорость передачи и свойства

В приводимой далее таблице приведены названия версий стандарта ATA, и поддерживаемые ими режимы и скорость передачи. Следует отметить, что скорость передачи, указываемая для каждого стандарта (например, 66,7 МБ/с для UDMA4, именуемого обычно «Ultra-DMA 66») указывает максимальную теоретически возможную скорость в кабеле. Это просто два байта, умноженные на фактическую частоту, и предполагает, что каждый цикл используется для передачи пользовательских данных. На практике скорость, естественно, меньше.

Перегрузка на шине, к которой подключён ATA-контроллер, также может ограничивать максимальный уровень передачи. Например, максимальная пропускная способность шины PCI, работающей на частоте 33 МГц и имеющей разрядность 32 бита, составляет 133 МБ/с, и эта скорость делится между всеми подключёнными к шине устройствами.

Более того, по данным на октябрь 2005 г., не существует ATA-дисков, имеющих устойчивую скорость передачи выше 60 МБ/с. Да и эти тесты не дают реальной картины, поскольку спроектированы так, что при их работе практически не встречается задержек на поиск или время ожидания. В большинстве реальных ситуаций эти два фактора являются во многом определяющими; третьим по важности фактором является пропускная способность шины ATA. Следовательно, скорости свыше 66 МБ/с только тогда оказывают реальное влияние на производительность, когда диск все операции ввода/вывода производит со своим внутренним кэшем — ситуация достаточно необычная, особенно в виду того, что данные в этом случае обычно уже кэшированы операционной системой.

Стандарт

Другие названия

^ Добавлены режимы передачи (MБ/с)

Максимально поддерживаемый размер диска

Другие свойства

ANSI Reference

ATA-1

ATA, IDE

PIO 0,1,2 (3.3, 5.2, 8.3)
Single-word DMA 0,1,2 (2.1, 4.2, 8.3)
Multi-word DMA 0 (4.2)

up to 137 GB

28-bit LBA

X3.221-1994
(obsolete since 1999)

ATA-2

EIDE, Fast ATA,
Fast IDE, Ultra ATA

PIO 3,4: (11.1, 16.6)
Multi-word DMA 1,2 (13.3, 16,6)







X3.279-1996
(obsolete since 2001)

ATA-3

EIDE








S.M.A.R.T., Security

X3.298-1997
(obsolete since 2002)

ATA/ATAPI-4

ATAPI-4, ATA-4, Ultra ATA/33

Ultra DMA 0,1,2 (16.7, 25.0, 33.3)
aka Ultra-DMA/33




Support for CD-ROM, etc.,
via ATAPI packet commands

^ NCITS 317—1998

ATA/ATAPI-5

ATA-5, Ultra ATA/66

Ultra DMA 3,4 (44.4, 66.7)
aka Ultra DMA 66




80-wire cables

^ NCITS 340—2000

ATA/ATAPI-6

ATA-6, Ultra ATA/100

UDMA 5 (100)
aka Ultra DMA 100

up to 144 PB

48-bit LBA
Automatic Acoustic Management

^ NCITS 347—2001

ATA/ATAPI-7

ATA-7, Ultra ATA/133

UDMA 6 (133)
aka Ultra DMA 133
SATA/150




SATA 1.0, Streaming feature set, long logical/physical sector feature set for non-packet devices

^ NCITS 361—2002

ATA/ATAPI-8

ATA-8

—




--

in progress

SATA (англ. Serial ATA) — последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации. SATA является развитием параллельного интерфейса ATA (IDE), который после появления SATA был переименован в PATA (Parallel ATA).

[править] SATA/150

Первоначально стандарт SATA предусматривал работу шины на частоте 1,5 ^ ГГц, обеспечивающей пропускную способность приблизительно в 1,2 Гбит/с (150 МБ/с). (20%-я потеря производительности объясняется использованием системы кодирования 8B/10B, при которой на каждые 8 бит полезной информации приходится 2 служебных бита). Пропускная способность SATA/150 незначительно выше пропускной способности шины Ultra ATA (UDMA/133). Главным преимуществом SATA перед PATA является использование последовательной шины вместо параллельной. Несмотря на то, что последовательный способ обмена принципиально медленнее параллельного, в данном случае это компенсируется возможностью работы на более высоких частотах за счет большей помехоустойчивости кабеля. Это достигается меньшим числом проводников и объединением информационных проводников в две витые пары, экранированные заземленными проводниками.

