IT История

Сегодня самой горячей технологией, разработанной для поддержки дисковых устройств хранения информации в настольных компьютерах и низкобюджетных серверах, является Serial-Advanced Technology Attachment (SATA или Serial-ATA). Serial-ATA - это следующая генерация интерфейсов устройств хранения данных персональных компьютеров. Он сменил отживший свой век Ultra ATA/100/133, использующийся для подключения дисковых накопителей на большинстве персональных компьютеров и ставший одним из основных ограничителей их производительности, т.к. максимально достижимая скорость обмена данными по нему не может даже теоретически превысить 100 (133) Мб/сек. В то время как Serial-ATA имеет пиковую скорость 150 Мб/сек в своем первом воплощении, и ожидается, что он будет удваивать ее каждые следующие три года: в 2004 г. до 300 Мб/сек, в 2007 г. до 600 Мб/сек, и, надо надеяться, на этой отметке наращивание скорости не прекратится. В данной статье я бы хотел познакомить вас с тем, каким образом Serial-ATA может увеличить производительность системы и почему настала пора переходить на эту технологию.

Что же такое Serial-ATA?

Говоря техническим языком, Serial-ATA - это новый интерфейс для подключения жесткого диска и другой периферии к компьютеру. Он эволюционно сменяет интерфейс Parallel ATA (PATA). Т.е. Serial-ATA - интерфейс устройств хранения данных для нового поколения компьютеров. С его помощью можно подключать такие устройства хранения данных, как жесткие диски, DVD и CD-R/W, к материнской плате.

Технология Serial-ATA должна снизить стоимость готовой платформы при повышении ее производительности. При этом переход на нее обещает быть бескровным. Решения Serial-ATA работают за счет своеобразного вклинивания сигнала и поэтому совместимы с существующими протоколами ATA, не требуют специфических драйверов или какого-либо другого программного обеспечения и без проблем работают на стандартных операционных системах. Системы с Serial-ATA легче проектировать и монтировать, т.к. они снабжаются узким и более длинным, чем у предшественника, кабелем и небольшими удобными разъемами.

Более низкий вольтаж особенно важен при использовании автономного питания. Конфигурирование новых устройств стало намного проще из-за того, что отпала необходимость в переключении джамперов и поиска оптимального варианта подключения двух устройств к одному шлейфу.

Перемен требуют наши сердца

Чтобы понять, зачем необходимо переходить на Serial-ATA, давайте заглянем в недалекое прошлое. Интерфейс ATA (Advanced Technology Attachment) просуществовал долгие годы без изменений аж с 1989 г. Он являлся интерфейсом большинства выпускаемых жестких дисков. Maxtor, как владелец патента, продолжил непрерывное совершенствование ATA, увеличив полосу пропускания с 3,3 мегабайт в секунду (Мб/сек) до 100 (133) Мб/сек.

В связи с ростом производительности центральных процессоров, увеличение скорости чтения/записи данных на жесткие диски стала необходимостью (особенно важна высокая производительность обоих составляющих для игр и мультимедиа). Параллельные интерфейсы в прошлом шли нога в ногу с процессорами и другими компонентами компьютера, но несколько лет назад они достигли своего естественного предела около 100 Мб/сек, и стали узким звеном производительности компьютера. Serial-ATA обещает преодолеть этот барьер, начав со 150 Мб/сек в качестве стартового значения. Параллельный ATA (PATA) был довольно жестким интерфейсом и полностью утратил потенциал для дальнейшего роста. Serial-ATA не позволит производительности компьютеров остановиться на достигнутом, обещая, что она будет наращиваться предыдущими темпами.

Постоянное усовершенствование интерфейса ATA позволяло ему успешно конкурировать с другими технологиями интерфейса устройств хранения данных. К числу положительных его сторон можно отнести: ATAP - поддержка других периферийных устройств, таких как CD-ROM и ленточные накопители; обратная совместимость с устаревшими ATA-устройствами; циклический контроль избыточности (CRC) для улучшения защиты данных и сохранения их целостности; использование LBA для быстрого доступа к жесткому диску; множественные режимы передачи данных, включающие программируемый ввод/вывод (PIO), прямой доступ к памяти (DMA) и Ultra DMA (UDMA). Однако эволюционные изменения завели этот интерфейс в тупик, и выход из него состоит в необходимости ряда революционных изменений.

Ultra ATA-100 (133) стал последним представителем поколения параллельных ATA интерфейсов с максимальной, теоретически возможной, скоростью обмена данных в 100 Мб/сек. Этот протокол останется основным интерфейсом жестких дисков до тех пор, пока не будет полностью вытеснен Serial-ATA.

