32、SCSI 连接器及总线信号与相位详解

leaf8

于 2025-08-23 13:01:18 发布

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分类专栏： SCSI技术演进全解析文章标签： SCSI 连接器 VHDCI

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SCSI 连接器及总线信号与相位详解

在计算机硬件领域，SCSI（小型计算机系统接口）是一种广泛应用的技术，它涉及到多种连接器以及复杂的总线信号和相位控制。下面我们将详细介绍 SCSI 相关的各种连接器、信号以及总线相位。

1. 各类 SCSI 连接器

不同的公司出于自身的原因，推出了多种专有的 SCSI 连接器，以下是一些常见的连接器介绍。

1.1 VHDCI 连接器（Q - 电缆引脚分配）

VHDCI 连接器具有 68 个引脚，其引脚在单端（SE）、低压差分（LVD）和高压差分（HVD）模式下有不同的信号定义。例如，引脚 1 在 SE 模式下为信号返回，在 LVD 和 HVD 模式下为 +DB(28)。具体的引脚分配如下表所示：
| Pin | SE | LVD | HVD | Pin | SE / LVD | HVD |
| — | — | — | — | — | — | — |
| 1 | SIGNAL RETURN | +DB(28) | +DB(28) | 35 | –DB(28) | –DB(28) |
| 2 | SIGNAL RETURN | +DB(29) | +DB(29) | 36 | –DB(29) | –DB(29) |
|… |… |… |… |… |… |… |
| 68 | –DB(27) | –DB(27) | | | | |

1.2 厂商特定的 SCSI 连接器

Apple 25 针 Sub - D 连接器 ：苹果在推出以 SCSI 为默认总线系统的 Macintosh 计算机时，没有使用标准的 SCSI 连接器，而是采用了 25 针 Sub - D 连接器。在当时，这种连接器与 SCSI 版本配合良好，但随着 Fast SCSI 的推出，由于缺乏专用的接地线，信号完整性变差，成为 SCSI 问题的主要来源。不过，由于 Mac 的成功，许多外设仍在使用这种连接器，如图像扫描仪、ZIP 驱动器等。其引脚信号分配如下表：
| Pin | Signal | Pin | Signal |
| — | — | — | — |
| 1 | –REQ | 13 | –DB7 |
| 2 | –MSG | 14 | RESERVED/ GROUND |
|… |… |… |… |
| 25 | TERMPWR* | | |

注：*Pin 25 在某些 Mac 连接器中未连接终止电源。

Apple PowerBook 30 针 HDI 连接器 ：这是苹果用于 PowerBook 系列笔记本电脑的连接器，其特点是紧凑且坚固。引脚 1 在标准电缆中未使用和连接，用于选择“PowerBook 磁盘模式”。具体引脚信号如下表：
| Pin | Signal | Pin | Signal |
| — | — | — | — |
| 1 | –LINK.SEL | 16 | –DB(6) |
| 2 | –DB(0) | 17 | GROUND |
|… |… |… |… |
| 30 | –I/O | | |
IBM 60 针高密度 Centronics 连接器 ：IBM 在其 RS/6000 和早期 PS/2 系统中使用了这种连接器。它是一种高密度的 Centronics 风格连接器，前 50 个引脚与标准 SCSI - 2 HD 连接器相同，其余 10 个导体定义为“保留”，可能用于额外的信号，如主轴同步或 RAID 系统的故障消息总线。其引脚信号分配如下：
| Pin | Signal | Pin | Signal | Pin | Signal | Pin | Signal |
| — | — | — | — | — | — | — | — |
| 1 | GROUND | 16 | –DB(7) | 31 | GROUND | 46 | –C/D |
| 2 | –DB(0) | 17 | GROUND | 32 | –ATN | 47 | GROUND |
|… |… |… |… |… |… |… |… |
| 60 | RESERVED | | | | | | |

1.3 已淘汰的连接器

68 针高密度 Sub - D 连接器（宽 SCSI “B - 电缆”） ：B - 电缆原本旨在将 A - 电缆的 8 位 SCSI 总线扩展到 32 位，但由于即将推出的较小（3 1/2 英寸）磁盘驱动器没有足够空间安装必要的连接器，该电缆从未投入市场。
25 针 Sub - D 连接器（Future Domain 布局） ：早期 Future Domain 为降低成本，在其 SCSI 主机适配器中使用了具有专有布局的 25 针 Sub - D 连接器。后来苹果也在同一连接器上采用了不同的布局，这导致了 SCSI 兼容性问题。两者的布局对比如下表：
| Future Domain | Apple |
| — | — |
| Pin | Signal | Pin | Signal |
| 1 | GROUND | 1 | –REQ |
| 2 | –DB(1) | 2 | –MSG |
|… |… |… |… |
| 25 | GROUND | 25 | TERM. POWER |

