摘要：Maxim針對(duì)下一代串行SCSI (SAS)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的NexSAS?產(chǎn)品分為四個(gè)功能區(qū)：擴(kuò)展器技術(shù)、SAS/SATA支持器件、服務(wù)器/機(jī)箱/主板管理和信號(hào)調(diào)理。本文詳細(xì)介紹了第1.5代NexSAS擴(kuò)展器在技術(shù)上的突破。

類似文章發(fā)表于Maxim工程期刊 ，第63期(PDF，1MB)。

引言

隨著第一代基于串行SCSI (SAS)技術(shù)的系統(tǒng)進(jìn)入市場(chǎng)，主要的服務(wù)器和存儲(chǔ)器OEM競(jìng)相推出新的平臺(tái)。伴隨著第一代系統(tǒng)的推出，Maxim擴(kuò)大了其廣受歡迎的NexSAS?產(chǎn)品線。

第1.5代NexSAS系列產(chǎn)品為SMB (中/小型業(yè)務(wù))和企業(yè)系統(tǒng)提供了高性能的存儲(chǔ)解決方案，甚至具備目前只有高利用率、高性能光纖通道系統(tǒng)才會(huì)提供的功能。NexSAS產(chǎn)品線包括三個(gè)高密度PHY擴(kuò)展器、智能復(fù)用/解復(fù)用器擴(kuò)展、新型機(jī)箱管理/SAS背板控制器以及業(yè)界靈敏度最高的信號(hào)調(diào)理器。

Maxim的NexSAS系列產(chǎn)品分為四個(gè)功能區(qū)：擴(kuò)展器技術(shù)、SAS/SATA支持器件、服務(wù)器/機(jī)箱/主板管理和信號(hào)調(diào)理。本文詳細(xì)介紹了第1.5代NexSAS擴(kuò)展器在技術(shù)上的突破，討論了NexSAS的多連接STP/SATA橋以及對(duì)SAS 2.0分區(qū)的支持。

NexSAS擴(kuò)展器技術(shù)

NexSAS擴(kuò)展器系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)用于高性能的互聯(lián)設(shè)備，采用單功能設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方法能夠確保從較少端口向刀片服務(wù)器、機(jī)箱和交換/隔離SAN應(yīng)用所要求的多端口的可擴(kuò)展性。

Maxim的所有擴(kuò)展器都將核心系統(tǒng)功能分為兩個(gè)獨(dú)立部分：擴(kuò)展功能和管理功能。擴(kuò)展功能包括擴(kuò)展器連接管理(ECM)、擴(kuò)展器連接路由器(ECR)、廣播原始處理器(BPP)和連接到器件的物理接口(PHY) (接口數(shù)為6至36，取決于具體應(yīng)用)。

核心功能的另一部分是管理功能，它提供擴(kuò)展器管理和廠商規(guī)定的機(jī)箱管理功能。這一部分還集成了與整個(gè)系統(tǒng)互動(dòng)所需的各種外圍接口，包括2 線串口、JTAG、UART、通用I/O (GPIO)以及串行外圍接口。這些接口的數(shù)量和類型取決于特定的擴(kuò)展器及工作模式。


圖1. Maxim的第1.5代NexSAS系列擴(kuò)展器的原理圖

圖1所示是所有Maxim NexSAS系列產(chǎn)品的基本功能框圖。第1.5代擴(kuò)展器提供了各種功能，以滿足不同的系統(tǒng)需求。它們也具有一些相同特性，包括：

