Интерфейсы SCSI и SAS

Второй интерфейс внешней памяти – SCSI (Small Computer System Interface – системный интерфейс малых компьютеров) был разработан и принят ANSI в 1986 г. (он получил позднее название SCSI-1). Скорость передачи данных при использовании этого 8-разрядного параллельного интерфейса составляла (при тактовой частоте шины 5 МГц) 4 Мбайта/с в асинхронном режиме и 5 Мбайт/с в синхронном режиме. В отличие от интерфейса IDE/ATA, к интерфейсу SCSI можно подключать не только внутренние, но и внешние устройства: принтеры, сканеры и т.д. Максимальное количество подключаемых к шине SCSI устройств было равно 8, а максимальная длина кабеля – 6 м.

Разработкой стандартов и поддержкой интерфейса SCSI занимается комитет T10 INCITS, т.е. той же организации, которая разрабатывает стандарты IDE (ATA). В 1996 г. для продвижения стандарта SCSI была создана Торговая ассоциация SCSI – STA (SCSI Trade Association). В эту ассоциацию входят около тридцати фирм-производителей компьютерной техники.

В следующих стандартах SCSI – SCSI-2 (1994 г.) и SCSI-3 (1995 г.) введен общий набор команд CCS (Common Command Set) – 18 базовых команд, необходимых для поддержки любого устройства SCSI, добавлена возможность хранения в устройстве очередей команд, полученных с компьютера и их обработка в соответствии с заданными приоритетами. Кроме этого, в этих стандартах, наряду с 8-разрядной, определена и 16-разрядная шина, тактовая частота увеличена до 20 МГц и скорость передачи данных – до 20 Мбайт/с.

Развитием стандарта SCSI-3 являются используемые в настоящее время стандарты Ultra3 SCSI (1999 г.), для которого определена частота шины 40 МГц и скорость передачи 160 Мбайт/с и Ultra320 SCSI (2002 г.) – частота шины 80 МГц и скорость передачи 320 Мбайт/с.

Обмен данными по этим стандартам реализуется с помощью метода LDVS (так же, как в шине PCI Express). Максимальное количество подключаемых устройств для Ultra3 SCSI и Ultra320 SCSI равно 16, а максимальная длина кабеля – 12 м.

Разработан также стандарт Ultra640 SCSI (2003 г.) с частотой шины 160 МГц и со скоростью 640 Мбайт/с, но этот стандарт не получил широкого распространения, в связи с тем, что из-за малой длины кабеля к нему нельзя подключить более двух устройств.

Связь между устройством SCSI и шиной ввода/вывода выполняется с помощью специального адаптера (контроллера) SCSI, вставляемого в разъем PCI, или встроенного в материнскую плату. Кроме адаптера SCSI (рис. 1.3.8а), называемого хост-адаптером (host adapter) каждое устройство имеет свой встроенный адаптер, который позволяет ему взаимодействовать с шиной SCSI. Если устройство – последнее в цепочке устройств шины SCSI, после него подключается специальное устройство – терминатор (terminator) для того чтобы исключить отражение сигналов, передающихся по шине (рис. 1.3.8б).

В Ultra3 SCSI и Ultra320 SCSI используются два типа разъемов: 68-контактный (рис. 1.3.8в) и 80-контактный (рис. 1.3.8г). Второй тип разъема, помимо линий передачи данных и команд, содержит также линии электропитания устройств и обеспечивает возможность «горячего» подключения устройства к компьютеру.

Рис. 1.3.8. Устройства SCSI: а) адаптер SCSI: 1 – разъемы для подключения внешних устройств; 2 – разъем для подключения внутреннего устройства; 3 – контроллер SCSI;

б) шина SCSI: 1 – разъем для подключения адаптера; 2 – разъемы для подключения устройств; 3 – терминатор; в) 68-контактный разъем SCSI; г) 80-контактный разъем SCSI

Данные при использовании SCSI передаются параллельно, так же, как и в IDE (ATA). По тем же причинам, что и в IDE (ATA), была начата разработка последовательно подключаемого SCSI – SAS (Serial Attached SCSI). Интерфейс SAS является совместимым с интерфейсом SATA и в тоже время использует команды SCSI, возможность «горячего» подключения внешних устройств, а также возможность подключения, помимо жестких и оптических дисководов, других периферийных устройств, например, принтера или сканера. В настоящее время интерфейс SAS постепенно заменяет интерфейс SCSI в компьютерах и периферийных устройствах.

Первая спецификация SAS – SAS 1.0 была выпущена Комитетом T10 в 2003 году. В ней была определена скорости передачи данных 1,5 и 3 Гбита/с для подключения устройств внутри системного блока компьютера с максимальной длиной кабеля 1 м и внешнего подключения устройств с максимальной длиной кабеля 8 м.