需要注意的是，连接苹果布局的 SCSI 适配器和旧的 Future Domain 电缆可能会导致短路，损坏主机适配器或设备的终止电源保险丝。

Sun Microsystems 的 Sub - D 连接器 ：Sun 的 50 针 Sub - D 连接器有自己独特的引脚编号方案，但在实际应用中，我们使用连接器制造商文档中的编号方案。该连接器的引脚信号分配如下表：
| Sun Single - Ended SCSI Pinout | | | |
| — | — | — | — |
| Standard | Sun’s | Standard | Sun’s |
| Pin | Pin | Signal | Pin | Pin | Signal |
| 1 | 1 | GROUND | 26 | 27 | RESERVED |
| 2 | 4 | –DB(1) | 27 | 30 | GROUND |
|… |… |… |… |… |… |
| 50 | 50 | –I/O | | | |
Novell 和 Procomp DCB 37 针 D - Sub 连接器 ：Novell 为其 DCB SCSI 板设计了这种专有外部连接器，Procomp 为保持兼容性也在其主机适配器中使用。该连接器有足够的导体为每个信号提供离散的线对，并且 Novell 的电缆不连接 TERMPWR 线，因此终端设备必须自行提供终止电源。引脚信号分配如下：
| Pin | Signal | Pin | Signal |
| — | — | — | — |
| 1 | GROUND | 20 | –DB(0) |
| 2 | GROUND | 21 | –DB(1) |
|… |… |… |… |
| 37 | –I/O | | |

2. SCSI 总线信号

SCSI 总线包含多个数据线路和控制信号，这些信号在不同的操作中发挥着重要作用。

2.1 基本信号及作用

BSY（Busy） ：表示 SCSI 总线正在使用中。
SEL（Select） ：在仲裁阶段用于选择通信目标，在重新选择阶段，目标也可以成为选择的对象。
C/D（Control/Data） ：指示数据总线上是控制信息还是数据信息。
I/O（Input/Output） ：控制数据在数据总线上的移动方向，从发起者的角度来看，为真表示输入到发起者。同时，它还可以区分选择和重新选择阶段。
MSG（Message） ：与 C/D 一起用于指示消息阶段。
REQ（Request） ：目标设备用于请求 ACK 信息传输握手。
ACK（Acknowledge） ：发起者用于确认上述 REQ 信息传输握手请求。
ATN（Attention） ：发起者设置该信号以指示注意条件。
RST（Reset） ：指示重置条件。
DB(0) 到 DB(7) ：8 位 SCSI 数据总线上的数据位。
DB(P) ：第一个数据字节的奇偶校验位。如果使用 16 位总线，则使用第二个数据字节及其奇偶校验位。
DB(8) 到 DB(15) ：16 位 SCSI 数据总线的额外数据位。
DB(P1) ：第二个数据字节的奇偶校验位。

2.2 信号注意事项

BSY、SEL 和 RST 是“或”连接的，这意味着多个设备可以同时断言这些信号。
ACK 和 ATN 仅由发起者用于控制目的。
C/D、I/O、MSG 和 REQ 由目标设备驱动或控制。
每个数据字节都伴有一个奇偶校验位，采用奇校验，即当不包括奇偶校验位的逻辑 1 信号数量为偶数时，奇偶校验位设置为 1。
如果使用 32 位总线，则需要额外的数据和控制信号，这些信号由 Q - 电缆提供，包括 REQQ（RequestQ）、ACKQ（AcknowledgeQ）、DB(16) 到 DB(31) 以及 DB(P2) 和 DB(P3) 等信号。

3. SCSI 总线相位

SCSI 总线可以看作是一个“状态机”，它有多个状态，在任何给定时间只有一个状态是活动的。为了维持这种行为，定义了多个状态（相位）以及许多用于状态切换过程的定时参数。SCSI 总线的相位分为两类：处理总线协议和访问控制的四个相位，以及处理信息传输的四个相位。

