SATA全速命令隊列NCQ提高性能

1、SATA全速命令隊列(NCQ)提高性能高層建筑的電梯與硬盤技術(shù)SATA接口全速命令隊列(NCQ)之間有什么共同之處？二者都具有可靠、高效地輸送能力，這使得這兩種完全不同的運(yùn)輸機(jī)制，在技術(shù)上有了非常相似之處。在高層辦公建筑內(nèi)乘坐電梯。當(dāng)工作人員和來訪者進(jìn)入電梯要去不同的樓層時，他們就按樓層按鈕。當(dāng)許多人在不同的樓層進(jìn)入電梯，要去往不同的樓層時，電梯并不是按照按鈕按下的順序去?？繕菍?，這種方法會給電梯的各種部件造成不必要的磨損，比如：鋼索系統(tǒng)、剎車、液壓系統(tǒng)、傳動裝置和導(dǎo)向軸等。對于許多乘客來說，當(dāng)一部笨拙的電梯哼哼唧唧地從一層開到另一層，按照按鈕按下的順序?？啃对猿丝蜁r，會產(chǎn)生許多額外的等候時間

2、。電梯最順暢有效的運(yùn)行順序是，每次都運(yùn)行到最近的樓層停靠，每次向反方向運(yùn)行之前，先要到達(dá)最高或最低的?？奎c(diǎn)。硬盤的NCQ技術(shù)使用類似的方法來高效地安排和運(yùn)行數(shù)據(jù)命令。沒有NCQ的硬盤像笨拙的電梯一樣效率低下，并會按照命令發(fā)送到硬盤的順序來執(zhí)行它們。有了NCQ,硬盤會考慮讀/寫頭在盤片上的位置，然后決定最有效的命令執(zhí)行順序，像電梯一樣，先將磁頭移到最近的位置執(zhí)行命令，再按照相同的方式到下一個位置更特別的是，NCQ通過讓硬盤在內(nèi)部優(yōu)化工作負(fù)荷或命令的執(zhí)行順序，從而提高了硬盤性能并延長了硬盤壽命。在硬盤內(nèi)部，命令隊列對命令進(jìn)行智能重排，最大程度地減少硬盤的機(jī)械定位延遲，有助于改善工作隊列的性能。這一

3、點(diǎn)非常重要，因為在今天的計算機(jī)系統(tǒng)中，只有硬盤內(nèi)的所有移動部件是機(jī)械裝置，包括：磁頭驅(qū)動臂、盤片等。正是這種有效地對傳輸路徑進(jìn)行排序的能力，最大程度地減小了機(jī)械磨損降，優(yōu)化了性能，使SATA硬盤與電梯技術(shù)有了相似之處。NCQ為系統(tǒng)構(gòu)建商提供了一種方法，可以輕松地將用于臺式機(jī)的高容量SATA硬盤擴(kuò)大到用于高性能PC機(jī)、工作站和初級服務(wù)器，而且只需為每GB容量支付不到1美元。在“SATA1.0技術(shù)規(guī)范擴(kuò)充版”引入的大多數(shù)先進(jìn)特性中，NCQ是一種命令協(xié)議，它能允許同一塊硬盤在同一時間有多個待執(zhí)行命令。NCQ有一個待執(zhí)行命令的內(nèi)部隊列，該隊列與跟蹤待執(zhí)行命令和已完成工作的機(jī)制一起，對隊列中的命令進(jìn)行重

4、新計劃或排序。NCQ還允許主機(jī)在硬盤為另一個命令查尋數(shù)據(jù)時，對硬盤發(fā)生附加命令。這樣做的結(jié)果是減少了機(jī)械運(yùn)動，降低了盤片的旋轉(zhuǎn)延遲，提高了性能。有這樣幾種方法來最大程度地減少旋轉(zhuǎn)延遲。一種方法是部署更高轉(zhuǎn)速的硬盤，比如具有10K甚至更高主軸轉(zhuǎn)速的ATA硬盤。然而，具有高RPM主軸轉(zhuǎn)速的硬盤卻價格昂貴。另一種方法就是根據(jù)硬盤磁頭的旋轉(zhuǎn)位置，確定下次應(yīng)該執(zhí)行的最佳命令，并對待執(zhí)行命令重新排序。還可以使用無序數(shù)據(jù)傳送方式來降低旋轉(zhuǎn)延遲，這種特性不需要磁頭首先去訪問初始LBA（邏輯塊尋址）。磁頭可以在目標(biāo)LBA內(nèi)的任意位置開始讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)磁頭定位在正確的磁道上方時，就開始讀取數(shù)據(jù)，錯過的數(shù)據(jù)待磁盤旋轉(zhuǎn)

