硬件工程师第08章.docx
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硬件工程师第08章
第8章SCSI接O
8.1SCSI（小型计算机系统接口）
SCSI是小型计算机系统接口的缩写，是一种用来将各种类型的设备接入PC的通用接口。
该接口的根部位于SASI（Shugart关联系统接口）上。
SCSI是一种最通用的将高速磁盘驱动器接入高性能PC，如工作站或网络服务器的接口。
SCSI还相当灵活，它不仅是磁盘接口，而且还是系统级接口，允许接入许多不同类型的设备，是可支持多达7个或15个设备的总线。
使用多通道适配器可令每个通道支持多达7个或15个设备。
SCSI控制器称为主机适配器，是SCSI总线与PC系统总线之间的连接器。
每个总线上的设备都有一个内置的控制器。
SCSI总线不能与设备（如硬盘）直接通话，而是与设备内置的控制器通话。
一个单独的SCSI总线可支持多达8个或16个物理部件，通常被称为SCSI标识符（ID）。
这些部件中有一个是PC机上的SCSI主机适配器卡，其余的7个或15个部件可以是其他的外围设备，用户可将磁盘、磁带驱动器、CD-ROM驱动器、图形扫描仪或其他设备连入一个单独的SCSI主机适配器。
大多数系统可以支持最多4个主机适配器，每个主机适配器可支持最多15个设备，这样的系统总共可支持60个设备!
用户甚至可使用双通道适配器，将上述数字翻一番。
SCSI是一种快速接口，通常安装于高性能的工作站、服务器或者任何需要高性能存储系统接口的系统中，最新的Ultra4（Ultra320）SCSI版本支持的传输速率可达320MB／sec。
用户在购买一个SCSI设备（如SCSI硬盘）时，通常同时买回去的是装在同一个电路板上的设备、控制器和SCSI适配器，这样，该设备可以直接接入SCSI总线。
这种类型的设备通常称为嵌入式SCSI设备——SCSI接口被嵌入到设备中。
例如，大多数SCSI硬盘驱动器在技术上与IDE（集成驱动器电路）硬盘驱动器是相同的，但是SCSI硬盘驱动器在控制器板上添加了SCSI总线适配器电路（一般是一个单独的芯片）。
用户不需要知道SCSI设备内部用的是哪种类型的控制器。
因为控制器不像标准IDE驱动器可以直接插入系统总线，实际上，通信要通过安装在系统总线上的SCSI主机适配器进行。
仅使用SCSI协议就可以访问驱动器。
Apple公司最初将SCSI作为解决连接问题的一种较便宜的方法，将其放入Macintosh中。
当Apple的工程师发现他们错误地将Macintosh造成了一个封闭系统（没有扩展槽）时，他们认为要获得可扩展性最简单的方法是将一个SCSI端口装入系统，这就是外部设备最初加入无插槽的Macintosh的方法。
当然，为了保持与旧产品兼容，他们使用的是非标准的SCSI连接器。
现在，Apple设计了最新式的，带扩展槽、USB（通用串行总线）和FireWire（iLINK或IEEE-1394）的系统，SCSI作为Macintosh的嵌入式选项已逐渐被淘汰。
由于PC系统总是可扩展的，对SCSI的需求已经不再迫切了。
由于PC兼容系统中有多达8个以上的插槽可支持不同的设备和控制器，因此SCSI看起来并不是系统扩展的必需部件。
事实上，对于支持便宜的嵌入式USB端口作为外部扩展的现代PC而言，大多数情况下只有最高性能成为关键问题时才必须使用SCSI设备。
SCSI由于其提供的性能和扩展性，在基于PC的工作站市场上已成为广受欢迎的选择。
最初PC市场上阻碍SCSI被接受的一个原因是缺乏真正的标准。
SCSI标准最开始由某一个公司制订，后来成为受委员会控制的公共标准，从此之后，没有哪个单独的制造商可以控制它。
