Funkčnost, rozhraní a technologie pevných disků
Podíváme se na princip fungování, popis rozhraní a technologie pevných disků, aby vás nemohly zaskočit odborné termíny a mohli jste se orientovat ve specifikacích i v možnostech spolupráce se základní deskou a tvorbě RAID polí. Doplněno o 2 kapitoly o SSD.
Kapitoly článku:
Nástupcem umírajícího EIDE se stalo rozhraní SATA, které bylo navrženo nejen s důrazem na jednodušší a rychlejší provoz (kromě menších a skladnějších datových i napájecích SATA kabelů přineslo i některé nové technologie). V přelomovém roce 2004 pevné disky s tímto rozhraním skokem přeměnily strukturu nabídky a v následujících dvou letech již nad PATA získaly vpravdě drtivou převahu. Specifikace SATA 1.0 však již byly vytvořeny v roce 2001 společnostmi APT Technologies, Dell, IBM, Intel, Maxtor a Seagate, takže za sebou měly velmi dostatečnou podporu na to, aby se jimi definované rozhraní mohlo rychle prosadit.
Díky pokrokům v metodě přenosu dat nazvané diferential signalling bylo možné zvýšit operační frekvenci rozhraní tak, aby dovolilo přenášet dostatečné množství dat sériovým způsobem. Oproti PATA a UDMA 5 využívající 16bitovou šířku, pracující na frekvenci 25 MHz a dosahující maximální přenosové rychlosti 100 MB/s využívá původní verze SATA pouze 1bitovou šířku, ale frekvenci 1500 MHz a to je tedy i výsledných 1,5 Gbit/s.
Další verze Serial ATA, běžně, ale chybně označovaná jako SATA II, dostala název SATA 3Gb/s. Přišla s ní organizace SATA II - uskupení výrobců, kteří společně zpracovávali nové specifikace (odtud tedy pochází původ mýlky), Sdružení se ale již raději přejmenovalo na SATA-IO (Serial ATA International Organization). Výsledkem nové verze rozhraní je zdvojnásobená maximální propustnost (z 1,5 Gb/s na 3 Gb/s) a již brzy se máme dočkat třetí verze, u níž se však může změnit i něco jiného než pouhá propustnost (plánuje se možnost připojení více disků nebo také Solid State a RAM disků na jeden port) a plná zpětná kompatibilita tedy není zaručena. Bude se jmenovat nejspíše SATA 6Gb/s a opět zdvojnásobí svou propustnost. Pravdou zůstává, že stávající pevné disky nedokáží zdaleka naplno využít ani možnosti první revize specifikace. Technologie, které přicházejí s každou další revizí, jsou ale daleko zajímavější.
Je třeba zmínit odlišné kódování přenosu, které je na rozdíl od PATA disků využívajících standardní 8bitové kódování hned 10bitové, a proto můžeme také zmíněné přenosové rychlosti vyjádřit jako 150 MB/s (1,5 Gb/s) či 300 MB/s (3 Gb/s).
Disk Western Digital s rozhraním SATA a napájením SATA i Peripheral Power
Podívejme se technologii NCQ (Native Command Queuing, Přirozené řazení požadavků), která je charakteristická tím, že dokáže ponechat rozhodování o pořadí čtení dat na samotném řadiči disku, čímž se snaží minimalizovat vzniklé časové zpoždění. Pokud procesor tedy vyžaduje nějakou posloupnost dat, která nemusí být na stejném místě, disk bez NCQ je bude číst tak, jak o ně procesor prostřednictvím řadiče požádá. Je však pravděpodobné, že čtecí hlavy budou tato data číst neefektivně a zbytečně čekat na další otáčku plotny nebo zbytečně prodlužovat seek (nastavení hlavy nad požadovanou stopu).
Příklad práce NCQ - v prvním případě si řadič srovná pořadí čtených bloků, v druhém je nezmění
Pokud ale disk dokáže využít NCQ, pak si posloupnost čtení dat seřadí tak, aby k tomu potřeboval co nejméně otáček a přesunů hlavy. Toto seřazení však také nějakou dobu trvá a v každém případě tedy NCQ nemusí znamenat zrychlení – někdy i naopak. Nakonec, dle našich dřívějších testů má NCQ vliv na výkon disků při běžné práci pouze minimální. Přínos se projevuje až u serverů či pracovních stanic.
