33、SCSI技术与PC硬件配置全解析

SCSI技术与PC硬件配置全解析

1. SCSI总线基础

SCSI（Small Computer System Interface）总线在计算机存储和设备连接中扮演着重要角色。ATN信号在除仲裁（ARBITRATION）或总线空闲（BUS FREE）阶段外的任何总线状态下都可能出现。而重置（RESET）条件用于立即清除总线上的所有SCSI设备，它对所有其他阶段和条件具有绝对优先级。任何SCSI设备都可以通过断言RST信号来创建重置条件，重置时，所有SCSI设备会释放除RST之外的所有SCSI总线信号，随后进入总线空闲阶段。

2. SCSI总线阶段序列

SCSI总线阶段通常遵循特定的序列模式，典型的阶段序列如下：
1. 总线空闲阶段（BUS FREE phase）
2. 仲裁阶段（ARBITRATION phase）
3. 选择或重新选择阶段（SELECTION or RESELECTION phase）
4. 消息输出阶段（MESSAGE OUT phase）
5. 一个或多个信息传输阶段（COMMAND、DATA、STATUS或MESSAGE）
6. 消息输入阶段（MESSAGE IN phase），传输断开或命令完成消息，然后进入下一阶段
7. 总线空闲阶段（BUS FREE phase）

重置条件可以中止任何阶段，并且总是跟随一个总线空闲阶段。其他阶段之后也可能跟随总线空闲阶段，这种情况通常是由于错误导致，但也是合法的。

以TEST UNIT READY命令为例，其典型阶段序列如下：
1. 总线空闲空闲状态（BUS FREE idle state）
2. 仲裁数据：根据十六进制ID 90（二进制1.0.0.1.0.0.0.0），表示设备7和4希望获取总线
3. 选择数据：根据十六进制ID 81（二进制1.0.0.0.0.0.0.1），表示ID 7和ID 0的设备进行通信
4. 消息输出数据字节：十六进制80，表示识别命令
5. 命令数据字节：十六进制00，表示测试单元就绪命令（该命令有6个字节，均为十六进制00）
6. 状态数据字节：十六进制00，表示良好，即SCSI设备就绪
7. 消息输入数据字节：十六进制00，表示命令完成
8. 总线空闲空闲状态（BUS FREE idle state）

“帧”（从总线空闲到消息输出，以及从状态到总线空闲）在大多数组合中是相同的，但命令阶段的数量会因不同命令而有所变化。

下面是SCSI阶段序列模型的mermaid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/Reselection):::process
    C --> D(Message Out):::process
    D --> E(Command/Data/Status/Message):::process
    E --> F(Message In):::process
    F --> G([Bus Free]):::startend
    H(SCSI Reset/Bus Error):::process --> G

