硬盤(pán)接口技術(shù)詳解

硬盤(pán)接口技術(shù)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(pán)體集成在一起的硬盤(pán)驅動(dòng)器，我們常說(shuō)的IDE接口，也叫ATA（Advanced Technology Attachment）接口，現在PC機使用的硬盤(pán)大多數都是IDE兼容的，只需用一根電纜將它們與主板或接口卡連起來(lái)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(lái)的接口。因為技術(shù)不斷改進(jìn)，新一代Enhanced IDE(加強型IDE，簡(jiǎn)稱(chēng)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(diǎn)：易于使用與價(jià)格低廉，問(wèn)世后成為最為普及的磁盤(pán)接口。但是隨著(zhù)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(diǎn)也開(kāi)始慢慢顯現出來(lái)。Enhanced IDE就是Western Digital公司針對傳統IDE接口的缺點(diǎn)加以改進(jìn)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十GB等級的IDE硬盤(pán)。 
在PC中，I/O設備，如硬盤(pán)驅動(dòng)，不是直接與系統中央總線(xiàn)連接的（AT總線(xiàn)在A(yíng)T系統，或PCI總線(xiàn)在之后的系統）。而I/O設備與接口芯片相連，而接口芯片與系統總線(xiàn)連接。 
接口芯片組成了I/O設備與系統總線(xiàn)的橋，在系統總線(xiàn)協(xié)議（PCI或AT）與I/O設備協(xié)議（如IDE或SCSI）之間進(jìn)行翻譯。這使I/O設備可以獨立于系統總線(xiàn)協(xié)議。 
下圖展示了PC工作站的基本系統結構，展示了IDE設備與系統余下部分的關(guān)系。 


1.2 IDE傳輸模式 
IDE硬盤(pán)接口的幾種傳輸模式有明顯區別。IDE接口硬盤(pán)的傳輸模式，經(jīng)歷過(guò)三個(gè)不同的技術(shù)變化，由PIO(Programmed I／O)模式，DMA(Direct Memory Access)模式，直至現今的Ultra DMA模式(簡(jiǎn)稱(chēng)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模式光驅的時(shí)候，光驅都是以PIO模式運行。大家可能還記得，當時(shí)用光驅播放VCD光盤(pán)，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(cháng)期大量占用的緣故。以PIO模式運行的IDE接口，數據傳輸率達3．3MB／秒(PIO mode 0)至16．MB／秒(PIO mode 4)不等。后來(lái)隨著(zhù)Fast ATA／DMA模式的出現，IDE接口及裝置都開(kāi)始有了DMA的支持，DMA模式分為Single-Word DMA及Multi - Word DMA兩種，跟PIO模式的最大區別是：DMA模式并不用過(guò)分依賴(lài)CPU的指令而運行，可達到節省處理器運行資源的效果。不過(guò)，后來(lái)由于Ultra DMA模式的出現和決速普及。這兩個(gè)模式也只會(huì )是曇花一現，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(gè)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是它除已擁有DMA模式的優(yōu)點(diǎn)外，更應用了CRC(Cyclic Redundancy Check)技術(shù)，加強了資料在傳送過(guò)程中偵錯及除錯方面的效能。在最初UATA／33規格制定時(shí)，為了保留IDE系統的最高兼容性，所以在硬件的設計上并沒(méi)做出太大的修改，不僅能完全向下兼容舊式ATA裝置，也無(wú)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(lái)，其接口便應用了DDR(Double Data Rate )技術(shù)將傳輸的速度提升了一倍，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(zhuān)用的硬盤(pán)連接線(xiàn)和一般的40芯連接線(xiàn)有所不同。Quantum在制定Ultra ATA／66的同時(shí)，在舊有IDE排線(xiàn)的規格上略作修改。除沿用40芯的IDE接頭外，排線(xiàn)更換成80芯，在原有40芯排線(xiàn)的每條線(xiàn)芯之間，都多加一條線(xiàn)來(lái)相隔，并將這40條新線(xiàn)跟原先40芯排線(xiàn)之中原有的7條地線(xiàn)相連，把構成Crosstalk現象的電磁波濾走而增加了數據傳輸的穩定性(在高速的電子訊號傳輸時(shí)，當一大堆帶著(zhù)高頻訊號的電線(xiàn)互相靠近一起的時(shí)候，訊號線(xiàn)上發(fā)出的電磁波便會(huì )互相干擾，這就是所謂的“Crosstalk”現象)。Ultra ATA／66／100排線(xiàn)的基本規格是徘線(xiàn)全長(cháng)不超過(guò)18英寸。也就是說(shuō)要真正發(fā)揮Ultra DMA／66的高速傳輸是需硬盤(pán)、排線(xiàn)的配合的，當然如果搭配一般的40芯排線(xiàn)，Ultra DMA／66接口的硬盤(pán)依然能夠以向下兼容的方式工作，只不過(guò)無(wú)法使用Ultra DMA／66罷了。 
　　硬盤(pán)的傳輸模式進(jìn)入UltraATA/100的時(shí)代。目前，硬盤(pán)的傳輸模式已由最早的PIO Mode 4(傳輸速率為16．6 MB／秒)進(jìn)入UltraATA/100的時(shí)代。提醒DIY朋友注意，所選購的硬盤(pán)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。如果你現在使用的主板不支持Ultra ATA／1OO，只要購買(mǎi)一塊i815E的主板或支持Ultra ATA／100的硬盤(pán)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(kāi)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(lèi)型，就如其名所示，它以連續串行的方式傳送資料，在同一時(shí)間點(diǎn)內只會(huì )有1位數據傳輸，此做法能減小接口的針腳數目，用四個(gè)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(xiàn)）。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(pán)，如希捷公司推出的新款硬盤(pán)就支持串行ATA，不過(guò)非常少見(jiàn)。 