• 高性能開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)。一個(gè)低延遲、無(wú)阻塞開(kāi)關(guān)矩陣，可提供高達(dá)54Gbps的開(kāi)關(guān)容量(多端口擴(kuò)展器，低端口數(shù)的擴(kuò)展器容量會(huì)線性下降)。
• Maxim的通用PHY。自配置、自適應(yīng)PHY能夠以1.5Gbps和3.0Gbps的數(shù)據(jù)速率支持SAS啟動(dòng)器和SAS/SATA目標(biāo)器。多PHY的預(yù)加重/去加重功能以及多PHY輸出級(jí)，充分利用了Maxim 20多年的技術(shù)積累。它們可以組合成寬度為n個(gè)PHY的SAS“擴(kuò)展端口”。
• 虛擬啟動(dòng)器和目標(biāo)器的容量。SMP (串行管理協(xié)議)、SSP (串行SCSI協(xié)議)和STP (串行ATA隧道協(xié)議)啟動(dòng)器、目標(biāo)器能夠提供可靠的增值業(yè)務(wù)，例如自配置、自發(fā)現(xiàn)、SES控制以及偽劣設(shè)備的識(shí)別。
• 集成式機(jī)箱管理(EM)子系統(tǒng)。可靠的機(jī)箱管理能力最大程度地保護(hù)了OEM廠商在原有固件/軟件/定制功能上的投資，并可提供系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。
• 集成式以太網(wǎng)接口。EM子系統(tǒng)包括了兩個(gè)10/100以太網(wǎng)MAC，支持刀片服務(wù)器或其它需要通過(guò)以太網(wǎng)訪問(wèn)擴(kuò)展器的應(yīng)用。
• 多連接STP/SATA橋。利用Maxim的擴(kuò)展器技術(shù)，對(duì)原有的STP/SATA橋進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)在啟動(dòng)器和目標(biāo)器之間支持兩個(gè)并發(fā)(主/主) NCQ連接。這一創(chuàng)新方案有效解決了SAS 1.1中單一連接機(jī)制常見(jiàn)的啟動(dòng)器資源缺乏問(wèn)題。
• 端對(duì)端SAS 2.0分區(qū)。出于安全、控制和性能指標(biāo)的考慮，NexSAS擴(kuò)展器同時(shí)支持SAS 2.0 PHY解析和地址解析分區(qū)。
• 對(duì)第一代器件的其它改進(jìn)。其它功能包括EPOW、集成A/D轉(zhuǎn)換器、用于可信賴平臺(tái)的LPC以及片上存儲(chǔ)器的奇偶校驗(yàn)保護(hù)。

NexSAS系列中，最新推出的產(chǎn)品包括VSC7156 24-PHY、VSC7157 36-PHY和VSC7158 18-PHY擴(kuò)展器。與前期產(chǎn)品(VSC7153、VSC7154和VSC7155第一代擴(kuò)展器)一樣，這些器件也是針對(duì)企業(yè)服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備和刀片應(yīng)用設(shè)計(jì)的。

第1.5代擴(kuò)展器填補(bǔ)了SAS 1.1和即將推出的SAS 2.0技術(shù)規(guī)范之間的空缺，本文介紹2個(gè)主要的功能區(qū)別：多連接STP/SATA橋和SAS 2.0分區(qū)，詳情請(qǐng)參考下文。

NexSAS多連接STP/SATA橋

早期設(shè)計(jì)的合理性和性能局限性

SAS 1.1技術(shù)規(guī)范將STP/SATA橋定義為在STP啟動(dòng)器與SATA目標(biāo)器(HDD)之間起橋梁作用的擴(kuò)展組件。如果沒(méi)有STP/SATA橋，SAS將不能夠支持串行ATA(SATA)驅(qū)動(dòng)。

一般情況下，SAS 1.1技術(shù)規(guī)范對(duì)STP/SATA橋的功能定義為：

• 在SAS擴(kuò)展器中，STP/SATA橋可實(shí)現(xiàn)SATA驅(qū)動(dòng)到SAS域之間的連接。
• SAS協(xié)議用于建立或切斷主機(jī)(啟動(dòng)器)與STP/SATA橋之間的連接。
• 連接期間，STP/SATA橋僅將本地SATA協(xié)議發(fā)送到SATA。
• 擴(kuò)展器通常在每個(gè)PHY中有一個(gè)STP/SATA橋，但是只有在連接到SATA設(shè)備時(shí)才會(huì)激活橋。