5、回來后再補(bǔ)上即可；而不需要為回到被請求數(shù)據(jù)的第一個LBA上方進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。NCQ通過在較少的磁盤旋轉(zhuǎn)中處理更多的IOPS來減少旋轉(zhuǎn)延遲。結(jié)果是在繁重工作負(fù)荷中，有更多的IOPS被處理了。NCQ是動態(tài)的，工作負(fù)荷越重，硬盤性能越高。當(dāng)明顯需要對待處理命令重新排隊以減小機(jī)械負(fù)擔(dān)，改善輸入/輸由（I/O）延遲時，這樣做要比簡單地在隊列中收集命令效果好。重排序算法使用一個被稱為“基于尋道和旋轉(zhuǎn)優(yōu)化的命令重新排序”，或者稱為標(biāo)記命令隊列（TCQ）的過程，優(yōu)化了目標(biāo)數(shù)據(jù)的線性和角度定位，從而最大程度地縮短總服務(wù)時間。命令隊列減輕了機(jī)械負(fù)荷，降低了機(jī)械磨損，延長了硬盤壽命。NCQ是執(zhí)行標(biāo)記命令隊列（TCQ）的高

6、效協(xié)議。與TCQ不同的是，SATANCQ降低了隊列算法導(dǎo)致的額外開銷。TCQ沒有在ATA硬盤中獲得廣泛采用的原因，是其所提高的性能被額外開銷給抵消了。SATA通過采用高效的狀態(tài)返回機(jī)制（無競爭）、低中斷開銷和第一方DMA等技術(shù)，極大地降低了額外開銷，上述這些技術(shù)是無法在PATA中實施的。無競爭狀態(tài)返回機(jī)制這一特性消除了傳統(tǒng)上硬盤為了返回狀態(tài)而與主機(jī)之間必須進(jìn)行的“握手”過程，允許在任意時刻交流任意命令狀態(tài)，使硬盤可以順序或者同時完成多個命令。中斷聚合硬盤為了完成一條命令通常會中斷主機(jī)許多次。中斷越多，主機(jī)的處理負(fù)擔(dān)就越重，性能就越低。NCQ將處理每條命令的平均中斷次數(shù)降低到了一次。如果硬盤在很

7、短的時間內(nèi)完成多條命令（這在工作負(fù)荷繁重時經(jīng)常由現(xiàn)），NCQ可以將單個中斷聚合起來，這樣主機(jī)控制器只需處理一個中斷就可以了。第一方DMA（FPDMA）NCQ采用第一方DMA技術(shù)，使硬盤能夠在沒有主機(jī)軟件干預(yù)的情況下，為數(shù)據(jù)傳輸設(shè)置直接內(nèi)存訪問（DMA）操作。硬盤通過向主機(jī)控制器發(fā)送一個DMASetupFIS（楨信息結(jié)構(gòu)）來選擇DMA內(nèi)容。這一FIS為被設(shè)置的DMA指定了命令標(biāo)記。主機(jī)控制器根據(jù)標(biāo)記值，為該命令向DMA引擎內(nèi)裝載PRD表指針，然后，數(shù)據(jù)傳輸就可以在沒有軟件干預(yù)情況下進(jìn)行，硬盤由于可以自己選擇所傳送的緩沖區(qū)，就能夠更有效地對命令重新排序。對NCQ的詳細(xì)說明NCQ由三個主要過程組成：

8、在硬盤中建立一個命令隊列為每個命令傳輸數(shù)據(jù)返回完成命令的狀態(tài)建立隊列當(dāng)硬盤接到一個命令時，它需要知道是該將其放入隊列，還是立即執(zhí)行它，以及使用何種協(xié)議（比如NCQ、DMA或PIO等）來處理它。硬盤根據(jù)主機(jī)發(fā)送的特定的命令操作代碼（opcode）來決定使用的協(xié)議。為了使SATA能夠利用NCQ,人們開發(fā)了兩個特殊的NCQ命令：ReadFPDMAQueued和WriteFPDMAQueued。這兩個命令是對LBA和扇區(qū)計數(shù)命令的擴(kuò)展，LBA和扇區(qū)計數(shù)命令是為滿足今天的大容量硬盤的需要而設(shè)計的。這些命令還包含了支持高可用性應(yīng)用的FUA（forceunitaccess）位。當(dāng)一個WriteFPDMAQu

9、eued命令的FUA位被設(shè)置時，硬盤會在標(biāo)記該命令無錯完成前將數(shù)據(jù)提交給介質(zhì)。通過對寫命令使用FUA位，主機(jī)可以管理硬盤內(nèi)部緩存中還沒有提交給盤片的數(shù)據(jù)O除此之外，每個進(jìn)入隊列的命令都會被分配一個唯一的標(biāo)記值，用來識別主機(jī)和硬盤之間所有待執(zhí)行的命令。標(biāo)記值的范圍是0至U31（硬盤可以支持小于32的隊列深度），使所有命令的狀態(tài)都可以用一個32位的值來報告。隊列與非隊列命令之間的區(qū)別在命令發(fā)生后就顯示由來了。當(dāng)非隊列命令發(fā)生后，硬盤傳送相關(guān)的數(shù)據(jù)，清除狀態(tài)寄存器中的忙碌位（BSY）,并通知主機(jī)命令完成。當(dāng)隊列命令發(fā)生后，硬盤在將數(shù)據(jù)傳輸給主機(jī)之前就清除BSY位。這時，BSY位的作用不是通知命令完成