[править] SATA/300

Стандарт SATA/300 работает на частоте 3 ГГц, обеспечивает пропускную способность до 2,4 Гбит/с (300 МБ/с). Впервые был реализован в контроллере чипсета nForce 4 фирмы «NVIDIA». Часто стандарт SATA/300 называют SATA II или SATA 2.0. [1] Теоретически устройства SATA/150 и SATA/300 должны быть совместимы (как контроллер SATA/300 с устройством SATA/150, так и контроллер SATA/150 с устройством SATA/300) за счёт поддержки согласования скоростей (в меньшую сторону), однако для некоторых устройств и контроллеров требуется ручное выставление режима работы (например, на НЖМД фирмы «Seagate», поддерживающих SATA/300, для принудительного включения режима SATA/150 предусмотрен специальный джампер).

[править] SATA/600

Спецификация SATA Revision 3.0 предусматривает возможность передачи даннных на скорости до 6 Гбит/с (600 МБ/с). В числе улучшений SATA Revision 3.0 по сравнению с предыдущей версией спецификации, помимо более высокой скорости, можно отметить улучшенное управление питанием. Также будет сохранена совместимость, как на уровне разъемов и кабелей SATA, так и на уровне протоколов обмена. Кстати, консорциум SATA-IO предостерегает от применения для обозначения поколений SATA доморощенных терминов вроде SATA III, SATA 3.0 или SATA Gen 3. Полное правильное название спецификации — SATA Revision 3.0; название интерфейса — SATA 6Gb/s.

[править] Описание SATA

SATA использует 7-контактный разъём вместо 40-контактного разъёма у PATA. SATA-кабель имеет меньшую площадь, за счёт чего уменьшается сопротивление воздуху, обдувающему комплектующие компьютера, упрощается разводка проводов внутри системного блока.

SATA-кабель за счёт своей формы более устойчив к многократному подключению. Питающий шнур SATA так же разработан с учётом многократных подключений. Разъём питания SATA подаёт 3 напряжения питания: +12 В, +5 В и +3,3 В; однако современные устройства могут работать без напряжения +3,3 В, что даёт возможность использовать пассивный переходник со стандартного разъёма питания IDE на SATA. Ряд SATA устройств поставляется с двумя разъёмами питания: SATA и Molex.

Стандарт SATA отказался от традиционного для PATA подключения по два устройства на шлейф; каждому устройству полагается отдельный кабель, что снимает проблему невозможности одновременной работы устройств, находящихся на одном кабеле (и возникавших отсюда задержек), уменьшает возможные проблемы при сборке (проблема конфликта Slave/Master устройств для SATA отсутствует), устраняет возможность ошибок при использовании нетерминированных PATA-шлейфов.

Стандарт SATA предусматривает горячую замену устройств и функцию очереди команд (NCQ, начиная с SATA/300).

[править] Разъёмы SATA





Разъём питания SATA.





Разъём данных SATA.

SATA устройства используют два разъёма: 7-контактный (подключение шины данных) и 15-контактный (подключение питания). Стандарт SATA предусматривает возможность использовать вместо 15-контактного разъёма питания стандартный 4-контактный разъём Molex. Использование одновременно обоих типов силовых разъёмов может привести к повреждению устройства.



^ G — заземление (англ. Ground)

R — зарезервировано

D1+,D1−,D2+,D2− — два канала передачи данных (от контроллера к устройству и от устройства к контроллеру соответственно). Для передачи сигнала используется технология LVDS, провода каждой пары (D1+, D1− и D2+, D2−) являются экранированными витыми парами.

[править] eSATA



eSATA (External SATA) — интерфейс подключения внешних устройств, поддерживающий режим «горячей замены» (англ. Hot-plug). Был создан несколько позже SATA (в середине 2004).

Основные особенности eSATA:

Разъёмы менее хрупкие и конструктивно рассчитаны на большее число подключений(~9000).

Не требует для подключения два провода: шину данных и кабель питания.

Так же, как и SATA требует отдельного питания.

Ограничен по длине кабеля данных (около 2 м).

Средняя практическая скорость передачи данных выше, чем у USB или IEEE 1394.

Существенно меньше нагружается центральный процессор.

[править] SAS

Основная статья: Serial Attached SCSI

Интерфейс SAS (англ. Serial Attached SCSI) обеспечивает подключение по физическому интерфейсу, аналогичному SATA, устройств, управляемых набором команд SCSI. Обладая обратной совместимостью с SATA, он даёт возможность подключать по этому интерфейсу любые устройства, управляемые набором команд SCSI — не только НЖМД, но и сканеры, принтеры и др. По сравнению с SATA, SAS обеспечивает более развитую топологию, позволяя осуществлять параллельное подключение одного устройства по двум или более каналам. Также поддерживаются расширители шины, позволяющие подключить несколько SAS устройств к одному порту.