注意大多数与硬件捆绑在一起的SCSI主机适配器，如图形扫描仪或SCSICD-ROM、CD-R或CD-RW驱动器，不包括用于支持多个SCSI设备或可启动的SCSI硬盘的所有特性。
这与SCSI规范说明是无关的。
这种情况仅仅是因为制造商为了节约资金而使用了SCSI适配器的最简版本。
除了支持与之相连的设备的所有功能外，它不具有任何其他功能。
只有使用了正确的适配器和驱动程序，SCSI卡才可以在一个系统中支持所有的包括从硬盘驱动器到光驱、扫描仪和磁带驱动器等等的SCSI设备。
起初，SCSI适配器缺少对SCSI总线上的硬盘引导程序的兼容性。
由设备进行引导以及对不同操作系统的使用所出现的问题源于缺少软件接口标准。
PC系统上的标准BIOS软件可用来与ST-506／412、ESDI或ATA（IDE）硬盘及设备进行通话。
SCSI与ATA／IDE的不同之处在于SCSI有一组ROMBIOS例行程序，可支持系统进行自引导，而且，该种BIOS支持对用户使用的SCSI主机适配器是惟一的，因此，除非主机适配器嵌入到用户主板中，否则主板BIOS不具有该特性。
支持SCSI硬盘的SCSI主机适配器的BIOS就位于SCSI主机适配器本身上。
注意有关ST-506／412接口和ESDI接口的更多信息，请参见“ST-506／412接口”及“ESDI接口”部分，该部分在本书随书所附光盘的技术参考资料一节中。
对这两种技术更多的
讨论可参见《PC升级与维护》（第6版），在本书所带CD中的PDF文档中。
由于开发支持SCSI的系统软件（操作系统和ROM）是由Apple公司领导的，因而外围设备都使用相当标准的方法与Apple系统进行连接。
直到近期，PC世界中对SCSI标准的缺乏才得以改变。
这种情况的极大改变是Windows95及其后继版本所导致的，该系统中包括了大部分市场上常见的SCSI适配器和外围设备的驱动程序。
近些时候出现的Windows98／Me和Windows2000包括了更多的驱动程序并且可支持内置的SCSI适配器和设备。
许多PC制造商对用于高端系统的SCSI进行了标准化。
在这些系统中，SCSI主机适配器卡插在一个插槽中，或者系统具有嵌在主板中的SCSI主机适配器。
由于这种方案用一根单独的电缆从主板连入SCSI设备，因而其外观与IDE接口很相似。
SCSI每个总线可支持7或15个附加设备（有些设备可以不是硬盘），而IDE仅能支持4个设备（每个控制器支持2个）。
另外，SCSI可支持比IDE更高类型的除硬盘以外的设备。
IDE的设备必须是硬盘、IDE类的CD-ROM驱动器或磁带驱动器、LS-120高级磁盘驱动器、Zip驱动器等等。
带SCSI驱动器的系统由于几乎任何第三方SCSI设备都可插入并运行，因而很容易升级。
8.2ANSISCSI标准
SCSI标准定义了用于以菊花链连接的计算机和外围设备的并行I／O总线的物理和电气参数。
该标准支持的设备有硬盘、磁带驱动器和CD-ROM驱动器。
最初的SCSI标准（ANSIX3.131-1986）于1986年被通过，SCSI-2于1994年1月被通过，SCSI-3的第一部分于1995年被通过。
请注意，SCSI-3已发展成为具有大量不同章节的很庞大的标准，并且随着技术发展不断进化、成长。
由于它已被划分为多个标准，因此，实际上是没有SCSI-3这个标准代号的。
SCSI接口被ANSI（美国国家标准协会）特别是被称为T10的委员会定义为标准。
T10是信息技术标准国家委员会（NCITS）的一个技术委员会。
NCITS被ANSI所承认并且按ANSI所制订的规章运作。
这些规章用于保护由业界组织自发开发的非官方标准。
NCITS开发了信息处理系统标准，而ANSI鉴于其已被开发而批准了该过程并公开发表。
所有与SCSI标准相关的工作草案副本可以从T10技术委员会网站下载，网址为：
http:
//www.t10.org。
