Высокоскоростные интерфейсы: SCSI

Жесткие диски

Высокоскоростные интерфейсы: SCSI

SCSI (Small Computer Systems Interface — Системный интерфейс для малых компьютеров, по-русски произносится как «скази») — интерфейс, разработанный для объединения в единую систему устройств различного профиля: накопителей на жестких магнитных носителях, сканеров, стримеров, CD-ROM и т.п. Суть интерфейса состоит в том, чтобы обеспечить гибкий механизм управления этими устройствами и максимальную скорость их работы как единого, но делимого механизма.

Корни интерфейса SCSI уходят в далекий 1979 год, когда производитель накопителей информации М. Шугарт озадачился найти универсальный стандарт интерфейса для своих дисков, учитывая возможные потребности в будущем. В лабораториях М. Шугарта в итоге был разработан интерфейс, поддерживавший логическую и физическую (головка/цилиндр/сектор) адресацию, базирующийся на протоколах 8-битной параллельной передачи данных по интерфейсу, состоящему из нескольких линий. Этот интерфейс был назван SASI (Shugart Associates Systems Interface — Связующий системный интерфейс Шугарта). Интерфейс, кроме описания протоколов, включал также несколько 6-битных команд; минусом было то, что интерфейс разрабатывался для использования только одной пары хост — устройство.

Позже, в 1981 году, М. Шугарт передал документацию по интерфейсу SASI в комитет ANSI (American National Standarts Institute — Национальный Институт Стандартизации США, аналог ГОСТ), который принял ее за базовую для работы над проектом, который получил название SCSI. Большинство наиболее важных моментов из стандарта SASI перекочевало в SCSI, к примеру, такие важные принципы, как арбитраж устройств, механизмы освобождения шины, возможность использования на шине больше чем одного хост-адаптера и т.п. В 1984 году рабочая документация стандарта SCSI была представлена на рассмотрение ANSI, и, после многочисленных корректировок и дополнений, в 1986 году был принят документ под номером X3.131-1986 — первый официальный стандарт SCSI, который сейчас принято называть SCSI-1. В дополнение к стандарту SASI, SCSI-1 «оброс» такими важными функциональными возможностями, как 10-битные команды, протокола синхронной и асинхронной передачи данных, возможность подключения к одному хост-адаптеру до 8 различных устройств. Последовавшие за SCSI-1, стандарты развивались как в направлении расширения командного языка и в увеличении и усложнении протоколов, так и в увеличении ширины шины, увеличении скорости и количества подключаемых к одному хост-адаптеру устройств. Для текущих стандартов SCSI ширина шины составляет 16 бит, количество подключаемых устройств также равно 16.

Индустрия ПК не пропустила возникновения нового стандарта, который тут же был взят на вооружение главным образом производителями НЖМД. На рис. 1, 2 изображены одни из первых образцов SCSI-дисков.

Первые образцы накопителей SCSI

Первые образцы накопителей SCSI

Рис. 1, 2. Первые образцы накопителей SCSI — фирмы SONY (емкость 40 мегабайт)
и Quantum (емкость 120 мегабайт)

Краткая история стандарта SCSI

Самый первый стандарт — SCSI-1; в этом стандарте можно было к одной шине подключить до восьми устройств, включая контроллер. Интерфейс содержит развитые средства управления и в то же время не ориентирован на какой-либо конкретный тип устройств. Имеет 8-pазpядную шину данных, максимальная скорость передачи — до 1,5 МБ/с в асинхронном режиме (по методу «запрос-подтверждение»), и до 5 МБ/с в синхронном режиме (метод «несколько запросов — несколько подтверждений»). Может использоваться контроль четности для обнаружения ошибок. Электрически реализован в виде 24 линий (однополярных или дифференциальных), хотя в подавляющем большинстве устройств применяются однополярные сигналы.