3. SCSI总线定时

SCSI总线定时非常复杂，但可以分解为一些基本参数。以下是不同SCSI版本的一些关键定时元素：
| 定时元素 | SCSI - 2 Syn | Fast SCSI (Fast 5) | UltraSCSI (Fast 10) | Ultra2 SCSI (Fast - 20) | Ultra2 SCSI (Fast - 40) | 描述 |
| — | — | — | — | — | — | — |
| 仲裁延迟（Arbitration Delay） | 2.4 µs | 2.4 µs | 2.4 µs | 2.4 µs | 2.4 µs | 当SCSI设备在仲裁阶段断言BSY时，必须等待至少一个仲裁延迟才能确定是否赢得仲裁 |
| 接收/发送断言周期（Assertion Period, Receive/Transmit） | 70 ns/80 ns | 22 ns/30 ns | 11 ns/15 ns | 6.5 ns/8 ns | | REQ/REQB和ACK/ACKB信号必须至少断言一个接收断言周期才能被识别，发送方必须至少断言一个发送断言周期 |
| 总线清除延迟（Bus Clear Delay） | 800 ns | 800 ns | 800 ns | 800 ns | 800 ns | 如果设备检测到总线空闲阶段，有这么多时间来释放所有信号 |
| 总线空闲延迟（Bus Free Delay） | 800 ns | 800 ns | 800 ns | 800 ns | 800 ns | 检测到总线空闲阶段后，设备必须等待一个总线空闲延迟才能开始仲裁过程 |
| 总线设置延迟（Bus Set Delay） | 1.6 µs | 1.6 µs | 1.6 µs | 1.6 µs | 1.6 µs | SCSI设备断言BSY和其ID位进行仲裁的时间不得超过一个总线设置延迟 |
| 总线稳定延迟（Bus Settle Delay） | 400 ns | 400 ns | 400 ns | 400 ns | 400 ns | 阶段更改后，设备在总线稳定延迟期间不应更改信号电平 |
| 电缆偏斜延迟（Cable Skew Delay） | 4 ns (10 ns) | 4 ns (5 ns) | 3 ns | 2.5 ns | | 总线上两个SCSI信号之间的信号传输长度差异不应超过电缆偏斜延迟，当信号受铁氧体磁芯或类似阻尼措施影响时尤为重要 |
| 数据释放延迟（Data Release Delay） | 400 ns | 400 ns | 400 ns | 400 ns | 400 ns | 当I/O状态从真变为假时，发起方必须释放数据线一个数据释放延迟 |
| 系统去偏斜延迟（System Deskew Delay） | 45 ns | 45 ns | 45 ns | 45 ns | 45 ns | 解耦各种信号的时间 |
| 断开延迟（Disconnection Delay） | 200 µs | 200 µs | 200 µs | 200 µs | 200 µs | 当目标被发起方断开连接时，目标必须等待至少一个断开延迟才能尝试新的仲裁 |
| 保持时间，接收/发送（Hold Time, Receive/Transmit） | 25 ns/53 ns | 25 ns/33 ns | 11.5 ns/16.5 ns | 4.75 ns/9.25 ns | | 同步传输期间，数据必须至少断言一个保持时间，以便接收设备从总线读取数据 |
| 否定周期（Negation Period） | 70 ns | 22 ns | 11 ns | 6.5 ns | | 同步传输期间，每个REQ/REQB或ACK/ACKB脉冲之后必须至少跟随一个否定周期 |
| 重置保持时间（Reset Hold Time） | 25 µs | 25 µs | 25 µs | 25 µs | 25 µs | 发出重置之前，RST信号必须至少断言一个重置保持时间 |
| 选择中止时间（Selection Abort Time） | 200 µs | 200 µs | 200 µs | 200 µs | 200 µs | 如果目标在选择中止时间内未通过断言BSY对选择做出反应，发起方将强制执行总线空闲阶段（通过重置条件或释放数据线，然后释放SEL和ATN） |
| 设置时间，接收/发送（Setup Time, Receive/Transmit） | 15 ns/23 ns | 15 ns/23 ns | 6.5 ns/11.5 ns | 4.75 ns/9.25 ns | | |
| 传输周期（Transfer Period） | 200 ns | 100 ns | 50 ns | 25 ns | | 两个REQ/REQB或ACK/ACKB脉冲之间的最小时间，可能的传输周期由相关设备协商确定 |
| 上电到选择时间（Power On to Selection） | 10 s | 10 s | 10 s | 10 s | 10 s | SCSI设备应在通电后这个时间内能够响应SCSI命令，这只是一个建议，但很有意义，因为大多数主机适配器驱动程序将此视为设备响应的最大时间，否则将跳过其ID |
| 重置到选择时间（Reset to Selection） | 250 ms | 250 ms | 250 ms | 250 ms | 250 ms | 重置后，设备在能够响应命令之前允许空闲的建议最大时间 |
| 选择超时延迟（Selection Timeout Delay） | 250 ms | 250 ms | 250 ms | 250 ms | 250 ms | 选择阶段，设备在停止选择之前应至少等待一个选择超时延迟以获取响应，这只是一个建议时间，不是强制值 |