最初的SCSI-1文档的一个问题在于许多命令和特性是可选的，并且对于某特定外围设备支持预期命令只有很少或根本没有任何保证。
该问题导致了整个业界定义了18个基本SCSI命令，称为公共命令集（CCS），并且成为所有外围设备必须支持的最小命令集。
CCS成为SCSI-2规范的基础。
随着对CCS的正式支持，SCSI-2提供了附加的访问CD-ROM驱动器（及其声音兼容性）、磁带驱动器、可移动驱动器、光驱和其他外围设备的命令定义。
另外，还定义了称为快速SCSI-2的可选的更高速版本和称为宽带SCSI-2的16位版本。
SCSI-2的另外一个特性是命令排队，它可令一个设备接收多个命令并按该设备认为的最高效的顺序执行。
这种特性对于使用多任务操作系统的用户最有益处，它可以同时向SCSI总线发送多个请求。
X3T9小组于1990年8月通过了将SCSI-2标准作为X3.131-1990，但是该文档在最终ANSI发布之前于1990年12月时被取消另作修改。
最终通过SCSI-2文档已到了1994年1月，而它只比原1990年的版本略作修改。
SCSI-2文档现在被称为ANSIX3.131-1994。
官方文档由全球工程文档或ANSI委员会提供——这两者都已加入CD中的厂家列表。
你还可以从前面给出的T10技术委员会网站上下载这些文档的工作草案。
大多数公司表示其主机适配器遵循ANSIX3.131-1986（SCSI-1）和X3.131-1994（SCSI-2）标准。
请注意，由于实质上SCSI-2支持SCSI-1的所有部分，因此，实际上任何SCSI-1设备也可以默认为是SCSI-2设备。
许多制造商宣称其设备是SCSI—2的，但这绝不意味着这些设备可以支持SCSI-2修订本中加入的任意的可选特性。
例如，SCSI-2规范的某可选部分包括在一个快速同步模式，可令标准的同步传输速率从5MB／秒翻番至10MB／秒。
这种快速SCSI传输模式与16位宽SCSI联合使用可使传输率达到20MB／秒。
SCSI—2中定义了一个可选的32位版本，但部件制造商因为其太贵而没有选用。
实质上，32位SCSI是一个死于腹中的规范，就如同它被从SCSI-3标准中提取出来一样。
大多数SCSI实现的是8位标准SCSI或16位快速／宽带SCSI。
即使那些不支持快速或宽模式的设备也仍然被认为是SCSI-2的。
SCSI—3被分割为一些不同的标准。
SPI（SCSI并行接口）标准控制着SCSI设备之间的并行互连，是我们这里要讨论的重点。
迄今为止，SPI已出现了SPI、SPI-2、SPI-3及SPI-4等一系列版本。
SPI-3之前的版本已公布，而SPI-4仍是草案。
容易引起混乱的是如表8-1所示的用于描述较新SPI（SCSI并行接口）标准的术语。
表8-1SPI（SCSI并行接口）标准
SCSI-3标准
别名
速度
吞吐率
SPI
UltraSCSI
Fast-20
20／40MB／s
SPI-2
Ultra2SCSI
Fast-40
40／80MB／s
SPI-3
Ultra3SCSI
Fast-80DT
160MB／s
SPI-4
Ultra4SCSI
有些公司也将SPI-3或Ultra3SCSI称为Ultra160或Ultra160+SPI-4或Ultra4SCSI也称为Ultra320或Ultra320+。
Ultra160／320可命名给任何包含Ultra3／4SCSI规范5个主要特性中的前3个的设备，Ultra160／320+可命名给任何支持Ultra3／4SCSI全部5个主要特性的设备。
表8-2所示为SCSI总线在不同速度、带宽的最大传输率以及用于特定传输带宽所带的电缆类型。
表8-2SCSI类型、数据传输率及电缆
SCSI标准
SCSI技术
销售术语
时钟脉冲速度（MHz）
传输带宽
传输速度（MB/s）
最大可接入设备数
电缆类型
最大长度（SE）