SAS и SATA2 в первых редакциях были синонимами. Но, позже производители посчитали, что реализовывать SCSI полностью в настольных компьютерах нецелесообразно, поэтому мы сейчас наблюдаем такое разделение. К слову, такие высокие скорости, заложенные в стандарте SATA на первый взгляд могут показаться излишними — обычный SATA HDD (Hard Disk Drive — жёсткий диск) использует, в лучшем случае, 40-45 % пропускной способности шины. Однако работа с буфером винчестера происходит на полной скорости интерфейса.



^ Третье поколение SATA стучится в дверь — скорость увеличена до 6 Гбит/с

В новой спецификации SATA максимальная скорость передачи будет удвоена с трех до шести гигабит в секунду.

Профильный консорциум Serial ATA International Organization (SATA-IO) сделал доступным для своих участников часть спецификации SATA Revision 3.0, описывающую протокол физического уровня (PHY). Это первый шаг на пути к появлению продуктов нового поколения с интерфейсом SATA 6 Гбит/с. Разработчики уже могут начинать проектирование изделий с новым интерфейсом параллельно с тем, как идет работа над SATA Revision 3.0, которая должна завершиться во второй половине текущего года.

В процесс выработки спецификаций вовлечено несколько рабочих групп SATA-IO. В числе улучшений SATA Revision 3.0 по сравнению с текущей версией спецификации, помимо более высокой скорости, можно отметить улучшенное управление питанием. Важно, что совместимость с предыдущим поколением будет сохранена, как на уровне разъемов и кабелей SATA, так и на уровне протоколов обмена.

Популярность SATA не вызывает сомнений. С момента дебюта технологии в 2001 году, по подсчетам IDC, в мире было изготовлено более 650 миллионов винчестеров с интерфейсом SATA, которые уже в 2007 году входили в состав более чем трех четвертей всех выпускаемых настольных и мобильных систем. Кроме того, интерфейс SATA широко используется в оптических накопителях, SSD и сетевых хранилищах.


RAID
[править]
^ Материал из Википедии — свободной энциклопедии
(Перенаправлено с RAID-массив)

^ Текущая версия (не проверялась)

Перейти к: навигация, поиск

У этого термина существуют и другие значения, см. ^ RAID (значения).

RAID (англ. redundant array of independent/inexpensive disks) избыточный массив независимых/недорогих жёстких дисков — матрица из нескольких дисков управляемых контроллером, взаимосвязанных скоростными каналами и воспринимаемых как единое целое. Обеспечивает отказоустойчивость, в случае повреждения одного из дисков, восстановление данных на нём происходит автоматически.

Калифорнийский университет в Беркли представил следующие уровни спецификации RAID, которые были приняты как стандарт де-факто:

RAID 0 представлен как неотказоустойчивый дисковый массив.

RAID 1 определён как зеркальный дисковый массив.

RAID 2 зарезервирован для массивов, которые применяют код Хемминга.

RAID 3, 4, 5 используют чётность для защиты данных от одиночных неисправностей.

RAID 6 используют чётность для защиты данных от двойных неисправностей
[править] Уровни RAID ^ [править] RAID 0




Схема RAID 0.

RAID 0 («Striping») — дисковый массив из двух или более жёстких дисков с отсутствием избыточности. Информация разбивается на блоки данных (Ai) и записывается на оба/несколько дисков одновременно.

(+): За счёт этого существенно повышается производительность (от количества дисков зависит кратность увеличения производительности).

(+): RAID 0 может быть реализован как программно, так и аппаратно.

(−): Страдает надёжность всего массива (при выходе из строя любого из входящих в RAID 0 винчестеров полностью и безвозвратно пропадает вся информация). В соответствии с теорией вероятностей, надёжность массива RAID 0 равна произведению вероятностей безотказной работы составляющих его дисков, каждая из которых меньше единицы, таким образом совокупная надёжность заведомо ниже надёжности любого из дисков.
^ [править] RAID 1




Схема RAID 1.

RAID 1 (Mirroring — «зеркалирование»).

(+): Обеспечивает приемлемую скорость записи и выигрыш по скорости чтения при распараллеливании запросов.

(+): Имеет высокую надёжность — работает до тех пор, пока функционирует хотя бы один диск в массиве.

