NCQ（Native Command Queuing，原生命令隊(duì)列）是一種通過優(yōu)化硬盤指令的順序來提升硬盤性能和穩(wěn)定性的技術(shù)。當(dāng)應(yīng)用程序發(fā)送多條指令給硬盤時(shí)，NCQ可以對(duì)這些指令進(jìn)行重新排序，以減少機(jī)

NCQ（Native Command Queuing，原生命令隊(duì)列）是一種通過優(yōu)化硬盤指令的順序來提升硬盤性能和穩(wěn)定性的技術(shù)。當(dāng)應(yīng)用程序發(fā)送多條指令給硬盤時(shí)，NCQ可以對(duì)這些指令進(jìn)行重新排序，以減少機(jī)械負(fù)載并提高硬盤的讀寫效率。

硬盤讀寫過程中的挑戰(zhàn)

硬盤與內(nèi)存不同，它有很大一部分是機(jī)械結(jié)構(gòu)。硬盤的性能受到許多機(jī)械因素的影響，例如馬達(dá)轉(zhuǎn)速等。因此，硬盤的速度無法像內(nèi)存那樣快速提高。

在硬盤上寫入數(shù)據(jù)的過程相對(duì)簡(jiǎn)單，按照從外到內(nèi)的順序依次寫入數(shù)據(jù)。但是，在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，我們通常是隨機(jī)讀取分散在盤片上的數(shù)據(jù)。為了能夠準(zhǔn)確讀取數(shù)據(jù)，我們需要在硬盤快速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)精確定位數(shù)據(jù)，這是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

尋道延遲和轉(zhuǎn)動(dòng)延遲

在準(zhǔn)確讀取數(shù)據(jù)時(shí)，我們會(huì)遇到兩個(gè)問題：尋道延遲和轉(zhuǎn)動(dòng)延遲。

尋道延遲是磁頭定位到指定磁道的時(shí)間。當(dāng)磁頭在同心圓之間移動(dòng)時(shí)，這個(gè)延遲就會(huì)產(chǎn)生。為了減少尋道延遲，一般的做法是重新排序任務(wù)，以最小化磁頭的移動(dòng)距離。

轉(zhuǎn)動(dòng)延遲是磁頭找到準(zhǔn)確位置后，等待正確數(shù)據(jù)所在位置旋轉(zhuǎn)到磁頭下方的時(shí)間。提高硬盤的轉(zhuǎn)速可以降低轉(zhuǎn)動(dòng)延遲，但是提高轉(zhuǎn)速并不容易實(shí)現(xiàn)。

NCQ技術(shù)的優(yōu)化方式

為了減少總延遲，我們需要綜合考慮尋道延遲和轉(zhuǎn)動(dòng)延遲的優(yōu)化方法。NCQ技術(shù)（Native Command Queuing）就是為此而設(shè)計(jì)的一種綜合考慮尋道和轉(zhuǎn)動(dòng)延遲的優(yōu)化算法。

NCQ技術(shù)通過優(yōu)化命令的順序來減少控制器和硬盤之間的延遲，使得命令的排序更加有效。通過對(duì)命令進(jìn)行重新排序，NCQ可以最大程度地減少尋道和轉(zhuǎn)動(dòng)延遲，從而提高硬盤的讀寫效率。

NCQ技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)

在SATA 300規(guī)范中引入了三種新技術(shù)來提高NCQ的效率：

1. Race-Free Status Return：在PATA（并行ATA）中，硬盤無法在控制器沒有發(fā)送下一個(gè)命令時(shí)返回之前命令的執(zhí)行狀態(tài)。為了解決這個(gè)問題，SATA 300允許硬盤隨時(shí)報(bào)告命令的執(zhí)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)更高效的管道化執(zhí)行，甚至可以同時(shí)回傳多個(gè)命令的執(zhí)行狀態(tài)。

2. Interrupt Aggregation：在DMA傳輸模式下，硬盤通知傳輸結(jié)束會(huì)引發(fā)中斷，從而造成延遲。為了降低中斷延遲，SATA 300提供了中斷聚集機(jī)制。如果硬盤能夠在同一時(shí)間內(nèi)完成多個(gè)命令，這些命令引發(fā)的中斷可以被聚集在一起，大幅減少中斷的數(shù)目，從而降低延遲。

3. First Party DMA（FPDMA）：在PATA中，硬盤需要通過發(fā)送中斷信號(hào)告知控制器準(zhǔn)備傳輸數(shù)據(jù)，然后控制器才能發(fā)送服務(wù)命令。這個(gè)過程會(huì)導(dǎo)致較大的延遲。SATA II允許硬盤自主建立DMA傳輸通道，無需驅(qū)動(dòng)程序介入，通過DMA setup FIS直接向控制器發(fā)送傳輸需求通知，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

通過這些技術(shù)的應(yīng)用，NCQ技術(shù)能夠最大限度地減少命令在控制器和硬盤之間的延遲，從而提高硬盤的讀寫性能。

支持NCQ技術(shù)的硬件

目前市場(chǎng)上的硬盤中，只有某些型號(hào)的7200.7和Maxtor金鉆10系列支持NCQ。其中，帶有NCQ功能的7200.7已在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)有售，但金鉆10系列很難買到。

在支持NCQ技術(shù)的主板方面，目前只有Intel最新的9X5系列中使用的ICH6系列南橋支持NCQ。而剛剛發(fā)布的NF4系列也將支持NCQ。此外，市場(chǎng)上唯一支持NCQ的獨(dú)立擴(kuò)展卡是Silicon Image 3124，其他廠家可能會(huì)推出類似產(chǎn)品以支持NCQ技術(shù)。