1.3小結 
ATA接口優(yōu)點(diǎn)： 
價(jià)格低廉 
兼容性非常好 
ATA接口缺點(diǎn)： 
速度慢 
只能內置使用 
對接口電纜的長(cháng)度有很?chē)栏竦南拗?nbsp;

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2、SCSI 

2.1概述 
SCSI直譯為小型計算機系統專(zhuān)用接口(Small Computer System Interface)是一種連結主機和外圍設備的接口，支持包括磁盤(pán)驅動(dòng)器、磁帶機、光驅、掃描儀在內的多種設備。它由SCSI控制器進(jìn)行數據操作，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(lèi)型，以下是STA（SCSI Trade Association，SCSI同業(yè)公會(huì )）的標準分類(lèi)。 
2.2 SCSI接口類(lèi)型 
SCSI連接器分為內置和外置兩種，內置數據線(xiàn)的外型和IDE數據線(xiàn)一樣，只是針數和規格稍有差別，主要用于連接光驅和硬盤(pán)。40針I(yè)DE線(xiàn)有40根導線(xiàn)，40針ATA66有80根導線(xiàn)，SCSI內置則分為50針、68針和80針。至于SCSI外置數據線(xiàn)，就有以下幾種規格，它們的密度均不相同，千萬(wàn)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(diǎn)像并行口，它可以連接的設備數目最多。 