Несмотря на широкое распространение, обязанное сочетанием низкой стоимости и высокой производительности, протоколы Parallel ATA имеют ряд существенных недостатков:

- Необходимость в передаче 5-вольтового (в АТА 100 - 3,3 V) сигнала по большому числу близкорасположенных проводников. В то время как производители процессоров постоянно уменьшают напряжение питания ядра, становится все трудней и трудней поддерживать напряжение в 5 вольт для передачи данных по PATA. На один ATA-канал приходится 26 5-вольтовых проводников, и требуется применение относительно больших микросхем, обслуживающих большое количество высоковольтных проводников. В конечном счете, размер этих микросхем сдерживает общую тенденцию к миниатюризации.

- Ограничение длины кабеля (около 0,5 м) и его ширина. В существующем PATA-интерфейсе полуметровое ограничение длины кабеля часто приводит к возникновению ряда проблем. Короткий шлейф усложняет подключение дисковых накопителей, делая некоторые комбинации вовсе невозможными (особенно актуальна эта проблема в больших просторных корпусах). Широкие и плоские шлейфы трудно провести в необходимом направлении, а их нагромождение может привести к затруднению вентиляции и созданию горячих мест.

- Проблема помехоустойчивости. Помехоустойчивость данных в PATA является набившей оскомину темой. В самом начале развития протокола не было разработано никакой формы проверки. Однако с введением UDMA сделан шаг в сторону обеспечения защиты данных в виде CRC (циклического контроля избыточности). К сожалению, при этом данные об АТА-командах не проверяются, что может служить источником серьезных проблем.

Как уже говорилось, Serial-ATA призван снять ограничения, характерные для PATA. Теоретически переход на него не должен вызвать никаких проблем. Serial-ATA имеет программную совместимость со своим предшественником и не требует каких-либо конструктивных особенностей корпуса для установки, в нем изменена только архитектура канала передачи данных. Он прозрачен для современных BIOS и операционных систем.

Перечислим основные преимущества Serial-ATA над предшественником:

- Высокая производительность: Serial-ATA быстрее, чем параллельный ATA. Если бы всего несколько лет назад кто-нибудь сказал, что последовательная передача данных имеет неоспоримые преимущества перед параллельной, его бы высмеяли. COM-порт всегда был известен как довольно неповоротливый. Однако давайте вспомним, какую архитектуру имеют все современные быстрые интерфейсы (USB 2.0, Firewire, Ethernet, V-Link, MuTIOL, HyperTransport, RapidIO) - все они последовательные, и, как это ни удивительно, быстрые и эффективные. Из-за последовательной организации Serial-ATA нуждается только в двух проводниках - один для посылки, другой для получения данных. При передаче множественных сигналов, синхронизированных по фазе, происходит их взаимовлияние, отрицательно сказывающееся на качестве связи. Когда же два сигнала передаются в противофазе, необходимость в экранировании проводников отпадает.

- Снижение напряжения сигнала. Serial-ATA не требует высокого напряжения на сигнальных проводниках (амплитуда 500 милливольт), что снимает проблему согласования различных уровней напряжений на шлейфе и материнской плате. Снижение напряжения означает улучшенное энергосбережение, а это особенно актуально в мобильных устройствах (где важно не только экономное потребление энергии, но и миниатюрность и гибкость кабеля).

- Маленькие в поперечнике, легкие для монтажа, более длинные кабели. Serial-ATA меняет широкий PATA-шлейф на тонкий гибкий шнур, длина которого может достигать 1 м. Новый кабель легко направить по любому маршруту в системном блоке. Его маленький поперечник способствует улучшению отвода тепла от горячих мест. Кроме того, дизайн этих кабелей согласуется с общей тенденцией изменений в архитектуре системного блока. Маленькое число проводников делает ненужной широкую и громоздкую контактную площадку, облегчая инсталляцию дисков. Увеличенная длина кабеля делает возможным применение внешних Serial-ATA-дисков.

- Повышенная ошибкоустойчивость данных. Serial-ATA предлагает более полную проверку ошибок и методы их исправления, в сравнениии с PATA. Новая шина гарантирует непрерывную и безошибочную передачу данных и команд.

- Совместимость сверху вниз. Serial-ATA обеспечивает обратную совместимость со своими предками PATA и ATAPI, что достигается двумя различными способами. Во-первых, вы можете использовать чипсетную поддержку SATA-устройств или установить отдельные компоненты, обеспечивающие поддержку Serial-ATA-дисков. Эти отдельные компоненты легкодоступны и могут быть приобретены либо отдельно, либо в составе материнской платы. Во-вторых, можно использовать последовательные или параллельные переходники, которые осуществляют трансляцию сигнала с SATA в РATA или наоборот.