SCSI-2 — существенное развитие базового SCSI. Увеличена скорость передачи (до 3 МБ/с в асинхронном и до 10 МБ/с в синхронном режиме) — Fast SCSI. Добавлены новые команды и сообщения, поддержка контроля четности сделана обязательной. Введена возможность расширения шины данных до 16 разрядов (Wide SCSI), что обеспечило скорость до 20 МБ/с. Введен новый 68-контактный соединительный разъем. Последующая спецификация, SCSI-3, уже не только ввела новые скорости передачи, но и значительно расширила систему команд. Кроме того, в качестве среды передачи допускается использование, наряду с традиционным параллельным шинным интерфейсом, и других параллельных и последовательных протоколов: Fibre Channel, IEEE 1394 Firewire и Serial Storage Protocol (SSP).

Интерфейс Ultra SCSI, использует частоту шины 20 МГц. Интерфейс Ultra/Wide SCSI поддерживает 16 устройств и обеспечивает скорость передачи данных до 40 МБ/с. Более скоростной Ultra-2 Wide SCSI, обеспечивающим скорость передачи до 80 МБ/с. Следующие интерфейсы — Ultra-3 SCSI, Ultra 320 SCSI, Ultra 640 SCSI — не привнесли ничего принципиально нового в стандарт, кроме скорости. Они остаются также с шириной шины 16 бит, и также к интерфейсу можно подключить до 16 устройств. Сравнительная характеристика стандартов SCSI приведена в таблице 1.

СтандартМаксимальная скорость шины, Мбайт/сек.Разрядность шиныМаксимальная длина кабеля, мМаксимальное число устройств
Единственное уст-воLVDHVD
SCSI-1586(3)258
SCSI-21083(3)258
Wide SCSI-220163(3)2516
SCSI-32081.5(3)258
Wide SCSI-34016(3)2516
Ultra2 SCSI408(4)12258
Wide Ultra-2 SCSI8016(4)122516
Ultra-3 SCSI, или Ultra-160 SCSI16016(4)12(5)16
Ultra 320 SCSI32016(4)12(5)16
Ultra 640 SCSI64016(4)(7)(5)16

Что такое хост-адаптер?

Хост-адаптер — это устройство, подключаемое к шине ПК, обеспечивающее хосту (значение слова «хост» применительно к стандартам, описывающим интерфейсы передачи данных (англ. host), наиболее полно описывает словосочетание «хозяин шины») связь с устройствами SCSI. Наименование «адаптер» выбрано не случайно — этим указывается, что вся логика работы устройств расположена в периферийных устройствах на шине; для устройств называемых «контроллер» логика расположена в них самих.

Следующие производители выпускают или выпускали в прошлом хост-адаптеры для SCSI-устройств:

Примером хост-адаптера может служить устройство, изображенное на рис. 3.

SCSI хост-адаптер фирмы Adaptec

Рис. 3. SCSI хост-адаптер фирмы Adaptec

Современные производители НЖМД SCSI

В настоящее время рынок НЖМД переживает бурную эволюцию — новые, высокоскоростные стандарты Serial ATA приходят на смену Parallel АТА. И, хотя новые устройства SATA уже вплотную приблизились по скорости работы к устройствам SCSI, а где-то и обгоняют их, SCSI-устройства остаются всё так же популярны в High-End компьютерах — серверах и информационных массивах. Связано это, прежде всего, с высокой надежностью SCSI-накопителей — как в силу относительной простоты стандартов SCSI и продуманным электрическим интерфейсом, так и в связи с традиционно более тщательной конструкторской и производственной проработкой устройств. На долю SCSI приходится приблизительно 30 процентов всего рынка НЖМД, и вряд ли он когда-нибудь перешагнет этот рубеж: оборудование ПК всеми необходимыми кабелями, переходниками, а также покупка самого хост-адаптора обойдется приблизительно в $100, накопители же будут стоить в несколько раз больше их IDE-собратьев. Современными производителями дисков SCSI являются:

Конкуренция на рынке SCSI-дисков невелика — скорее всего, оттого, что рынок имеет достаточную наполненность и не развивается так бурно, как рынок IDE-устройств — и связано это, прежде всего, с тем, что SCSI-устройства используются чаще всего в серверах, спрос на которые не так велик. Удобство SCSI-устройств состоит в том, что они могут быть легко заменяемы по ходу работы, без отключения и потери работоспособности сервера. Это очень важно для серверов, и совершенно не обязательно для рабочих станций. Как правило, сервера (рис. 4) оборудованы специальными салазками (рис. 5), в которые диск в специальном креплении (рис. 6) вставляется очень легко.