В 2005 году была выпущена спецификация SAS 1.1, в которой были исправлены ошибки спецификации SAS 1.0.

В спецификации SAS 2.0 (2009 г.) добавлена скорость 6 Гбит/с и максимальная длина кабеля увеличена до 10 м.

Обмен данными в SAS, так же, как и в SCSI, реализуется с помощью метода LDVS.

Две дифференциальные сигнальные пары (приемная и передающая) образуют в SAS физический канал. Один или несколько физических каналов, в свою очередь, образуют порт. Количество физических каналов в порту обозначается с помощью цифры, за которой следует символ «x». Так, обозначение 4x означает, что порт содержит 4 канала (8 сигнальных пар). Каждый порт имеет уникальный 64-битовый адрес, присваиваемый производителем оборудования SAS. Устройство с интерфейсом SAS может иметь один или несколько портов. Порт, имеющий только один канал, называется узким портом (narrow port), а порт, имеющий два и более каналов, называется широким портом (wide port).

Так два порта со скоростью по 3 Гбит/с можно использовать либо как два отдельных каналов связи с разными устройствами, либо как единый канал связи со скоростью 6 Гбит/с. Кроме того, в спецификации SAS 2.0 добавлена возможность разбиения порта со скоростью 6 Гбит/с на два канала со скоростью по 3 Гбит/с.

При подключении устройств в SAS используются разъемы, стандартизированные Комитетом по малым форм-факторам – Small Form Factor (SFF) Committee. Этот комитет разрабатывает и готовит спецификации по разъемам, используемым в различных устройствах. Каждый разъем идентифицируется префиксом «SFF-», за которым следует четырехзначный номер разъема, начинающийся с цифры 8.

Основными разъемами, используемыми в SATA являются:

· разъем SFF-8482 для подключения внутреннего устройства (рис. 1.3.9а);

· разъем SFF-8484 – разъем 4x для подключения внутренних устройств (рис. 1.3.9б);

· разъем SFF-8087 – разъем 4x (miniSAS) для подключения внутренних устройств (рис. 1.3.9в);

· разъем SFF-8470 – разъем 4x для подключения внешних устройств (рис. 1.3.9г);

· разъем SFF-8088 – разъем 4x (miniSAS) для подключения внешних устройств (рис. 1.3.9д).

Интерфейс SAS поддерживает набор команд, совместимый с набором команд SATA, поэтому к расширителю SAS можно подключать устройства SATA (для этого обычно используется разъем SFF-8482).

Наиболее распространенный кабель для подключения внешних устройств SAS с разъемами SFF-8088 на концах кабеля приведен на рис. 1.3.9е. Для подключения внешних устройств по интерфейсу eSATA можно использовать кабель, на одном конце которого разъем SFF-8088, а на другом – 4 разъема eSATA (рис. 1.3.9ж).

Рис. 1.3.9. Разъемы SAS: а) 29-контактный штекер разъема SAS для внутреннего устройства (SFF-8482) б) 32-контактный 4x штекер разъема SAS для подключения внутренних устройств (SFF-8484); в) 26-контактный 4x штекер разъема mini-SAS для внутренних устройств (SFF-8087); г) 26-контактный 4x штекер разъема SAS для внешнего устройства (SFF-8470); д) 26-контакный 4x штекер разъема mini-SAS для внешнего устройства (SFF-8088); е) кабель SFF-8088 – SFF-8088; ж) кабель SFF-8088 – 4 eSATA

Система с интерфейсом SAS состоит из следующих компонент:

· инициатор (Initiator) – порождает запросы на обслуживание для целевых устройств и получает подтверждения об исполнении запросов (реализуется в виде микросхемы на материнской плате или на карте, подключенной к шине материнской платы);

· целевое устройство (Target Device) – содержит логические блоки и целевые порты, которые осуществляют приём запросов на обслуживание, исполняет их; после того, как закончена обработка запроса, инициатору запроса отсылается подтверждение выполнения запроса (может быть как отдельным жёстким диском, так и целым набором дисков).

· подсистема доставки данных (Service Delivery Subsystem) – осуществляет передачу данных между инициаторами и целевыми устройствами (состоит из кабелей и расширителей SAS).

· расширитель SAS (SAS Expander) – подключает несколько устройств SAS к одному порту инициатора.

В настольных компьютерах расширитель SAS выполняется в виде карты, которая подключается к шине PCI Express, и содержит контроллер SAS, выполняющий функции инициатора, а также один или несколько внутренних и/или внешних гнезд разъемов SAS, к которым подключаются устройства с интерфейсом SAS или SATA (eSATA) (рис.?????а и рис.?????б).