Pozn: Zde se hodí zmínit ještě technologii Tag 'n seek, která je principem stejná jako NCQ, ale je mnohem starší. Na trh ji uvedla společnost IBM již zhruba před 8 lety. Dnes je Tag 'n seek odsouzen k zániku, protože NCQ je mnohem propracovanější a hlavně představuje obecně přijatý standard. Tag 'n seek dnes tak nalezneme vesměs pouze u disků Hitachi, které divizi pevných disků od společnost IBM před 6 lety odkoupilo (2002).
Dovolím si však tvrdit, že užitečnější výhodou, především u externích datových úložišť standardu SATA, je technologie Hot-Swap, která dovoluje připojit a odpojit disk za běhu počítače tak, aby je operační systém rozpoznal, což u PATA nebylo možné (Hot-Swap mimo jiné podporují také rozhraní USB, FireWire, PCI-X a SCSI). Tuto možnost sice nejvíce využijete s novějším standardem eSATA, který spatřil světlo světa až v roce 2004, ale její podporu mají navíc díky prodlouženým zemnícím vodičům též interní pevné disky, což se může také hodit.
Záslepka se čtyřmi porty eSATA a čtyřmi stavovými LED
Rozhraní eSATA má také několik dalších odlišností, které je dobré znát. Nejdůležitější z nich je zejména to, že během probíhajícího přenosu zatěžuje procesor zcela minimálně (daleko méně než např. oblíbená a univerzální sběrnice USB). eSATA také dovoluje daleko větší délku propojujícího kabelu než SATA (až 2 metry) a jeho konektory jsou navrženy na daleko hrubší zacházení a častější odpojování. Oproti externím diskům s rozhraním USB 2.0 nebo IEEE1394 FireWire dokáže poskytnout plný výkon SATA a také podporu SMART. Zapotřebí je k tomu v podstatě pouze eSATA kabel, jenž se připojí k eSATA konektoru v počítači, ke kterému již vede normální datový SATA kabel.
porovnání konektorů eSATA (vlevo) a SATA (vpravo)
Staggered Spin Up zase dokáže po startu počítače minimalizovat energetické nároky na počítačový zdroj. Deska totiž dokáže řídit a ovládat postupný náběh všech pevných disků, které se tak nemusí rozběhnout všechny najednou. Dále existuje tzv.
Port Multiplier slouží k tomu, abychom mohli s jedním řadičem obsloužit více pevných disků. Toto je klasická vlastnost řadičů PATA, které podporují připojení dvou zařízení na jeden kanál, avšak u SATA toto bez Port Multiplieru není možné. A i když dnešní moderní základní desky běžně obsahují i šest SATA řadičů, nemusí to někomu stačit.
SATA 3GB/s je již dostatečně dimenzované rozhraní na to, aby bez citelného výkonnostního propadu dokázalo obsloužit několik disků. K tomu slouží speciální čip rozdělující diskům pásmo podle potřeby. Je však možné Port Multiplier využít i v duchu RAID pole, kde řídící čip přiděluje požadavky řadiče tomu disku, který je aktuálně k dispozici - metoda se nazývá Frame Information Structure. Díky tomu může být takovéto uspořádání rychlejší než jeden pevný disk.
Port Selector umožňuje k jednomu disku připojit až dva řadiče, což je výhodné především u serverů, kde je třeba zajistit bezproblémový a trvalý chod celé sestavy.
Jižní můstky základních desek mohou nabízet využití různého počtu PATA nebo SATA zařízení, ale čím dál tím častěji se stává, že je přítomen buď pouze jeden kanál Paralelního ATA či dokonce vůbec žádný. Na takové desky je potom třeba dát si pozor. Při jejich koupi si musíte být stoprocentně jisti, že žádné PATA zařízení nebudete nikdy potřebovat, ani v budoucnu. Existují sice přídavné řadiče do PCI slotů, které si můžete případně dokoupit a tímto problém zcela vyřešit, ale nevyhnete se tím dalších finančních investic. Nehledě na to, že ne vždy budete mít PCI sloty také volné.
