SCSI 总线

      I/O 技术实现在计算机和存储设备之间的数据交换。实现从CPU 到存储系统的I/O通路的一个中间就是SCSI(Small Computer System Interface).

 

一.  I/O 通路

       在计算机中，一个或多个CPU 处理在CPU缓存或主存储器（RAM：Random Access Memory）中的数据。 CPU缓存或主存储器是非常快的器件，但是断电就不能保存，价钱也比较昂贵。 所以数据还需要放在存储设备上。

       通常，数据从主存储器（RAM）通过系统总线，主机I/O 总线 和 I/O 总线移动到磁盘或者磁带等存储设备。

 

1.1  系统总线

       在计算机的核心部分，系统总线保证数据在CPU和主存储器之间进行快速的传递。 系统总线必须使用非常高的时钟频率，使得它能够足够快的给CPU 提供数据。 该总线的实现采用在主电路板上印制导线的形式。 出于物理性能的原因，高的系统速度需要短的印制导线。 因此，系统总线应该尽可能的短一些，并且只能连接CPU和主存储器。

 

1.2  主机I/O 总线

       在现在计算机中，为了释放CPU 的应用处理负担，人们把尽可能多的任务移到诸如图像处理器这样的特别的处理器中。 由于上述物理上的限制条件，这些器件不可以连接到系统总线。 因此大多数计算机都实现了称作主机I/O总线的第二个总线。 桥接芯片提供在系统总线和主机I/O总线之间的连接。 PCI（Peripheral Component Interconnection:外围互联设备）是当前最广泛使用的实现主机I/O 总线的技术。

 

1.3  I/O 总线

       设备驱动器负责控制外围设备以及与外围设备的通信。针对存储设备的设备驱动器部分以软件形式存在，该软件由CPU处理。由于跟存储设备通信的部分设备驱动器几乎总是以固件的形式实现，该固件由特别的处理器（ASIC:Application Specific Integration Circuit）处理。 当前这些ASIC 有的集成到主电路板（如SCSI 控制器），也有的通过附加的PCI卡连接到主板。 这些附加的卡通常被称作控制器。 存储设备通过主机总线适配器（HBA:Host Bus Adapter）或者通过在板上的控制器连接到服务器。 在控制器和外围设备之间的通信连接叫作I/O总线。

       当前用户I/O 总线的最重要的技术是SCSI 和光纤通道。 SCSI 定义了一种总线，该总线能够连接16个设备（包括服务器和存储设备）。 在另一方面，光纤通道定义存储网络的不同拓扑结构，该存储网络可以连接数百万个设备（包括服务器和存储设备）。 作为替代光纤通道的其他选择，工业界正在使用TCP/IP 和以太网（IP存储）实现存储网络。 注意的是，这些新技术都是继续使用SCSI 协议在设备间通信。

 

 

二. 并行SCSI 总线

        把磁盘和磁带设备连接到应用服务器或文件服务器，最常用的方法就是通过传统的 SCSI总线。尽管 SCSI主要是一个块协议，但这个术语也被用来指称运行该协议的并行线缆机制。

       最初的 SCSI物理层传输介质是一种并行电缆，由 8根数据线和一些控制线构成。在每个发送时钟里传输 8 位数据，传输速率相对说来是比较高的；但是由于电气方面的问题，使得多数SCSI设备所允许的传输距离被限制在 15-25 m左右。随着时间的推移，SCSI 并行总线的性能一直在提高，并通过提供更多的数据通路 (例如采用 16 位数据线和32位数据线)和更快的时钟，得到了更大的带宽。

       并行总线存在的一个问题是飘移现象。如果把一组并行的多位数据同时发出，每条数据线上的传输延迟会出现差异，导致各个位不会在精确的同一时间到达目的地。所谓飘移指的是一个时间窗口，所有的数据位在这段分布的时间内都能到达目的地。各个传输线上传输延迟的差别越大，飘移窗口也就越大。根据传输线理论，总线中每条线路的传输阻抗 (包括容抗和感抗)跟它所处的位置有关，因此，传输延迟是位线所处的物理位置的函数。对于给定长度的线缆，要想增加时钟频率，就必须减小飘移窗口，从而最小化线路间的传输延迟差。显然在高频条件下，电缆越长，飘移窗口越大。

       SCSI 规范的第 1 个版本发布于 1986 年。自那时以来，它被广泛应用于服务器和高档 PC 中，其速率由最初的4 MBps发展到现在的 320 MBps，而且还在提高着。

       作为一种介质，SCSI定义了一个并行总线，用于数据传输和通信控制。总线本身可以是印制导线的形式，也可以是一根电缆。外部 SCSI设备使用电缆以菊花链的形式连接到服务器上的控制器。在菊花链中，每个设备都跟其他设备串接。由于这个原因，外部 SCSI设备典型地都有两个 SCSI连接器，可以分别连接到链中的前一个设备和后一个设备。现在的一个 SCSI 总线可以连接多至 16个设备。其中包括1 个SCSI控制器和 15个存储装置。

 

2.1 SCSI 类型

SCSI有三个基本规范：

       SCSI-1：SCSI-1是在1986年开发的原始规范，现已不再使用。它规定总线宽度为8位，时钟速度为5MHz。

       SCSI-2：1994年采用，此规范包括通用指令集(CCS)——支持任何SCSI设备所必需的18个命令。在此规范中，可以选择将时钟速度提高一倍，达到10MHz (Fast)，将总线宽度增加为原来的两倍，即16位，将设备数增加为15个(Wide)，或者同时实现上述两种升级(Fast/Wide)。SCSI-2还增加了命令队列，允许设备存储命令，并从主机排列命令优先级。