- Увеличенная скорость передачи данных между диском и другими компонентами. Известно, что сегодня скорость передачи данных с жестких дисков не может достигнуть даже уровня ATA100, так почему же надо переходить на Serial-ATA? Максимальная внутренняя скорость передачи данных в большинстве IDE - дисков сегодня не превышает ~72 Мб/сек. Т.е. предел ATA/100 еще не достигнут. Но основная причина того, что скорость передачи данных с IDE - устройств находится на низком уровне, состоит в том, что единственный путь (шлейф) должен быть разделен между двумя устройствами. Serial-ATA позволит дискам продолжать повышение своей производительности, сохраняя ценовой паритет с PATA.

- Не увеличивает общую стоимость системы. Решение на Serial-ATA будет более дорогим, чем на Parallel-ATA? Поначалу Serial-ATA несколько увеличит затраты на приобретение системы. Так происходит со всеми новинками. Но со временем ценовые различия полностью исчезнут. Так, еще несколько месяцев назад мы вынуждены были приобретать отдельные контроллеры или переходники. Сегодня таких затрат можно с легкостью избежать.

Приобщаемся к Serial-ATA

Итак, чего нам не хватает для использования Serial-ATA? Необходимо приобрести Serial-АТА-диск и найти контроллер шины Serial-ATA. Сегодня отпала необходимость в приобретении отдельной платы - контроллера Serial-ATA или поиска материнской платы с интегрированным контроллером от сторонних производителей. Такие контроллеры держат связь с процессором по шине PCI, а значит, их пиковая производительность не может превышать 133 МГц. Этим способом мы не достигнем тех скоростей, которые поддерживает Serial-ATA. Многие современные чипсеты имеют интегрированные контроллеры Serial-ATA, что снимает ограничения, накладываемые морально устаревающим PCI. Одно из главных требований, выдвинутых рабочей группой Serial-ATA, - никаких изменений в программном обеспечении. Serial-ATA практически на 100% программно совместим со своими предшественниками. Поэтому нет никакой необходимости в смене операционной системы или прикладных программ. Все, что необходимо, это Serial-ATA-диск, контроллер Serial, и Serial-ATA-сигнальный и силовой кабели.

Используя master/slave соглашения, PATA обеспечивает подключение до двух устройств к одному порту. Оба устройства подключаются с помощью кабеля, являющегося незаконченной многопроводниковой шиной. Стандартное РATA программное обеспечение и драйвера устройств обращаются к подсистеме Serial-ATA точно таким же способом, как и к РATA, и при этом функционируют корректно. Однако они рассматривают два Serial-ATA-устройства, как два master на двух различных портах. Интерфейс диска преобразует РАТА-команды в команды, понятные Serial-ATA - приводу. Согласно стандарту Serial-ATA, два устройства подключаются с помощью отдельных кабелей, имеющих только два окончания.

Разные подходы к реализации Serial-ATA у производителей жестких дисков

Существует два способа обеспечить поддержку диском протокола Serial-ATA: внутренний и мостовой . Метод, который мы назвали внутренним , должен обеспечить максимальную производительность в реальных операциях с файлами, т.к. он не будет сдерживаться порогом в 133 Мб/сек, унаследованным от Ultra DMA Mode 6, и максимум скорости обмена данными достигнет150 Мб/сек для первого поколения Serial-ATA - устройств.

Мостовое решение заключается в установке Serial-ATA-адаптера на обычный РАТА-диск. Сегодня так поступают большинство производителей. По нескольким причинам этот подход не позволит достичь максимальной для Serial-ATA скорости и является ущербным.

Тестирование

Для тестирования возможностей Serial-ATA было отобрано 6 материнских плат. Четыре из них (AOpen AX4SPE, ASUS A7V600, EPoX 4PDA2+, Gigabyte 8KNXP Ultra) имели чипсетную поддержку новой технологии, что должно обеспечить высокую скорость обмена данными. Мы постарались охватить как можно большее число чипсетов, поддерживающих Serial-ATA, в итоге в обзор попали i865PE и i875P от Intel и KT600 от VIA. В комплектацию двух оставшихся (ABIT BH7 и EPoX 8RDA3+) входят Serial-ATA-контроллеры сторонних производителей.

Что касается жестких дисков, то мы воспользовались Seagate Barracuda 7200.7. Компания Seagate первой выставила на рынок жесткий диск с поддержкой Serial-ATA, и остается единственной, производящей диски с внутренним Serial-ATA контроллером, тогда как все остальные остановились на мостовой технологии. Самым быстрым Serial-ATA жестким диском считается WD360GD, обладающий скоростью вращения шпинделя в 10000 об/мин, но смущающий многих покупателей невысоким объемом (менее 40 Гб). Нельзя обойтись без сравнения новой технологии с ее предшественницей Р-АТА, поэтому в тестирование был включен диск с параллельным интерфейсом - Seagate Barracuda АТА 5.