10、，而是通知主機(jī)硬盤已經(jīng)準(zhǔn)備接受新的命令。一旦BSY位被清除,主機(jī)就可以向硬盤發(fā)送其它隊列命令，使硬盤內(nèi)可以建立一個命令隊列。傳輸數(shù)據(jù)NCQ使用第一方DMA在硬盤和主機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)。第一方DMA特性讓硬盤能夠控制對DAM引擎的編程以傳輸數(shù)據(jù)，使其可以以最有效的方式對命令重新排序，從而減少旋轉(zhuǎn)延遲。由于在特定時刻，只有硬盤才知道磁頭的角度和旋轉(zhuǎn)位置，所以對于SATA來說，這是一項重要改進(jìn)。硬盤控制了DMA引擎的編程，這樣就可以選擇使尋道和旋轉(zhuǎn)延遲時間最小的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。第一方DMA通過使硬盤無序返回數(shù)據(jù)，進(jìn)一步減少了旋轉(zhuǎn)等待。該特性使硬盤可以先返回一條命令的一部分?jǐn)?shù)據(jù)，再發(fā)送另一條命令的一部分?jǐn)?shù)據(jù)

11、，然后再完成發(fā)送第一條命令的所有數(shù)據(jù)，前提是這樣做是完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钣行Х绞?，這與智能電梯的運(yùn)行方式非常相似。狀態(tài)返回?zé)o競爭狀態(tài)返回將多條命令的中斷聚集起來，以提高性能。主機(jī)與硬盤協(xié)調(diào)工作，不需要通訊就能無競爭地返回狀態(tài)，并且確保32位的SActive寄存器的內(nèi)容在任何時間都保持準(zhǔn)確，它是主機(jī)和硬盤為了確定哪些命令還未執(zhí)行所需要使用的。SActive寄存器為每個標(biāo)記分配了一個位，比如，第x位表示的是標(biāo)記為x的命令的狀態(tài)。SActive寄存器中的一個位，表示硬盤中對應(yīng)標(biāo)記的命令還未執(zhí)行（或者與該標(biāo)記對應(yīng)的命令將被發(fā)送給硬盤）。從SActive寄存器中清除一位，意味著硬盤中與該標(biāo)記對應(yīng)的命令已經(jīng)執(zhí)

12、行。另一項重要的狀態(tài)返回功能是，SetDeviceBitsFIS能夠在硬盤完成了多條命令后同時通知主機(jī)，這樣就可確保主機(jī)在多條命令完成后只接受一次中斷。如果一個請求隊列在硬盤中建立起來，隊列只對命令的重排序進(jìn)行優(yōu)化。在今天的臺式機(jī)的工作中，許多應(yīng)用在莫一時刻只請求一塊數(shù)據(jù)，只有在接收到前面的數(shù)據(jù)后，才會請求要后面的數(shù)據(jù)。在這種情況下，硬盤一次只能收到一條未執(zhí)行命令。這樣，由于不用重新排序，硬盤就不可能利用隊列的優(yōu)勢。然而，即使應(yīng)用一次只發(fā)送一個請求，超線程技術(shù)也使建立隊列成為可能。超線程技術(shù)能夠?qū)Χ鄠€同一程序的并發(fā)使用進(jìn)行管理，極大地提高了多線程的數(shù)量，這樣，在同一時間，就很可能有多個未處理的

13、I/O請求由現(xiàn)。然而，為了利用隊列的優(yōu)點(diǎn)來獲得最佳性能，需要對應(yīng)用進(jìn)行修改。為了建立隊列而需要對應(yīng)用進(jìn)行的修改并不大。今天，大多數(shù)應(yīng)用在編程時采用同步I/O,也稱為阻塞I/O。在同步I/O中，只有當(dāng)對文件的讀或?qū)懲瓿珊?，功能調(diào)用才會返回。為了利用隊列，應(yīng)用要采用異步I/Oo異步I/O是非阻塞的，就是說在對文件的讀寫請求完成之前，功能調(diào)用就會返回。應(yīng)用將決定是通過校驗事件還是接收回叫(callback)來判斷I/O是否完成。由于功能調(diào)用后立即返回，應(yīng)用就可以繼續(xù)做有用的工作，包括發(fā)生更多的讀寫文件指令。僅有硬件支持NCQ是不夠的。操作系統(tǒng)和軟件應(yīng)用也需要向存儲設(shè)備發(fā)送異步I/O命令來利用NCQ硬件和軟件NCQ可以降低硬盤產(chǎn)生的熱量、改善系統(tǒng)可靠性并提高多種系統(tǒng)的IOPS性能，這些系統(tǒng)包括單硬盤的臺式機(jī)和筆記本電腦，以及工作站和入門級服務(wù)器。編寫訪問多個文件的應(yīng)用的最佳方式，是使用非阻塞I/O調(diào)用同時發(fā)生所有文件訪問命令。應(yīng)用可以使用事件或回叫來確定各個調(diào)用何時完成。如果有很多I/O任務(wù)，比如4到8個，同時將它們都發(fā)送生去可以將數(shù)據(jù)檢索時間降低一半。在主流計算系統(tǒng)