2.3.1. Các chuẩn giao tiếp của ổ cứng
Có rất nhiều chuẩn giao tiếp đã ra đời và phát triển để xác định nguyên tắc làm việc giữa ổ cứng và CPU. Sự đa dạng này một phần xuất phát từ yêu cầu tốc độ đọc/ghi dữ liệu khác nhau giữa các hệ thống máy tính, phần còn lại các ổ giao tiếp nhanh có giá thành cao hơn nhiều so với các chuẩn thông dụng. Những chuẩn dưới đây đại diện cho những chuẩn thông dụng nhất thường được sử dụng giữa bộ điều khiển và ổ cứng:
- ST-506/412 : tiêu chuẩn giao tiếp được phát triển bởi hãng Seagate và được sử dụng vào thời kì những máy IBM sơ khai(1980). Chuẩn này ngày nay đã hoàn toàn được thay thế bởi các chuẩn nhanh hơn như IDE, EIDE và SCSI.
Hình 26: Khe cắm chuẩn giao tiếp ST-512 của ổ cứng
- Enhanced Small Device Interface (ESDI): giao diện bộ điều khiển ổ cứng phải cần một thiết bị trợ giúp riêng biệt, là một chuẩn thay thế cho ST-506/412 tuy nhiên nó cũng đã lỗi thời và đã bị IDE, EIDE và SCSI thay thế. Chuẩn ST- 506/412 và ESDI là rất khó chịu với ổ cứng và phải cần bộ điều khiển riêng biệt. Những chuẩn này không chỉ đơn thuần khác biệt ở chỗ dung lượng mà nó có thể truy xuất được mà còn là tốc độ của chúng. Ví dụ ST-506/412 có thể truyền đi khoảng 5-7.5 megabit/giây trong khi đó EIDE có thể truyền đi đến 16.6 megabit/giây.
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
Hình 27: Cổng giao tiếp ESDI
- Small Computer System Interface (SCSI): vẫn thường được gọi vui là “skuzzy” (từ chữ SCSI mà ra), là một loại chuẩn giao tiếp thường được dùng để kết nối máy tính cá nhân đến thiết bị khác như là ổ cứng, máy in, scanner và CD-ROM. Hầu hết các card SCSI đều không cần phải biết về kiểu thiết bị mà nó liên kết mà chỉ cần biết duy nhất một điều “thiết bị đó làm việc được với SCSI”. Ta có thể kết nối lên đến 7 thiết bị SCSI chung với nhau và rồi kết nối chúng đế một cổng (port) SCSI trên máy vi tính, cứ như là một cấu hình thường được gọi là “dây chuyền bậc nhất” (daisy chain).
Hình 28: Ổ cứng sử dụng giao tiếp SCSI
- Intergrated Drive Electronics (IDE): giao diện bộ điều khiển ổ cứng kết hợp với bộ điều khiển điện tử trên board của ổ cứng. Giao tiếp EIDE là một phát triển gần nhất của IDE. IDE kết hợp chặt chẽ những hoạt động trước kia thuộc quyền của của card điều khiển riêng bây giờ đã được tích hợp trực tiếp vào bên trong ổ cứng (nằm trên board). Kết quả là một ổ cứng IDE có thể sử dụng bộ kết nối IDE trên bo mạch chủ mà không cần đến bus slot. Máy vi tính chỉ cần IDE card khi và chỉ khi trên bo mạch chủ không được tích hợp bộ kết nối IDE. Card IDE cung cấp một kết nối vật lý thông qua một bus slot và có thể cung cấp thêm các chức năng điều khiển. Một ổ cứng IDE chỉ có thể chứa được cao nhất là 528 MB dữ liệu. Với chuẩn giao tiếp mới hơn, Enhanced IDE (EIDE), ổ cứng có thể chứa đến 8.4 GB. Những ổ cứng IDE có dung lượng vượt quá 504MB đôi lúc phải cần đến những phần mềm chuyên biệt như là Ontrack’s Disk Manager hoặc là Micro House’s EZ-Drive, bởi vì có rất nhiều máy vi tính không có BIOS hoặc controller hỗ trợ những ổ cứng IDE dung lượng lớn.
