Порівняльний аналіз інтерфейсів підключення периферійних пристроїв
Боротьба інтерфейсів підключення периферійних пристроїв введення/виводу і зберігання інформації почалася, коли перед комп'ютером замаячила перспектива стати персональним, тобто доступним і орієнтованим на додатки, невибагливі до ресурсів і швидкості виконання. SCSI завжди був більш дорогою альтернативою IDE хоча б в силу своєї декларованої продуктивності. Завдяки чи то ціною, чи то діям виробників готових систем, чи то громадській думці або всьому відразу областю застосування SCSI поступово стали вважатися виключно сервери високого рівня та спеціалізовані робочі станції. Більш того, гучні анонси нових протоколів передачі даних створили уявлення, що EIDE є не тільки більш дешевим, але і не поступливим SCSI по швидкості рішенням. Нижче піде мова про родові відмінності двох інтерфейсів і їх "Професійної" придатності в сучасних завданнях широкого спектра.
Виписка з "історії хвороби"
Термін Integrated Device Electronics, або IDE, став синонімом недорогий дискової підсистеми. Масове поширення інтерфейсу, кілька поколінь цінових воєн і історія розвитку апаратних і програмних засобів призвели до того, що зараз близько 90% всіх PC стандартно забезпечені контролером жорсткого диска IDE і використовують накопичувачі EIDE. Процесори стали в сотні разів швидше, ємність жорстких дисків збільшилася в тій же пропорції, а ось швидкість передачі даних між диском і PC через контролер IDE зросла приблизно раз в десять, і сам контролер в загальних рисах залишився тим же. На зорі розвитку інтерфейсу для прискорення передачі даних IBM застосувала режим програмованого введення/висновку (PIO), що припускає участь центрального процесора в транзакціях між системою і накопичувачем. Всі інші функції процесора на цей час призупиняються. PIO - це однозадачний підхід. IDE - це теж однозадачний підхід, в нього з самого початку закладено принцип: один інтерфейс - одна інструкція. Гармонійно довершувала картину актуальна тоді операційна система DOS, також що була однозадачной. Навпаки, SCSI (Small Computer System Interface) спочатку був побудований за "інтелектуальному" принципом. Адаптери виконують передачу даних, керуючи шиною в режимі прямого доступу до системної пам'яті (Bus Master), а пристрої активізуються "по необхідності". Це звільняє ресурси процесора для виконання інших завдань та дозволяє здійснювати доступ до декількох дискам одночасно. Розпочатий Western Digital з товаришами введення на початку 90-х стандарту Enhanced IDE розширило спектр сумісних пристроїв, привнесло двоканальну схему роботи і здатність до управління шиною. Родова травма "однозадачности" не завадила масовому поширенню дійсно швидких і дешевих EIDE-пристроїв, а також міфу про їх самодостатності та адекватності сучасним завданням. Розробка нових протоколів передачі даних продовжує час від часу збільшувати граничні значення швидкостей, теоретично доступних по інтерфейсу EIDE.
До нещастя, швидкість передачі даних окремим пристроєм вводу/виводу - не єдиний фактор, що має значення для продуктивності системи в цілому, а часто - і не визначальний. Стандарту Enhanced IDE як і раніше не вистачає підстав вважатися інтерфейсом, що задовольняє вимогам сучасного швидкісного PC. Горезвісне десятикратне відставання в прогресі швидкості контролерів IDE від CPU, відоме як I/O Gap, призвело до того, що процесори більшості PC часто витрачають час на неодружені цикли очікування даних від підсистем вводу/виводу. Зате комп'ютери виходять дійсно дешеві.
PIO і Bus Master
Існує два механізму передачі даних адаптером від пристрою зберігання інформації в системну шину: процесорний, або програмований введення/виведення (PIO) і ввід/вивід з використанням здатності самого пристрою захоплювати шину, управляти нею і завантажувати дані безпосередньо в системну пам'ять (Bus Master DMA).
Перший, класичний спосіб прийому даних від пристрою полягає в тому, що процесор виконує команду читання порту, зчитує байт або слово даних в свій регістр, після чого переписує його в пам'ять, потім повторює цю процедуру до тих пір, поки вся необхідна інформація не буде лічена з пристрою в пам'ять. Типовим прикладом реалізації PIO є IDE-контролери, практично без змін прожили з нами останнє десятиліття. При роботі IDE-контролера процесор відповідає за передачу даних, в цей час виконання інших його функцій призупиняється. Проблема в тому, що, крім спілкування з периферійними пристроями зберігання даних, CPU повинен здійснювати безліч інших дій. У багатозадачних операційних системах особливо накладно використовувати процесор виключно для операцій вводу/виводу. Тому контролери зовнішніх пристроїв стали наділятися можливостями, що заміщають функції процесора. В стандарт інтерфейсу введення/виводу Enhanced IDE, крім розширення класу обслуговуваних пристроїв (жорсткі диски, CD-ROM, магнітооптичні і ZIP-накопичувачі і т. д.) і збільшення їх кількості до чотирьох - по два на кожному з двох можливих каналів, була внесена функція управління системною шиною. Процесор програмує контролер EIDE, вказуючи йому, звідки він повинен взяти дані і куди в пам'ять їх покласти. Потім контролер захоплює управління шинами PCI і пам'яті і виконує операції з зчитування даних з жорсткого диска або CD-ROM безпосередньо в пам'ять в режимі прямого доступу (DMA - Direct Memory Access). При такому способі обміну даними процесор вільний після видачі команд контролера EIDE і займається іншими завданнями.
Тим не менш, навіть наділений властивістю управління шиною інтерфейс EIDE зберіг свій головний недолік, будучи за своєю природою однозадачной. EIDE хороший для операційних систем, таких, як DOS і рання Windows, які самі є однозадачною, так як він в змозі виставити в певний момент часу рівно один запит вводу/виводу. Багатозадачні середовища, такі, як OS/2, NT, Windows 95 або NetWare, не тільки спростили роботу з додатками, але і зробили очевидним перевага застосування контролерів, обслуговуючих множинні запити до даних. А це під силу тільки SCSI.
Що ж стосується EIDE, то, недорогий і обмежений у застосуванні, він тільки деякими рисами віддалено нагадує свого більш розвиненого суперника. Функція Bus Master наділяє інтерфейс EIDE SCSI-подібними властивостями. Саме розширення інтерфейсу IDE до двох незалежних (що теж неочевидно) каналів, обслуговуючих одночасно виконання двох запитів до двох з чотирьох пристроїв, вносить деякий паралелізм і дає певний виграш в продуктивності. Однак це далеко не те ж саме, що запустила сім паралельних запитів до пристроям на одному контролері SCSI! Характерно, що реалізація одночасного обслуговування двох запитів до пристроїв на двох незалежних каналах EIDE, закладена в основу інтерфейсу, до недавнього часу мала деяку підтримку під Windows 95 тільки для контролерів Intel PIIX. В інших випадках операційна система не могла звертатися більш ніж до одного пристрою EIDE у кожен момент часу, що, звичайно ж, позначалося на продуктивності системи в цілому, особливо при наявності повільних (по порівнянні з жорсткими дисками) пристроїв на зразок приводів CD-ROM чи стримерів. Можна сподіватися, що зі стандартизацією інтерфейсних чіпів і поліпшенням програмної підтримки з боку операційних систем EIDE зможе забезпечувати і одночасний поканальное доступ до пристроїв, і ефективне управління системною шиною, але йому все одно буде далеко до можливостей SCSI.
Багатозадачність
Найважливішою характеристикою продуктивності використовуваних в PC контролерів введення/виводу є здатність до одночасній обробці даних декількох додатків. В комп'ютері багато пристроїв, невідповідність швидкостей яких становить кілька порядків. Процесор потужністю в сотні MIPS, протягом десятків мілісекунд чекаючий відпрацювання запиту вводу/виводу, подібний до Ferrari, здумайте...