在SCSI - 3草案中，新功能如快速仲裁和双过渡时钟将引入一些新变量，但基本值保持不变。

4. SCSI总线终止

除了布线，终止是SCSI中最关键的部分。终止的基本规则很简单：总线的两端必须用终止电路封闭。然而，终止和与终止相关的问题至少占所有SCSI问题的80%。以下是不同设备连接情况下的终止设置：
- 仅内部设备 ：使用一根带有多个连接器的电缆从主机适配器连接到设备。主机适配器和最后一个连接器上的设备必须进行终止。如果最后一个连接器上没有设备，可以移动连接器使最后一个连接器被使用，或者在最后一个连接器上应用终止器。
- 仅外部设备 ：一根电缆连接到第一个设备，从该设备的第二个SCSI连接器，第二根电缆连接到下一个设备，依此类推。主机适配器和链中的最后一个设备必须进行终止。在现代主机适配器上，通常通过跳线或通过其SCSI BIOS的软件来完成。设备要么内部终止，要么在其第二个SCSI连接器上连接一个终止器插头。
- 内部和外部设备 ：当主机适配器的两个连接器都使用时，同样的规则适用 - 仅终止两端。因此，禁用主机适配器上的终止，并终止最后一个内部和最后一个外部设备。

对于宽SCSI，当混合宽SCSI和“窄”SCSI设备时，基本规则仍然是总线两端终止。例如，如果混合宽SCSI磁盘和窄SCSI CD - ROM，最简单的设置是使整个SCSI总线为16位宽，并使用50针母对68针母适配器将CD - ROM连接到总线中间。在这种配置下，CD - ROM不需要终止，并且使用没有高字节终止的适配器，简单且无故障。

如果将宽SCSI磁盘驱动器连接到窄SCSI总线上，则稍微复杂一些，因为大多数宽SCSI设备需要“看到”正确实现的宽SCSI总线。因此，需要一个终止高字节的适配器，可以是全尺寸的有源终止电路，也可以是一个简单的版本，使用4.7千欧电阻将上字节（-DB(8)到 -DB(15)和 -DB(P1)）上拉到TERMPWR。如果适配器没有高字节终止，驱动器可能工作也可能不工作，这取决于驱动器及其能力。

5. 终止电路

• 被动终止 ：SCSI - 1标准发布时，终止的既定标准是每个信号使用被动终止器。被动意味着仅使用被动部件，对于每个信号线，使用两个电阻，一个220欧姆的上拉电阻连接到TERMPWR线，另一个330欧姆的下拉电阻连接到地（0 V）。如果TERMPWR为5 V，这会导致待机信号电平约为3 V。被动终止有一些缺点，它消耗相对较高的电流，并且大多数被动终止器使用5%的电阻阵列，尽管标准规定使用±1%公差的电阻可改善噪声裕度，但5%的电阻阵列更便宜。
• 主动终止 ：SCSI - 2引入了主动终止（也称为Boulay - Terminator）。主动终止在信号质量和电流消耗方面明显优于被动终止，并且对于快速SCSI定时是必需的。它对TERMPWR线上的低电压和噪声更具容忍性，但缺点是比被动终止更复杂和昂贵。官方主动终止规范建议信号线电压为2.85 V，由于良好的低压降调节器输入电压仅需比输出高0.5 V，终止器可以设计为在TERMPWR低至3.5 V时可靠工作。为了安全起见，较新的设备倾向于使用SCSI终止IC，如Dallas Semiconductor DS2107A，它可以在TERMPWR为4.0至5.25 V时安全运行。
• 强制完美终止（FPT） ：强制完美终止是主动终止的一种变体，它使用二极管和电压调节器（或齐纳二极管作为电压调节器）网络来“强制”终止器与电缆的阻抗匹配。有些人建议使用FPT使关键总线稳定运行，但一般不推荐，因为它在峰值浪涌期间消耗的电流远高于SCSI规范允许的范围，存在一定危险，特别是与新主机适配器和设备中的主动否定驱动器结合使用时，对否定设备的线路驱动器极其危险。