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
Hình 29: Cổng giao tiếp IDE của ổ cứng
- Extended Intergrated Drive Electronics (EIDE)(Parallel ATA (PATA) cũng được gọi là EIDE): chuẩn này còn được gọi là “Enhance IDE”, là một chuẩn giao tiếp gíup cho bộ điều khiển ổ cứng có thể kết nối khá nhiều thiết bị lưu trữ ( ổ cứng dung lượng lớn, CD-ROM và băng từ) với máy tính. EIDE là một bước phát triển của chuẩn IDE. Tốc độ truyền tải dữ liệu tối đa là 100 MB/giây. Các bo mạch chủ mới nhất hiện nay gần như đã bỏ hẳn chuẩn kết nối này, tuy nhiên, người dùng vẫn có thể mua loại card PCI EIDE Controller nếu muốn sử dụng tiếp ổ cứng EIDE. Ổ cứng PATA (IDE) với 40-pin kết nối song song, phần thiết lập jumper (10-pin với thiết lập master/slave/cable select) và phần nối kết nguồn điện 4-pin, độ rộng là 3,5-inch. Có thể gắn 2 thiết bị IDE trên cùng 1 dây cáp, có nghĩa là 1 cáp IDE sẽ có 3 đầu kết nối, 1 sẽ gắn kết vào bo mạch chủ và 2 đầu còn lại sẽ vào 2 thiết bị IDE.
Ổ cứng SCSI là ổ cứng có tốc độ nhanh nhất trong các chuẩn ổ cứng bởi vì bộ điều khiển SCSI (hoặc host adapter) có CPU riêng để quản lý việc truyền nhận dữ liệu và công việc của các thiết bị liên quan mà không cần sự giúp đỡ của CPU chính của hệ thống. Hệ thống của bạn sẽ chạy nhanh hơn rất nhiều do CPU chính không cần phải quan tâm đến việc truyền tải mà dành sức cho các công việc khác (đây lý do chính khíên cho các thiết bị chuẩn SCSI luôn luôn mắc tiền hơn các chuẩn khác). Thêm nữa là ổ cứng SCSI không cần phần bảo vệ
và không mắc phải lỗi dịch sector (điều cho đến bây giờ vẫn mắc phải trên ổ cứng EIDE).
Đâu là chỗ khác biệt giữa SCSI và EIDE ? Ngoài một điểm khác biệt khá rõ đã được trình bày ở phần trên còn điểm sau: SCSI thể hiện sức mạnh qua việc cho phép một loạt thiết bị có thể khai thác một đường bus trong cùng một thời điểm và không cần sử dụng bus nếu thiết bị không yêu cầu. Đây là một điểm rất lợi thế của SCSI ! Trái lại so với SCSI thì EIDE chia thành 2 kênh bao gồm Primary và Secondary và hai kênh này sử dụng hai đường bus khác nhau. Tuy nhiên trong mỗi kênh EIDE lại chia thành 2 cấp Master và Slaver cho 2 thiết bị được gắn cùng một cáp trên một kênh. Vì cả 2 thiết bị chỉ được phép sử dụng 1 đường bus mà EIDE lại không có khả năng cho phép nhiều thiết bị cùng sử dụng 1 đường bus trong cùng một lúc nên các thiết bị này sẽ tuần tự lần lượt được cấp phép sử dụng bus. Đây là một điểm rất hạn chế của EIDE đặc biệt nếu bạn gắn ổ cứng chung với CD-ROM trên cùng 1 kênh thì tốc độ sẽ giảm đi rất nhiều lý do như sau : ổ CD-ROM có tốc độ rất chậm như vậy thời gian mà CD_ROM sử dụng đường bus sẽ rất lâu từ đó việc cấp quyền sử dụng cho ổ cứng sẽ bị hạn chế dẫn đến tốc độ của máy châm hẳn đi. Đây cũng là lý do giải thích việc người ta vẫn khuyên bạn nên gắn ổ cứng của mình và kênh Primary ổ CD-ROM vào kênh Secondary và nếu có từ 2 cổ cứng trở lên thì tốt nhất là nên gắn các ổ cứng có tốc độ tương đương với nhau trên cùng 1 kênh.
