NCQ (Native Command Queuing) – förklaring och påverkan på SATA-prestanda

NCQ (Native Command Queuing) – förklaring och påverkan på SATA-prestanda: lär dig för- och nackdelar, när NCQ förbättrar eller försämrar hastighet och latency.

Native Command Queuing (NCQ) är en teknik som är utformad för att öka prestandan hos SATA-hårddiskar i datorer. Detta kan den göra i vissa situationer genom att låta den enskilda hårddisken internt optimera den ordning i vilken den utför de läs- och skrivförfrågningar den fått. Detta kan minska mängden onödiga rörelser i hårddiskhuvudet och resultera i bättre prestanda (och något mindre slitage av hårddisken) för arbetsbelastningar där flera läs- och skrivförfrågningar är utestående samtidigt. Denna situation uppstår oftast i servertillämpningar. Den nuvarande tekniken (från 2004) saktar dock faktiskt ner åtkomsten till hårddisken i vissa tillämpningar, t.ex. spel och sekventiell läsning och skrivning, på grund av den extra latenstid som NCQ-logiken ger upphov till. ^{[föråldrat faktum]}

Native Command Queuing föregicks av Parallel ATA:s version av Tagged Command Queuing (TCQ). ATA:s försök att integrera TCQ begränsades av kravet att ATA:s värdbussadaptrar skulle använda ISA-bussenhetsprotokoll för att interagera med operativsystemet. Den höga CPU-överbelastningen och den försumbara prestandaförbättringen som blev följden bidrog till att TCQ inte accepterades av marknaden.

NCQ skiljer sig från PATA TCQ genom att kommandot omordnas av enheten snarare än av operativsystemet, och varje kommando är lika viktigt. Detta är att föredra eftersom enheten har den största kunskapen om sina prestandaegenskaper och kan ta hänsyn till rotationspositionen. NCQ och PATA TCQ har en maximal kö-längd på 32 kommandon under flygning (31 i praktiken), medan SCSI TCQ har en maximal kö-längd på ²⁶⁴ kommandon under flygning.

För att NCQ ska kunna aktiveras måste det stödjas och aktiveras i SATA-värdbussadaptern och i själva hårddisken. Den lämpliga enhetsdrivrutinen måste laddas in i operativsystemet för att aktivera NCQ på värdbussadaptern. Många nyare chipset har stöd för AHCI (Advanced Host Controller Interface), vilket bör göra det möjligt för en generisk drivrutin som levereras av operativsystemet att styra dem och aktivera NCQ. Nyare Linuxkärnor har faktiskt stöd för AHCI. Tyvärr kräver Windows XP att en leverantörsspecifik drivrutin installeras även om AHCI finns på värdbusskortet. Windows Vista korrigerar denna situation genom att inkludera en generisk AHCI-drivrutin.

Uppdatering och modern tolkning

Hur relevant är uttalandet om sänkt prestanda idag? Tidiga implementationer av NCQ och vissa tidiga kontroller/firmware kunde i vissa scenarier öka latenstiderna för enkla sekventiella operationer eller spel som förlitade sig på mycket låga enkelaccesslatens. Sedan dess har både hårddiskfirmware, SATA-kontrollers och drivrutiner förbättrats avsevärt, vilket minskat eller eliminerat många av dessa nackdelar i moderna system. För server- och multitasking-arbetsbelastningar där flera I/O-förfrågningar samtidigt väntar kvarstår NCQ som en klar fördel för mekaniska diskar.

NCQ och SSD

NCQ är utformat för SATA-protokollet och används även av SATA-anslutna SSD-enheter. För icke-roterande media (SSD) förändras nyttan av rotationsoptimering, men kommandoköning är fortfarande värdefullt eftersom den tillåter bättre parallellisering av interna flashoperationer och minskar styrsystemets belastning. Samtidigt har PCIe/NVMe-arkitekturen ersatt SATA för höga prestanda-SSD:er—NVMe erbjuder fler och djupare köer (många inkommande och utgående köer) och är designad från grunden för flashminne, vilket i praktiken överträffar NCQ/AHCI för moderna SSD-workloads.

