Компьютерная шимна (от англ. computer bus, bidirectional universal switch -- двунаправленный универсальный коммутатор) -- в архитектуре компьютера, подсистема, которая передаёт данные между функциональными блоками компьютера. Обычно шина управляется драйвером. В отличие от связи точка-точка, к шине можно подключить несколько устройств по одному набору проводников. Каждая шина определяет свой набор коннекторов (соединений) для физического подключения устройств, карт и кабелей.

Ранние компьютерные шины представляли собой параллельные электрические шины с несколькими подключениями, но сейчас данный термин используется для любых физических механизмов, предоставляющих такую же логическую функциональность, как параллельные компьютерные шины.

Компьютерная шина служит для передачи данных между отдельными функциональными блоками компьютера и представляет собой совокупность сигнальных линий, которые имеют определенные электрические характеристики и протоколы передачи информации. Шины могут различаться разрядностью, способом передачи сигнала (последовательные или параллельные, синхронные или асинхронные), пропускной способностью, количеством и типами поддерживаемых устройств, протоколом работы, назначением (внутренняя или интерфейсная).

1. Внутренние шины

1.1 PCI express

1.1.1 PCI Express 1.0

PCI Express -- компьютерная шина, использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол, основанный на последовательной передаче данных.

Последовательная шина PCI Express, разработанная Intel и ее партнерами, призвана заменить параллельную шину PCI и ее расширенный и специализированный вариант AGP.

Для подключения устройства PCI Express используется двунаправленное последовательное соединение типа точка-точка, называемое lane; это резко отличается от PCI, в которой все устройства подключаются к общей 32-разрядной параллельной двунаправленной шине.

Соединение между двумя устройствами PCI Express называется link, и состоит из одного (называемого 1x) или нескольких (2x, 4x, 8x, 12x, 16x и 32x) соединений lane. Каждое устройство должно поддерживать соединение 1x.

На электрическом уровне каждое соединение использует низковольтную дифференциальную передачу сигнала (LVDS), приём и передача информации производится каждым устройством PCI Express по отдельным двум проводникам, таким образом, в простейшем случае, устройство подключается к коммутатору PCI Express всего лишь четырьмя проводниками.

Использование подобного подхода имеет следующие преимущества:

· карта PCI Express помещается и корректно работает в любом слоте той же или большей пропускной способности (например, карта x1 будет работать в слотах x4 и x16);

· слот большего физического размера может использовать не все lane'ы (например, к слоту 16x можно подвести линии передачи информации, соответствующие 1x или 8x, и всё это будет нормально функционировать; однако, при этом необходимо подключить все линии «питание» и «земля», необходимые для слота 16x).

В обоих случаях, на шине PCI Express будет использовать максимальное количество lane'ов доступных как для карты, так и для слота. Однако это не позволяет устройству работать в слоте, предназначенном для карт с меньшей пропускной способностью шины PCI Express (например, карта x4 физически не поместится в слот x1, несмотря на то, что она могла бы работать в слоте x4 с использованием только одного lane).

PCI Express пересылает всю управляющую информацию, включая прерывания, через те же линии, что используются для передачи данных. Последовательный протокол никогда не может быть заблокирован, таким образом задержки шины PCI Express вполне сравнимы с таковыми для шины PCI. Во всех высокоскоростных последовательных протоколах (например, GigabitEthernet), информация о синхронизации должна быть встроена в передаваемый сигнал. На физическом уровне, PCI Express использует ставший общепринятым метод кодирования 8B/10B (8 бит данных заменяются на 10 бит, передаваемых по каналу, таким образом 20% трафика является избыточными), который позволяет поднять помехозащищённость.

Шина PCI работает на частоте 33 или 66 МГц и обеспечивает пропускную способность 133 или 266 Мб/сек, но эта пропускная способность делится между всеми устройствами PCI. Частота, на которой работает шина PCI Express - 2.5 ГГц, что дает пропускную способность 2500 МГц / 10 * 8 = 250 * 8 Мбит/сек = 250 Мб/сек для каждого устройства PCI Express x1 в одном направлении. При наличии нескольких линий для вычисления пропускной способности величину 250 Мб/сек надо умножить на число линий и на 2, т.к. PCI Express является двунаправленной шиной (Табл.1).

Табл.1 таблица пропускной способности PCI.

Число линий PCI Express	Пропускная способность в одном направлении	Суммарная пропускная способность
1	250 Мб/сек	500 Мб/сек
2	500 Мб/сек	1 Гб/сек
4	1 Гб/сек	2 Гб/сек
8	2 Гб/сек	4 Гб/сек
16	4 Гб/сек	8 Гб/сек
32	8 Гб/сек	16 Гб/сек

Кроме того, шиной PCI Express поддерживается:

· горячая замена карт;

· гарантированная полоса пропускания (QoS);

· управление энергопотреблением;

· контроль целостности передаваемых данных.

1.1.2 PCI Express 2.0

Группа PCI-SIG выпустила спецификацию PCI Express 2.0 15 января 2007 года. Основные нововведения в PCI Express 2.0:

· Увеличенная пропускная способность -- спецификация PCI Express 2.0 определяет максимальную пропускную способность одного соединения lane как 5 Гбит/с. Внесены усовершенствования в протокол передачи между устройствами и программную модель.

· Динамическое управление скоростью -- для управления скоростью работы связи.

· Оповещение о пропускной способности -- для оповещения ПО (операционной системы, драйверов устройств и т.п.) об изменениях скорости и ширины шины.

· Расширения структуры возможностей -- расширение управляющих регистров для лучшего управления устройствами, слотами и интерконнектом.

· Службы управления доступом -- опциональные возможности управления транзакциями точка-точка.

1.1.3 PCI Express 3.0

PCI-SIG в середине августа 2010 года представила версию 0.9 спецификации PCI Express 3.0.

Для пользователей основное отличие между PCI Express 2.0 и PCI Express 3.0 будет заключаться в значительном увеличении максимальной пропускной способности. У PCI Express 2.0 сигнальная скорость передачи составляет 5 ГТ/с (гигатранзакций в секунду), то есть пропускная способность равняется 500 Мбайт/с для каждой линии. Таким образом, основной графический слот PCI Express 2.0, который обычно использует 16 линий, обеспечивает двунаправленную пропускную способность до 8 Гбайт/с.

У PCI Express 3.0 мы получим удвоение этих показателей. PCI Express 3.0 использует сигнальную скорость 8 ГТ/с, что даёт пропускную способность 1 Гбайт/с на линию. Таким образом, основной слот для видеокарты получит пропускную способность до 16 Гбайт/с.

На первый взгляд увеличение сигнальной скорости с 5 ГТ/с до 8 ГТ/с не кажется удвоением. Однако стандарт PCI Express 2.0 использует схему кодирования 8B/10B.

PCI Express 3.0 переходит на намного более эффективную схему кодирования 128B/130B, устраняя 20% избыточность. Поэтому 8 ГТ/с - это уже не "теоретическая" скорость; это фактическая скорость, сравнимая по производительности с сигнальной скоростью 10 ГТ/с, если бы использовался принцип кодирования 8b/10b.

1.2 HyperTransport

Шина HyperTransport (HT)-- это двунаправленная последовательно-параллельная компьютерная шина с высокой пропускной способностью и малыми задержками.

HyperTransport работает на частотах от 200 МГц до 3,2 ГГц (у шины PCI -- 33 и 66 МГц). Кроме того, она использует DDR, что означает, что данные посылаются как по переднему, так и по заднему фронтам сигнала синхронизации, что позволяет осуществлять до 5200 миллионов посылок в секунду при частоте сигнала синхронизации 2,6 ГГц; частота сигнала синхронизации настраивается автоматически.

Шина HyperTransport основана на передаче пакетов. Каждый пакет состоит из 32-разрядных слов, вне зависимости от физической ширины шины (количества информационных линий). Первое слово в пакете -- всегда управляющее слово. Если пакет содержит адрес, то последние 8 бит управляющего слова сцеплены со следующим 32-битным словом, в результате образуя 40-битный адрес. Шина поддерживает 64-разрядную адресацию -- в этом случае пакет начинается со специального 32 разрядного управляющего слова, указывающего на 64 разрядную адресацию, и содержащего разряды адреса с 40 по 63 (разряды адреса нумеруются начиная с 0). Остальные 32-битные слова пакета содержат непосредственно передаваемые данные. Данные всегда передаются 32-битными словами, вне зависимости от их реальной длины (например, в ответ на запрос на чтение одного байта по шине будет передан пакет, содержащий 32 бита данных и флагом-признаком того, что значимыми из этих 32 бит являются только 8).

Пакеты HyperTransport передаются по шине последовательно. Увеличение пропускной способности влечёт за собой увеличение ширины шины. HyperTransport может использоваться для передачи служебных сообщений системы, для передачи прерываний, для конфигурирования устройств, подключённых к шине и для передачи данных.

Шина HyperTransport нашла широкое применение в качестве процессорной шины. Она имеет оригинальную топологию (Рис.1) на основе линков, тоннелей, цепей и мостов, что позволяет этой архитектуре легко масштабироваться. HyperTransport призвана упростить внутрисистемные сообщения посредством замены существующего физического уровня передачи существующих шин и мостов, а также снизить количество узких мест и задержек. При всех этих достоинствах HyperTransport характеризуется также малым числом выводов (low pin counts) и низкой стоимостью внедрения. HyperTransport поддерживает автоматическое определение ширины шины, допуская ширину от 2 до 32 бит в каждом направлении (Таблица 2), кроме того, она позволяет передавать асимметричные потоки данных к периферийным устройствам и от них.

Рисунок 1. Топология шины HyperTransport.

HyperTransport v3 применяется в таких процессорах как: новое поколение AMD K8 и все K10, Turion 64 X2/Phenom/Phenom II.

Табл.2 Версии HyperTransport.

Версия	Год	максимальная частота	максимальная ширина	пиковая пропускная способность (в оба направления)
1.0	2001	800 МГц	32 бит	12,8 Гбайт/c
1.1	2002	800 МГц	32 бит	12,8 Гбайт/c
2.0	2004	1,4 ГГц	32 бит	22,4 Гбайт/c
3.0	2006	2,6 ГГц	32 бит	41,6 Гбайт/c
3.1	2008	3,2 ГГц	32 бит	51,6 Гбайт/c

1.3 InfiniBand

Infiniband -- высокоскоростная коммутируемая последовательная шина, применяющаяся как для внутренних (внутрисистемных), так и для межсистемных соединений.

Порты InfiniBand (коммутатор Voltaire ISR-6000)

Подобно PCI Express, Infiniband использует двунаправленную последовательную шину. Базовая скорость -- 2,5 Гбит/с в каждом направлении, применяются порты, состоящие из групп в 1x, 4x и 12x базовых двунаправленных шин (англ. lanes). Существуют режимы Single Data Rate (SDR) - работа с базовой скоростью, Double Data Rate (DDR) - битовая скорость равна удвоенной базовой и Quad Data Rate (QDR) - соответственно, утчетверенной. В настоящий момент применяются, чаще всего порты 4x DDR. Основное назначение Infiniband -- межсерверные соединения, в том числе и для организации RDMA (Remote Direct Memory Access).

Пропускная способность приведена в таблице 3.

Табл.3 Пропускная способность интерфейса Infiniband, raw / data

	SDR	DDR	QDR
1X	2,5 / 2 Гбит/с	5 / 4 Гбит/с	10 / 8 Гбит/с
4X	10 / 8 Гбит/с	20 / 16 Гбит/с	40 / 32 Гбит/с
12X	30 / 24 Гбит/с	60 / 48 Гбит/с	120 / 96 Гбит/с

Infiniband используется следующими протоколами и API:

RDMA (англ. Remote Direct Memory Access) -- группа протоколов удалённого прямого доступа к памяти, при котором передача данных из памяти одного компьютера в память другого компьютера происходит без участия операционной системы, при этом исключается участие CPU в обработке кода переноса и необходимость пересылки данных из памяти приложения в буферную область ОС, то есть данные пересылаются напрямую на соответствующий сетевой контроллер.

uDAPL (англ. User Direct Access Programming Library) -- библиотека API для абстрактного транспорта прямого доступа (англ. Direct Access Transport, DAT). uDAPL (и другие API -- в частности kDAPL -- kernel DAPL) разрабатывается и поддерживается организацией DAT Collaborative.

IPoIB (IP over Infiniband) -- группа протоколов, описывающих передачу IP-пакетов поверх Infiniband:

RFC 4390 Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) over InfiniBand

RFC 4391 Transmission of IP over InfiniBand (IPoIB)

RFC 4392 IP over InfiniBand (IPoIB) Architecture

SRP (англ. SCSI RDMA Protocol) -- протокол обмена данными между SCSI-устройствами с использованием RDMA.

DDP (англ. Direct Data Placement): RFC 4296 The Architecture of Direct Data Placement (DDP) and Remote Direct Memory Access (RDMA) on Internet Protocols

SDP (англ. Socket Direct Protocol) -- протокол установления виртуальных соединений и обмена данными между сокетами поверх Infiniband, передача данных не использует TCP стек ОС, однако использует IP-адреса и может использовать IPoIB для их разрешения.

Тесты производителей показывают пропускную способность на уровне MPI около 800 МБ/сек и время задержки 1--7 мкс.

Топология: коммутируемая с использованием Fat Tree для больших конфигураций, существующие коммутаторы поддерживают большое количество портов.

Программное обеспечение: драйверы от производителей аппаратных средств, различные библиотеки MPI как коммерческие так и открытые.

Корпорацией Oracle Corporation был разработан специальный протокол RDS, ориентированный на работу с этой шиной.

Шина InfiniBand имеет архитектуру приведенную на рисунке 2.

Рисунок 2. Архитектура InfiniBand

2. Внешние шины

2.1 USB

USB (англ. Universal Serial Bus -- «универсальная последовательная шина») -- последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств в вычислительной технике.

Кабель USB состоит из 4 медных проводников -- 2 проводника питания и 2 проводника данных в витой паре, и заземленной оплётки/экрана.

Шина строго ориентирована, имеет понятие «главное устройство» (хост, он же USB контроллер, обычно встроен в микросхему южного моста на материнской плате) и «периферийные устройства». Шина имеет древовидную топологию, поскольку периферийным устройством может быть разветвитель (hub), в свою очередь имеющий несколько нисходящих разъемов «от хоста». Соединение 2 компьютеров -- или 2 периферийных устройств -- пассивным USB кабелем невозможно. Существуют активные USB кабели для соединения 2 компьютеров, но они включают в себя сложную электронику, эмулирующую Ethernet адаптер, и требуют установки драйверов с обеих сторон.

Устройства могут быть запитаны от шины, но могут и требовать внешний источник питания. Поддерживается и дежурный режим для устройств и разветвителей по команде с шины со снятием основного питания при сохранении дежурного питания и включением по команде с шины.

USB поддерживает «горячее» подключение и отключение устройств. Это достигнуто увеличенной длиной заземляющего контакта разъёма по отношению к сигнальным. При подключении разъёма USB первыми замыкаются заземляющие контакты, потенциалы корпусов двух устройств становятся равны и дальнейшее соединение сигнальных проводников не приводит к перенапряжениям, даже если устройства питаются от разных фаз силовой трёхфазной сети.

2.1.1 USB 2.0

Спецификация выпущена в апреле 2000 года. USB 2.0 отличается от USB 1.1 введением режима Hi-speed.

Для устройств USB 2.0 регламентировано три режима работы:

· Low-speed, 10--1500 Кбит/c (используется для интерактивных устройств: клавиатуры, мыши, джойстика)

· Full-speed, 0,5--12 Мбит/с (аудио-, видеоустройства)

· Hi-speed, 25--480 Мбит/с (видеоустройства, устройства хранения информации)

2.1.2 USB 3.0

Новый стандарт на порядок превосходит предел в 480 Мбит/с для USB 2.0, устанавливая планку теоретической максимальной скорости передачи данных на отметке в 4.8 Гбит/с. Естественно, стоит отдавать себе отчет в том, что реальная производительность будет несколько ниже заявленной. К тому же контроллеры USB 3.0 пока еще несовершенны, и вряд ли при коммерческом старте потенциал технологии будет реализован полностью. Тем не менее, существующие уже сегодня образцы достигают отменных скоростных характеристик. Например, 27 Гб HD фильм копируется на скорости 3.2 Гбит/с чуть более чем за минуту, тогда как с USB 2.0 при прочих равных условиях необходимо 15 минут.

В отличие от предыдущих реализаций интерфейса, в которых поддерживалась лишь одна операция единовременно, USB 3.0 может производить чтение и запись данных в двух направлениях независимо. Это было достигнуто добавлением по паре выделенных SuperSpeed линий как для передачи, так и для приема данных. Таким образом, общее число каналов возросло с четырех у USB 2.0 до девяти, если считать отдельную землю USB 3.0.

Кроме того, был усовершенствован и протокол работы Universal Serial Bus. Хотя понятия "хост" и "клиент" остались, отныне общение между контроллерами происходит на более интеллектуальном уровне. Если раньше хост в ожидании начала передачи данных мог постоянно посылать нескончаемые запросы клиенту, теперь происходит ожидание специального сигнала на начало процесса от самого подключенного устройства.

Новая сигнальная схема, упомянутая выше, предполагает так же и то, что при отсутствии активности клиентских устройств, контроллер больше не будет, посылая запросы на поиск необходимого для передачи трафика, расходовать лишнюю энергию. Также было снижено минимально возможное для работы напряжение с 4.4 В до 4.0 В. С другой стороны, с 500 мА до 900 мА был поднят порог максимально допустимого тока, пропускаемого шиной, что должно расширить круг поддерживаемой периферии и дать возможность определенным классам устройств отказаться от внешнего питания. В качестве бонуса можно ожидать и более быструю зарядку мобильных устройств, аккумуляторы которых получают энергию по USB.

Имеющиеся сегодня устройства, предназначенные для стандарта USB 2.0, будут без проблем функционировать с контроллерами для 3.0 и наоборот. Конечно, для достижения высоких скоростей передачи данных потребуется использование не только соответствующего контроллера, но и подходящего устройства вместе с удовлетворяющим спецификациям кабелем. Подключение же 2.0 устройства в порт 3.0, или 3.0 устройства в 2.0 порт, обеспечит стандартную для USB второго поколения производительность.

С самого начала разработки ставилась цель сохранения обратной совместимости интерфейса со своим предшественником, и потому сам разъем физически не претерпел серьезных изменений -- форма и контакты, необходимые для USB 2.0, сохранены на старых местах. Новые, поддерживающие коннект на SuperSpeed скорости линии выведены так, чтобы соприкасаться с контактными площадками только при подключении по USB 3.0

Для того чтобы разнести контакты разных версий USB на безопасное расстояние, потребовалось несколько удлинить коннекторы и разъемы. Также из-за увеличившегося числа проводов толщина USB 3.0 кабеля будет сравнима с Ethernet шнуром.

USB 3.0 работает существенно быстрее 2.0. Конечно, обещанного десятикратного прироста обнаружить не удалось, но тут сама шина не виновата: нет пока устройств на практике способных покуситься на 100% пиковой пропускной способности в 5 Гбит/с. И не факт, что их появление в ближайшее время станет возможным. Однако наличие столь заметного запаса на будущее само по себе очень полезно и приятно -- из него прямо проистекает то, что в ближайшие годы шина не устареет. Это тем более важно потому, что... в ближайшие годы ее массовое использование и не начнется.

2.2 IEEE 1394

IEEE 1394 -- последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами.

Стандарт 1394 является шинным протоколом, который может подключать до 63 устройств. В отличие от сетей на коаксиальном кабеле или SCSI, устройства IEEE 1394 можно подключать не только последовательно, но и организовывать ветви. Кабель не нужно терминировать резистором, а адреса устройств раздаются динамически без какого-либо участия пользователя.

Интерфейс основан на шести контактах, которые переходят в две витые пары проводов для передачи данных и два провода для питания. Эта конфигурация позволяет подавать напряжение между 8 и 30В с током до 1,5А.

Максимальная длина кабеля от одного устройства к другому составляет 4,5 метра на полной скорости. В то же время, напрямую в цепь можно подключать, максимум, 17 устройств. Замкнутые цепи и петли не позволяются. Впрочем, самые распространённые конфигурации состоят из 1-3 устройств.

Устройства IEEE 1394 организованы по трехуровневой схеме -- Transaction, Link и Physical, соответствующие трем нижним уровням модели OSI.

Transaction Layer -- маршрутизация потоков данных с поддержкой асинхронного протокола записи-чтения.

Link Layer -- формирует пакеты данных и обеспечивает их доставку.

Physical Layer -- преобразование цифровой информации в аналоговую для передачи и наоборот, контроль уровня сигнала на шине, управление доступом к шине.

Связь между шиной PCI и Transaction Layer осуществляет Bus Manager. Он назначает вид устройств на шине, номера и типы логических каналов, обнаруживает ошибки.

Данные передаются кадрами длиной 125 мкс. В кадре размещаются временные слоты для каналов. Возможен как синхронный, так и асинхронный режимы работы. Каждый канал может занимать один или несколько временных слотов. Для передачи данных устройство-передатчик просит предоставить синхронный канал требуемой пропускной способности. Если в передаваемом кадре есть требуемое количество временных слотов для данного канала, поступает утвердительный ответ и канал предоставляется.

IEEE 1394a

В 2000 году был утверждён стандарт IEEE 1394а. Был проведён ряд усовершенствований, что повысило совместимость устройств.

Было введено время ожидания 1/3 секунды на сброс шины, пока не закончится переходный процесс установки надёжного подсоединения или отсоединения устройства.

IEEE 1394b

В 2002 году появляется стандарт IEEE 1394b с новыми скоростями: S800 -- 800 Мбит/с и S1600 -- 1600 Мбит/с. Соответствующие устройства обозначаются FireWire 800 или FireWire 1600, в зависимости от максимальной скорости.

Изменились используемые кабели и разъёмы. Для достижения максимальных скоростей на максимальных расстояниях предусмотрено использование оптики, пластмассовой -- для длины до 50 метров, и стеклянной -- для длины до 100 метров.

Несмотря на изменение разъёмов, стандарты остались совместимы, что позволяет использовать переходники.

12 декабря 2007 года была представлена спецификация S3200 с максимальной скоростью -- 3,2 Гбит/с. Для обозначения данного режима используется также название «beta mode» (схема кодирования 8B10B). Максимальная длина кабеля может достигать 100 метров.

IEEE 1394.1

В 2004 году увидел свет стандарт IEEE 1394.1. Этот стандарт был принят для возможности построения крупномасштабных сетей и резко увеличивает количество подключаемых устройств до гигантского числа - 64 449.

IEEE 1394c

Появившийся в 2006 году стандарт 1394c позволяет использовать кабель Cat 5e от Ethernet. Возможно использовать параллельно с Gigabit Ethernet, то есть использовать две логические и друг от друга не зависящие сети на одном кабеле. Максимальная заявленная длина -- 100 м, Максимальная скорость соответствует S800 -- 800 Мбит/с.

Стандарт или IEEE 1394b, передаёт данные со скоростью до 54 Мбайт/с в паре с внешним жёстким диском, легко обгоняя другие альтернативы. При работе в качестве сетевого адаптера стандарт 1394b обеспечивает скорость передачи до 400 Мбит/с, которая далеко превосходит Ethernet на 100 Мбит/с.

Стандарт FireWire не идеально подходит для сетевого трафика. При использовании в качестве сетевого интерфейса FireWire имеет существенный недостаток - необходима совместимость с многочисленными приложениями, а не только передача сетевого трафика. Кроме того, IPv4 over 1394 вряд ли оптимизирован под максимальную производительность. К тому же, реализация сети под Windows не может похвастаться хорошей репутацией, в отличие от Unix/Linux.

2.3 SATA

SATA (англ. Serial ATA) -- последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации. SATA является развитием параллельного интерфейса ATA (IDE).

SATA использует 7-контактный разъём (Рисунок 3) вместо 40-контактного разъёма у PATA. SATA-кабель имеет меньшую площадь, за счёт чего уменьшается сопротивление воздуху, обдувающему комплектующие компьютера, упрощается разводка проводов внутри системного блока.

SATA-кабель за счёт своей формы более устойчив к многократному подключению. Питающий шнур SATA также разработан с учётом многократных подключений. Разъём питания SATA подаёт 3 напряжения питания: +12 В, +5 В и +3,3 В; однако современные устройства могут работать без напряжения +3,3 В, что даёт возможность использовать пассивный переходник со стандартного разъёма питания IDE на SATA. Ряд SATA-устройств поставляется с двумя разъёмами питания.

Стандарт SATA отказался от традиционного для PATA подключения по два устройства на шлейф; каждому устройству полагается отдельный кабель, что снимает проблему невозможности одновременной работы устройств, находящихся на одном кабеле (и возникавших отсюда задержек), уменьшает возможные проблемы при сборке (проблема конфликта Slave/Master устройств для SATA отсутствует), устраняет возможность ошибок при использовании нетерминированных PATA-шлейфов.

Стандарт SATA поддерживает функцию очереди команд (NCQ, начиная с SATA Revision 2.x). Стандарт SATA предусматривает горячую замену активного устройства. Стоит отметить, что операционные системы младше Windows Vista, а также Mac OS X и Linux 2-3 летней давности не поддерживают Advanced Host Controller Interface (AHCI) без специальных драйверов. А именно AHCI обеспечивает работу NCQ и горячего подключения. Интерфейс SATA имеет два канала передачи данных, от контроллера к устройству и от устройства к контроллеру. Для передачи сигнала используется технология LVDS, провода каждой пары являются экранированными витыми парами.

2.3.1 SATA Revision 2.x

Стандарт SATA/300 работает на частоте 3 ГГц, обеспечивает пропускную способность до 2,4 Гбит/с (300 МБ/с). Часто стандарт SATA/300 называют SATA II или SATA 2.0. Теоретически устройства SATA/150 и SATA/300 должны быть совместимы (как контроллер SATA/300 с устройством SATA/150, так и контроллер SATA/150 с устройством SATA/300) за счёт поддержки согласования скоростей (в меньшую сторону), однако для некоторых устройств и контроллеров требуется ручное выставление режима работы.

2.3.2 SATA Revision 3.x

Два основных изменения, произошедших в третьем поколении интерфейса, - это увеличенная до 6 Гб/с пропускная способность и расширенные возможности NCQ.

Первое обновление не будет востребовано даже жесткими дисками последнего поколения, поскольку на сегодняшний день они не обеспечивают скоростей линейного чтения, превышающих 150-160 МБ/с, однако для SSD это вполне актуально.

Наибольшее значение для традиционных накопителей будет иметь функция постоянной передачи данных. Тяжело нагруженный HDD, читающий и записывающий информацию в несколько потоков (довольно распространенная в домашних ПК ситуация в свете развития файлообменных сетей), зачастую не способен обеспечить устойчивую скорость чтения для комфортного просмотра видео или прослушивания аудио. SATA 3.0 предусматривает возможность активации своеобразного аналога службы Quality of Service в сетевых протоколах: за приложением резервируется максимальный приоритет, и запрашиваемые им данные всегда считываются в первую очередь и непрерывным потоком.

2.3.3 eSATA

eSATA (External SATA) -- интерфейс подключения внешних устройств, поддерживающий режим «горячей замены». Был создан несколько позже SATA (в середине 2004).

Для поддержки режима горячей замены нужно включить в BIOS режим AHCI. В случае, если загрузочный диск Windows XP подключен к контроллеру, которому переключают режим с IDE на AHCI, Windows перестанет загружаться -- активировать этот режим в BIOS возможно только во время установки Windows.

Рисунок 3 SATA (слева) и eSATA (справа) коннекторы

2.4 Serial Attached SCSI

Serial Attached SCSI (SAS) -- компьютерный интерфейс, разработанный для обмена данными с такими устройствами, как жёсткие диски, накопители на оптическом диске и т. д. SAS использует последовательный интерфейс для работы с непосредственно подключаемыми накопителями (англ. Direct Attached Storage (DAS) devices). SAS разработан для замены параллельного интерфейса SCSI и позволяет достичь более высокой пропускной способности, чем SCSI; в то же время SAS совместим с интерфейсом SATA. Для управления SAS-устройствами по-прежнему используются команды SCSI.

Интерфейс Serial Attached SCSI - это не просто последовательная реализация протокола SCSI. В нём реализовано намного больше, чем простой перенос функций SCSI, таких как TCQ (Tagged Command Queuing, тэгированная очередь команд), через новый разъём.

SAS базируется на объектной модели, определяющей "домен SAS” - систему доставки данных, которая может включать в себя опциональные экспандеры (expander) и конечные устройства SAS, такие как жёсткие диски и host-адаптеры (host bus adapters, HBA). В отличие от SATA, устройства SAS могут иметь несколько портов, каждый из которых может использовать несколько физических соединений, чтобы обеспечивать более скоростные (широкие) подключения SAS. Кроме того, к любой определённой цели могут обращаться несколько инициаторов, а длина кабеля может составлять до восьми метров (для первого поколения SAS). Вполне понятно, что это обеспечивает немало возможностей для создания высокопроизводительных или избыточных решений хранения данных. Кроме того, SAS поддерживает протокол SATA Tunneling Protocol (STP), позволяющий подключать к SAS-контроллеру устройства SATA.

2.4.1 SAS 2.0

Стандарт SAS второго поколения увеличивает скорость соединения с 3 до 6 Гбит/с. Данный прирост скорости очень важен для сложных окружений, где требуется высокая производительность из-за высокоскоростных хранилищ. Новая версия SAS также призвана снизить сложность прокладки кабелей, а также число соединений на Гбит/с пропускной способности, увеличивая возможную длину кабелей и улучшая работу экспандеров (разбиение на зоны и автоматическое обнаружение).

В отличие от SATA, интерфейс SAS работает на основе полного дуплекса, предоставляя полную пропускную способность в обоих направлениях. Как уже упоминалось ранее, соединения SAS всегда устанавливаются через физические подключения, используя уникальные адреса устройств. Напротив, SATA может адресовать только номера портов.

Такие функции, как разбиение по зонам (zoning) теперь позволяют администраторам привязывать конкретные устройства SAS к инициаторами. Именно здесь будет полезна увеличенная пропускная способность SAS 6 Гбит/с, поскольку у четырёхканального соединения теперь будет в два раза большая скорость. Наконец, устройства SAS могут даже иметь несколько адресов SAS. Поскольку накопители SAS могут использовать два порта, с одним PHY на каждом, то накопитель может иметь два адреса SAS.

SAS 2.0 удваивает пропускную способность на порт с 3 до 6 Гбит/с. То есть для четырёхканальных подключений она увеличивается с 1,2 Гбайт/с до 2,4 Гбайт/с. Поскольку HBA-контроллеры SAS обычно предоставляют восемь портов, организованных в виде двух четырёхканальных подключений, то эффективная максимальная пропускная способность на контроллер составляет 4,8 Гбайт/с.

В таком случае интерфейс PCI Express 1.1 может стать "узким местом", поскольку популярное подключение через x8 линий даёт всего 2,0 Гбайт/с (250 Мбайт/с на линию в каждую сторону). В результате все грядущие контроллеры SAS 2.0 будут использовать интерфейс PCI Express 2.0, удваивая пропускную способность восьми линий до 4,0 Гбайт/с в каждом направлении.

2.4.2 Новые функции SAS 2.0

Если стандарт SAS 1.1 на 3 Гбит/с уже поддерживает длину кабеля до 8 метров, то SAS 2.0 на 6 Гбит/с и дальше увеличивает её до 10 метров. Может показаться небольшим приростом, но центры хранения данных явно выиграют. Чтобы обеспечить надёжную передачу был добавлен протокол Decision Feedback Equalization (DFE). Он снижает межсимвольные помехи и обеспечивает высокий уровень сигнала на большем расстоянии.

SAS 6 Гбит/с требует использования разъёмов mini-SAS, также известных как iPass. Mini-SAS также работают с подключениями 3 Гбит/с, разъёмы довольно широко используются во многих хранилищах.

Заключение

Современные компьютерные шины используют как параллельные, так и последовательные соединения и могут иметь параллельные (multidrop) и цепные (daisy chain) топологии. В случае USB и некоторых других шин могут также использоваться хабы.

Список информационных источников

1. http://www.kit-e.ru

2. http://remcomp.org/

3. http://lib.prometey.org/

4. http://hitech.tomsk.ru/