Ngoài ra chuẩn SCSI còn có nhiều kiểu khác nhau: loại 8bit thì cần cáp 50 sợi, loại 16 bit thì cần cáp 68 sợi (SCSI mở rộng). Nhịp (clock) có thể là 5 MHz (SCSI 1) , 10MHz (FAST SCSI) , 20 MHz (Fast20 – ultra SCSI) , 40 MHz (Ultra 2-SCSI) hoặc 80Mhz (Ultra 3-SCSI).
Sau đây là thống kê khả năng truyền dẫn dữ liệu của chuẩn SCSI: ---SCSI Bus Clock----|----8 bit 50 sợi---|---16 bit 68 sợi-(mở rộng)—
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
Hình 30: Jump tín hiệu của ổ cứng giao diện SATA
Kể từ khi được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 2001, chuẩn giao tiếp SATA (Serial Advanced Technology Attachment) đã dần thay thế giao tiếp PATA (Parallel ATA) và trở thành giao tiếp chủ yếu cho các thiết bị lưu trữ gắn trong máy tính để bàn cũng như máy tính xách tay. Chuẩn này giúp kết nối bo mạch chủ với các thiết bị lưu trữ như đĩa cứng, ổ lưu trữ thể rắn (SSD), ổ quang hay các thiết bị băng từ di động.
Chuẩn giao tiếp SATA sử dụng cáp dữ liệu gồm 7 dây dẫn (3 dây nối đất và 4 dây dữ liệu chia thành 2 cặp), có đầu nối rộng 8mm ở hai đầu. SATA sử dụng cấu trúc điểm-điểm (point-to-point) để truyền dữ liệu, kết nối trực tiếp giữa chip điều khiển và thiết bị lưu trữ, nên không cần cấu hình theo mô hình master/slave phức tạp như giao tiếp PATA. Cáp SATA thường có chiều dài lên đến 1m, và một cáp chỉ kết nối trực tiếp bo mạch chủ với một thiết bị lưu trữ duy nhất, không giống như giao tiếp PATA, một cáp có thể kết nối bo mạch chủ với 2 thiết bị lưu trữ, sử dụng cáp gồm 40 hay 80 dây dẫn, độ dài giới hạn 45cm (hiện nay cũng có cáp PATA dài đến 90cm). Với ưu điểm sử dụng cáp bản nhỏ, cáp SATA phù hợp với không gian chật hẹp và không làm cản trở không khí lưu thông bên trong thùng máy. Đầu cắm SATA ngày nay được thiết kế thêm chấu cài bằng kim loại, nhằm tránh tình trạng dây cáp vô tình bị ngắt khỏi cổng kết
nối trên bo mạch chủ cũng như trên thiết bị lưu trữ khi đang trong quá trình sao lưu dữ liệu.
Chuẩn SATA cũng sử dụng cáp nguồn khác với chuẩn đầu cắm nguồn 4 chân của Molex đã tồn tại hàng chục năm nay. Tương tự như cáp dữ liệu, cáp nguồn SATA cũng nhỏ dẹp, sử dụng đầu cắm 15 chân và cung cấp 3 mức nguồn 3,3V, 5V và 12V.
Hình 31: Jump cấp nguồn cho ổ cứng giao diện SATA
Các chip điều khiển SATA sử dụng giao tiếp AHCI (Advanced Host Controller Interface) làm giao tiếp chuẩn, hỗ trợ các tính năng cao cấp của SATA như tháo lắp nóng và NCQ (Native Command Queuing). Tất cả thiết bị SATA đều hỗ trợ tháo lắp nóng, tuy nhiên tính năng này chỉ được hỗ trợ khi thiết bị chạy chế độ AHCI. Một số HĐH cũ không hỗ trợ AHCI, trong đó có Windows XP. Các HĐH mới sau này như Windows Vista, Windows 7, FreeBSD, Linux kernel 2.6.19 trở lên, cũng như Solaris và OpenSolaris đều hỗ trợ AHCI.
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
giao diện mới hơn, cho hiệu quả tốt hơn và tin cậy hơn. Serial ATA hứa hẹn khả năng mở rộng công nghệ nền tảng ATA tối thiểu cũng được 10 năm.
Ngày 27/5/2009, tổ chức Serial ATA International Organization (SATA- IO) đã chính thức công bố đặc tả kỹ thuật cho chuẩn giao tiếp SATA phiên bản 3.0. So với SATA 2.0, chuẩn SATA 3.0 có tốc độ nhanh gấp đôi và có những cải tiến mới. Với băng thông dữ liệu lên đến 6Gb/giây (SATA 2.0 là 3Gb/giây), SATA 3.0 góp phần tăng hiệu năng cho ổ đĩa lưu trữ, giảm hiện tượng nghẽn cổ chai trong quá trình truyền dữ liệu.
Nhờ tính năng tương thích ngược với các chuẩn giao tiếp SATA 1.0 và 2.0, nên các chuẩn đầu cắm và cáp kết nối hiện đang dùng cho phiên bản SATA 2.0 đều sử dụng được cho SATA 3.0. Điều này không những giúp người dùng giảm thiểu chi phí sắm cáp mới khi nâng cấp lên SATA 3.0 mà còn giúp các hãng sản xuất duy trì chính sách đầu tư của họ.
Đặc tả SATA 3.0 có nhiều tính năng cải tiến so với phiên bản trước, bao gồm: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Giao thức điều khiển dòng dữ liệu NCQ mới cho các ứng dụng đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu cao như các ứng dụng video/audio
- Khả năng quản lý NCQ nhằm tăng hiệu năng tổng thể của hệ thống - Cải thiện tính năng tiết kiệm điện năng
- Bổ sung đầu cắm nhỏ LIF (Low Insertion Force) cho các thiết bị lưu trữ kích thước nhỏ gọn 1,8”
- Đầu cắm 7mm thiết kế cho ổ đĩa quang dành cho netbook mỏng và nhẹ - Phù hợp chuẩn INCITS ATA8-ACS (chuẩn CNTT của Ủy ban Quốc tế INCITS – International Committee for Information Technology Standards)
Được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp máy tính ngày nay, chuẩn giao tiếp SATA sẽ tiếp tục trưởng thành và phát triển mạnh mẽ theo thời gian. Chuẩn giao tiếp SATA 3.0 góp phần mang đến cho lĩnh vực lưu trữ các giải pháp lưu trữ tốc độ cao, hỗ trợ tốt hơn cho các ứng dụng đòi hỏi băng thông dữ liệu cao. Ngoài ra, với tính năng tương thích ngược, SATA 3.0 là một giải pháp hoàn hảo giúp nâng cao tốc độ gấp đôi mà vẫn tiết kiệm chi phí đầu tư cáp cho người dùng.
SATA 3.0 sử dụng cùng chuẩn cáp và đầu cắm 7 chân như các thế hệ SATA trước, so với cáp PATA 40 chân (bên trái):
Hình 32: Cáp PATA(bên trái) và cáp SATA(bên phải)
Bảng so sánh tốc độ giữa Sata 1.0, Sata 2.0 và Sata 3.0:
Sata 1.0 Chuẩn giao tiếp SATA thế hệ đầu với tốc độ truyền 150MB/giây. Sata 2.0 Chuẩn SATA nâng cao, tốc độ truyền 300MB/giây, tương thích
ngược SATA 1.0.
Sata 3.0 Chuẩn giao tiếp SATA mới nhất với tốc độ truyền 600MB/giây và khả năng tương thích ngược SATA 1.0 và 2.0.
