Интерфейс накопителей на жестких магнитных дисках SATA2, и технология Native Command Queuing

Однако SATA2 все еще широко используется в компьютерах и других устройствах, особенно в более старых моделях.3.Технология NativeCommandQueuingNCQ–NativeCommandQueuing(естественнаяочередькоманд)—этотехнологияоптимизациипорядкавыполнениякомандвжесткихдискахSATA(SerialATAиSerialATAII).Онапозволяетдискудлядостижениямаксимальнойпроизводительностименятьпорядокпоступающихотконтроллеракоманд(позиционированиеголовки/чтение/запись)сучетомтекущегоположенияголовокдискаиналичиявочередидругихкоманд,ожидающихвыполнения.ТакжеNCQпозволяетактивироватьоперацииDMA(прямогодоступакпамяти)безвмешательствацентральногопроцессора.ЭтафункцияноситназваниеfirstpartyDMA [3].Втрадиционнойсистеме,когдакомпьютеротправляеткомандыжесткомудиску,дискобрабатываетэтикомандыпоследовательно.Этоозначает,что,еслиестьнесколькокоманд,которыедолжныбытьвыполнены,дискбудетобрабатыватьихпоочереди,начинаяспервойкомандыизаканчиваяпоследней.СтехнологиейNCQ,дискможетобрабатыватьнесколькокомандодновременно.Когдакомпьютеротправляетнесколькокоманд,дисканализируетэтикомандыивыбираетоптимальныйпорядокихвыполнения.Этоможетпривестикулучшениюпроизводительности,посколькудискможетвыполнятьболеесложныеоперации,такиекакчтениеизапись,одновременновыполняяболеепростыеоперации,такиекакпоискиперемещениеголовкичтения/записи.ТехнологияNCQтакжеможетулучшитьнадежностьдиска.Посколькудискможетобрабатыватьнесколькокомандодновременно,онможетлучшесправлятьсясошибками,такимикакпотеряданныхилиповреждениефайлов.Если,например,происходитсбойвовремячтенияданных,дискможетпродолжитьвыполнениедругихкоманд,чтоуменьшаетвероятностьпотериданных.Рисунок4–ПринципработытехнологииТехнологияNCQподдерживаетсябольшинствомсовременныхжесткихдисковиоперационныхсистем.Онаявляетсястандартнойфункциейвсовременныхжесткихдискахинетребуетдополнительнойнастройкиилиустановки.Оптимизацииперемещенийголовокповышаетскоростьработыприложений,которыеинтенсивновыполняютоперациислучайногочтения/записи,особенновмногозадачномрежиме.Впервуюочередьэтокасаетсявсехсерверныхприложений(базыданных,файловыеиweb-сервера),причём,чемвышезагрузка,тембольшепользаотNCQ.Такжеприэтомэкономитсямеханическийресурсжёсткогодисказасчётфизическименьшегоколичестваперемещенийголовки.NCQневлияетнаскоростьвыполненияпоследовательногочтения/записиводнозадачномрежиме(наиболеетипичнаязагрузка,например,виграх,офисныхприложенияхивидеомонтаже),однакоеслинадомашнем/офисномкомпьютеренесколькопрограммведутинтенсивныедисковыеоперации,тоNCQзаметноповышаетсуммарнуюскоростьработы.ДействиеNCQможнопроиллюстрироватьтак.Допустим,вочередидискастоитдвекомандычтения:A—секторвначаледискаиB—секторближекконцудиска.ГоловкаприближаетсяксекторуA.ВэтотмоментконтроллерполучаеткомандусчитатьсекторC,находящийсявсерединедиска.БезNCQэтакомандавсталабывконецочереди:A-B-C.ОднакотехнологияNCQопределяет,чтосекторCможносчитать"попути"головкиксекторуB,иочередькомандменяется:A-C-B.Темсамымвсетрикомандыможновыполнитьзаодинпроходголовокнаддиском,анезаполтора,какбылобыприпоследовательномисполнениикоманд.ПринципдействияNCQдостаточнопрост—это"облегченный"вариантприменяемойвSCSI-дискахтехнологииTCQ.NCQготовиласьдлявнедрениявспецификацииSerialATAII.ЕслисравниватьNCQ(SerialATA)сTCQ(винтерпретацииSCSI),изменениякоснутсяследующиххарактеристик:глубинаочередисократитсяс255команддо32команд;числоочередейсократитсястрехдооднойвведенпризнаккорректногозавершенияпредыдущейкоманды;заоднопрерываниеможетзавершитьсянесколькокомандопределениеоптимальнойтраекториибудетосуществлятьсятольконабазеадресаискомогоблока,анеугловогоположениядиска.Если,кпримеру,активноиспользуетсялокальнаясеть,перекачиваютсябольшиеобъемыинформацииилижечастенькоприходитсякопировать/перемещатьразличныефайлы,приэтомпараллельнозапускаядругиепрограммы,тоNCQнасамомделепоможетускоритьработу.Правда,рассчитыватьнадействительноошеломляющийрезультатстоитлишьпридефрагментацииданных.Поставивданнуюпроцедурувпланировщикзадачдляежедневноговыполнения,можноивправдусэкономитьмноговремениизабытьотом,какмешаетспатьшумсистемногоблока.Практическаяценностьтехнологиисортировкикомандвозрастаетприиспользованиимногоядерныхпроцессоров.ПрименениетакихCPUзачастуюнесколькоменяетмодельиспользованиякомпьютера,позволяявладельцуПКбезбоязненноработатьодновременноснесколькимиресурсоемкимиприложениями.Приэтомвподавляющембольшинствеслучаеввподобныхсистемахпо-прежнемубудетодинжесткийдиск,чтодаствозможностьтехнологииNCQвусловияхповышеннойнагрузкинаHDDвполноймеререализоватьсвоепредназначение.ПрииспользованииNCQоперационнаясистемапередаетдискунесколькокоманднавыполнение,адисксамостоятельноопределяетоптимальныйпорядокихвыполнения.Этопозволяетустройствуболееэффективноиспользоватьфизическиересурсы,уменьшаявремяожиданияиповышаяпропускнуюспособность.ВлияниеNCQнапроизводительностьдисковойподсистемыможетбытьзначительным.Благодаряоптимизациипорядкавыполнениякоманд,уменьшаетсявремядоступакданным,ускоряетсяобработказапросовиснижаетсязадержка.Крометого,использованиеNCQпозволяетэффективнееработатьспараллельнымиоперациями,например,приодновременнойзагрузкеоперационнойсистемыивыполнениизадачнадиске.Этоособенноважновсерверныхивычислительныхсистемах,гдепроизводительностьдисковойподсистемыимеетрешающеезначение.Однакостоитотметить,чтодляработысNCQнеобходимоналичиесоответствующейподдержкикаксостороныдисковогоустройства,такиоперационнойсистемы.Крометого,эффективностьNCQможетзависетьотконкретныхзадачихарактеристикдисковогоустройства.ЕстьнесколькопотенциальныхнедостатковтехнологииNativeCommandQueuing(NCQ),котораяявляетсястандартомуправленияочередьюкоманддляхраненияданныхнажесткихдисках:1.Невсегдаэффективна:некоторыеустройстваиприложениямогутнесовместимыстехнологиейNCQ,иврезультатеееиспользованиеможетнеприноситьзначимогоулучшенияпроизводительности.2. Возможные конфликты: использование технологии NCQ может привести к конфликтам и ошибкам в работе некоторых устройств или приложений, особенно если они не поддерживают данную технологию.3. Не всегда подходит для всех приложений: в некоторых случаях, особенно при работе с определенными типами данных или задачами, технология NCQ может быть менее эффективной или даже бесполезной.ЗАКЛЮЧЕНИЕNCQ является частью спецификации интерфейса Serial ATA (SATA), и включает возможность переупорядочивания команд для оптимизации работы секторов диска таким образом, чтобы минимизировать перемещение считывающих головок и уменьшить задержки передачи данных. В результате, NCQ помогает повысить производительность и снизить время доступа к данным на накопителях с поддержкой этой технологии.Таким образом, в работе изучен интерфейс накопителей на жестких магнитных дисках SATA2 и технологияNativeCommandQueuing.В ходе выполнения работы решены следующие задачи:Рассмотрена история развития накопителей;Проанализировано происхождение Serial АТА;Рассмотрен процесс развития интерфейса Serial АТА;Подробно рассмотрена технология NativeCommandQueuing.БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКИнтерфейсы подключения жестких дисков – IDE, SATA и другие. [Электронный ресурс] URL: https://pc-information-guide.ru/zhestkij-disk/interfejsy-podklyucheniya-zhestkix-diskov-ide-sata-i-drugie.html (дата обращения 11.12.2023)Интерфейс жесткого диска. SATA, SATA 2, SATA 3[Электронный ресурс] URL: https://hardwareguide.ru/жесткий-диск/sata/ (дата обращения 11.12.2023)Технология NCQ: первый шаг к более быстрым винчестерам [Электронный ресурс] URL: https://overclockers.ru/hardnews/show/12494/Tehnologiya_NCQ_pervyj_shag_k_bolee_bystrym_vinchesteram_obnovlena(дата обращения 11.12.2023)