Какую максимальную длину имеет проводной шлейф версии sata

Обновлено: 07.07.2024

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:

пропускная способность канала связи;
максимальное количество одновременно подключенных устройств;
количество возникающих ошибок.

Параллельные и последовательные порты

По способу обмена данными порты ввода-вывода делятся на два типа:

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.

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:

сканеры;
ленточные накопители (стримеры);
оптические приводы;
дисковые накопители и прочие устройства.

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:

на концах шины необходимы специальные устройства — терминаторы;
пропускная способность шины делится между всеми устройствами;
максимальное количество одновременно подключенных устройств ограничено.

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:

Mandatory — должны поддерживаться устройством;
Optional — могут быть реализованы;
Vendor-specific — используются конкретным производителем;
Obsolete — устаревшие команды.

TEST UNIT READY — проверка готовности устройства;
REQUEST SENSE — запрашивает код ошибки предыдущей команды;
INQUIRY — запрос основных характеристик устройства.

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:

шлейф обязательно должен быть плоским;
максимальная длина шлейфа 18 дюймов (45.7 сантиметров).

Стандарт Serial ATA (SATA) был представлен 7 января 2003 года и решал проблемы своего предшественника следующими изменениями:

параллельный порт заменен последовательным;
широкий 80-жильный шлейф заменен 7-жильным;
топология «общая шина» заменена на подключение «точка-точка».

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:

последовательный интерфейс;
29-ти жильный кабель с питанием;
подключение «точка-точка»

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:

прием+ и прием-;
передача+ и передача-;
четыре жилы заземления.

«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:

вынос шины PCI Express за пределы сервера;
создание протокола NVMe over Fabrics.

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.

Использование SSD сегодня более чем широко распространен, когда жесткие диски оставлены для других второстепенных задач. После революции, которая привела к переходу на твердотельные накопители, многие задавались вопросом об ограничениях, которые Интерфейс SATA 3.0 может иметь в ключевом разделе для определенных секторов: потеря производительности из-за большей длины кабеля данных. Что в этом реального? Есть ли такая потеря?

Этот фактор не применим в принципе к традиционным жестким дискам из-за простой логики: они не разрушают интерфейс. Но было бы также интересно узнать, что происходит с этими механическими жесткими дисками.

Как мы знаем, в настоящее время твердотельные накопители SATA 3.0 доводят свой интерфейс до предела, и поэтому фактор расстояния может означать дальнейшие потери в зависимости от того, какие кабели. Это не было проверено до сих пор, поэтому мы будем знать ответ.

Испытано пять кабелей SATA разной длины

Хотя мы считаем, что мы очень продвинуты, современные кабели SATA являются одним из самых больших источников проблем для традиционных ПК. Это компонент, который выходит из строя больше, чем должен, и поэтому многие специалисты и пользователи всегда покупают качественные кабели.

Некоторые производители относятся к этому очень серьезно и предлагают действительно хорошие, жесткие и хорошо экранированные кабели со своими материнскими платами, которые прослужат нам десятилетия без проблем. Но то, что они не делают, это включают в себя разные длины, поэтому вопрос производительности всегда оставался в воздухе.

Протестированные кабели были пяти различных длин: 20 см, 30 см, 50 см, 70 см и 100 см, где от самого короткого до самого длинного в 5 раз больше их общего расстояния. Данные принадлежат японскому веб-сайту Akiba-PC, где они также измерили время доступа, чтобы исключить возможные несоответствия в данных.

Тестируемый SSD является общеизвестным решающее значение MX500 с NAND Flash Micron и с несомненной платежеспособностью.

Как мы видим, данные действительно надежны, даже под 4KQ1T1 где этот SSD, как и все, действительно страдает, чтобы максимизировать производительность. Если мы придерживаемся процентных соотношений, различия между кабелями едва превышают 1%, поэтому мы сталкиваемся с метрикой, которая попадает в пределы возможных значений и типичных ошибок измерения.