С материнскими платами, выпущенными несколько месяцев назад, обычно возникали проблемы при подключении Serial-ATA-дисков, в силу отсутствия тех или иных необходимых комплектующих (чаще всего проблемы возникают с силовым кабелем или переходником питания). Комплектация новых плат устраняет эти проблемы.

Для оценки производительности дисковой подсистемы использовались следующие тесты:

· Winbench 99 version 2.0 Disk Tests. Отработаны два Winmark - теста (Business Disk Winmark и High End Disk Winmark). Были также запущены тесты CPU utilization, access time, и transfer rate. Transfer rate нормализован для 8 Мб, как это предложено разработчиками Winbench 99.

· Multimedia Content Creation Winstone 2003 показывает производительности дисков в разнообразных реальных приложениях.

· Business Winstone 2002 позволяет оценить производительность в стандартных деловых приложениях.

Winbench 99 2.0 Business Disk Winmark, High End Disk Winmark и CPU Utilization.

Впечатляющие результаты: диски S-ATA на две головы выше своих параллельных предшественников. Вначале я подумал, что в результаты вкралась ошибка, но тест был переделан три раза с аналогичными результатами. Вероятно, на результатах данного теста отразилась не только более высокая производительность диска, но и низкое использование ресурсов процессора новым интерфейсом (см. ниже). Особенно высокие результаты показал десятитысячник от Western Digital. Бросается в глаза то, что на всех материнских платах с чипсетной поддержкой Serial-ATA диск показывает одну и ту же производительность.

И в этом тесте S-ATA-диски впереди, причем разница между 7200 и 1000 rpm моделями уменьшилась. Более низкие, но при этом превосходящие Seagate Barracuda АТА 5 показатели получены на платах со сторонним (нечипсетным) контроллером.

Winbench 99 2.0 CPU utilization: здесь слова излишни. Использование нового протокола способно в десятки раз снизить нагрузки на центральный процессор. Возможно, в этом один из секретов высокой производительности систем на Serial-ATA-дисках.

Время доступа и скорость передачи данных

Время доступа - это, прежде всего, характеристика самого диска. У высокопроизводительных S-ATA оно должно быть минимальным. На что нам и указывают результаты теста. Увеличение скорости вращения шпинделя самым благоприятным образом сказалось на снижении времени доступа.

Использование нового интерфейса весьма положительно сказалось на скорости передачи данных. Наиболее высокие результаты дает использование чипсетной поддержки протокола. Как на всех Intel, так и на VIA - чипсетах каждый диск показывает практически идентичные результаты. А это свидетельствует в пользу того, что дальнейшее повышение скорости передачи данных сдерживается производительностью самих жестких дисков, и следующего шага следует ожидать со стороны их производителей. Использование нечипсетных контроллеров сказывается на производительности дисковой системы далеко не в лучшую сторону.

Business и Content Creation Winstone

После низкоуровневого тестирования давайте посмотрим, как повлияет использование Serial-ATA на производительность реальных приложений.

Тесты с реальными приложениями показывают, что использование Serial-ATA-контроллеров, связанных с процессором по шине PCI, практически не дает никаких преимуществ от использования новой технологии. Чипсетная же поддержка новой технологии выводит S-ATA-диски в неоспоримые лидеры. Здесь, как и во многих других тестах, сильно сказывается скорость работы самого диска. Очевидно, что переход на 10000 rpm становится насущной необходимостью.

Таким образом, узким звеном в производительности дисковой подсистемы, при использовании нечипсетных контроллеров, выступает шина PCI, отделяющая контроллер от остальной системы. Теоретическая максимальная скорость передачи данных по ней составляет 133 Мб/сек. Но достижение этой скорости возможно, если шину использовать только для передачи информации с одного диска. Фактически же она обслуживает большое число системных компонентов, и реальная скорость гораздо ниже. Поэтому истинную производительность Serial-ATA-дисков можно оценить только при поддержке этой технологии системной логикой.

Заключение

По сравнению с параллельным, последовательный ATA имеет более низкое напряжение сигналов, уменьшенное число проводников и соединительных контактов, а также более компактный и мобильный кабель. Serial-ATA программно полностью совместим с Parallel-ATA. Serial-ATA не только позволит существующим системам без дополнительных затрат работать более эффективно, но и имеет большой потенциал для роста и расширения.

При переходе с РATA на SATA пользователь получает значительный выигрыш в производительности системы. Но показанные результаты далеко не предел, и в ближайшее время стоит ожидать дальнейшего увеличения скорости. Поддержка Serial-ATA системной логикой позволила достигнуть потрясающих результатов. Дальнейшее увеличение производительности следует ожидать от появления новых десятитысячных дисков. С Serial-ATA скорость работы компьютера еще долго не будет ограничиваться производительностью дисковой подсистемы. Тем временем, сборщики будут довольны упрощением в инсталляции дисковых накопителей.