圖2. STP/SATA橋支持STP功能啟動(dòng)器和SATA驅(qū)動(dòng)之間的連接

圖2所示為STP/SATA橋結(jié)構(gòu)。與SAS驅(qū)動(dòng)不同，SATA驅(qū)動(dòng)不能識(shí)別多主機(jī)或多啟動(dòng)器的并發(fā)訪問(wèn)。會(huì)話期間，STP啟動(dòng)器保持與SATA目標(biāo)器的連接。在建立連接期間，任何試圖訪問(wèn)相同SATA設(shè)備的STP啟動(dòng)器將接收到一條“OPEN_REJECT (STP RESOURCES BUSY)”信息，并且嘗試重新連接。這種簡(jiǎn)單的排除連接的機(jī)制在指定時(shí)間內(nèi)僅允許設(shè)備上激活一個(gè)主機(jī)，保持了系統(tǒng)的相干性。

完成指定的啟動(dòng)器的所有命令后，啟動(dòng)器應(yīng)該向STP/SATA橋發(fā)送一個(gè)特殊的CLOSE (CLEAR AFFILIATION)，從而解除連接，并允許其它主機(jī)訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)器/資源。

可以想象，第一代擴(kuò)展器只能支持單一連接，符合SAS 1.1技術(shù)規(guī)范。

任何新技術(shù)的推出都會(huì)帶來(lái)一些意想不到的結(jié)果。傳統(tǒng)的STP/SATA橋結(jié)構(gòu)也是如此，原始設(shè)計(jì)橋在合理性和性能方面都存在一定的局限，以下簡(jiǎn)要介紹這些局限性。

合理性

• 對(duì)于連接的時(shí)效性沒(méi)有明確限制，這意味著一個(gè)連接可能是永久建立的。
• 對(duì)SATA裝置的有效訪問(wèn)必須由啟動(dòng)器發(fā)起；當(dāng)沒(méi)有主/主通信時(shí)，可能得不到保證。
• 實(shí)現(xiàn)合理的軟件算法對(duì)于OEM來(lái)說(shuō)難度較大。
• 現(xiàn)有的STP啟動(dòng)器并不“規(guī)范”：它們有時(shí)可能不解除連接。
• 如果在擴(kuò)展器STP/SATA橋和啟動(dòng)器之間存在有效的連接，其它主機(jī)則不能完成與該驅(qū)動(dòng)器的任何連接請(qǐng)求，包括診斷。

性能

• 在負(fù)載平衡系統(tǒng)中，單進(jìn)程訪問(wèn)SATA硬盤(pán)非常慢。

圖3所示為SAS中的SATA連接結(jié)構(gòu)圖。


圖3. SAS 1.1中的SATA連接從概念上僅支持單一連接，從而在合理性和性能上造成一定的局限

新設(shè)計(jì)克服了傳統(tǒng)的性能局限

第1.5代NexSAS擴(kuò)展器解決了SAS 1.1 STP/SATA橋的局限問(wèn)題。通過(guò)升級(jí)橋的功能，兩個(gè)主機(jī)可同時(shí)對(duì)同一SATA驅(qū)動(dòng)器發(fā)出激活命令，圖4所示為支持多連接STP/SATA橋的工作原理。


圖4. 第1.5代NexSAS擴(kuò)展器支持多連接STP/SATA橋工作，使兩個(gè)主機(jī)可同時(shí)在相同的SATA驅(qū)動(dòng)器上發(fā)出激活命令

以下簡(jiǎn)要介紹新型橋設(shè)計(jì)的工作原理。

智能連接管理

• 靈活、非獨(dú)占斷開(kāi)策略(允許交迭)，包括：
  • 定時(shí)斷開(kāi)(多種模式和范圍)
  • 完成任何FIS傳輸后斷開(kāi)
  • 完成數(shù)據(jù)FIS傳輸后斷開(kāi)
  • 互鎖操作后斷開(kāi)
• 根據(jù)隊(duì)列標(biāo)簽/上下文自動(dòng)召回適當(dāng)?shù)膯?dòng)器(主機(jī))