? 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(hù)都有這種經(jīng)歷，插上設備之后，操作系統怎樣也不認，后來(lái)檢查總線(xiàn)，才發(fā)現是終結和ID沒(méi)有設置好。ID（identify）作為SCSI設備在SCSI總線(xiàn)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(shuō)我們可以用在設備上的ID號共有15個(gè)。 
在SCSI總線(xiàn)中，控制器也算一個(gè)設備， 即實(shí)際最大可連接設備數目 = 理論最大支持設備數目-1。 
2.4 總線(xiàn)終結器 
總線(xiàn)終結器能告訴SCSI主控制器整條總線(xiàn)在何處終結，并發(fā)出一個(gè)反射信號給控制器，必須在兩個(gè)物理終端作一個(gè)終結信號才能使用SCSI總線(xiàn)。常見(jiàn)的錯誤是把終結設置在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(shí)，SCSI設備總是以鏈形來(lái)連接的，按順序就能分辨出哪一個(gè)是終結設備。 
　　終結的方式有三種：自終結設備、物理總線(xiàn)終結器和自終結電纜。大多數新型SCSI設備都有自終結跳線(xiàn)，只要把非終結設備的自終結跳線(xiàn)設置成OFF即可避免沖突問(wèn)題；物理總線(xiàn)終結器是一種硬件接頭，又分為主動(dòng)型和被動(dòng)型兩種，主動(dòng)型使用電壓調整器來(lái)進(jìn)行操作，被動(dòng)型利用總線(xiàn)上的能源信號來(lái)操作，被動(dòng)型比主動(dòng)型更為精確；自終結電纜可以代替物理總線(xiàn)終結器，也是一種硬件，它的價(jià)格非常昂貴，常用于兩個(gè)主機連接同一個(gè)物理設備，如：兩個(gè)服務(wù)器存取同一個(gè)物理SCSI硬盤(pán)。 
　　通過(guò)檢查SCSI ID和總線(xiàn)終結器，我們可以找出大多數沖突現象的解決方法，這是SCSI設備用戶(hù)必須重視的一點(diǎn)。 

2.5 SCSI規格公用的幾個(gè)標準術(shù)語(yǔ)解釋?zhuān)?nbsp;
2.5.1 SCSI-1：它是最早SCSI，特點(diǎn)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，這現在通常是掃描儀在用的。 
2.5.2 SCSI-2：類(lèi)似SCSI-1，但是可以支持同時(shí)連接7個(gè)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(cháng)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(cháng)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(cháng)為12米，大大增加了設備的靈活性，支持同時(shí)掛接15個(gè)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(cháng)接口電纜為12米，可同時(shí)掛接15個(gè)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：支持最高數據傳輸率為160MB/s。 
2.5.10 Ultra320 SCSI：支持最高數據傳輸達到了320MB/s，是目前最新的SCSI接口類(lèi)型。 
2.5.11 Single Ended（單終結）：許多舊式設備都是單終結設備，它們限制于　SCSI-1協(xié)議的6米長(cháng)度。注意：此距離包括設備內部電纜的距離。 
2.5.12 Differential（分差動(dòng)）：SCSI總線(xiàn)和設備可借助它來(lái)沿長(cháng)傳輸的距離，附加線(xiàn)的最大長(cháng)度為25米。缺點(diǎn)是與單終結設備不兼容。 
STA術(shù)語(yǔ) 最大總線(xiàn)速度MB/秒 總線(xiàn)寬度單位：bit 最大總線(xiàn)長(cháng)度單位（米） 最大支持設備設備數目 
單終結 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 
SCSI接口優(yōu)點(diǎn)： 
適應面廣，在一塊SCSI控制卡上就可以同時(shí)掛接15個(gè)設備 
高性能（具有很多任務(wù)、寬帶寬及少CPU占用率等特點(diǎn)） 
具有外置和內置兩種 
SCSI接口缺點(diǎn)： 
價(jià)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)的轉換開(kāi)頭。以前它是專(zhuān)為網(wǎng)絡(luò )設計得，后來(lái)隨著(zhù)存儲器對高帶寬的需求，慢慢移植到現在的存儲系統上來(lái)了。光纖通道通常用于連接一個(gè)SCSI RAID（或其它一些比較常用的RAID類(lèi)型），以滿(mǎn)足高端工作或服務(wù)器對高數據傳輸率的要求。 
　　光纖現在能提供100MBps的實(shí)際帶寬，而它的理論極限值為1.06GBps。不過(guò)現在有一些公司開(kāi)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(guò)為了能得到更高的數據傳輸率，市面的光纖產(chǎn)品有時(shí)是使用多光纖通道來(lái)達到更高的帶寬。 
　　不像SCSI，光纖通道的配線(xiàn)非常柔韌。如果帶有光纖光學(xué)電纜(Fiber Optic Cabling)，它支持最長(cháng)的長(cháng)度超過(guò)了10公里，所以可以說(shuō)SCSI在接口電纜長(cháng)度的限制上跟光纖是沒(méi)法比得，因為SCSI最長(cháng)接口電纜不得超過(guò)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(shù)語(yǔ)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: