Очередь команд с тегами

Tagged Command Queuing ( TCQ ) — это технология, встроенная в некоторые ATA и SCSI. ^{[ 1 ]} жесткие диски. Это позволяет операционной системе отправлять несколько запросов на чтение и запись на жесткий диск . ATA TCQ по функциям не идентичен более эффективной собственной очереди команд (NCQ), используемой дисками SATA . ^{[ 2 ]} SCSI TCQ не имеет тех же ограничений, что и ATA TCQ.

Без TCQ операционная система была ограничена отправкой одного запроса за раз. Чтобы повысить производительность, ОС должна была определить порядок запросов на основе своей собственной — возможно, неправильной — точки зрения на активность жесткого диска (также известной как планирование ввода-вывода ). С помощью TCQ диск может принимать собственные решения о том, как упорядочивать запросы (и, в свою очередь, освобождает операционную систему от необходимости делать это). Таким образом, TCQ может улучшить общую производительность жесткого диска, если он реализован правильно.

Обзор

Для повышения эффективности секторы следует обслуживать в порядке близости к текущему положению головки, а не в порядке поступления заказа. Очередь постоянно получает новые запросы, выполняет и удаляет существующие запросы, а также переупорядочивает очередь в соответствии с текущими ожидающими запросами на чтение/запись и меняющимся положением головки. Точный алгоритм переупорядочения может зависеть от контроллера и самого накопителя, но главный компьютер просто делает запросы по мере необходимости, оставляя контроллеру обрабатывать детали.

Этот механизм организации очереди иногда называют « поиском лифта », поскольку изображение современного лифта в здании, обслуживающего несколько вызовов и обрабатывающего их для минимизации поездок, хорошо иллюстрирует эту идею.

Если кнопки этажей 5, 2 и 4 нажаты в таком порядке, когда лифт запускается на этаже 1, старый лифт поднимется на этажи в запрошенном порядке. Современный лифт обрабатывает запросы на остановку на этажах в логическом порядке 2, 4 и 5, без лишних поездок. Диски без очереди обслуживают запросы в порядке поступления, как старый лифт; организация очереди распределяет запросы на обслуживание в наиболее эффективном порядке. Это может немного повысить производительность в системе, используемой одним пользователем, но может значительно повысить производительность в системе, в которой множество пользователей выполняют самые разнообразные запросы к поверхности диска.

Сравнение SCSI TCQ, ATA TCQ и SATA NCQ

SCSI-TCQ

SCSI TCQ был первой популярной версией TCQ и популярен до сих пор. Он позволяет помещать задачи в очередь в одном из трех различных режимов: ^{[ 3 ]}

глава очереди
заказал
простой

В режиме начала очереди , уникальном для SCSI TCQ, задача помещается в начало очереди перед всеми другими задачами, включая другие ожидающие задачи начала очереди. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} Этот режим не используется часто, поскольку при неправильном использовании он может привести к нехватке ресурсов .

В упорядоченном режиме задача должна выполняться после завершения всех старых задач и до того, как начнут выполняться все новые задачи (за исключением новых задач в начале очереди ). ^{[ 3 ]}

Простой режим позволяет задачам выполняться в любом порядке, не нарушающем ограничения задач в двух других режимах. ^{[ 3 ]} После завершения команды в задаче устройство, выполнившее команду, отправляет уведомление адаптеру главной шины. ^{[ 3 ]}

Будет ли SCSI TCQ вызывать массовые прерывания, зависит от шины, используемой для подключения адаптера главной шины SCSI. На обычных шинах PCI , PCI-X , PCI Express и других шинах, которые это допускают, основной DMA обеспечивает низкие издержки на прерывания. Более старая шина ISA требовала, чтобы хост-адаптер SCSI генерировал прерывание, чтобы заставить ЦП запрограммировать сторонний механизм DMA для выполнения передачи, а затем требовалось еще одно прерывание, чтобы уведомить ЦП о завершении задачи в очереди. ^{[ 2 ]} вызывая высокую нагрузку на процессор.

Длина тега SCSI TCQ

Протокол SCSI-3 позволяет использовать 64 бита в поле тега, что позволяет использовать до 2 ⁶⁴ задачи в одном наборе задач должны быть выполнены до того, как некоторые из них будут выполнены, прежде чем будут выданы новые команды. ^{[ 3 ]} Однако различные протоколы, реализующие протокол SCSI, могут не разрешать использование всех 64 бит. Например, старый параллельный SCSI допускает 8 битов тега, iSCSI допускает до 32 битов тега, а Fibre Channel допускает до 16 бит тега с тегом. 0xFFFF зарезервировано. Эта гибкость позволяет разработчику протокола сочетать возможности организации очередей с затратами. Сети, которые могут быть большими, например сети iSCSI, выигрывают от большего количества битов тегов, чтобы справиться с большим количеством дисков в сети и большими задержками, генерируемыми такими большими сетями, в то время как сети меньшего масштаба, такие как параллельные цепочки SCSI, этого не делают. иметь достаточно дисков или задержек, чтобы требовалось много битов тегов, и можно сэкономить деньги, используя систему, поддерживающую меньшее количество битов.

АТА TCQ

ATA TCQ был разработан с целью предоставить накопителям ATA те же преимущества, что и SCSI. Он доступен как в параллельном, так и в последовательном ATA.

Эта попытка не увенчалась успехом, поскольку шина ATA изначально представляла собой шину ISA с уменьшенным количеством контактов. Требование совместимости программного обеспечения заставило адаптеры главной шины ATA действовать как устройства шины ISA без собственного DMA . Когда диск был готов к передаче, он должен был прервать работу ЦП, дождаться, пока ЦП спросит диск, какую команду он готов выполнить, ответить командой, которую он готов выполнить, дождаться, пока ЦП запрограммирует хост. адаптера шины Сторонний механизм DMA на основе результата этой команды ждал, пока сторонний механизм DMA выполнит команду, а затем снова прерывал ЦП, чтобы уведомить его, когда механизм DMA завершил задачу, чтобы ЦП мог уведомить поток, запросивший задачу, о том, что запрошена задание было выполнено. ^{[ 2 ]} Поскольку реакция на прерывания требует времени ЦП, загрузка ЦП быстро возрастала при включении ATA TCQ. ^{[ 2 ]} Кроме того, поскольку время обслуживания прерывания может быть непредсказуемым, бывают случаи, когда диск готов передать данные, но не может это сделать, поскольку ему приходится ждать, пока ЦП ответит на прерывание, чтобы ЦП знал, что ему необходимо запрограммировать Сторонний механизм DMA. ^{[ 2 ]}

Таким образом, этот стандарт редко применялся, поскольку он вызывал высокую загрузку ЦП без достаточного повышения производительности, чтобы оправдать это. ^{[ 2 ]} Этот стандарт допускает до 32 невыполненных команд на одно устройство. ^{[ 4 ]}

SATA NCQ

SATA NCQ — это современный стандарт, который значительно сокращает количество требуемых прерываний ЦП по сравнению с ATA TCQ. Как и ATA TCQ, он допускает до 32 невыполненных команд на одно устройство. ^{[ 2 ]} но был разработан, чтобы использовать преимущества адаптеров главной шины SATA, которые не эмулируют поведение параллельного ATA, для поддержки DMA собственного производства. ^{[ 2 ]} Вместо прерывания работы ЦП перед выполнением задачи, чтобы заставить его запрограммировать механизм DMA адаптера главной шины, жесткий диск сообщает адаптеру главной шины, какую команду он хочет выполнить, в результате чего адаптер главной шины программирует свой встроенный механизм DMA основного производителя с помощью параметры, которые были включены в команду, выбранную жестким диском при ее первом запуске, а затем механизм DMA перемещает данные, необходимые для выполнения команды. ^{[ 2 ]} Чтобы еще больше снизить накладные расходы на прерывания, диск может удерживать прерывание с сообщениями о завершении задачи до тех пор, пока не соберет множество из них для одновременной отправки, что позволяет операционной системе одновременно уведомлять множество потоков о завершении их задач. ^{[ 2 ]} Если после отправки такого прерывания другая задача завершается, адаптер главной шины может объединить сообщения о завершении вместе, если первый набор сообщений о завершении не был отправлен в ЦП. ^{[ 2 ]} Это позволяет конструкции встроенного ПО жесткого диска сочетать производительность диска с загрузкой ЦП, определяя, когда следует откладывать выполнение, а когда отправлять сообщения о завершении. ^{[ 2 ]}

Ссылки

^ в виде Parallel SCSI , Serial Attached SCSI и Fibre Channel. дисков
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м Дис, Брайан (ноябрь – декабрь 2005 г.). «Встроенная очередь команд — повышенная производительность настольных систем хранения данных». Возможности IEEE . 24 (4): 4–7. дои : 10.1109/MP.2005.1549750 . S2CID 36264057 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж «Модель архитектуры SCSI — 3 (SAM-3)» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 17 марта 2012 г. Проверено 24 февраля 2007 г.
^ Jump up to: ^а ^б «1532D: AT-соединение с пакетным интерфейсом - 7, том 1» (PDF) . 1532D: AT-соединение с пакетным интерфейсом — 7 . Проверено 2 января 2007 г.

Внешние ссылки

Может ли командная очередь Turbo Charge SATA? Патрик Шмид и Ахим Роос из Tom's Hardware Guide

[1] в виде Parallel SCSI , Serial Attached SCSI и Fibre Channel. дисков

[Dees-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м Дис, Брайан (ноябрь – декабрь 2005 г.). «Встроенная очередь команд — повышенная производительность настольных систем хранения данных». Возможности IEEE . 24 (4): 4–7. дои : 10.1109/MP.2005.1549750 . S2CID 36264057 .

[SAM-3-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж «Модель архитектуры SCSI — 3 (SAM-3)» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 17 марта 2012 г. Проверено 24 февраля 2007 г.

[ATA7v1-4] Jump up to: ^а ^б «1532D: AT-соединение с пакетным интерфейсом - 7, том 1» (PDF) . 1532D: AT-соединение с пакетным интерфейсом — 7 . Проверено 2 января 2007 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]