什么是硬盤的NCQ

NCQ(Native Command Queuing)是SATA規(guī)范支持的一種新的功能，它是一種使硬盤內(nèi)部優(yōu)化工作負(fù)荷執(zhí)行順序，通過對內(nèi)部隊(duì)列中的命令進(jìn)行重新排序?qū)崿F(xiàn)智能數(shù)據(jù)管理，改善硬盤因機(jī)械部件而受到的各種性能制約，以發(fā)揮硬盤最高的效率、使延遲最小化。

　　我們的硬盤是怎么寫數(shù)據(jù)的？其過程很簡單，從磁碟的最外圈開始往內(nèi)圈寫，一個圈叫做一個磁道track，所有碟(platter，即平時說的單碟)，面(一個碟可能有兩個面)上同一磁道組成一個柱面(cylinder)，寫硬盤就是按照從外到里一點(diǎn)點(diǎn)順序?qū)懙?。可惜我們讀取的時候肯定不是按照這樣的順序的，我們一般是隨機(jī)的讀取分散在盤片上的數(shù)據(jù)，我們需要在快速轉(zhuǎn)動的同時準(zhǔn)確定位，可以想象這是多么不容易。

　　
　　暗紅色的區(qū)域表示磁道，鮮紅色的區(qū)域表示簇，而黃色區(qū)域表示磁盤上的扇區(qū)。

　　要精確定位，我們會遇到兩個敵人：尋道延遲和轉(zhuǎn)動延遲。

　　尋道延遲是磁頭找到磁道的時間。我們可以想象一下磁頭反復(fù)地在一個個同心圓之間伸長，縮短，其延遲就是尋道延遲，或者在硬盤技術(shù)參數(shù)中稱為尋道時間。

　　我們可以將硬盤的存儲數(shù)據(jù)的邏輯塊地址(LBA，Logical Block Address)當(dāng)作是一個地區(qū)內(nèi)的不同的房子。如果要給這些房子送信，先送完第一間房子，然后再跑到2公里外的另一個房子，后再跑到第一個房子的鄰居送信，最后把信送到附近不遠(yuǎn)的另一個房子，這是多么“愚蠢”的做法！顯然，這浪費(fèi)了大量的時間。下面的兩個如分別表示了沒有采用NCQ技術(shù)(non-NCQ)和采用了NCQ技術(shù)的兩種不同的情況。

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　第一個圖為不支持NCQ技術(shù)的硬盤的工作情況。和前面提到的送信的“愚蠢”做法的一樣的，但是在剛開始的硬盤中確實(shí)是采用了這種做法

第二個圖是支持NCQ技術(shù)的硬盤的工作情況。這才是送信的最佳方式，它極大的提高了工作效率，節(jié)省了很多時間。

　　支持NCQ技術(shù)的硬盤對接收到的指令按照他們訪問的地址的距離進(jìn)行了重排列，這樣對硬盤機(jī)械動作的執(zhí)行過程實(shí)施智能化的內(nèi)部管理，大大地提高整個工作流程的效率：即取出隊(duì)列中的命令，然后重新排序，以便有效地獲取和發(fā)送主機(jī)請求的數(shù)據(jù)，在硬盤執(zhí)行某一命令的同時，隊(duì)列中可以加入新的命令并排在等待執(zhí)行的作業(yè)中。

　　轉(zhuǎn)動延遲是找到準(zhǔn)確磁道后，那個正確的地址所在位置轉(zhuǎn)到磁頭下面的時間。這里我們可以想象轉(zhuǎn)得越快，這個時間就越短，對5400轉(zhuǎn)硬盤，轉(zhuǎn)一圈要11.1毫秒，7200轉(zhuǎn)要8.3毫秒，而萬轉(zhuǎn)硬盤只要6毫秒。

　　要減少轉(zhuǎn)動延遲，一般的辦法是提高轉(zhuǎn)速，但是我們知道提高轉(zhuǎn)速很難，否則我們不會到現(xiàn)在還在用7200轉(zhuǎn)的硬盤。除了這個辦法還有1.優(yōu)化排序2.亂序執(zhí)行。

　兩個延遲加起來就是我們遇到的總延遲，我們希望總延遲越小越好。以前的做法是優(yōu)化排序任務(wù)從而減少尋道時間，但是后來發(fā)現(xiàn)追求最小尋道時間會導(dǎo)致轉(zhuǎn)動延遲變大，兩者相加不一定是最小的。所以提出了一種綜合考慮尋道和轉(zhuǎn)動的優(yōu)化方法，這種方法就稱為“tagged command queuing”，而在SATA 300標(biāo)準(zhǔn)中使用的特殊的優(yōu)化方法就叫做“Native Command Queuing”，就是NCQ。