Những lợi ích của Serial ATA:
- Tính tương thích phần mềm : đối với các phần mềm hệ thống, một thiết bị Serial ATA chẳng khác chút gì sơ với các thiết bị xưa cũ UDMA/ATA. Với các phần mềm ngày nay, không tương thích là mấy với các thiết bị cũ , Serial ATA hứa hẹn một sự chuyển đổi không liền mạch và sự chấp thuận nhanh chóng. - Cáp serial : Các thiết bị Serial ATA kết nối đến hệ thống thông qua một sợi cáp không đắt (khá rẻ) cung cấp một đầu nối nhỏ thích hợp cho môi trường tiết
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
- Công nghệ truyền chuỗi dữ liệu: Serial ATA sử dụng công nghệ truyền chuỗi 8B/10B để truyền nhận dữ liệu thông qua serial cáp. Sơ đồ bảo toàn dữ liệu cao cấp này được nhanh chóng chấp nhận trên diện rộng như là một sơ đồ truyền chuỗi thực tế và thường được dùng trong nhiều công nghệ như GigabitEthernet và Fibre Channel. Đây thực sự là giai đoạn chuyển tiếp Serial ATA thành một phần của việc phát triển iSCSI trong tương lai.
- Điện thế thấp phân biệt tín hiệu: Serial ATA sử dụng điện thế thấp nhằm phân biệt tín hiệu (LVD) bằng nguồn điện 250mV. Nó còn bao gồm cả một nguồn điện nuôi thấp và cần bộ giải nhiệt.
- Con đường phát triển còn dài (10 năm nữa): Serial ATA dự định sẽ đưa ra 3 thế hệ có khả năng chuyển nhận dữ liệu lên đến 1.5Gbit/sec, 3.0Gbit/s, và 6.0Gbit/s tức là cho phép tốc độ truyền cho từng thế hệ lên đến 150Mbyte/s,300 Mbyte/s và 600 Mbyte/s.
- Hiệu suất cao hôm nay và tương lai : ngay từ thế hệ đầu tiên SerialATA đã đạt đến tốc độ 150Mbyte/s so với tốc độ tối đa mà Parallel ATA (giao diện ATA song song) đạt được là 133Mbyte/s. SerialATA còn dự định sẽ tiếp tục cho ra đời 2 thế hệ tiếp theo với tốc độ cực cao 300Mbyte/s và 600Mbyte/s cho cùng 1 loại cáp (loại 150Mbyte/s) và đầu nối.
- Hiệu quả kinh tế cao: với người sử dụng máy vi tính tại gia (Desktop PC) vấn đề nâng cấp phần cứng mới luôn là vấn đề lớn. Tuy nhiên các nhà sản xuất đã dự tính những ổ đĩa SerialATA sẽ có giá thành tương đương với các ổ đĩa Parallel ATA hiện lại nhưng lại có tốc độ cao và dung lượng cao hơn.
- Tháo ráp “nóng” và hữu dụng : các thiết bị SerialATA sẽ có them chức năng tháo ráp nóng (hot swapable), điều mà với các ổ cứng Parallel ATA ta không bao giờ làm được. Điểm mạnh này sẽ làm cho SerialATA trở thành một giải pháp có thể tồn tại được và trong tương lai sẽ thay thế cho giải pháp RAID vốn rất rườm rà.
- Cáp kết nối trực tiếp (Point-to-point cabling) : SerialATA chỉ cho phép kết nối 1 port cho 1 ổ cứng duy nhất và cũng chính vì thế đã nâng cao khả năng cô lập lỗi đồng thời tăng hiệu năng cho thiết bị. Không những thế , vì SerialATA không phải chia sẽ bus nên mỗi ỗ đĩa có thể hoàn toàn đạt đến tốc độc 150Mbyte/s.
- Dễ lắp đặt (cáp) và có lợi cho việc lưu chuyển không khí: SerialATA sử dụng cáp dài, mỏng , mềm dẽo dễ uốn (không cứng và dễ nát như Parallel ATA) đồng thời truyền dẫn và lắp đặt đơn giản , những tính năng trên sẽ giúp tăng cường việc lưu chuyển không khí cho hệ thống và tăng hiệu năng giải nhiệt cho quạt. Tổng hợp lại đặc trưng và ích lợi của SerialATA: