CHAPITRE 6, 6.3 Bus de disques.

Dans ce domaine, les réalisations ont très longtemps été propres à chaque constructeur. La microinformatique a fait apparaître un début de rationalisation par les besoins de compatibilité mais les réalisations sont encore très variées; elles vivent peu longtemps et les incompatibilités sont fréquentes. La normalisation balbutie. Le nom même, interface ou bus, n'est pas vraiment fixé. On verra que les réalisations FibreChannel et SSA sont des bus externes. Nous ne traitons pas des réalisations propres à tel ou tel constructeur, mais seulement des réalisations actuelles plus ou moins normalisées, savoir SCSI dans ses versions multiples et quelques bus. Ce paragraphe peut être vu comme un complément relatif aux bus externes.

En 1979, Shugart Associates met sur le marché l'interface SASI pour «Shugart associates smart interface» de liaison entre disque et processeur. C'est un bus programmable de type parallèle à 8 bits de données. Il est constitué d'un bus et d'un processeur de commande spécialisé.

Il est normalisé par l'ANSI en 1986, sous le nom SCSI pour «small computer systems interface» et étendu à d'autres périphériques comme les lecteurs de bande magnétique, les scanners, etc.

Ses objectifs premiers sont : un débit de données élevé, la souplesse et la facilité de configuration. Il est raccordable au bus interne de l'ordinateur. Le système d'exploitation est déchargé de toutes les fonctions propres à ce bus.

Il s'agit bien d'une nouveauté et non d'un interface classique de communication entre les lecteurs et l'adaptateur à l'unité centrale.

les instructions primaires SPC pour «SCSI primary commands» peuvent être envoyées à tous les périphériques,
les instructions spécialisées par catégories de périphériques,

les «controller commands» (SCC) pour les adaptateurs;

les «blocks commands» (SBC) pour les disques durs;

les «stream commands» (SSC) pour les lecteurs de bande;

les «multimedia commands» (MMC) pour CD-ROM;

les «graphic commands» pour des périphériques graphiques (impression et scanners).

Les protocoles sont spécialisés selon le périphérique. Ils déterminent les modes d'application des instructions SCSI à chaque interface. Ils règlent également l'intercommunication des périphériques. Les deux SCSI classiques, 8 bits et 16 bits, utilisent le protocole «interlocked» (IPC). Les interfaces plus récents utilisent leurs propres protocoles : FCP pour «fibrechannel protocol», SBP pour «serial bus protocol», SSP pour «serial storage protocol». Les fabricants d'autres types d'interfaces peuvent utiliser GPP (generic packetized protocol).

L'avantage de cette conception modulaire est clair : FibreChannel et SSA peuvent être intégrés dans le SCSI le plus répandu. L'introduction de nouveaux interfaces sur le marché en est accélérée et les coûts diminués.

Le SCSI initial était uniquement parallèle. Il y a été ajouté une variante série SCSI-3.

- SCSI-1
- SCSI-2
- Ultra SCSI
- Ultra2 SCSI

Les interfaces ou bus sériels, cette catégorie aurait tout aussi bien être présentée comme bus série

- SSA
- Fibre Channel
- Fibre Channel Arbitrated Loop (FC-AL)
- Fibre Channel Enhanced Loop (FC-EL)

On donne ci-dessous quelques caractères de ces variantes, au moins pour préciser le vocabulaire.

Ce fut la première norme SCSI, publiée en 1986. Elle accepte jusqu'à sept périphériques, disques, lecteurs de bandes. Son abandon a commencé en 1990. Le taux de foisonnement (overhead), rapport entre la quantité de données de commande et la quantité de données utiles atteint parfois 90 %. Les débits ne dépassent pas 1 Mo/s en mode asynchrone et 5 Mo/s en mode synchrone.

Cette norme de l'ANSI de 1990 améliore le jeu d'instructions. Elle contient des commandes supplémentaires pour les disques durs, les lecteurs de bandes, les CD-ROM, les scanners et les changeurs automatiques (juke box).

Les débits des transmissions sont augmentés jusqu'à 10 Mo/s dans la variante SCSI rapide (fast-SCSI), toujours sur 8 bits. Les données sont sur 16 bits dans la variante SCSI large (wide-SCSI). Les deux ensemble (fast-wide) font atteindre 20 Mo/s. Qu'un périphérique soit dit compatible SCSI-2 ne signifie pas qu'il atteint les performances de SCSI-2. En général, les lecteurs ont le «fast SCSI». De manière quelque peu maladroite, les versions «wide-SCSI» de SCSI-2 sont parfois nommées norme SCSI-3». Les disques de Seagate, Quantum, Digital et IBM ont l'interface fast-SCSI-2 depuis 1995.

La norme SCSI-3 n'est pas encore approuvée (début 2000). Elle contient les fonctionnalités suivantes déjà utilisées : ultra SCSI, ultra2 SCSI, ultra Wide.

Une norme SCSI-4 est en cours de préparation qui porterait les débits à 320 Mo/s en ultra4 et 640 Mo/s en ultra5.

Ultra SCSI est compatible avec les précédents. Il peut débiter 20 Mo/s en 8 bits et 40 Mo/s en 16 bits (ultra-wide) de données utiles. Cette augmentation de la cadence ne concerne que le transfert de données, les instructions sont toujours transmises à 5 Mo/s. Connecteurs et câbles restent les mêmes pour préserver la compatibilité. L'augmentation de la performance se fait au prix d'un câble réduit à 1,5 m pour les périphériques «single-ended» et de 12,5 m pour les périphériques différentiels. Une terminaison active est indispensable.

Pour aider à configurer le bus, ultra SCSI contient la fonctionnalité SCAM (SCSI configuration automatically) qui autorise un périphérique raccordé à se configurer de lui-même s'il contient la fonction SCAM.

Les bus sont câblés en «single ended» (SE) ou en différentiel (D). SE-SCSI transmet chaque signal sur une ligne, D-SCSI sur 2 lignes, son avantage est un câble plus long et une sensibilité moindre aux perturbations.
Le tableau contient les caractéristiques usuelles, les débits sont ceux des données.

Nom usuel du SCSI	fréquence signaux commande	données largeur en bits	débit de données en Mo/s	nombre maximum d'appareils	longueur en mètres
Single-ended	5	8	5	7	6*
Single-ended-fast	10	8	10	7	3*
Single-ended ultra	20	8	20	7	1,5
Single-ended wide	5	16	10	15	6*
Single-ended wide ultra	20	16	40	15	15
Différentiel	5	8	5	7	25
Différentiel fast	10	8	10	7	25
Différentiel ultra	20	8	20	7	12,5
Différentiel wide	10	16	20	15	25
Différentiel wide ultra	20	16	40	15	12
Ultra 2 LVD **	40	16	80	15	12

² pour une terminaison active.
** tension différentielle basse (low voltage differential).

Les premiers produits ultra2 SCSI étaient disponibles à la fin de 1998. Le débit des données a été doublé à 80 Mo/s en 16 bits. On ne sait pas si une version 8 bits s'imposera car, en terminaison simple, le câble devrait être deux fois plus court encore. Cette norme a été définie pour un câblage différentiel travaillant avec uniquement un tiers de la tension du signal, LVD (low voltage differential). Le câble est de 12 m au plus.

Pour garantir la compatibilité de cette norme avec les précédentes, les lecteurs Ultra2 seront dotés d'un interface à auto-détection pour être utilisés sur les contrôleurs «single-ended» de l'Ultra SCSI. Comme ils n'ont pas de terminaison interne, il faudra installer un terminateur.

Ce sont des processeurs spécialisés comme déjà dit. Leurs signaux sont transmis sur 8 bits ou 16 bits selon le bus. Ils adressent jusqu'à 7 unités sur 8 bits et 15 unités sur 16 bits, car le contrôleur est la première unité. Il est important de vérifier que les interfaces SCSI de l'adaptateur sont les mêmes que celles du lecteur.

En règle générale, les périphériques 8 bits peuvent être connectés sur un bus 16 bits, mais il faut respecter des règles de configuration.

Sur le SCSI parallèle, deux modes de transfert de données sont possibles. Le mode asynchrone fonctionne en poignée de main, un octet est envoyé, l'émetteur attend le signal d'acquittement avant l'envoi suivant. En mode synchrone, plusieurs octets sont envoyés en une fois, suivis d'un seul acquittement, le débit est plus grand. L'initialisation de la communication est faite en mode asynchrone pour tester si le mode synchrone est acceptable. Le mode synchrone est courant.

Les câbles doivent répondre aux normes UL «underwriter laboratories» et CSA «Canadian standard association». Les fils sont en cuivre torsadés. Le blindage est double, généralement une feuille d'argent et une gaine de fils électriques tressés. Les câbles de connexion de plusieurs périphériques au bus doivent être courts et si possible avoir tous la même longueur. Cette précaution réduit beaucoup les perturbations. Les câbles ont 50 brins pour 8 birs et 68 brins pour 16 bits.

Un débit plus grand nécessite des câbles et des terminaisons de meilleure qualité. Les terminateurs actifs améliorent l'immunité aux bruits. SCSI peut piloter simultanément 8 appareils nommés cibles; le processeur, un canal, un disque ou une grappe de disques sont des appareils. Chaque cible peut piloter 8 unités de même nature.

SSA pour «serial storage architecture», propriété d'IBM, est un bus externe comme USB ou FireWire, pour 128 périphériques au plus. Si, comme FibreChannel, SSA est une connexion point à point, il a 2 canaux d'écriture et de 2 canaux de lecture. Un débit de 20 Mo/s est possible sur chaque canal (écriture/lecture), soit un débit de crête de 80 Mo/s atteint si l'on fait simultanément autant de lectures que d'écritures sur quatre supports différents.

Un câble à paires torsadées est suffisant pour connecter deux stations séparées de 20 m. Des câbles en fibre optique sont utilisables jusqu'à 680 m. La commande utilise environ 6% du volume échangé, il est plus efficace que SCSI. Siemens et Micropolis ont installé SSA. Son successeur sera probablement la technique Fibre Channel Enhanced Loop.

Le nom FibreChannel est ambigu car ce bus est défini autant pour le câble en cuivre que pour la fibre optique selon la distance et le débit demandé. Les débits utiles sont de 12,5 Mo/s à 100 Mo/s pour des débits bruts de 132 à 1062 Mbits/s selon le support. Une partie du débit brut est utilisée pour coder les octets sur 8 bits ou sur 10 bits avec un contrôle d'erreur. Des câbles différents peuvent être combinés dans un même système FibreChannel. Un interface unique gère aussi bien un système d'entrée de gamme économique qu'un système haut de gamme. Le connecteur à la fibre optique est un duplex-SC, le connecteur au coaxial est un TNC/BNC, le connecteur à la paire torsadée est un 9 broches haute densité.

La couche 0 basse (FC-0) est l'interface physique. Elle contient un port au moins avec un canal de lecture et un canal d'écriture. Un débit de 200 Mo/s est atteignable en duplex.
La couche 1 (FC-1) est celle du protocole de transmission. Elle définit le code 8 ou 10 bits.
La couche 2 (FC-2) porte la signalisation et le mécanisme de transport.
La couche 3 (FC-3) porte les services et les fonctions relatives à plusieurs ports : utilisation simultanée de plusieurs ports «striping», groupage de ports «hunt groups», envoi simultané «(multicast».
La couche 4 (FC-4) porte les protocoles hauts ULP pour «upper layer protocols». En font partie SCSI, IPI «intelligent peripheral interface», HIPPI «high performance parallel interface» et SBCCS «single byte command code set».

En plus de ces protocoles pour périphériques d'entrée et sortie, FibreChannel accepte des techniques de réseau comme TCP/IP, IEEE 802.2 et ATM. Cette intégration de différents types de protocoles fait son intérêt car le multimédia a besoin de débits élevés. Là où FDDI est limité à 100 Mbits/s, FibreChannel a une capacité dix fois supérieure. On peut la mettre en œuvre avec les techniques d'anneau à jeton dite «strang» ou d'«interconnect fabric». Ce dernier est un tableau d'interconnexion qui peut relier entre eux jusqu'à 16 millions d'abonnés. Pour envoyer un courrier à un destinataire éloigné, il suffit d'en préciser l'adresse. Le routage est automatique.