3.1 协议相位

BUS FREE ：表示没有 I/O 过程正在运行，SCSI 总线可用于连接，是每次传输前总线的基本状态。
ARBITRATION ：允许所有连接的 SCSI 设备宣布“我需要总线”，最终获得对 SCSI 总线的控制权，以便启动或恢复 I/O 过程。
SELECTION ：发起者（仲裁获胜者）在该阶段选择一个目标进行待处理的操作。当目标选择完成后，目标断言 REQ 信号以进入信息传输阶段。
RESELECTION ：是选择阶段的特殊版本，用于未完成操作的情况。例如，如果目标设备断开连接（通过释放 BSY 和 SEL 信号允许总线空闲阶段），重新选择过程允许目标重新连接到暂停操作的发起者。与标准选择阶段不同，在重新选择阶段，前一个操作的目标主动与发起者建立连接。

3.2 信息传输相位

COMMAND ：目标设备在该阶段向发起者请求命令信息。
DATA ：有 DATA IN 和 DATA OUT 两种变体，目标设备在这两种情况下分别请求向发起者发送数据或从发起者接收数据。
STATUS ：目标设备请求将状态信息发送给发起者。
MESSAGE ：可以是 MESSAGE IN 或 MESSAGE OUT 阶段，目标设备在该阶段请求向发起者发送消息或从发起者接收消息。消息可以是单字节或多字节，但整个消息必须在一个 MESSAGE 阶段内完成，即 C/D、I/O 和 MSG 信号不能改变。

三个总线信号（C/D、I/O 和 MSG）用于区分不同的信息传输相位和数据方向，具体关系如下表所示：
| Signal | Phase Name | Transfer Direction |
| — | — | — |
| MSG | C/D | I/O |
| 0 | 0 | 0 | DATA OUT | From Initiator to Target |
| 0 | 0 | 1 | DATA IN | To Initiator from Target |
| 0 | 1 | 0 | COMMAND | From Initiator to Target |
| 0 | 1 | 1 | STATUS | To Initiator from Target |
| 1 | 0 | 0 | RESERVED | ———— |
| 1 | 0 | 1 | RESERVED * | ———— |
| 1 | 1 | 0 | MESSAGE OUT | From Initiator to Target |
| 1 | 1 | 1 | MESSAGE IN | To Initiator from Target |

注： 0 = False = Deasserted，1 = True = Asserted； *Reserved for future standardization

在 SCSI 操作中，目标设备控制这些信号，从而控制信息传输相位的变化。在这些相位中，每个字节的信息都使用 REQ/ACK 握手程序进行传输。具体流程如下：
1. 目标设备断言 REQ 信号，请求一个字节的信息。
2. 发起者设置数据总线并设置 ACK 信号，确认传输请求。
3. 目标设备读取数据总线并释放 REQ 信号，允许发起者释放 ACK 信号。
4. 重复上述步骤，进行下一个字节的传输。

此外，SCSI 总线还有两个“条件”：ATTENTION 和 RESET 条件。在 ATTENTION 条件下，发起者可以通知目标自己有消息准备好，目标可以通过执行 MESSAGE OUT 阶段获取该消息。ATTENTION 条件通过断言 ATN 信号来触发。

综上所述，SCSI 技术涉及到多种连接器、复杂的信号和相位控制，了解这些内容对于理解和使用 SCSI 系统至关重要。在实际应用中，我们需要根据具体的需求和设备选择合适的连接器，并正确处理总线信号和相位，以确保 SCSI 系统的稳定运行。

下面是 SCSI 总线相位的简单流程图：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A([BUS FREE]):::startend --> B(ARBITRATION):::process
    B --> C{SELECTION?}:::process
    C -->|Yes| D(信息传输相位):::process
    C -->|No| E(RESELECTION):::process
    E --> D
    D -->|完成| A

这个流程图展示了 SCSI 总线从空闲状态开始，经过仲裁、选择或重新选择阶段，进入信息传输阶段，最后回到空闲状态的基本流程。

SCSI 连接器及总线信号与相位详解

4. SCSI 总线信号与相位的实际应用考量

在实际应用 SCSI 技术时，需要综合考虑总线信号和相位的特点，以确保系统的稳定性和性能。

4.1 信号完整性问题

不同的 SCSI 连接器对信号完整性有不同的影响。例如，Apple 的 25 针 Sub - D 连接器由于缺乏专用的接地线，在 Fast SCSI 出现后，信号完整性变差，容易导致数据传输错误。在选择连接器时，应优先考虑具有良好接地设计和信号隔离的连接器，以减少信号干扰和衰减。

对于信号的奇偶校验，采用奇校验的方式可以在一定程度上检测数据传输中的错误。在数据传输过程中，每个数据字节都伴有一个奇偶校验位，当不包括奇偶校验位的逻辑 1 信号数量为偶数时，奇偶校验位设置为 1。接收方在接收到数据后，可以根据奇偶校验位来判断数据是否在传输过程中发生了错误。

4.2 总线相位的协调

SCSI 总线的各个相位之间需要协调工作，以确保数据的正确传输。在仲裁阶段，多个设备可能同时请求使用总线，因此需要一个公平的仲裁机制来决定哪个设备可以获得总线控制权。在信息传输阶段，目标设备通过控制 C/D、I/O 和 MSG 信号来区分不同的传输相位，并且使用 REQ/ACK 握手程序来确保每个字节的信息都能正确传输。

例如，在一个多设备的 SCSI 系统中，当一个设备需要进行数据传输时，它首先要在仲裁阶段竞争总线控制权。如果获得了控制权，它就可以选择一个目标设备进行通信。在数据传输过程中，目标设备根据自身的需求，通过设置 C/D、I/O 和 MSG 信号来进入不同的信息传输相位，如命令阶段、数据阶段等。同时，REQ/ACK 握手程序确保了数据的可靠传输，避免了数据丢失或错误。

5. SCSI 技术的发展与替代

随着计算机技术的不断发展，SCSI 技术逐渐被其他更先进的接口技术所替代。

5.1 替代技术的出现

SATA（Serial ATA）和 SAS（Serial Attached SCSI）等串行接口技术逐渐成为主流。这些技术具有更高的数据传输速率、更低的成本和更好的扩展性。与 SCSI 相比，SATA 和 SAS 采用串行传输方式，减少了电缆的数量和复杂度，提高了信号传输的稳定性。

例如，SATA 接口的数据传输速率可以达到 6Gbps 甚至更高，而传统的 SCSI 接口的数据传输速率相对较低。此外，SATA 接口的电缆更加轻便，易于安装和维护。

5.2 SCSI 技术的遗留应用

尽管 SCSI 技术逐渐被替代，但在一些特定的领域仍然有遗留应用。例如，在一些对数据可靠性和稳定性要求较高的企业级存储系统中，SCSI 技术仍然被使用。一些旧的服务器和存储设备可能仍然采用 SCSI 接口，这些设备在升级或更换时需要考虑兼容性问题。

6. 总结与建议

SCSI 技术在计算机硬件发展历程中曾经发挥了重要作用，它涉及到多种连接器、复杂的总线信号和相位控制。在实际应用中，我们需要了解这些知识，以确保系统的稳定运行。

6.1 总结

SCSI 有多种连接器，包括 VHDCI、Apple 25 针 Sub - D、Apple PowerBook 30 针 HDI、IBM 60 针高密度 Centronics 等，不同连接器有不同的引脚分配和特点。
SCSI 总线信号包括数据信号和控制信号，这些信号在不同的操作中发挥着重要作用，并且需要注意信号的奇偶校验和连接方式。
SCSI 总线相位分为协议相位和信息传输相位，各个相位之间需要协调工作，通过 REQ/ACK 握手程序确保数据的可靠传输。

6.2 建议

在选择 SCSI 连接器时，要考虑信号完整性和兼容性，优先选择具有良好接地设计和信号隔离的连接器。
在设计 SCSI 系统时，要合理安排总线相位，确保各个设备之间的协调工作。
对于遗留的 SCSI 设备，在升级或更换时要充分考虑兼容性问题，可以逐步向更先进的接口技术过渡。

下面是 SCSI 技术发展与替代的简单流程图：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A([SCSI 技术]):::startend --> B(发展受限):::process
    B --> C(出现替代技术):::process
    C --> D{SATA/SAS 等}:::process
    D -->|主流应用| E(新系统):::process
    D -->|遗留应用| F(旧系统):::process

这个流程图展示了 SCSI 技术从发展受限到出现替代技术，再到替代技术在新系统中成为主流应用，而 SCSI 技术在旧系统中仍有遗留应用的过程。

通过对 SCSI 连接器、总线信号和相位的详细了解，我们可以更好地理解和使用 SCSI 技术，同时也能为系统的升级和优化提供参考。在未来的计算机硬件发展中，我们需要不断关注新技术的发展，以适应不断变化的需求。