摘   要： 分析了FPDMA數(shù)據(jù)傳輸、隊列讀/寫命令的動態(tài)運行機制、支持高速特性的隊列和協(xié)議性能，給出了NCQ的性能優(yōu)勢和存在的問題。
關(guān)鍵詞： 本機命令隊列  運行機制  性能

　　本機命令隊列NCQ(Native Command Queuing)[1]是SATAⅡ接口中引入的命令協(xié)議，是對SATA 1.0所做的諸多功能擴展中惟一與性能密切相關(guān)的技術(shù)。其原型是1998年發(fā)布的ATA/ATAPI-4的命令隊列（CQ）技術(shù)。在PATA(Parallel ATA)中采用非對等輪詢訪問結(jié)構(gòu)，其控制器計算能力弱，無法支撐復(fù)雜的最優(yōu)化命令排序算法，致使基于CQ的應(yīng)用性能改善和協(xié)議增加的開銷相當(dāng)。隨著ASIC、串行技術(shù)、多線程和超線程系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展，在SATA中引入NCQ用于增強磁盤整體性能的條件已經(jīng)具備。
1  NCQ結(jié)構(gòu)
1.1 工作模型
　　NCQ處理的對象是隊列命令，核心是隊列機制，包括創(chuàng)建、排隊和在主適配器與盤體控制器的協(xié)調(diào)等，工作模型如圖1[2]所示。模型分為兩個功能相對獨立的部分，它們通過串行總線交換數(shù)據(jù)，通過FIS（Frame Information Structure）來交換LBA、地址偏移、命令和狀態(tài)信息。其中，標記Tag是一個重要的元素，在驅(qū)動器緩存中有一個含有Tag的命令隊列，在主機控制器緩存中有與它對應(yīng)的Tag標志位表，值域[0，n]，其中n（≤31）是隊列的深度，每一條命令都有惟一的標記值，應(yīng)用于隊列化命令的數(shù)據(jù)操作。

1.2 功能部件
　　NCQ主要由命令隊列建立部件、數(shù)據(jù)傳輸部件和命令完成狀態(tài)返回部件組成。其中命令隊列建立部件的功能是使磁盤控制器按照命令協(xié)議（如NCQ、DMA、PIO等）的語義（OpCode）確定是把該命令送到隊列排隊(Tag有效)還是立即執(zhí)行(Tag無效)；數(shù)據(jù)傳輸部件使用FPDMA(First Parity DMA)傳輸機制完成驅(qū)動器和主機數(shù)據(jù)的傳輸；命令完成狀態(tài)返回部件的功能是當(dāng)數(shù)據(jù)讀寫操作命令發(fā)送或在數(shù)據(jù)傳輸完畢后，將磁盤命令的執(zhí)行狀態(tài)返回給主機。
1.3 命令格式
　　FPDMA包含RFQ(Read FPDMA Queued)和WFQ(Write FPDMA Queued)兩條命令，命令格式見參考文獻[2]。格式中的扇區(qū)計數(shù)寄存器包含的Tag由主機驅(qū)動程序指定，命令域區(qū)分為RFQ和WFQ(RFQ.Command=60h，WFQ.Command=61h)，支持LBA模式和48位地址格式。
1.4 內(nèi)部寄存器結(jié)構(gòu)
　　把NCQ隊列機制應(yīng)用于系統(tǒng)時采用AHCI[5](Advanced Host Controller Interface)接口技術(shù)，適配器建立在PCI-HBA基礎(chǔ)上，AHCI內(nèi)部的寄存器由HBA寄存器和系統(tǒng)內(nèi)存兩部分組成。HBA寄存器從結(jié)構(gòu)上又可分為AHCI-PCI配置空間寄存器和HBA內(nèi)存寄存器。其中前者定義了與PCI接口的標準PCI寄存器，后者用于通用主機控制和端口控制，它們通過AHCI-BAR或PCI配置空間的寄存器BAR聯(lián)系。AHCI系統(tǒng)內(nèi)存通過端口00~31和控制寄存器相連，每個端口控制寄存器同時指向內(nèi)存的Px命令列表基址（PxCLB）和Px FIS基址（PxFB）。其中Px命令列表系統(tǒng)內(nèi)存是為包括命令信息和PRD表的命令表地址的命令列表結(jié)構(gòu)設(shè)計的，Px FIS系統(tǒng)內(nèi)存是面向接收端口的FIS結(jié)構(gòu)設(shè)計的。
2  NCQ運行機制研究
　　由圖1的工作模型和SATA磁盤模型，可以抽象出如圖2所示的NCQ支持SATA磁盤的原理分析模型。其中的命令排隊邏輯和算法包括命令的讀取、命令分析、排隊策略、算法代碼等；FPDAM引擎任務(wù)處理單元包括從控制器獲得命令、從高速緩存獲得空間或數(shù)據(jù)、與SATA總線進行數(shù)據(jù)交換等；磁盤任務(wù)處理單元包括從控制器獲得命令，執(zhí)行磁盤的旋轉(zhuǎn)、尋道和定位等操作，與高速緩存進行數(shù)據(jù)交換等。其中與NCQ運行直接相關(guān)的部分在圖2中用重背景標出。