最大长度（HVD）
最大长度（LVD）
SCSI-1
异步
异步
5
8位
4
7
A（50针）
6米
25米
—
SCSI-1
Fast-5
同步
5
8位
5
7
A（50针）
6米
25米
—
SCSI-2
Fast-5／宽带
宽带
5
16位
10
15
P（68针）
6米
25米
—
SCSI-2
Fast-10
快速
10
8位
10
7
A（50针）
3米
25米
—
SCSI-2
Fast-10／宽带
快速／宽带
10
16位
20
15
P（68针）
3米
25米
—
SPI
Fast-20
Ultra
20
8位
20
7
A（50针）
3米①
25米
—
（SCSI-3）
1.5米
SPI
Fast-20／宽带
Ultra／宽带
20
16位
40
7
P（68针）
3／1.5米①
25M
—
（SCSI-3）
SPI-2
Fasr-40
Ultra2
40
8位
40
7
A（50针）
—
—
12米②
（SCSI-3）
SPI-2
Fast-40／宽带
Ultra2／宽带
40
16位
80
15
P（68针）
—
—
12米②
（SCSI-3）
SPI-3
Fast-80DT
Ultra3
40③
16位
160
15
P（68针）
—
—
12米②
（SCSI-3）
（Ultra160）
SPI-4
Fast-160DT
Ultra4
80③
16位
310
15
P（68针）
—
—
12米②
SCSI-3
（Ultra320）
*不包括主机适配器
电缆长度用米计数，25米=80英尺、12米=40英尺、6米=20英尺、3米=10英尺、1.5米=5英尺。
SE=单端信号。
HVD=高压差分信号，已作废。
LVD=低压差分信号。
SPI=SCSI并行接口，SCSI-3的一部分。
DT=双向传输或者每时钟周期变换2次，仅对16位而言。
①如果总线的设备超过3个（不包括主机适配器在内），UltraSCSI电缆总长被限制在1.5米之内。
最多允许接入7个设备。
②如果只有一个设备，则Ultra2和Ultra3SCSI可使用25米的电缆。
③Ultra3（Ultra160）SCSI每时钟周期变换2次，且仅对16位而言。
注意A电缆是标准的50针SCSI电缆，而P电缆是设计用作16位传输的68针电缆。
高压差分（HVD）信号从未被广泛使用，而且现在也已废去不用。
LVD（低压差分）信号用于Ultra2和Ultra3模式，以提高性能和布线长度。
电缆引脚引线的连接在本章表8-3至8-6中列出。
SCSI具有正、反兼容性，也即，用户可以用较慢的主机适配器在总线上运行较快的设备，相反情况也可以。
每种情况下，整个总线按最低公分母速度运行。
事实上，如前所述，几乎任何SCSI—1设备都可以合理地称为SCSI-2（甚至SCSI-3）设备，因为其后继版本的改善都是可选的。
当然，在较慢的老式主机适配器中是无法获得高速模式的优势的。
基于同样的原因，用户可以购买Ultra3的SCSI主机适配器而仍使用老式的标准SCSI设备，也可以使用电缆适配器在同一个总线上混合使用8位和16位设备。
8.3SCSI-1
SCSI-1是第一个对SCSI的实现，官方称之为ANSIX.131-1986。
SCSI的主要特性有：
·8位并行总线。
·5MHz异步或同步操作。
·4MB／秒（异步）或5MB／秒（同步）的吞吐率。
·带有低密度针头内部连接器和中央化外部连接器的50针电缆。
·单端（SE）非平衡传输。
·无源终端。
·可选的总线奇偶校验。
SCSI-1现在已不再使用。
事实上，该标准已被ANSI撤消并由SCSI-2取代之。
8.4SCSI-2
SCSI-2被官方称为ANSIX3.131-1994。
SCSI-2规范实际上是SCSI-1的改良版本，对SCSI-1规范中的某些部分进行了压缩并添加了一些新特性和可选项。
一般而言，SCSI-1和SCSI-2的设备是可兼容的，但SCSI-1设备不具有SCSI-2中的附加特性。
SCSI-2中修改的部分很少。
例如，SCSI-1允许SCSI总线奇偶校验作为可选项，而SCSI-2中。
奇偶校验是必须实现的。
奇偶校验位是作为一个验证位而发送的附加位，用于保护数据传输不会被中断。
另一个要求是启动设备，如主机适配器，要具有向接口提供终结符的能力，而大多数设备已经可以作到这一点。
SCSI-2还增加了若干可选的特性：
·快速SCSI（10MHz）。
·宽带SCSI（16位传输）。
·命令排队。
·新命令。
·高密度50针电缆连接器。
·用于改良的单端（SE）传输的活动（Alternative2）终端。
·用于延长总线长度的高压差分（HVD）传输（与同一总线上的SE不兼容）。
宽带SCSI允许总线上的并行数据传输带宽为16位。
较宽的连接需要新型电缆。
标准的50线8位电缆称为A类电缆。
SCSI-2最初定义了一种特殊的68线B类电缆，用于联合A类电缆作为32位宽的传输，但是，由于缺乏工业支持并且增大了开销，因此，32位SCSI从未真正实现并最终被移至SCSI-3规范中。
同样，现在存在着两种不同的SCSI电缆，称为A类电缆和P类电缆。
A类电缆指具有50针连接器的SCSI电缆，而P类电缆指的是具有68针连接器的SCSI电缆。
如果用户要连接宽带SCSI设备并想工作在16位模式下，那么需要使用P类电缆。
P类电缆直到SCSI-3才被官方放入标准之中。
快速SCSI指的是高速同步传输能力。
快速SCSI在标准8位SCSI电缆上可达到10MB／s的传输率。
在与16位宽带SCSI接口连接时，可使传输率达到20MB／s（称为快速／宽带）。
高密度连接器允许更小、更高效的连接器和电缆设计。
在SCSI-1中，一个启动设备，如主机适配器，被限制为只能向每个设备发送一个命令。
而SCSI-2中，主机适配器可向一个单独的设备发送多达256个命令，在SCSI总线上的该设备作出反应之前，由内部存储并处理这些命令。
目的设备甚至可以对这些命令重新排序以获得最高效的执行或性能。
这对于多任务环境，如OS／2和WindowsNT，最有效用，因为它们可以获得该特性的优势。
SCSI-2中包含了工业界普遍使用并最终成为官方标准一部分的公共命令集。
CCS主要为磁盘驱动器而设计，不包括为其他类型设备而设计的特殊命令。
SCSI-2中，许多老命令被重写，同时添加了一些新命令。
新命令集主要针对CD-ROM、光驱、扫描仪、通信设备和媒体转换器（如点播机）。
单端SCSI总线依靠非常严格的终端容错度来确保工作的可靠性。
不幸的是，SCSI-1文档中最初定义的132欧姆无源终端不能在现在较高的同步传输速度下工作。
这种无源终端当传输率增长或总线上的设备数增长时会导致信号反射并出错。
SCSI—2定义了一种主动终端，将终端阻抗降至110欧姆并提高了系统的完整性。
请注意，LVDSCSI需要特殊的LVD终端连接器。
如果在带有LVD设备的总线上使用SE终端连接器，那么设备将无法工作，或者如果设备是多状态设备，那么默认由SE执行操作。
上述特性不是必需的，在SCSI-2规范中它们是可选项。
例如，将一个标准SCSI主机适配器连接在高速SCSI设备上，那么该接口是可以工作的，只不过它只能工作在标准SCSI速度下。
8.5SCSI-3
术语SCSI-3用来描述当前开发的一组标准。
简而言之，它是未来产品要遵循的下一代标准。
与SCSI-1和SCSI-2不同的是，SCSI-3不是一个包含SCSI所有的层和接口的文档，而是一个包含着主要命令、特殊命令集和电气接口及协议的文档集合。
其命令集包括硬盘接口命令、磁带驱动器的命令、RAID（廉价磁盘冗余阵列）的控制器命令及其他命令。