(-): Недостаток заключается в том, что приходится выплачивать стоимость двух жёстких дисков, получая полезный объем одного жёсткого диска (классический случай, когда массив состоит из двух дисков).

Изначально предполагается, что жёсткий диск — вещь надёжная. Соответственно, вероятность выхода из строя сразу двух дисков равна (по формуле) произведению вероятностей отказа каждого диска, то есть ниже на порядок. К сожалению, данная теоретическая модель не достаточно полно отражает процессы, протекающие в реальной жизни. Так, обычно два винчестера берутся из одной партии и работают в одинаковых условиях, а при выходе из строя одного из дисков нагрузка на оставшийся увеличивается, поэтому на практике при выходе из строя одного из дисков следует срочно принимать меры — вновь восстанавливать избыточность. Для этого с любым уровнем RAID (кроме нулевого) рекомендуют использовать диски горячего резерва Hot Spare. Достоинство такого подхода — поддержание постоянной надёжности. Недостаток — ещё большие издержки (то есть стоимость трёх винчестеров для хранения объёма одного диска).

Зеркало на многих дисках — RAID 1+0. При использовании такого уровня зеркальные пары дисков выстраиваются в «цепочку», поэтому объём полученного тома может превосходить ёмкость одного жёсткого диска. Достоинства и недостатки такие же, как и у уровня RAID 0. Как и в других случаях, рекомендуется включать в массив диски горячего резерва Hot Spare из расчёта один резервный на пять рабочих.
^ [править] RAID 2
В массивах такого типа диски делятся на две группы — для данных и для кодов коррекции ошибок, причем если данные хранятся на n дисках, то для складирования кодов коррекции необходимо n − 1 дисков. Данные записываются на соответствующие винчестеры так же, как и в RAID 0, они разбиваются на небольшие блоки по числу дисков, предназначенных для хранения информации. Оставшиеся диски хранят коды коррекции ошибок, по которым в случае выхода какого-либо винчестера из строя возможно восстановление информации. Метод Хемминга давно применяется в памяти типа ECC и позволяет на лету исправлять однократные и обнаруживать двукратные ошибки.

Впрочем, держать ради этого громоздкую структуру из почти двойного количества дисков никому не хотелось, и этот вид массива не получил распространения.
^ [править] RAID 3




Схема RAID 3.

Структура массива RAID 3 такова: в массиве из n дисков данные разбиваются на блоки размером 1 байт и распределяются по n − 1 дискам, а еще один диск используется для хранения блоков четности. В RAID 2 для этой цели стояло n − 1 дисков, но большая часть информации на этих дисках использовалась только для коррекции ошибок на лету, а для простого восстановления в случае поломки диска достаточно меньшего ее количества, хватает и одного выделенного винчестера.

Соответственно, отличия RAID 3 от RAID 2 очевидны: невозможность коррекции ошибок на лету и меньшая избыточность.

(+): скорость чтения и записи данных высока, а для создания массива требуется совсем немного дисков, всего три.

(-): массив этого типа хорош только для однозадачной работы с большими файлами, так как наблюдаются проблемы со скоростью при частых запросах данных небольшого обьёма.

(-): большая нагрузка на контрольный диск, что приводит к тому, что его надёжность сильно падает по сравнению с дисками с данными.
^ [править] RAID 4




Схема RAID 4.

RAID 4 похож на RAID 3, но отличается от него тем, что данные разбиваются на блоки, а не на байты. Таким образом, удалось «победить» проблему низкой скорости передачи данных небольшого объема. Запись же производится медленно из-за того, что четность для блока генерируется при записи и записывается на единственный диск. Используются массивы такого типа очень редко.
^ [править] RAID 5




Схема RAID 5.

Большой недостаток уровней RAID от 2-го до 4-го — это наличие отдельного диска (или дисков), хранящего информацию о четности. Скорость выполнения операций считывания достаточно высока, так как не требует обращения к этому диску. Но при каждой операции записи на нем изменяется информация, поэтому схемы RAID 2—4 не позволяют проводить параллельные операции записи. RAID 5 не имеет этого недостатка. Блоки данных и контрольные суммы циклически записываются на все диски массива, отсутствует выделенный диск для хранения информации о четности, нет асимметричности конфигурации дисков. Самый популярный из уровней, в первую очередь благодаря своей экономичности. Жертвуя ради избыточности ёмкостью всего одного диска из массива, мы получаем защиту от выхода из строя любого из винчестеров тома. На запись информации на том RAID 5 тратятся дополнительные ресурсы, так как требуются дополнительные вычисления, зато при чтении (по сравнению с отдельным винчестером) имеется выигрыш, потому что потоки данных с нескольких накопителей массива распараллеливаются.

Недостатки RAID 5 проявляются при выходе из строя одного из дисков — весь том переходит в критический режим, все операции записи и чтения сопровождаются дополнительными манипуляциями, резко падает производительность. При этом уровень надежности значительно снижается (так как уменьшена избыточность массива). Поэтому, (см. выше) с томом RAID 5 следует обязательно использовать диск Hot Spare. Если во время восстановления массива, вызванного выходом из строя одного диска, выйдет из строя второй диск — данные в массиве разрушаются. Минимальное количество используемых дисков равно трём.
^ [править] RAID 6 (ADG)




Схема RAID 6.

RAID 6 (Advanced Data Guarding) — похож на RAID 5, но имеет более высокую степень надежности — под контрольные суммы выделяется емкость 2-х дисков, рассчитываются 2 суммы по разным алгоритмам. Требует более серьезный процессор контроллера — сложная материнская плата. Обеспечивает работоспособность после «смерти» одновременно 2-х дисков. Для организации массива требуется минимум 4 диска.
^ [править] RAID 7
RAID 7 — зарегистрированная марка компании Storage Computer Corporation. Структура массива такова: на n − 1 дисках хранятся данные, один диск используется для складирования блоков четности. Но добавилось несколько важных деталей, призванных ликвидировать главный недостаток массивов такого типа: кэш данных и быстрый контроллер, заведующий обработкой запросов. Это позволило снизить количество обращений к дискам для вычисления контрольной суммы данных. В результате удалось значительно повысить скорость обработки данных (кое-где в пять и более раз).

Прибавились и новые недостатки: очень высокая стоимость реализации такого массива, сложность его обслуживания, необходимость в источнике бесперебойного питания для предотвращения потери данных в кэш-памяти при перебоях питания.
^ [править] Комбинированные уровни
Помимо базовых уровней RAID 0 — RAID 5, описанных в стандарте, существуют комбинированные уровни RAID 1+0, RAID 3+0, RAID 5+0, RAID 1+5, которые различные производители интерпретируют каждый по-своему.


RAID 1+0 — это сочетание зеркалирования и чередования (см. выше).

Нынешние контроллеры используют этот режим по умолчанию для RAID 1. То есть, 1 диск основной, 2-й диск — зеркало, причем чтение производится с них поочередно, как для RAID 0. Собственно, сейчас можно считать что RAID 1 и RAID 1+0 — это просто разное название одного и того же метода аппаратного зеркалирования дисков. Но не стоит забывать, что полноценный RAID 1+0 должен содержать как минимум 4 диска.

RAID 5+0 — это чередование томов 5-го уровня. RAID 1+5 — зеркалирование «пятерок». И так далее.

Комбинированные уровни наследуют как преимущества, так и недостатки своих «родителей»: появление чередования в уровне RAID 5+0 нисколько не добавляет ему надёжности, но зато положительно отражается на производительности. Уровень RAID 1+5, наверное, очень надёжный, но не самый быстрый и, к тому же, крайне неэкономичный: полезная ёмкость тома меньше половины суммарной ёмкости дисков…

Стоит отметить, что количество жестких дисков в комбинированных массивах также изменится. Например для RAID 5+0 используют 6 или 8 жестких дисков, для RAID 1+0 - 4, 6 или 8.
^ [править] Matrix RAID




Схема Intel Matrix RAID

Matrix RAID — это технология, реализованная фирмой Intel в своих чипсетах начиная с ICH6R. Строго говоря, эта технология не является новым уровнем RAID (ее аналог существует в аппаратных RAID-контроллерах высокого уровня), она лишь позволяет, используя лишь 2 диска, организовать одновременно один или несколько массивов уровня RAID 1 и один или несколько массивов уровня RAID 0. Это позволяет за сравнительно небольшие деньги обеспечить для одних данных повышенную надёжность, а для других высокую скорость доступа.

Пример использования:

Имеются в наличии два диска по 160 Гбайт. Каждый диск разбивается на тома по 60 и по 100 Гбайт, затем 100-гигабайтные тома объединяются в скоростной массив RAID 0, а 60-гигабайтные — в массив повышенной надежности RAID 1. В массиве RAID 1 можно разместить операционную систему, рабочие документы, фото- и видеоархивы, коллекцию mp3 и прочие в