Дисководы SAS (eSATA) могут быть помещены в корпус (рис.?????в). Такое устройство называется дисковым массивом. Помимо дисководов, дисковый массив содержит встроенную плату расширителя SAS (рис.?????г), разъем электропитания, а также гнездо для подключения к управляющему компьютеру (входного гнезда) и 1 или 2 гнезда для подключения к другим компьютером (входные гнезда). Наличие этих гнезд позволяет нескольким компьютером совместно использовать данные на дисководах дискового массива.

Пример подключения дисководов eSATA к компьютеру с использованием кабеля, изображенного на рис. 1.3.9ж, и компьютеров к дисковому массиву с использованием кабеля, изображенного на рис. 1.3.9е, приведен на рис. рис.?????д.

Рис.??????. Средства SAS: а) карта для подключения двух внутренних устройств:

1 – контроллер (инициатор) SAS; 2 – гнезда SF-8087; б) карта для подключения двух внешних устройств: 2 – гнезда SF-8088; 1 – контроллер (инициатор) SAS; в) дисковый массив на 15 дисководов SAS (eSATA); г) расширитель SAS дискового массива;

д) пример использования SAS для подключения внешних дисководов: 1 – дисководы eSATA; 2 – дисковый массив, подключенный к двум компьютерам

Аппаратная реализация SAS, как и ранее SCSI, на компьютере обходится дороже, чем реализация ATA и SATA (eSATA). Это связано, во-первых, с тем, что контроллер ATA и SATA, как правило, встроен в материнскую плату, а материнские платы для настольных компьютеров с встроенным интерфейсом SCSI и SAS практически не выпускаются, поэтому необходимо приобретение карты контроллера SCSI или SAS. Во-вторых, устройства с интерфейсом SAS имеют большие возможности, чем устройства ATA и SATA (eSATA). Например, дисководы SAS могут быть двухпортовыми, т.е. их можно либо подключить к двум компьютерам, либо выполнять обмен данными с компьютером на вдвое болей скорости по сравнению с использованием одного порта. Однако это приводит к более высокой стоимости дисководов SAS.

Поэтому основной областью применения SAS, как и SCSI, являются мощные компьютеры (сервера) с повышенными требованиями к скорости обмена, надежности и безопасности данных.

За счет использования расширителей, подсистема доставки данных SAS предлагает больше возможностей, чем система SATA (eSATA). Кроме того, в этой подсистеме можно использовать и более дешевые устройства SATA (eSATA).

Отдельная система, состоящая из связанных между собой компьютеров, периферийных устройств, расширителей SAS и кабелей SAS, SATA и eSATA, называется доменом. Максимальное количество расширителей и устройств в домене равно 16256. Система SAS может состоять из нескольких доменов, причем отдельные инициаторы и устройства могут входить в два соседних домена.

В домене могут использоваться два типа расширителей: расширитель-коммутатор и оконечный расширитель.

Расширитель-коммутатор (fanout expander) (рис.?????а) выполняет в домене SAS маршрутизацию потоков данных от инициаторов к целевым устройствам домена. В домене должен быть только один расширитель-коммутатор.

Оконечный расширитель (edge expander) (рис.?????б) подключается либо к расширителю-коммутатору, либо к другому оконечному расширителю и используется для маршрутизации потоков данных подключенных к нему устройств и расширителей. Максимальное количество обслуживаемых оконечным расширителем устройств равно 128.

Устройства могут подключаться как к расширителю-коммутатору, так и к оконечному расширителю. Если в домене не задействован расширитель-коммутатор, то количество оконечных расширителей должно быть не более 2.

При включении электропитания все устройства системы SAS обмениваются друг с другом своими адресами, и система переходит в активное состояние, при котором выполняется обмен командами, пакетами данных и управляющими сообщениями. Добавление в систему нового устройства («горячее» подключение) или отключение устройства приводит к генерации управляющего сообщения, при получении которого все расширители перестраивают свою схему маршрутизации и оповещают инициаторы об изменении конфигурации системы.

Пример конфигурации доменов SAS приведен на рис. рис.?????в.

Рис.?????. Использование SAS в серверах: а) 12-портовый расширитель-коммутатор с гнездами SFF-8470 (вид спереди и сзади); б) 12-портовый оконечный расширитель с гнездами SFF-8470 (вид спереди и сзади); в) пример доменов SAS:

1 – серверы-инициаторы с картами расширения SAS; 2 - оконечные расширители SAS;

3 – однопортовые дисководы с интерфейсом SAS; 4 – расширитель-коммутатор SAS;

5 – дисководы с интерфейсом eSATA; 6 – двухпортовые дисководы с интерфейсом SAS;

7 – дисковый массив с встроенным расширителем SAS