其中还包括一个物理和电气接口的总体SCSI体系结构模型（SAM）以及一个用于控制最常用的SCSI形式的SCSI并行接口（SPI）。
该标准内的每个文档现今都是一个带有自己修订级的独立出版物，例如，SCSI-3中SCSI并行接口（SPI）有3个不同的发行版本。
一般地我们不再将SCSI-3看作一个特定接口，而是使用SCSI-3的某个特定子集，如SPI-3（Ultra3SCSI）。
SCSI-3附加的主要内容包括：
·Ultra2（Fast-40）SCSI。
·Ultra3（Fast-80DT）SCSI。
·Ultra4（Fast-160DT）SCSI。
·新的低压差分（LVD）信令。
·去掉了高压差分（HVD）信令。
将SCSI-3分为几个较小的单个标准有利于标准整体上更快地发展。
这些单个子标准现在可以单独发布，而不必等整个标准全部被通过。
图8-1所示为SCSI-3的主要部分。
市场上可见的对SCSI-3的主要修改，包括新的Fast-40（Ultra2）和Fast-80DT（Ultra3）高速驱动器及适配器。
这些特性令SCSI性能提高至160MB／s。
新增内容还有低压差分（LVD）电气标准，可延长电缆长度。
老式的高压差分（HVD）信令已从标准中删除。
许多用户对SCSI的速率变化感到困惑。
一部分问题是因为对速率的度量同时使用了时钟频率（MHz）以及传输率。
8位传输指每次传输一个字节（8位），因此，如果时钟是40MHz（Fast-40或Ultra2SCSI），那么传输速率就是40兆字节每秒（MB／s）。
另一方面，如果使用宽带（16位）传输，而时钟速度仍保持在40MHz，那么传输速率可翻番达到80MB／s。
对于Fast-80DT，总线速率仍维持在40MHz，但若每个时钟周期传输两次，则吞吐率可达160MB／sec。
同样地对于Ultra4SCSI，总线速率为80MHz，每次传输2字节数据，而每个时钟周期传送2次。
Ultra4也称为Ultra320，这是目前最快的并行SCSI。
图8-1SCSI-3体系结构
最后令人感到困惑的是，SCSI的速率或模式在使用时有时用官方术语，如Fast-10、Fast-20、Fast-40、Fast-80DT，有时用与之相对的销售术语，如Fast、Ultra、Ultra2和Ultra3（也称为Ultra160）。
有关SCSI官方术语、销售术语和速率的细目分类请参见表8-2。
进一步发展了的SCSI最常用形式的定义在SCSI-3中的SPI（SCSI并行接口）标准里。
SPI标准的详细叙述在下面的章节中进行介绍。
8.5.1SPI或UltraSCSI
SCSI并行接口（SPI）标准是紧随SCSI-3下命名的第一个SCSI标准，官方称为ANSIX3.253-1995。
大多数市场销售部门也称SPI为UltraSCSI，它定义了并行总线的连接和信号。
一个称为SCSI互锁协议（SIP）的独立文档定义了并行命令集。
SIP被收入后来的SPI-2和SPI-3的修订版，并且不再作为一个独立的文档。
SPI或UltraSCSI增加的主要特性有：
·Fast20（Ultra）速率（20或40MB／s）。
·为宽带SCSI定义了68针P类电缆和连接器。
SPI最开始包括的速率可达FastSCSI（100MHz），使用16位宽总线时传输速率可达20MB／s。
后来，Fast-20（20MHz），通常称为UltraSCSI，被加入至附录文档（ANSIX3.277-1996），在16位宽总线（通常称为Ultra／宽带）上的吞吐率可达40MB／s。
8.5.2SPI-2或Ultra2SCSI
SPI-2也称为Ultra2SCSI，官方发布为ANSIX3.302-1998，它比前述版本
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