Cette version du Fibre Channel a été la première publiée. Elle n'a eu aucun succès. Elle est la base des suivantes.

La boucle arbitrée est une version plus compacte de FibreChannel. Les 127 ports possibles sont organisés en anneau. La seule connexion possible est point à point. Chaque paquet arrive au port de lecture du périphérique qui vérifie s'il doit traiter l'information. Sinon, il en fait l'émission par son port écriture. Pour faire cette émission, le périphérique doit être maître du bus. Un échange de données en parallèle n'est pas possible, contrairement à la variante FibreChannel-PH.

Outre la connexion câble normale, FC-AL accepte l'architecture en fond de panier (backplane) pour les réseaux de disques. Ici, les disques sont connectés au fond de panier par un connecteur SCA (single connector attachment), qui transporte les données et le courant d'alimentation. Le port est ignoré si aucun périphérique n'est connecté. La configuration automatique au changement de périphérique est gérée.

Les produits FC-AL proposés depuis 1996 sont employés dans les systèmes RAID haut de gamme. Leur diffusion augmente.

Il est disponible depuis 1999 et proposé pour être une norme ANSI. Il est issu d'une entente entre IBM (SSA) Seagate (FC-AL) et Adaptec (FireWire) en vue d'un standard commun intégrant les avantages de trois techniques.

L'interface DSSI de DEC ressemblait beaucoup à celui de SCSI-1. Le lecteur était nommé ISE (Intelligent Storage Element). Il a disparu après l'arrivée de SCSI.

Dans le domaine des PC, IDE pour «integrated drive electronics», sorti en 1986, est le plus répandu, spécialement dans sa version EIDE. Il a remplacé ST506 de Seagate dans les années 1970 ainsi que ESDI des années 1980. Il provient de Western Digital et Compaq. Plusieurs fonctions de commande de la carte contrôleur sont déplacées vers le contrôleur du disque; chaque disque devient plus indépendant des autres. Il n'a pas été utilisé sur les mini-ordinateurs et les stations de travail. Il n'était pas utilisable pour d'autres périphériques comme les scanners ou les lecteurs de CD. Il était nommé aussi bus AT ou encore ATA pour «AT attachment».

Il relie aujourd'hui le pont sud des PC au contrôleur monté sur le lecteur. Le premier IDE raccordait deux disques de 528 Mo au plus, le premier étant maître et le second esclave. Un adaptateur SCSI avec BIOS propre pour d'autres disques pouvait être installé.

Son débit théorique maximal était de 4,3 Mo/s et 2 Mo/s en pratique. Il a de nouvelles versions.

Ces deux produits ont des fonctionnalités très voisines et se distinguent essentiellement en termes commerciaux. EIDE pour «enhanced IDE» provient de Western Digital en 1993. Ils sont tous les deux compatibles avec les adaptateurs et les disques de la génération précédente et utilisent le même câble à 40 broches. Un bus local VESA ou PCI est nécessaire pour atteindre les débits annoncés. Les cartes mères récentes sont le plus souvent équipées d'un interface EIDE.

Les bus locaux VESA et PCI apportent un débit théorique de 16,6 Mo/s pour des disques de 8,4 Go dans des configurations à quatre disques ou deux disques et deux autres appareils par la fonction dite ATAPI pour «AT attachment packed interface» des lecteurs de CD-Rom, de scanners ou de bandes. Certaines cartes graphiques et certains adaptateurs pour périphériques SCSI exploitent ces performances. Cette solution est bon marché lorsqu'il s'agit de relier deux disques au plus.

Les disques IDE peuvent aussi être raccordés en différents mode DMA. Les adaptateurs appropriés sont rares.

Comme pour Ultra-SCSI, le débit sur le bus est doublé, atteignant 33 Mo/s. Depuis 1997, la plupart des lecteurs ont l'interface Ultra-ATA dit aussi Ultra-DMA ou ATA-33. Son extension à 66Mo/s est disponible. Une connexion à EIDE est facilement réalisable.