2.1 FPDMA運行
　　PATA在內(nèi)存和硬盤之間采用Ultra DMA數(shù)據(jù)傳輸機制。SATA充分借鑒了PATA的技術(shù)思路，引入了一種新型的數(shù)據(jù)傳輸機制FPDMA，其運行原理如下：
　　(1)設(shè)置主機非頁面化內(nèi)存中的FPDMA矢量表，這個表有32個入口，每個表入口含命令分散/聚合列表的物理地址(PRD表)，它們都與Tag數(shù)字相對應(yīng)。其中隊列化命令的分散/聚集列表是描述數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鳈C內(nèi)存結(jié)構(gòu)。(2)驅(qū)動程序把主機控制器的隊列表基址寄存器設(shè)置為FPDMA矢量表的起始物理地址，主機驅(qū)動器軟件填充隊列化命令的PRD表，并在向設(shè)備發(fā)布一條命令前適當(dāng)設(shè)置FPDMA的矢量入口。(3)當(dāng)主機控制器從設(shè)備收到一DMA設(shè)置FIS后，它將使用Tag域作為對FPDMA 矢量表的索引，并設(shè)置DMA引擎PRD指針到FPDMA 矢量表中的特定值，同時應(yīng)用DMA設(shè)置FIS中的D位來設(shè)置DMA的傳輸方向。(4)進行FPDMA數(shù)據(jù)傳輸，并返回傳輸狀態(tài)信息。
2.2 RFQ/WFQ
　　讀操作(RFQ)是由主機向磁盤控制器發(fā)出的數(shù)據(jù)請求，主機驅(qū)動軟件一旦發(fā)出讀寄存器FIS，主機控制器的硬件將自主執(zhí)行FPDMA操作，不需要主機驅(qū)動軟件的參與，直到本條命令執(zhí)行完畢（即捕捉到執(zhí)行完畢的中斷請求位SActive）。
　　寫操作完成隊列化的命令把數(shù)據(jù)寫回驅(qū)動器，命令操作原理與讀操作類似。
2.3 錯誤處理
　　在SATA協(xié)議棧中，每層都有錯誤發(fā)現(xiàn)、錯誤控制和錯誤報告恢復(fù)功能[4]。NCQ工作于傳輸層，其錯誤處理機制簡單有效。
　　在主機發(fā)送給設(shè)備的寄存器FIS中，狀態(tài)寄存器BSY位出現(xiàn)了錯誤，設(shè)備將傳輸一個設(shè)置了ERR、BSY和錯誤寄存器為適當(dāng)錯誤代碼的寄存器FIS到主機控制器；然后，設(shè)備等待地址為10h的日志頁讀日志擴展（Read Log Ext）命令（若收到主機發(fā)送的復(fù)位寄存器FIS，將立即停止等待）。當(dāng)收到該命令后，設(shè)備控制器將放棄所有未執(zhí)行的隊列命令、清空隊列，返回詳細的錯誤信息，發(fā)送Set Device Bits FIS清除主機所有的Sactive寄存器位。至此，主機可以重新發(fā)送放棄的命令和新的命令。
3  NCQ工作性能分析
3.1 隊列性能
3.1.1 隊列分析
　　NCQ的核心是隊列機制，關(guān)鍵是命令的執(zhí)行次序排列和重排。在NCQ中，命令在隊列中的分布是采用旋轉(zhuǎn)位置排序（Rotational Position Ordering，RPO）算法實現(xiàn)的。具體的策略是綜合考慮減少磁盤的尋道和旋轉(zhuǎn)延遲，得到一個全局時間最短、執(zhí)行最優(yōu)的命令執(zhí)行序列。另外，為適應(yīng)磁盤隨機動態(tài)存儲，NCQ支持RPO動態(tài)重排命令序列，弱化命令存取位置的“震蕩”，保證設(shè)備最優(yōu)性能狀態(tài)的魯棒性。常用的減少尋道延遲的策略有SSTF(Shortest Seek Time First)[7]、SCAN[6]～[8]。這些算法都是基于面向企業(yè)高中端的SCSI隊列TCQ(Tagged Command Queue)設(shè)計的。而SATA定位于桌面、移動存儲、低端服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)存儲模型的近線和低端層次,所以隊列性能、精度、時間抖動等要求相對低一些，加上控制器計算性能的大幅提高，算法的運行開銷遠遠小于磁盤尋道和定位的代價。所以，在磁盤本體上，使用SSTF、SCAN和其改進算法對隊列中的命令進行排序和重排序是完全可行的。
　　需要注意的是：SSTF和SCAN算法的依據(jù)一般是數(shù)據(jù)塊的邏輯塊號；而SATF計算的依據(jù)是物理塊號，但由于操作系統(tǒng)沒有磁盤結(jié)構(gòu)的物理信息，所以該類算法實現(xiàn)起來相對復(fù)雜。改進的策略一是通過邏輯塊號-物理塊號之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換，二是使用“最近塊數(shù)優(yōu)先”近似。但它們都削弱了算法性能，增大了時間誤差。
3.1.2 隊列仿真比較
　　使用UTSA的磁盤頭調(diào)度模擬器（DiskHead）[9]模擬上述主要隊列算法的NCQ性能情況。DiskHead既是一個磁盤負載產(chǎn)生器，也是一個負載調(diào)度器，通過仿真配置腳本程序，可以產(chǎn)生兩個不同的負載源。第一個負載源（L1）包括16個塊訪問，集中于低磁道區(qū)(100~2000磁道)；第二個負載源(L2)也包括16個塊訪問，集中于高磁道區(qū)(10 000~14 000磁道)。然后把負載按照周期性和隨機性組合成四種類型的混合負載，輸入模擬器進行仿真。為了顯示隊列的優(yōu)勢，削弱CACHE的影響，盡可能加大了負載的密度和震蕩。
　　鑒于SCAN算法每次要回歸0道，所以需要把相應(yīng)的尋道時間和訪問時間去除掉。仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。

　　從圖3、圖4看出，是否支持隊列的命令重排對存儲系統(tǒng)的性能影響很大，不同的負載特性對系統(tǒng)的性能影響也不盡相同。另外，排隊算法對隨機負載的性能要優(yōu)于周期負載，請求排隊能大大減少尋道時間，從而提高存儲系統(tǒng)的整體I/O性能。
3.2 協(xié)議性能
　　NCQ屬于一種“輕型”的接口協(xié)議。與PATA比較，協(xié)議的優(yōu)化性能具體表現(xiàn)在：
　　(1)引入性能優(yōu)于Ultra DMA和DMA的FPDMA簡單傳輸機制，其初始化設(shè)置由主機驅(qū)動器軟件完成，設(shè)備自動選擇DMA狀態(tài)參數(shù)，完成驅(qū)動器和主機數(shù)據(jù)的傳輸。在傳輸數(shù)據(jù)的過程中不需要主機驅(qū)動器軟件的參與。
　　(2)協(xié)議隊列空間調(diào)整采用類“滑動窗口”策略，設(shè)備與主機之間的握手相對“弱化”。設(shè)備方收到設(shè)備命令請求后，就立即返回復(fù)位BSY信號，從而保持命令發(fā)送窗口的大小，而不是等待請求完成才返回，這樣為系統(tǒng)實現(xiàn)局部并行化提供了條件。這與PATA的設(shè)備請求“封閉”運行完全不一樣，它的設(shè)備請求命令執(zhí)行嚴格的握手程序，只有整個命令請求完成后才返回中斷信號，系統(tǒng)在接收到中斷返回后，才能繼續(xù)下一條設(shè)備命令的執(zhí)行周期。
　　(3)命令的排序在設(shè)備中完成，只要有新的設(shè)備請求命令被送入設(shè)備隊列，設(shè)備就要啟動一次排序算法進行重排序，保持命令序列執(zhí)行策略的一致性。算法的結(jié)果形成一個命令執(zhí)行索引表，該表包含了隊列命令新的執(zhí)行順序和相關(guān)參數(shù)。
　　(4)Race-free狀態(tài)返回機制實現(xiàn)了命令完成返回信息的高度管線化。NCQ允許各磁盤隨時返回命令執(zhí)行狀態(tài)，特別是使用中斷聚合把數(shù)條命令的中斷聚合在一起，達到數(shù)個命令執(zhí)行狀態(tài)同時返回的效果。
通過對協(xié)議的改進和優(yōu)化，減少了接口事務(wù)，降低了協(xié)議運行開銷，提高了NCQ協(xié)議工作的性能。
4  結(jié)束語
　　NCQ是SATA設(shè)備請求命令的隊列協(xié)議，它應(yīng)用了隊列智能重排序、協(xié)議流化、硬件自動FPDMA設(shè)置等技術(shù)，減少了主機和設(shè)備的握手次數(shù)和接口事務(wù)數(shù)量，提高了隊列負載性能，減少了尋道和旋轉(zhuǎn)延遲時間，使協(xié)議操作高效化，大大提高了SATA磁盤系統(tǒng)的性能。Intel的測試數(shù)據(jù)表明：使用基于AHCI的SATA HDD是ATA HDD綜合性能的1.51倍[5]。盡管如此，NCQ還存在排隊命令與非排隊命令不能混合使用，一旦發(fā)生錯誤，硬盤將放棄隊列中的全部命令，專用的接口協(xié)議AHCI發(fā)布滯后等不足之處。
參考文獻
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5   Huffman A，Garzik J.AHCI-Take advantage of Serial ATA Features.IDF Fall 2003，San Jose，Sep 2003
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9   Robbins S.A Disk Head Scheduling Simulator.In：Proc.35th SIGCSE Technical Symposium on Computer Science Education，Norfolk Virgina，2004