Praktiska aspekter och konfiguration

• BIOS/UEFI: För att NCQ ska vara tillgängligt i många plattformar måste SATA-kontrollern vara i AHCI-läge i BIOS/UEFI. Om kontrollern körs i "IDE"-läge fungerar NCQ vanligtvis inte. Vissa RAID-lägen kan också påverka NCQ-stödet beroende på kontrollerns/drivrutinens utformning.
• Drivrutiner: Moderna Windows-versioner (t.ex. Windows 10/11) har generiska AHCI-drivrutiner. Vendor-specifika RAID/AHCI-drivrutiner (Intel RST, AMD, etc.) kan ibland ge bättre funktionalitet eller prestanda i vissa scenarier—men se upp för att byta läge efter installation (IDE ↔ AHCI) utan korrekt drivrutinsbyte eftersom systemet annars kan bli icke-bootbart.
• Kontroller och RAID: Maskinvaru-RAID-adaptrar kan dölja drives NCQ-funktionalitet från operativsystemet. HBA-läge (Host Bus Adapter) eller passthrough till operativsystemet bevarar ofta NCQ-stöd.

Kontrollera och mäta NCQ

Exempel på hur man kan se om NCQ är aktiverat och vilken ködjup som erbjuds:

• Linux: Kör t.ex. hdparm -I /dev/sdX för att se NCQ-stöd i enhetens identitetsdata, eller läs /sys/block/sdX/device/queue_depth för aktuellt ködjup (t.ex. 31 eller 32).
• Windows: Det syns inte lika enkelt som i Linux, men du kan kontrollera enhetens egenskaper i Device Manager och säkerställa att AHCI-drivrutinen används. Verktyg från leverantören (t.ex. Intel® Rapid Storage Technology) kan visa stöd och status.
• Benchmarking: För att avgöra om NCQ ger nytta i din arbetsbelastning, jämför I/O-prestanda (IOPS och latens) med och utan NCQ under realistiska belastningar. Verktyg som fio (Linux), CrystalDiskMark (Windows) eller server-specifika belastningstest kan användas.

Begränsningar och rekommendationer

Begränsningar: NCQ:s nytta är störst när flera oberoende I/O-förfrågningar kan omordnas för att minimera mekanisk rörelse (hos HDD). För enkla, sekventiella flöden av data kan NCQ i vissa fall ge marginell overhead, särskilt i äldre implementeringar, men moderna system minimerar detta. Värdens HBA/RAID-läge och drivrutin spelar stor roll för faktisk funktionalitet. Dessutom har SSD-marknaden och NVMe-protokollet förändrat landskapet för högpresterande lagring.

Rekommendation: För serversystem och arbetsstationer med mekaniska diskar bör NCQ (via AHCI eller lämplig HBA) vara aktiverat. För SSD:er rekommenderas att använda SATA/AHCI om enheten är SATA, men för maximal prestanda överväg PCIe/NVMe-baserade diskar som använder NVMe:s förbättrade kömekanismer.

Sammanfattning

NCQ är en viktig del av SATA-specifikationen som tillåter enheter att optimera ordningen på inkommande kommandon för att förbättra genomströmning och minska mekaniskt slitage i hårddiskar. Tidiga problem med ökad latenstid i vissa scenarier har i stor utsträckning åtgärdats i moderna kontroller och firmware, och NCQ är fortfarande relevant—särskilt för mekaniska diskar och i multitasking-/servermiljöer. För moderna SSD-lösningar är NCQ användbart men ofta överträffas av NVMe för höga prestandakrav.

Frågor och svar

F: Vad är Native Command Queuing?

F: Hur förbättrar NCQ prestandan?

F: Fördröjer NCQ åtkomsten till hårddisken i vissa program?

Fråga: Hur skiljer sig Native Command Queuing från PATA TCQ?

F: Vilka maskinvarukrav måste uppfyllas för att NCQ ska kunna aktiveras?

F: Finns det generiskt AHCI-stöd för Windows XP?

Sök med bokstav