Время доступа, еще один определяющий фактор в SSD

Как и ожидалось, время доступа еще точнее с точки зрения различий в производительности SSD. Все они точно набирают 0.029 мс Таким образом, мы можем с уверенностью сказать, что сегодня и с качественными кабелями нет разницы в производительности или времени доступа между самыми короткими и самыми длинными кабелями.

Следующим сравнением будет сопоставление низкокачественных кабелей с экранированными, зажимными и надежными соединительными кабелями, то есть с высоким качеством. Таким образом, мы могли бы знать, действительно ли стоит потратить немного больше на этот тип кабеля (кроме безопасности), или вместо этого дешевые могут компенсировать нас на некоторое время.

И давайте помнить, что кабели SATA являются основным источником проблем для современных жестких дисков SATA 2.5 ″ на миллионах компьютеров каждый год.

SATA (произносится «say-da»), сокращение от Serial ATA (сокращение от Serial Advanced Technology Attachment) - это стандарт IDE, впервые выпущенный в 2001 году для подключения таких устройств, как оптические приводы и жесткие диски, к материнской плате. Термин SATA обычно относится к типам кабелей и соединений, которые соответствуют этому стандарту.

Serial ATA заменяет Parallel ATA в качестве предпочтительного стандарта IDE для подключения устройств хранения внутри компьютера. Устройства хранения SATA могут передавать данные на остальную часть компьютера и с нее намного, намного быстрее, чем аналогичное устройство PATA.

PATA иногда называют просто IDE. Если вы видите, что SATA используется в качестве противоположного термина с IDE, это просто означает, что обсуждаются кабели или соединения Serial и Parallel ATA.

Различия кабелей SATA и PATA

По сравнению с Parallel ATA, Serial ATA также обладает преимуществами более дешевой стоимости кабелей и возможностью горячей замены устройств. Горячая замена означает, что устройства могут быть заменены без отключения всей системы. Для устройств PATA необходимо выключить компьютер перед заменой жесткого диска.

Кабель SATA и PATA

В то время как диски SATA поддерживают горячую замену, устройство, использующее его, также должно, как и операционная система.

Сами кабели SATA намного меньше, чем толстые ленточные кабели PATA. Это означает, что ими легче управлять, потому что они не занимают так много места и могут быть легче связаны, если это необходимо. Более тонкий дизайн также улучшает воздушный поток внутри корпуса компьютера.

Как вы читали выше, скорость передачи данных по SATA намного выше, чем у PATA. 133 МБ/с - это самая высокая скорость передачи данных, возможная для устройств PATA, тогда как SATA поддерживает скорости от 187,5 МБ/с до 1 969 МБ/с (по состоянию на редакции 3.2).

Максимальная длина кабеля PATA составляет всего 18 дюймов (1,5 фута). Кабели SATA могут быть длиной до 1 метра (3,3 фута). Однако, хотя к кабелю данных PATA может быть подключено два устройства одновременно, кабель SATA позволяет использовать только одно.

Некоторые операционные системы Windows не поддерживают устройства SATA, такие как Windows 95 и 98. Однако, поскольку эти версии Windows устарели, это не должно вызывать беспокойства сегодня. Другим недостатком жестких дисков SATA является то, что им иногда требуется специальный драйвер устройства, чтобы компьютер мог начать считывать данные с него и записывать на него данные.

Подробнее о кабелях и разъемах SATA

SATA - это длинные 7-контактные кабели. Оба конца плоские и тонкие, один из которых часто выполнен под углом 90 градусов для лучшей прокладки кабеля. Один конец подключается к порту на материнской плате, обычно с пометкой SATA, а другой (например, к концу) подключается к задней части устройства хранения, например, к жесткому диску SATA.