Серевер, оборудованный дисками SCSI

Рис. 4. Серевер, оборудованный дисками SCSI

Отсек для дисков SCSI

Рис. 5. Отсек для дисков SCSI

Крепление для дисков SCSI, применяемое в серверах с поддержкой функции «горячая замена»

Рис. 6. Крепление для дисков SCSI, применяемое в серверах с поддержкой функции «горячая замена»

Стоить заметить, что очень часто производители серверов перемаркировывают накопители, давая им свои бренды. Как пример приведу накопители, изъятые из серверов Hewlett Packard и IBM e-Server (рис. 7, 8), на которых реального производителя НЖМД можно узнать только по названию модели; автор видел также диски, извлеченные из серверов Dell, на которых даже эта информация отсутствовала.

Современные SCSI-диски, используемые в серверах

Современные SCSI-диски, используемые в серверах

Рис. 7, 8. Современные SCSI-диски, используемые в серверах

Типы разъемов SCSI

Рис. 9. Используемые в настоящее время типы разъемов SCSI

Устройства SCSI могут иметь различные типы разъемов для их подключения к хост-адаптеру (см. рис. 9) — прежде всего это связано с конструктивными особенностями самого устройства. Наиболее часто для HDD применяется разъем HD68 (рис. 10), немного менее часто — SCA80 (рис. 11). В далеком прошлом, в конце 80-х — начале 90-х годов, практически все накопители SCSI соединялись с хостом посредством разъема НЕ50 (рис. 12). В настоящее время этот разъем практически не встречается.

Разъем HD68

Разъем SCA80

Разъем НE50

Рис. 10. Разъем HD68.
Рис. 11. Разъем SCA80.
Рис. 12. Разъем НE50.

Для подключения различных по конфигурации разъема устройств к шине часто могут потребоваться специализированные переходники. Такие переходники, например, выпускает компания SCS (http://www.scaadapters.com), их стоимость колеблется от $10 до $35 за штуку. Полный набор для работы с любым SCSI-устройством изображен на рис. 13, на рис. 14 — 18 каждый переходник изображен отдельно

Необходимые для подключения SCSI-устройств переходники

Рис. 13. Необходимые для подключения SCSI-устройств переходники

Необходимые для подключения SCSI-устройств переходники

Необходимые для подключения SCSI-устройств переходники

Необходимые для подключения SCSI-устройств переходники

Необходимые для подключения SCSI-устройств переходники

Необходимые для подключения SCSI-устройств переходники

Рис. 14 — 18. То же, что рис. 13, по отдельности.

Как работает SCSI

Для согласования нагрузок на шине SCSI используют терминаторы, которые по электрическим свойствам делятся на пассивные, активные и FPT-терминаторы. Терминаторы должны запитываться, поэтому в интерфейсе имеются линии питания терминаторов (Terminator Power). Пассивные терминаторы использовались в устройствах SCSI-1, представляют собой обычные резисторы сопротивлением 132 Ом. Активные терминаторы представляют собой стабилизатор, вырабатывающий нужный сигнал — при этом каждая линия соединяется с этим стабилизатором через резистор сопротивлением 110 Ом. В настоящее время применяются только активные терминаторы, при этом используются источники вспомогательного напряжения — для этих целей обычно используют вспомогательные диоды, которые фиксируют напряжение входных сигналов на необходимом уровне. Наконец, терминаторы FPT (Forced Perfect Terminator — Ускоренный улучшенный терминатор) суть улучшение активных терминаторов, оборудование их ограничителями выбросов. Их применение — в высокочастотных версиях SCSI.

Все устройства SCSI принято делить на инициаторы и исполнители. При этом следует учитывать, что шина может быть стандартной (8 бит) или расширенной (16 бит) разрядности. Учитывая все это, все количество возможных комбинаций подключения устройств можно свести к четырем:

1. Стандартный инициатор — стандартный исполнитель
2. Расширенный инициатор — расширенный исполнитель
3. Стандартный инициатор — расширенный исполнитель
4. Расширенный инициатор — стандартный исполнитель

При подключении стандартных исполнителей к расширенным инициаторам проблем возникнуть не может — расширенный стандарт поддерживает все функции стандартного, однако при обратном подключении могут возникнуть сложности с подключением терминаторов. В реале эти проблемы легко решаются использованием переходников (см. выше).