NCQ和PIO命令支持

• SATA驅(qū)動(dòng)器上允許采用所有32個(gè)NCQ命令標(biāo)簽(或根據(jù)配置使用少數(shù)標(biāo)簽)
• 管理來(lái)自于不同主機(jī)的NCQ和PIO命令之間的交互
• 標(biāo)簽為透明管理，并從驅(qū)動(dòng)器映射或映射至設(shè)備，避免啟動(dòng)器時(shí)間標(biāo)簽的編碼沖突(不需要特殊的主機(jī)軟件或固件)

第1.5代NexSAS擴(kuò)展器都采用了多連接STP/SATA橋，提高了設(shè)計(jì)合理性以及系統(tǒng)性能和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的便利性。同樣，所有采用兩個(gè)或多個(gè)主機(jī)共享SATA硬盤(pán)的SAS域均會(huì)從中受益。它還能夠擴(kuò)展為將來(lái)需要更多激活連接的產(chǎn)品，并完全符合SAS 1.1規(guī)范以及未來(lái)的SAS 2.0規(guī)范。

SAS 2.0分區(qū)的基礎(chǔ)知識(shí)

當(dāng)存儲(chǔ)器OEM和集成廠商在引進(jìn)并采用基于SAS的系統(tǒng)時(shí)，都會(huì)希望能夠提供流量管理(性能)和安全領(lǐng)域所需的光纖通道及企業(yè)級(jí)特性。

為滿足這些需求，在即將推出的SAS 2.0規(guī)范中引入了端對(duì)端分區(qū)的概念(關(guān)于分區(qū)規(guī)范的最新信息請(qǐng)?jiān)L問(wèn)網(wǎng)站：www.t10.org)。

根據(jù)定義，SAS協(xié)議在指定的域中支持最多16,384個(gè)設(shè)備(啟動(dòng)器、目標(biāo)器、擴(kuò)展器和/或虛擬設(shè)備)；然而，在實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)如此大的拓?fù)鋵⒗щy重重。其實(shí)，端對(duì)端分區(qū)提供了以較少的邏輯(分段)電路管理較大的物理拓?fù)涞谋匾獧C(jī)制。SAS分區(qū)提供了控制組內(nèi)及組間存取的概念和機(jī)制。

即將推出的SAS 2.0規(guī)范將分區(qū)劃分為2個(gè)部分：PHY解析分區(qū)和地址解析分區(qū)。兩種方法均采用了相同的訪問(wèn)控制，但分組不同。

PHY解析分區(qū)

在PHY解析分區(qū)配置中，能夠分區(qū)的擴(kuò)展器的每個(gè)PHY分配了一個(gè)分區(qū)組；屬于該P(yáng)HY (或端口，當(dāng)為寬端口PHY分組時(shí))的所有設(shè)備均成為該分區(qū)組的一部分。擴(kuò)展器中的一個(gè)授權(quán)表包括訪問(wèn)控制許可信息，其中列出了不同分區(qū)組中設(shè)備之間的會(huì)話協(xié)議(默認(rèn)情況下，一個(gè)分區(qū)組中的所有設(shè)備均可相互通信)。

PHY解析的分區(qū)非常適合于小型拓?fù)洹⒌镀?wù)器或集群應(yīng)用。

地址解析分區(qū)

地址解析分區(qū)提供了PHY解析分區(qū)所不具備的一個(gè)抽象層。在地址解析配置中，自檢測(cè)擴(kuò)展器解析每個(gè)設(shè)備地址，并形成一個(gè)表。該表包括了路由信息和分區(qū)授權(quán)。通過(guò)表中的授權(quán)和分區(qū)組確定任意兩個(gè)設(shè)備之間能夠進(jìn)行什么級(jí)別的通信。

通常情況下，地址解析分區(qū)用于較大拓?fù)洌蛘咝枰笠?guī)模控制器的應(yīng)用。

結(jié)論

沒(méi)有放之四海而皆準(zhǔn)的真理，無(wú)論是SAS還是其它事物。需要根據(jù)應(yīng)用、連接需求、可擴(kuò)展性、性能及價(jià)格因素，選擇合適的解決方案—?jiǎng)?chuàng)新的功能。值得慶幸的是，Maxim擁有全面存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，為設(shè)計(jì)人員提供極大的靈活性，可以針對(duì)不同的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)選擇理想的功能組合。