       SCSI-3：此规范于1995年正式出台，包括一系列较小范围的标准。涉及SCSI并行接口(SPI)的一组标准在SCSI-3中得到了继续发展，SPI是SCSI设备之间的通信方式。大多数SCSI-3规范都以Ultra开头，如Ultra for SPI规范、Ultra2 for SPI-2规范和Ultra3 for SPI-3规范。名称中的Fast和Wide的含义与SCSI-2中的一样。SCSI-3是当前正在使用的标准。

 

       双倍总线速度、双倍时钟速度和SCSI-3规范的不同组合，产生了许多不同的SCSI规范。下表对几种不同规范进行了比较。很多较慢的规范已不再使用——在此列出仅作比较之用。

名称	规范	设备数量	总线宽度	总线速度	Mbps
异步SCSI	SCSI-1	8	8位	5MHz	4Mbps
同步SCSI	SCSI-1	8	8位	5MHz	5Mbps
Wide	SCSI-2	16	16位	5MHz	10Mbps
Fast	SCSI-2	8	8位	10MHz	10Mbps
Fast/Wide	SCSI-2	16	16位	10MHz	20Mbps
Ultra	SCSI-3SPI	8	8位	20MHz	20Mbps
Ultra/Wide	SCSI-3SPI	8	16位	20MHz	40Mbps
Ultra2	SCSI-3SPI-2	8	8位	40MHz	40Mbps
Ultra2/Wide	SCSI-3SPI-2	16	16位	40MHz	80Mbps
Ultra3	SCSI-3SPI-3	16	16位	40MHz	160Mbps
Ultra320	SCSI-3SPI-4	16	16位	80MHz	320Mbps

 

       除了总线速度提高之外，Ultra320 SCSI还使用分组化数据传输，从而提高其效率。Ultra2也是最后一种具有“窄”（8位）总线宽度的规范。

 

       所有这些SCSI类型都是并行的——数据通过总线同时传输，而不是一次传输一种数据。最新的SCSI类型称为串行连接SCSI(SAS：Serial Attached SCSI)，这种连接使用SCSI命令，但以串行方式传输数据。SAS使用点对点串行连接，以3.0千兆位每秒的速度传输数据，每个SAS端口可以支持多达128个设备或扩展设备。

 

2.2  SCSI的控制器、设备和电缆

       SCSI控制器在SCSI总线上的所有其他设备和计算机之间进行协调。SCSI控制器也称为主机适配器，控制器既可以是插入可用插槽的卡，也可以内置在主板上。SCSI  BIOS（Basic Input output System）也在控制器上。它是一个小型ROM或闪存芯片，包含访问和控制总线上的设备所需的软件。

       每个SCSI设备都必须具有唯一的标识符(ID)才能正常工作。例如，如果总线能够支持16个设备，通过硬件或软件设置指定的设备ID的范围为0-15。SCSI 控制器本身必须使用其中一个ID，通常是最高的那一个，而将其他ID留给总线上的其他15个设备使用。

       内部设备通过带状电缆连接到SCSI控制器。外部SCSI设备使用一条粗的圆形电缆，以菊花链形式连接到控制器（串行连接SCSI设备使用SATA电缆）。在菊花链中，每个设备都依次连接到下一个设备。因此，外部SCSI设备通常具有两个SCSI连接器——分别连接前后两个设备。

 

电缆本身通常由三层构成：

       （1）内层：保护性最好的层，包含实际发送的数据。

       （2）介质层：包含向设备发送控制命令的线路。

       （2）外层：包含传输奇偶校验信息的线路，这些信息可确保数据的正确性。

 

       不同SCSI标准使用不同的连接器，这些连接器通常不兼容，通常使用50、68或80针。SAS使用较小的SATA兼容连接器。

       一旦总线上的全部设备安装完毕，而且分配了各自的ID，则总线的每一端都必须闭合。下面介绍如何执行这一操作。

 

2.3 终接器

       如果SCSI总线保持开放状态，沿总线发送的电信号会反射回来，从而干扰设备和SCSI控制器之间的通信。解决方法是终结总线，用电阻电路闭合每一端。如果总线同时支持内部和外部设备，则必须终结每个系列的最后一个设备。

 

SCSI 终结的类型主要可分为两类：被动（无源）和主动（有源）。

（1）被动（无源）终结通常用于在标准时钟速度下运行、且设备到控制器的距离小于1米的SCSI系统。

（2）主动（有源）终结用于Fast SCSI系统，或设备到SCSI控制器的距离大于1米的系统。

 

       SCSI还使用三种不同类型的总线信令，这也会影响终结。电脉冲以信令的方式在线路上发送。

       （1）单端(SE：Single-ended)：控制器生成信号，并通过单条数据线将信号传送至总线上的所有设备。每个设备都会产生信号损失。因此，信号会很快开始衰减，由此SE SCSI的传输距离被限制为约3米以内。PC中普遍采用SE信令。

       （2）高压差动(HVD：High-Voltage Differential)：HVD常用于服务器，它以串联方式发送信号，采用一条数据高压线和一条数据低压线。SCSI总线上的每个设备都有信号收发器。控制器与设备通信时，总线沿途的设备接收信号并转发信号，直至信号到达目标设备为止。这样，控制器和设备之间的允许距离可显著增加，可达25米。

       （3）低压差动(LVD：Low-Voltage Differential)：LVD是HVD的同类技术，工作原理非常相似。两者之间的差异在于，LVD的收发器更小，并且内置于每个设备的SCSI适配器中。这使得LVD SCSI设备的价格更合理，并且LVD使用更少的电量就可以通信。缺点在于最大距离仅为HVD的一半——12米。

 

      HVD和LVD通常都使用被动终结器，即使设备和控制器之间的距离远大于1米也是如此。这是因为收发器可以确保信号足够强，能从总线的一端传输到另一端。