Na základních deskách může být dále přítomen pomocný čip třetí strany, který umožní připojení dalších několika SATA zařízení, když už vám kanály integrované v čipsetu přestanou stačit.
SATA porty na základní desce ECS PF5 Extreme - techpowerup.com
Pevné disky SATA mohou v zásadě pracovat ve dvou základních režimech a sice v kombinovaném či nekombinovaném, které se od sebe odlišují tím, zda vám systém umožní pracovat s oběma typy zařízení současně. Takže zatímco v kombinovaném režimu si můžete užívat všech dostupných portů SATA i PATA dohromady, u nekombinovaného režimu toto možné není.
Z hlediska operačních systémů rozeznáváme také celkem dva pracovní režimy. Jedná se o kompatibilní a tzv. nativní režim. Kompatibilní režim existuje kvůli zachování zpětné kompatibility se staršími operačními systémy (Windows 9x, DOS) a k systému v něm můžeme připojit maximálně 4 zařízení, která ale mohou pracovat jak v kombinovaném, tak i nekombinovaném režimu.
V případě rozšířeného, nativního režimu budete moci využít všechny porty, které základní deska nabízí. Jistou nevýhodu však představuje omezení na použití v novějších operačních systémech (Windows XP SP1, Windows Server 2003, Windows Vista), ale ruku na srdce - kdo dnes nemá na svém počítači nainstalovaná z OS Windows alespoň XP, že? Tímto tvrzením se samozřejmě nechci dotknout zarytých Linuxáků, jejichž systém je na jiné úrovni existence než operační systémy Microsoft.
V případě zájmu o více informací ohledně nastavení pevných disků v BIOSu nahlédněte do kapitoly Konfigurace pevných disků a optických mechanik z 2. dílu našeho seriálu o BIOSu.
Díky pokrokům v metodě přenosu dat nazvané diferential signalling bylo možné zvýšit operační frekvenci rozhraní tak, aby dovolilo přenášet dostatečné množství dat sériovým způsobem. Oproti PATA a UDMA 5 využívající 16bitovou šířku, pracující na frekvenci 25 MHz a dosahující maximální přenosové rychlosti 100 MB/s využívá původní verze SATA pouze 1bitovou šířku, ale frekvenci 1500 MHz a to je tedy i výsledných 1,5 Gbit/s.
Další verze Serial ATA, běžně, ale chybně označovaná jako SATA II, dostala název SATA 3Gb/s. Přišla s ní organizace SATA II - uskupení výrobců, kteří společně zpracovávali nové specifikace (odtud tedy pochází původ mýlky), Sdružení se ale již raději přejmenovalo na SATA-IO (Serial ATA International Organization). Výsledkem nové verze rozhraní je zdvojnásobená maximální propustnost (z 1,5 Gb/s na 3 Gb/s) a již brzy se máme dočkat třetí verze, u níž se však může změnit i něco jiného než pouhá propustnost (plánuje se možnost připojení více disků nebo také Solid State a RAM disků na jeden port) a plná zpětná kompatibilita tedy není zaručena. Bude se jmenovat nejspíše SATA 6Gb/s a opět zdvojnásobí svou propustnost. Pravdou zůstává, že stávající pevné disky nedokáží zdaleka naplno využít ani možnosti první revize specifikace. Technologie, které přicházejí s každou další revizí, jsou ale daleko zajímavější.
Je třeba zmínit odlišné kódování přenosu, které je na rozdíl od PATA disků využívajících standardní 8bitové kódování hned 10bitové, a proto můžeme také zmíněné přenosové rychlosti vyjádřit jako 150 MB/s (1,5 Gb/s) či 300 MB/s (3 Gb/s).
Disk Western Digital s rozhraním SATA a napájením SATA i Peripheral Power
Podívejme se technologii NCQ (Native Command Queuing, Přirozené řazení požadavků), která je charakteristická tím, že dokáže ponechat rozhodování o pořadí čtení dat na samotném řadiči disku, čímž se snaží minimalizovat vzniklé časové zpoždění. Pokud procesor tedy vyžaduje nějakou posloupnost dat, která nemusí být na stejném místě, disk bez NCQ je bude číst tak, jak o ně procesor prostřednictvím řadiče požádá. Je však pravděpodobné, že čtecí hlavy budou tato data číst neefektivně a zbytečně čekat na další otáčku plotny nebo zbytečně prodlužovat seek (nastavení hlavy nad požadovanou stopu).