Состояния шины SCSI принято делить на фазы. Таких фаз существует всего пять: шина свободна, арбитраж (при этом инициатор может получить управление шиной), выбор (при этом инициатор, вошедший в фазу арбитража первым, выбирает исполнителя для дальнейшей работы), перевыбор (исполнитель подтверждает инициатору, что он им выбран для работы и готов к работе) и информационная фаза (запрос-передача команд, данных, сообщений). Блок-схема последовательности фаз одного цикла работы по шине SCSI представлена на рис. 19.

После фазы выбора инициатор может произвести таймаут, для чего может использовать два способа — выполнить аппаратный сброс либо перейти в фазу «шина свободна». В любом случае, окончанием цикла работы по шине SCSI будет выставление статуса «команда выполнена» либо передача соответствующего сообщения с освобождением шины. Аналогично стандарту АТА, в системах SCSI может применяться сброс устройства по двум протоколам — по протоколу аппаратного сброса (hard reset) и по протоколу программного сброса (soft reset). В обоих случаях на линии Reset (сброс) будет выставлен бит единица, различия типов сбросов заключаются в их механизме и целях — как правило, аппаратный сброс осуществляется для сбрасывания операций по всей системе SCSI-устройств, программный же применяется для сбрасывания только одного устройства, не мешая работе остальных.

Рис. 19. Блок-схема фазовой последовательности работы шины SCSI

На шине SCSI используется девять сигналов управления: BSY (Busy, Занят), SEL (Selection, Выбор), C/D (Command/Data, Управление/Данные), I/O (Input/Output, Ввод/Вывод), MSG (Message, Сообщение), REQ (Request, Запрос), ACK (Acknowledge, Подтверждение), RST (Reset, Сброс), ATN (Attention, Внимание). Источниками сигналов Занят, Выбор и Сброс могут быть и инициатор, и исполнитель; только исполнитель может быть источником сигнала Подтверждение; остальные сигналы являются прерогативой инициатора. Типы передачи информации кодируются комбинациями бит, выставляемыми для сигналов Сообщение, Управление/Данные, Ввод/Вывод, как показано в табл. 2.

Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана
Bauman National Library

Персональные инструменты

SCSI (Small Computer Systems Interface)

Small Computer System Interface

HDD-inerfaces-SCSI 2 630x420.jpg
Year created1970-1982
SupersedesShugart Computer Systems Interface/Small Computer Systems Interface (SCSI)
Speed5-16 Gbit/s
Hotplugging interfaceYes

Small Computer System Interface (ранее Shugart Computer Systems Interface, позднее SCSI или «скази») является видом связи для запоминающих устройств, накопителей и иной аппаратуры на персональном компьютере (ПК), иначе интерфейсом внешних накопителей. Упомянутая выше связь проявляется в обмене информацией между устройствами внешней памяти и материнской платой ПК [Источник 1] .

Содержание

  • 1 История создания SCSI
  • 2 Характеристики стандартов SCSI
    • 2.1 Internet Small Computer System Interface (iSCSI)
    • 2.2 SCSI RDMA Protocol
    • 2.3 USB Attached SCSI
    • 2.4 Serial Attached SCSI (SAS)
  • 3 Компании LSI и Adaptec
  • 4 Примечания
  • 5 Источники