6. PC硬件资源使用

为了确定系统中附加卡的可能配置，以下是一些常见的I/O端口、中断（IRQ）和DMA通道的使用情况：
| 十六进制端口范围 | 定义用途 | 其他用途及注释 |
| — | — | — |
| 0 - FF | 仅内部使用 | 插件卡通常不使用此范围内的I/O端口 |
| 100 - 1EF | 未定义 | |
| 170h - 177h | 辅助ATA硬盘控制器 | |
| 1F0 - 1F7 | 主ATA硬盘控制器 | |
| 200 - 20F | 游戏杆端口 | 通常仅使用200 - 207 |
| 210 - 26F | 未定义 | 210、220、230、240、250、260、280是Sound Blaster及其兼容设备的典型端口 |
| 270 - 27F | 打印机端口 | 通常不再用于打印机，ISA即插即用通常使用此空间 |
| 280 - 2AF | 未定义 | |
| 2B0 - 2DF | 替代EGA地址范围 | |
| 2E0 - 2EF | 未定义 | GPIB接口卡使用2E0h - 2Efh |
| 2F0 - 2F7 | 未定义 | |
| 2F8 - 2FF | 串行端口2（COM2:） | |
| 300 - 36F | 未定义 | 此范围为原型卡保留，许多开发人员将其用于适配器。MPU - 401 MIDI辅助地址范围为300h - 301h，MPU - 401 MIDI主地址为330h - 331h |
| 370 - 37F | 并行端口1 | 仅使用370 - 377 |
| 380 - 38F | 未定义 | SDLC或第二个双同步控制器 |
| 390 - 39F | 未定义 | 为IBM集群适配器保留 |
| 3A0 - 3AF | 未定义 | 为IBM双同步控制器保留 |
| 3B0 - 3BF | 单色视频卡和打印机端口 | 仍需用于兼容性，该板上的打印机端口使用3BC - 3BF |
| 3C0 - 3CF | EGA视频卡 | 仍需用于兼容性 |
| 3D0 - 3DF | CGA视频卡 | 仍需用于兼容性 |
| 3E0 - 3EF | 未定义 | |
| 3F0 - 3F7 | 软盘控制器 | |
| 3F8 - 3FF | 串行端口1（COM1:） | |
| 400 - FFFF | EISA和PCI板 | 在此范围内，地址通常由PCI自动分配 |

中断号（IRQ）	定义用途	注释
0	定时器	主板需要
1	键盘	主板需要
2	IRQ 8 - 15的级联	IRQ 2用于级联第二个中断控制器。IRQ 2上的设备会重新定位到IRQ 9，因此对于系统而言，IRQ 2 = IRQ 9。此IRQ可用于扩展板，但有时有点棘手
3	串行端口COM2
4	串行端口COM1
5	空闲	如果安装，由打印机端口LPT 2使用
6	软盘控制器
7	打印机端口LPT1	IRQ 7通常可在打印机端口和声卡之间共享
8	实时时钟	主板需要
9	IRQ 2重定向	见IRQ 2
10	空闲
11	空闲
12	空闲
13	数学协处理器	主板需要
14	硬盘控制器1	通常是IDE/ATA通道1。如果未使用IDE/ATA设备且禁用了板载控制器，则空闲
15	硬盘控制器2	通常是IDE/ATA通道2。如果未使用IDE/ATA设备且禁用了板载控制器，则空闲

DMA通道	定义用途	注释
0	空闲	8位DMA
1	空闲	8位DMA
2	软盘控制器	8位DMA
3	空闲	8位DMA
4	DMA 0 - 3的级联	主板需要
5	空闲	16位DMA
6	空闲	16位DMA
7	空闲	16位DMA

由于当今系统中ISA即插即用和PCI的自动配置很常见，通常不需要额外操心，但如果系统出现奇怪的锁定问题，还是要进行检查。

综上所述，了解SCSI总线的工作原理、定时要求、终止设置以及PC硬件资源的使用情况，对于正确配置和维护计算机系统至关重要。在实际应用中，务必仔细参考设备的安装或用户手册，以避免硬件冲突。

SCSI技术与PC硬件配置全解析

7. SCSI总线定时的实际影响

SCSI总线定时的各个参数对系统性能和稳定性有着重要影响。例如，仲裁延迟决定了设备获取总线控制权的等待时间，较长的仲裁延迟可能导致设备响应缓慢，影响系统的整体效率。而接收/发送断言周期则确保了信号的可靠传输，如果该周期设置不当，可能会导致信号丢失或误判。

下面以一个简单的例子来说明定时参数的重要性。假设一个SCSI设备在仲裁阶段断言了BSY信号，但由于仲裁延迟设置过短，设备在信号尚未稳定时就判定自己赢得了仲裁，这可能会导致与其他设备的冲突，从而引发总线错误。

为了更好地理解这些定时参数之间的关系，我们可以通过以下mermaid流程图来展示：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px
    A(设备检测到总线空闲):::process --> B(等待总线空闲延迟):::process
    B --> C(开始仲裁，断言BSY):::process
    C --> D(等待仲裁延迟):::process
    D --> E{是否赢得仲裁?}:::process
    E -- 是 --> F(进入选择阶段):::process
    E -- 否 --> C
    F --> G(进行信息传输):::process
    G --> H(等待传输周期):::process
    H --> I{是否完成传输?}:::process
    I -- 是 --> J(释放总线，进入总线空闲阶段):::process
    I -- 否 --> G

8. SCSI终止设置的操作步骤

在实际操作中，正确设置SCSI终止是确保系统正常运行的关键。以下是不同设备连接情况下的具体操作步骤：
- 仅内部设备 ：
1. 确认主机适配器和最后一个连接器上的设备支持终止功能。
2. 打开主机适配器的终止开关（如果有）。
3. 检查最后一个连接器上的设备是否已内部终止，如果没有，则安装外部终止器。
- 仅外部设备 ：
1. 检查主机适配器的终止设置，可通过跳线或软件进行配置。
2. 依次连接外部设备，确保每个设备的SCSI连接器连接正确。
3. 对于链中的最后一个设备，确保其内部终止或在其第二个SCSI连接器上安装终止器插头。
- 内部和外部设备 ：
1. 禁用主机适配器上的终止功能。
2. 分别对最后一个内部设备和最后一个外部设备进行终止设置，方法与上述单独设置内部或外部设备相同。

9. PC硬件资源冲突的解决方法

在添加新的附加卡时，可能会遇到硬件资源冲突的问题。以下是一些常见的解决方法：
- 检查设备手册 ：在安装新卡之前，仔细阅读设备的安装或用户手册，了解其所需的I/O端口、IRQ和DMA通道等资源。
- 使用自动配置工具 ：现代的BIOS和操作系统通常提供了自动配置硬件资源的功能，可以利用这些工具来避免冲突。
- 手动调整资源分配 ：如果自动配置工具无法解决问题，可以手动调整设备的资源分配。例如，通过更改设备的跳线设置或在BIOS中调整IRQ和DMA通道的分配。

为了更清晰地展示这些解决方法的流程，我们可以使用以下mermaid流程图：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px
    A(计划添加新卡):::process --> B(阅读设备手册，确定所需资源):::process
    B --> C{是否有资源冲突?}:::process
    C -- 否 --> D(安装新卡):::process
    C -- 是 --> E(使用自动配置工具):::process
    E --> F{冲突是否解决?}:::process
    F -- 是 --> D
    F -- 否 --> G(手动调整资源分配):::process
    G --> H{冲突是否解决?}:::process
    H -- 是 --> D
    H -- 否 --> I(寻求技术支持):::process

10. 总结与建议

通过对SCSI总线技术和PC硬件资源使用的深入了解，我们可以更好地配置和维护计算机系统。在实际应用中，需要注意以下几点：
- 严格遵循SCSI总线的定时要求，确保信号的稳定传输。
- 正确设置SCSI终止，避免因终止问题导致的总线错误。
- 在添加新的附加卡时，仔细检查硬件资源的使用情况，避免冲突。
- 定期检查系统的硬件配置，及时发现并解决潜在的问题。

总之，掌握SCSI技术和PC硬件资源的相关知识，对于提高计算机系统的性能和稳定性具有重要意义。希望本文能够为读者在实际应用中提供有益的参考。