Příklad práce NCQ - v prvním případě si řadič srovná pořadí čtených bloků, v druhém je nezmění
Pokud ale disk dokáže využít NCQ, pak si posloupnost čtení dat seřadí tak, aby k tomu potřeboval co nejméně otáček a přesunů hlavy. Toto seřazení však také nějakou dobu trvá a v každém případě tedy NCQ nemusí znamenat zrychlení – někdy i naopak. Nakonec, dle našich dřívějších testů má NCQ vliv na výkon disků při běžné práci pouze minimální. Přínos se projevuje až u serverů či pracovních stanic.
Pozn: Zde se hodí zmínit ještě technologii Tag 'n seek, která je principem stejná jako NCQ, ale je mnohem starší. Na trh ji uvedla společnost IBM již zhruba před 8 lety. Dnes je Tag 'n seek odsouzen k zániku, protože NCQ je mnohem propracovanější a hlavně představuje obecně přijatý standard. Tag 'n seek dnes tak nalezneme vesměs pouze u disků Hitachi, které divizi pevných disků od společnost IBM před 6 lety odkoupilo (2002).
Dovolím si však tvrdit, že užitečnější výhodou, především u externích datových úložišť standardu SATA, je technologie Hot-Swap, která dovoluje připojit a odpojit disk za běhu počítače tak, aby je operační systém rozpoznal, což u PATA nebylo možné (Hot-Swap mimo jiné podporují také rozhraní USB, FireWire, PCI-X a SCSI). Tuto možnost sice nejvíce využijete s novějším standardem eSATA, který spatřil světlo světa až v roce 2004, ale její podporu mají navíc díky prodlouženým zemnícím vodičům též interní pevné disky, což se může také hodit.
Záslepka se čtyřmi porty eSATA a čtyřmi stavovými LED
Rozhraní eSATA má také několik dalších odlišností, které je dobré znát. Nejdůležitější z nich je zejména to, že během probíhajícího přenosu zatěžuje procesor zcela minimálně (daleko méně než např. oblíbená a univerzální sběrnice USB). eSATA také dovoluje daleko větší délku propojujícího kabelu než SATA (až 2 metry) a jeho konektory jsou navrženy na daleko hrubší zacházení a častější odpojování. Oproti externím diskům s rozhraním USB 2.0 nebo IEEE1394 FireWire dokáže poskytnout plný výkon SATA a také podporu SMART. Zapotřebí je k tomu v podstatě pouze eSATA kabel, jenž se připojí k eSATA konektoru v počítači, ke kterému již vede normální datový SATA kabel.
porovnání konektorů eSATA (vlevo) a SATA (vpravo)
Staggered Spin Up zase dokáže po startu počítače minimalizovat energetické nároky na počítačový zdroj. Deska totiž dokáže řídit a ovládat postupný náběh všech pevných disků, které se tak nemusí rozběhnout všechny najednou. Dále existuje tzv.
Port Multiplier slouží k tomu, abychom mohli s jedním řadičem obsloužit více pevných disků. Toto je klasická vlastnost řadičů PATA, které podporují připojení dvou zařízení na jeden kanál, avšak u SATA toto bez Port Multiplieru není možné. A i když dnešní moderní základní desky běžně obsahují i šest SATA řadičů, nemusí to někomu stačit.
SATA 3GB/s je již dostatečně dimenzované rozhraní na to, aby bez citelného výkonnostního propadu dokázalo obsloužit několik disků. K tomu slouží speciální čip rozdělující diskům pásmo podle potřeby. Je však možné Port Multiplier využít i v duchu RAID pole, kde řídící čip přiděluje požadavky řadiče tomu disku, který je aktuálně k dispozici - metoda se nazývá Frame Information Structure. Díky tomu může být takovéto uspořádání rychlejší než jeden pevný disk.
Port Selector umožňuje k jednomu disku připojit až dva řadiče, což je výhodné především u serverů, kde je třeba zajistit bezproblémový a trvalý chod celé sestavy.
Jižní můstky základních desek mohou nabízet využití různého počtu PATA nebo SATA zařízení, ale čím dál tím častěji se stává, že je přítomen buď pouze jeden kanál Paralelního ATA či dokonce vůbec žádný. Na takové desky je potom třeba dát si pozor. Při jejich koupi si musíte být stoprocentně jisti, že žádné PATA zařízení nebudete nikdy potřebovat, ani v budoucnu. Existují sice přídavné řadiče do PCI slotů, které si můžete případně dokoupit a tímto problém zcela vyřešit, ale nevyhnete se tím dalších finančních investic. Nehledě na to, že ne vždy budete mít PCI sloty také volné.
Na základních deskách může být dále přítomen pomocný čip třetí strany, který umožní připojení dalších několika SATA zařízení, když už vám kanály integrované v čipsetu přestanou stačit.
SATA porty na základní desce ECS PF5 Extreme - techpowerup.com
BIOS a SATA - možnosti spolupráce
Pevné disky SATA mohou v zásadě pracovat ve dvou základních režimech a sice v kombinovaném či nekombinovaném, které se od sebe odlišují tím, zda vám systém umožní pracovat s oběma typy zařízení současně. Takže zatímco v kombinovaném režimu si můžete užívat všech dostupných portů SATA i PATA dohromady, u nekombinovaného režimu toto možné není.
Z hlediska operačních systémů rozeznáváme také celkem dva pracovní režimy. Jedná se o kompatibilní a tzv. nativní režim. Kompatibilní režim existuje kvůli zachování zpětné kompatibility se staršími operačními systémy (Windows 9x, DOS) a k systému v něm můžeme připojit maximálně 4 zařízení, která ale mohou pracovat jak v kombinovaném, tak i nekombinovaném režimu.
V případě rozšířeného, nativního režimu budete moci využít všechny porty, které základní deska nabízí. Jistou nevýhodu však představuje omezení na použití v novějších operačních systémech (Windows XP SP1, Windows Server 2003, Windows Vista), ale ruku na srdce - kdo dnes nemá na svém počítači nainstalovaná z OS Windows alespoň XP, že? Tímto tvrzením se samozřejmě nechci dotknout zarytých Linuxáků, jejichž systém je na jiné úrovni existence než operační systémy Microsoft.
přenosový režim | maximální rychlost | standard |
| SATA 1 | 150 MB/s | SATA/150 |
| SATA 2 | 300 MB/s | SATA/300 |
| SATA 3 | 600 MB/s | SATA/600 |
Shrnutí
- Serial ATA (SATA) - následovník rozhraní PATA - využívá pouze 1 datový vodič a vysokou frekvenci - dnes jsou k dispozici SATA 1,5Gbps a SATA 3Gbps
- eSATA - externí verze rozhraní SATA - liší se pouze použitými konektory a kabely
- Hot-Swap - schopnost vypojit či zapojit zařízení za běhu systému s tím, že je systémem rozpoznáno
- NCQ - Native Command Queuing - metoda inteligentního řazení požadavků na I/O operace disků pro dosažení většího výkonu
- Port Multiplier - technologie pro připojení více pevných disků na jeden SATA řadič
- SATA-IO (dříve SATA II) - uskupení výrobců, kteří stojí za vývojem rozhraní Serial ATA
- Tag 'n seek - technologie firmy IBM z roku 2002 a také jakýsi předchůdce sofistikovanějšího NCQ, které je dnes mnohem rozšířenější
- Port Selector - umožňuje připojit jeden SATA disk až ke dvěma řadičům, což je výhodné zejména pro servery
- Staggered Spin Up - minimalizuje energetické nároky na počítačový zdroj po spuštění počítače, základní deska řídí postupný náběh všech pevných disků
V případě zájmu o více informací ohledně nastavení pevných disků v BIOSu nahlédněte do kapitoly Konfigurace pevných disků a optických mechanik z 2. dílu našeho seriálu o BIOSu.