История создания SCSI

Изначально данный интерфейс внешних накопителей был разработан компанией Shugart Associates приблизительно в 1970-ых годах для подключения к ПК различных сканеров, принтеров, жестких дисков, магнитооптических накопителей, CD и DVD приводов, стримеров (ленточные накопители) и иных периферийных устройств, то есть настоящий интерфейс объединяет на одной шине различные по назначениям устройства. Сперва настоящий интерфейс носил название SASI (Shugart Associates System Interface). Позднее SASI был переименован Национальным Институтом Стандартизации США (ANSI), схожим с нашим ГОСТ-ом, в SCSI в связи с появлением в 1982 году нового стандарта [Источник 2] .Как правило такой интерфейс широко используется на серверах, так как обеспечивает максимальную скорость работы вышеперечисленных устройств как целого, так и дифференцируемого механизма. Так, например, скорость передачи данных (пропускная способность), обеспечиваемая интерфейсом Ultra-640 SCSI, составляет 640 МБ/с при длине кабеля в 12 метров. Стоит отметить тот факт, что такой интерфейс влияет на характеристики работы внешних устройств не менее, чем сами физические параметры таких устройств. Так от интерфейса, используемого для жесткого диска, зависит выбор кабеля или переходника, которые предназначены для подключения данного жесткого диска к материнской плате. Кроме того, данный интерфейс малых компьютеров, также называемый и параллельным интерфейсом (передача информации происходит по нескольким проводникам), используется в компьютерах Apple Macintosh и системах UNIX для подключения к ПК периферийных устройств. Почти все Apple ПК Macintosh, за исключением самых ранних маков, имеют порт SCSI для подключения принтеров и дисков, также возможно подключение к одному порту SCSI одновременно нескольких устройств, именно поэтому это не просто интерфейс, а шина ввода/вывода (Input/Output).

Характеристики стандартов SCSI

Набор команд стандарта SCSI довольно таки широко распространен, взять хотя бы набор команд SCSI, программно реализованные в едином стеке (непрерывная область оперативной памяти, организованная по принципу стопки тарелок) [1] Windows для поддержки устройств хранения данных. Более того эти же команды воплощены в USB (использование различных внешних USB хранилищ данных) и в работе CD/DVD и BlueRay (IDA/ATA и SATA интерфейсы). Для непосредственного подключения устройств с SCSI к материнской плате используется SCSI-контроллер с собственным BIOS. В настоящее время существуют следующие стандарты SCSI [Источник 3] :

  • SCSI-1;
  • SCSI-2/Fast SCSI;
  • Wide SCSI;
  • Ultra SCSI/ Ultra-Wide SCSI/ SCSI-3;
  • Ultra2SCSI.

Стоит также обратить внимание на FCP (Fibre Channel Protocol/ FC) — протокол передачи данных SCSI по оптическим волоконным каналам, с помощью которого увеличивается пропускная способность и длина прокладываемых проводов. Как говорилось ранее, SCSI широко применяется на серверах, где FCP подключает серверы к системам хранения данных, но основным фактором его использования в основном только на серверах является его довольно таки высокая стоимость. Хоть вы больше и не встретите стандарт SCSI среди пользовательских ПК, но вы сможете найти SCSI в корпоративной серверной среде. Уже более позднее обеспечение с интерфейсом SCSI стали включать UAS (USB Attached SCSI) и SAS (Serial Attached SCSI). На сегодняшний день ведущим интерфейсом хранения данных ПК является стандарт IDE (Integrated Drive Electronics), описанная стандартом ATA, а позднее SATA. Кроме того, многие производители ПК прекратили использовать SCSI, ему на смену пришли такие стандарты как USB и FireWire.

Сравнительная характеристика стандартов SCSI

НаименованиеРазрядность шиныПропускная способностьМакс. Длина кабеляМакс. кол-во устр-в
SCSI-28бит5-10Мбайт/с8/16
Wide SCSI-216 бит20 Мбайт/с3 м16
Fast SCSI-28 бит10-20 Мбайт/с3 м8
Fast Wide SCSI-26 бит20Мбайт/с3 м16
Wide Ultra-2 SCSI16 бит80 Мбайт/с12 м16
Ultra-2 SCSI8 бит40 Мбайт/с12 м8
Ultra SCSI-38 бит/16 бит(20 Мбайт/с) / (40 Мбайт/с)1,5 м8/16

Internet Small Computer System Interface (iSCSI)

Стандарт iSCSI обеспечивает обработку команд интерфейса SCSI через Интернет, наиболее часто применяется в локальных IP-сетях различных компаний. Настоящий стандарт отличается от протокола передачи данных FCPТ тем, что не требует дорогостоящего оборудования и является альтернативной заменой оптоволоконных каналов. Назначение iSCSI:

  1. интеграция хранения данных, как правило в датацентрах, вместо изолированных сетевых хранилищ;
  2. защита от сбоев, возможность перемещения дисковых массивов по сети Интернет.

Недостатком такого стандарта является зависимость iSCSI от физического и канального уровней сетевой модели, которые и определяют максимальное время задержек и непосредственно скорость в среде.

SCSI RDMA Protocol

SCSI RDMA (или remote SCSI protocol) — подключение одного компьютера подключиться к ресурсам другого при использовании протокола удаленного прямого доступа к памяти. RDMA характеризуется низкой латентностью (характеристика оперативной памяти) [2] и высокой пропускной способностью, именно поэтому он получил наибольшее применение в кластерах [3]

USB Attached SCSI

USB Attached SCSI — реализация подключения через USB-интерфейс, теоретически обеспечивается скорость до 3200 Мбит/с.

Serial Attached SCSI (SAS)

Serial Attached SCSI (SAS) — последовательный наиболее распространенный вид интерфейса для передачи данных и обмена данными с жесткими дисками и ленточными накопителями, который развился на базе SCSI, производящийся такими компаниями, как Samsung, Seagate, Fujitsu и другими, также последовательный интерфейс передачи данных, используемый для обмена информацией с жесткими дисками и ленточными накопителями [Источник 4] .

Настоящий последовательный стандарт использует всего три протокола передачи данных:

  • SSP — Serial SCSI Protocol;
  • STP — Serial ATA Tunneled Protocol;
  • SMP — Serial Management Protocol.

Если первые два протокола предназначены непосредственно для самой передачи данных, то последний из них является протоколом управления интерфейсом в целом. Особенностью настоящего вида интерфейса является передача сигнала осуществляется по четырем проводникам: первая пара получает непосредственно сам сигнал, вторая пара — отправляет его. Скорость передачи данных – около 1,5-3,0 Гбайт/сек.

Различия SAS систем от параллельного SCSI:

  1. компактные провода (сигнальных линий стало меньше);
  2. использование соединения точка-точка вместо шины, при использовании которой контроллер способен работать лишь с одним устройством;
  3. SAS не нуждается в специальной насадке-терминаторе на кабель;
  4. новый SCSI способен поддерживать более 16384 устройств;
  5. SAS обеспечивает высокую пропускную способность;
  6. совместим с устройствами SATA [4]

Компании LSI и Adaptec

История хранения данных SCSI и SAS неразрывно связанна с историей развития компаний LSI и Adaptec. Компания LSI была одной из первых компаний, которые ввели в использование устройства ASIC (Application Specific Integrated Circuit) — это специализированные микросхемы. Для LSI история SCSI началась с приобретения в 1998 году подразделения Symbios, в свое время бывшей частью NCR, AT&T и Hyundai. Подразделение Symbios было основано в 1971 году, на момент приобретения настоящее подразделение являлось производителем SCSI-адаптеров. Все началось с микросхемы LSI53C825AE, позволявшей пропустить до 20MB/s данных и соответствовала стандарту Fast Wide SCSI. Чуть позднее была создана архитектура Fusion-MPT (Message Passing Technology), ускорявшей процесс взаимодействия между компонентами системы ввода/вывода (Input/Output). Настоящая технология дожила и до сегодняшних устройств SAS-3 (12Gbit/s), превосходящие по скорости первые чипы SCSI. Компания SCSI LSI производила кроме контроллеров и другие микросхемы, например, хост-адаптеры и конвертеры (расширители) SCSI. В свою очередь компания Adaptec, в отличие от компании LSI, поскольку в основном ориентировалась на уже готовые продукты, более известна в мире IT под собственным именем. Несколько лет назад компания была продана производителю полупроводниковых устройств PMC и сейчас продукция компании носит название Adaptec by PMC. Компания выпускает устройства для SAS, пережив устройства SCSI [Источник 5] .

История параллельного интерфейса SCSI была долгой и довольно бурной, но, как это бывает, закончилась. Уже более двух лет адаптеры P-SCSI (parallel SCSI) не выпускаются, уступив технологии SAS, уже насчитывающей 2 поколения [Источник 6] .

https://ihdd.ru/scsi-interface-description
https://ru.bmstu.wiki/SCSI_(Small_Computer_Systems_Interface)

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Related Posts