Моно-кабель SATA

Внешние жесткие диски также можно использовать с подключениями SATA, учитывая, конечно, что сам жесткий диск также имеет подключение SATA. Это называется eSATA. Это работает так, что внешний диск подключается к разъему eSATA на задней панели компьютера рядом с другими отверстиями для таких устройств, как монитор, сетевой кабель и порты USB. Внутри компьютера такое же внутреннее SATA-соединение осуществляется с материнской платой, как если бы жесткий диск был закреплен внутри корпуса.

Диски eSATA поддерживают горячую замену так же, как и внутренние диски SATA.

Большинство компьютеров не поставляются с предварительно установленным соединением eSATA на задней панели корпуса. Тем не менее, вы можете купить кронштейн самостоятельно довольно дешево. Например, стоимость 2-портового внутреннего кронштейна Monoprice от SATA до eSATA составляет менее 640 рублей.

Однако, одна оговорка с внешними жесткими дисками SATA заключается в том, что кабель не передает энергию, а только передает данные. Это означает, что в отличие от некоторых внешних USB-накопителей, дискам eSATA требуется адаптер питания, который подключается к передней стенке системного блока.

Конвертация кабелей SATA

Существуют различные адаптеры, которые можно приобрести, если вам необходимо преобразовать кабель более старого типа в SATA или преобразовать SATA в другой тип подключения.

Переходник CableCreation Molex на SATA

Например, если вы хотите использовать жесткий диск SATA через USB-соединение, например, чтобы стереть диск, просмотреть данные или выполнить резервное копирование файлов, вы можете купить адаптер SATA to USB. Через AliExpress вы можете получить что-то вроде этого SATA/PATA/IDE Drive to USB Adapter Кабель-переходник именно для этой цели.

Есть также конвертеры Molex, которые вы можете использовать, если ваш источник питания не обеспечивает 15-контактное кабельное соединение, необходимое для питания внутреннего жесткого диска SATA. Эти кабельные адаптеры довольно недороги, например, от Micro SATA Cables.

Интерфейс SATA имеет два канала передачи данных, от контроллера к устройству и от устройства к контроллеру. Для передачи сигнала используется технология LVDS, провода каждой пары являются экранированными витыми парами.

Устройства с интерфейсом SATA используют два разъема - 7-контактный для передачи данных и 15-контактный для обеспечения устройства питанием. В некоторых винчестерах в качестве альтернативного разъема питания использовался 4-контактный разъем типа MOLEX. Существует также 13-контактный совмещенный разъем (7 контактов для передачи данных и 6 для питания устройства) - обычно таким разъемом оснащаются HDD и SSD, выполненные в форм-факторе 1.8", предназначенные для портативных устройств типа малогабаритных ноутбуков или планшетов. Для подключения таких накопителей к стандартному разъему SATA обязательно нужен специальный переходник.

SATA revision 1.0 (SATA 1.5 Gbit/s)

- первая версия стандарта, которая обеспечивала фактическую пропускную способность на уровне 1.2 Гбит/с (150 МБ/с). Фактическая скорость передачи данных была приблизительно на 20% ниже заявленных 1.5 Гбит/с, по той простой причине, что использовалась система кодирования 8B/10B, т.е. на каждые 8 бит полезной информации приходится 2 служебных бита. Основным преимуществом интерфейса SATA перед своим предшественником (PATA) является поддержка технологии оптимизации чередования команд (NCQ), благодаря которой повышается быстродействие программ интенсивно выполняющие операции случайного чтения/записи, особенно в многозадачном режиме.

SATA revision 2.0 (SATA 3 Gbit/s)

- второе поколение интерфейса, пропускная способность которого выросла приблизительно в два раза до 2.4 Гбит/с (300 МБ/с). Популяризированными названиями этого интерфейса стали SATA II и SATA 2.0. Новая ревизия интерфейса SATA стала актуальна с появлением первых SSD накопителей, скорость чтения которых превысила значение пропускной способности интерфейса SATA/150.

Читайте также: