硬盤接口技術詳解

硬盤接口技術詳解 
1、IDE/ATA 

1.1 概述 
IDE即Integrated Drive Electronics，它的本意是指把控制器與盤體集成在一起的硬盤驅(qū)動器，我們常說的IDE接口，也叫ATA（Advanced Technology Attachment）接口，現(xiàn)在PC機使用的硬盤大多數(shù)都是IDE兼容的，只需用一根電纜將它們與主板或接口卡連起來就可以了。 
IDE接口是由Western Digital與COMPAQ Computer兩家公司所共同發(fā)展出來的接口。因為技術不斷改進，新一代Enhanced IDE(加強型IDE，簡稱為EIDE)最高傳輸速度可高達100MB／秒(Ultra ATA／100)。 
IDE接口有兩大優(yōu)點：易于使用與價格低廉，問世后成為最為普及的磁盤接口。但是隨著CPU速度的增快以及應用軟件與環(huán)境的日趨復雜，IDE的缺點也開始慢慢顯現(xiàn)出來。Enhanced IDE就是Western Digital公司針對傳統(tǒng)IDE接口的缺點加以改進之后所推出的新接口。Enhanced IDE使用擴充CHS(Cylinder-Head-Sector)或LBA(Logical Block Addressing)尋址的方式，突破528MB的容量限制，可以順利地使使用容量達到數(shù)十GB等級的IDE硬盤。 
在PC中，I/O設備，如硬盤驅(qū)動，不是直接與系統(tǒng)中央總線連接的（AT總線在AT系統(tǒng)，或PCI總線在之后的系統(tǒng)）。而I/O設備與接口芯片相連，而接口芯片與系統(tǒng)總線連接。 
接口芯片組成了I/O設備與系統(tǒng)總線的橋，在系統(tǒng)總線協(xié)議（PCI或AT）與I/O設備協(xié)議（如IDE或SCSI）之間進行翻譯。這使I/O設備可以獨立于系統(tǒng)總線協(xié)議。 
下圖展示了PC工作站的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，展示了IDE設備與系統(tǒng)余下部分的關系。 


1.2 IDE傳輸模式 
IDE硬盤接口的幾種傳輸模式有明顯區(qū)別。IDE接口硬盤的傳輸模式，經(jīng)歷過三個不同的技術變化，由PIO(Programmed I／O)模式，DMA(Direct Memory Access)模式，直至現(xiàn)今的Ultra DMA模式(簡稱UDMA)。 
　　PIO(Programmed I／O)模式的最大弊端是耗用極大量的中央處理器資源，在以前還未有DMA模式光驅(qū)的時候，光驅(qū)都是以PIO模式運行。大家可能還記得，當時用光驅(qū)播放VCD光盤，再配以軟件解壓，就算使用Pentium 166，其流暢度也不理想，這就是處理器被長期大量占用的緣故。以PIO模式運行的IDE接口，數(shù)據(jù)傳輸率達3．3MB／秒(PIO mode 0)至16．MB／秒(PIO mode 4)不等。后來隨著Fast ATA／DMA模式的出現(xiàn)，IDE接口及裝置都開始有了DMA的支持，DMA模式分為Single-Word DMA及Multi - Word DMA兩種，跟PIO模式的最大區(qū)別是：DMA模式并不用過分依賴CPU的指令而運行，可達到節(jié)省處理器運行資源的效果。不過，后來由于Ultra DMA模式的出現(xiàn)和決速普及。這兩個模式也只會是曇花一現(xiàn)，不久即被UDMA所取代。Single-Word DMA模式的最高傳輸率達8．33MB／秒，Multi-Word DMA(Double Word)則可達16．66MB/秒。 
　　由于Ultra DMA模式(Ultra ATA制式下所引用的一個標準)的普及，UDMA模式就全以16-bit Multi-Word DMA模式作為基準。UDMA其中一個優(yōu)點是它除已擁有DMA模式的優(yōu)點外，更應用了CRC(Cyclic Redundancy Check)技術，加強了資料在傳送過程中偵錯及除錯方面的效能。在最初UATA／33規(guī)格制定時，為了保留IDE系統(tǒng)的最高兼容性，所以在硬件的設計上并沒做出太大的修改，不僅能完全向下兼容舊式ATA裝置，也無需硬件生產(chǎn)商改變接頭及訊號聯(lián)接的設計。自Ultra ATA標準推行以來，其接口便應用了DDR(Double Data Rate )技術將傳輸?shù)乃俣忍嵘艘槐?，目前已發(fā)展到Ultra ATA／100了，其傳輸速度高達100MB／秒。 
　　Ultra DMA/66/100專用的硬盤連接線和一般的40芯連接線有所不同。Quantum在制定Ultra ATA／66的同時，在舊有IDE排線的規(guī)格上略作修改。除沿用40芯的IDE接頭外，排線更換成80芯，在原有40芯排線的每條線芯之間，都多加一條線來相隔，并將這40條新線跟原先40芯排線之中原有的7條地線相連，把構(gòu)成Crosstalk現(xiàn)象的電磁波濾走而增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性(在高速的電子訊號傳輸時，當一大堆帶著高頻訊號的電線互相靠近一起的時候，訊號線上發(fā)出的電磁波便會互相干擾，這就是所謂的“Crosstalk”現(xiàn)象)。Ultra ATA／66／100排線的基本規(guī)格是徘線全長不超過18英寸。也就是說要真正發(fā)揮Ultra DMA／66的高速傳輸是需硬盤、排線的配合的，當然如果搭配一般的40芯排線，Ultra DMA／66接口的硬盤依然能夠以向下兼容的方式工作，只不過無法使用Ultra DMA／66罷了。 
　　硬盤的傳輸模式進入UltraATA/100的時代。目前，硬盤的傳輸模式已由最早的PIO Mode 4(傳輸速率為16．6 MB／秒)進入UltraATA/100的時代。提醒DIY朋友注意，所選購的硬盤不僅要本身支持Ultra 
ATA／100，而所選購的主板的芯片組也要支持Ultra ATA／100，這樣才能真正達到100MB/秒的傳輸速度。如果你現(xiàn)在使用的主板不支持Ultra ATA／1OO，只要購買一塊i815E的主板或支持Ultra ATA／100的硬盤控制卡就行了。 
Serial ATA：（即串行ATA），是英特爾公司在2000年IDF（Intel Developer Forum，英特爾開發(fā)者論壇）上發(fā)布的將于下一代外設產(chǎn)品中采用的接口類型，就如其名所示，它以連續(xù)串行的方式傳送資料，在同一時間點內(nèi)只會有1位數(shù)據(jù)傳輸，此做法能減小接口的針腳數(shù)目，用四個針就完成了所有的工作（第1針發(fā)出、2針接收、3針供電、4針地線）。這樣做法能降低電力消耗，減小發(fā)熱量。目前市面也有了部份支持此接口的硬盤，如希捷公司推出的新款硬盤就支持串行ATA，不過非常少見。 

1.3小結(jié) 
ATA接口優(yōu)點： 
價格低廉 
兼容性非常好 
ATA接口缺點： 
速度慢 
只能內(nèi)置使用 
對接口電纜的長度有很嚴格的限制 

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2、SCSI 

2.1概述 
SCSI直譯為小型計算機系統(tǒng)專用接口(Small Computer System Interface)是一種連結(jié)主機和外圍設備的接口，支持包括磁盤驅(qū)動器、磁帶機、光驅(qū)、掃描儀在內(nèi)的多種設備。它由SCSI控制器進行數(shù)據(jù)操作，SCSI控制器相當于一塊小型CPU，有自己的命令集和緩存。要了解SCSI，必須先了解它的類型，以下是STA（SCSI Trade Association，SCSI同業(yè)公會）的標準分類。 
2.2 SCSI接口類型 
SCSI連接器分為內(nèi)置和外置兩種，內(nèi)置數(shù)據(jù)線的外型和IDE數(shù)據(jù)線一樣，只是針數(shù)和規(guī)格稍有差別，主要用于連接光驅(qū)和硬盤。40針I(yè)DE線有40根導線，40針ATA66有80根導線，SCSI內(nèi)置則分為50針、68針和80針。至于SCSI外置數(shù)據(jù)線，就有以下幾種規(guī)格，它們的密度均不相同，千萬別弄錯了。 

? Apple SCSI，共有25針，分為兩排，8位，常用于Mac機和舊式Sun工作站。 

? Centronics，共有50針，分為兩排，8位，有點像并行口，它可以連接的設備數(shù)目最多。 

? SCSI-2 ，共有50針，分為兩排，8位。 

? Sun Microsystem的DD-50SA，共有50針，分為三排。 

? SCSI-3和Wide SCSI-2，共有68針，分為兩排，16位。舊式DEC單終結(jié)SCSI 使用68針高密接口。 

? SCA，共有80針，分為兩排。 


2.3 SCSI ID 
相信許多SCSI用戶都有這種經(jīng)歷，插上設備之后，操作系統(tǒng)怎樣也不認，后來檢查總線，才發(fā)現(xiàn)是終結(jié)和ID沒有設置好。ID（identify）作為SCSI設備在SCSI總線的唯一識別符，絕對不允許重復，可選范圍從0到15，SCSI主控制器通常占用id 7，即是說我們可以用在設備上的ID號共有15個。 
在SCSI總線中，控制器也算一個設備， 即實際最大可連接設備數(shù)目 = 理論最大支持設備數(shù)目-1。 
2.4 總線終結(jié)器 
總線終結(jié)器能告訴SCSI主控制器整條總線在何處終結(jié)，并發(fā)出一個反射信號給控制器，必須在兩個物理終端作一個終結(jié)信號才能使用SCSI總線。常見的錯誤是把終結(jié)設置在ID號最高或最低的地方，而不是設置在物理終端的SCSI設備上。其實，SCSI設備總是以鏈形來連接的，按順序就能分辨出哪一個是終結(jié)設備。 
　　終結(jié)的方式有三種：自終結(jié)設備、物理總線終結(jié)器和自終結(jié)電纜。大多數(shù)新型SCSI設備都有自終結(jié)跳線，只要把非終結(jié)設備的自終結(jié)跳線設置成OFF即可避免沖突問題；物理總線終結(jié)器是一種硬件接頭，又分為主動型和被動型兩種，主動型使用電壓調(diào)整器來進行操作，被動型利用總線上的能源信號來操作，被動型比主動型更為精確；自終結(jié)電纜可以代替物理總線終結(jié)器，也是一種硬件，它的價格非常昂貴，常用于兩個主機連接同一個物理設備，如：兩個服務器存取同一個物理SCSI硬盤。 
　　通過檢查SCSI ID和總線終結(jié)器，我們可以找出大多數(shù)沖突現(xiàn)象的解決方法，這是SCSI設備用戶必須重視的一點。 

2.5 SCSI規(guī)格公用的幾個標準術語解釋： 
2.5.1 SCSI-1：它是最早SCSI，特點是：支持同步和異步SCSI外圍設備，支持7臺8位的外圍設備，使用8位的通道寬度，傳輸速率為4MB/s，這現(xiàn)在通常是掃描儀在用的。 
2.5.2 SCSI-2：類似SCSI-1，但是可以支持同時連接7個裝置，傳輸速率為 10-20MB/s，目前有CD-R、CD-ROM在使用。 
2.5.3 Fast SCSI：8位的通道寬度，使用雙倍的頻率，傳輸速率為 10MB/s。 
2.5.4 Wide SCSI：16位的通道寬度，傳輸速率為20MB/s。 
2.5.5 ULTRA SCSI：8位的通道寬度，傳輸速率為20MB/s，其允許接口電纜的最大長度為1.5米。 
2.5.6 Ultra Wide SCSI：16位的通道寬度，傳輸速率為40MB/s，其允許接口電纜的最大長度為1.5米。 
2.5.7 ULTRA 2 SCSI：8位的通道寬度，其采用了LVD（Low Voltage Differential，低電平微分）傳輸模式,傳輸速率為40MB/s，允許接口電纜的最長為12米，大大增加了設備的靈活性，支持同時掛接15個裝置。 
2.5.8 WIDE ULTRA 2 SCSI：它跟Ultra 2 SCSI差不多，也是采用LVD傳輸模式，允許最長接口電纜為12米，可同時掛接15個裝置，不同于Ultra 2 SCSI，它有16位的通道寬度，因此傳輸速度為80MB/s。 
2.5.9 Ultra 160/m SCSI：支持最高數(shù)據(jù)傳輸率為160MB/s。 
2.5.10 Ultra320 SCSI：支持最高數(shù)據(jù)傳輸達到了320MB/s，是目前最新的SCSI接口類型。 
2.5.11 Single Ended（單終結(jié)）：許多舊式設備都是單終結(jié)設備，它們限制于　SCSI-1協(xié)議的6米長度。注意：此距離包括設備內(nèi)部電纜的距離。 
2.5.12 Differential（分差動）：SCSI總線和設備可借助它來沿長傳輸?shù)木嚯x，附加線的最大長度為25米。缺點是與單終結(jié)設備不兼容。 
STA術語 最大總線速度MB/秒 總線寬度單位：bit 最大總線長度單位（米） 最大支持設備設備數(shù)目 
單終結(jié) LVD HVD 
SCSI-1 5 8 6 - 25 8 
Fast SCSI 10 8 3 - 25 8 
Fast Wide SCSI 20 16 3 - 25 16 
Ultra SCSI 20 8 1.5 - 25 8 
Ultra SCSI 20 8 3 - - 4 
Wide Ultra SCSI 40 16 - - 25 16 
Wide Ultra SCSI 40 16 1.5 - - 8 
Wide Ultra SCSI 40 16 3 - - 4 
Ultra2 SCSI 40 8 - 12 25 8 
Wide Ultra2 SCSI 80 16 - 12 25 16 
Ultra3 SCSI 160 16 - 12 - 16 

2.6小結(jié) 
SCSI接口優(yōu)點： 
適應面廣，在一塊SCSI控制卡上就可以同時掛接15個設備 
高性能（具有很多任務、寬帶寬及少CPU占用率等特點） 
具有外置和內(nèi)置兩種 
SCSI接口缺點： 
價格昂貴 
安裝復雜 

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3、 Fibre Channel（光纖通道） 
　　光纖通道是一種跟SCSI或IDE有很大不同的接口，它很像以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)換開頭。以前它是專為網(wǎng)絡設計得，后來隨著存儲器對高帶寬的需求，慢慢移植到現(xiàn)在的存儲系統(tǒng)上來了。光纖通道通常用于連接一個SCSI RAID（或其它一些比較常用的RAID類型），以滿足高端工作或服務器對高數(shù)據(jù)傳輸率的要求。 
　　光纖現(xiàn)在能提供100MBps的實際帶寬，而它的理論極限值為1.06GBps。不過現(xiàn)在有一些公司開始推出2.12Gbps 的產(chǎn)品，它支持下一代的光纖通道（即Fibre Channel II）。不過為了能得到更高的數(shù)據(jù)傳輸率，市面的光纖產(chǎn)品有時是使用多光纖通道來達到更高的帶寬。 
　　不像SCSI，光纖通道的配線非常柔韌。如果帶有光纖光學電纜(Fiber Optic Cabling)，它支持最長的長度超過了10公里，所以可以說SCSI在接口電纜長度的限制上跟光纖是沒法比得，因為SCSI最長接口電纜不得超過12米。 
Features Fibre Channel SCSI 
Node to Node 100m 20m 
Max. Optical Distance 10,000m 12m 
Current Speed 200MB/s 160MB/s 
Future Speed 400MB/s 320MB/s 
Max.Connections 126(loop) 16million(sw) 15 
Peripherals Supported All Limited types 
Cost Compared to SCSI Higher but decreasing 
Serial Connectivity Yes No 
Protocol Supported Universal SCSI 
ANSI Standard Yes Yes 
Dual Ported Operation Yes No 

Nomenclature（術語表） 
Speed – Media – Distance – Transmitter 
Speed: Media: 
400 400MB/s200 200MB/s100 100MB/s50 50MB/s25 25MB/s12.5 12.5MB/s SM Single Mode FibreM5 50/125 MultiMode FibreM6 62.5/125 MultiMode FibreMI Miniature Cable - CopperTV Video Cable - CopperTP Twisted Pair - CopperTW Twiax – Copper 
Distance: Transmitter: 
L Long:>2KMI Intermediate:100m to 200mS Short: