摘要：Maxim針對下一代串行SCSI (SAS)系統(tǒng)設計的NexSAS?產(chǎn)品分為四個功能區(qū)：擴展器技術、SAS/SATA支持器件、服務器/機箱/主板管理和信號調(diào)理。本文詳細介紹了第1.5代NexSAS擴展器在技術上的突破。

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)技術的系統(tǒng)進入市場，主要的服務器和存儲器OEM競相推出新的平臺。伴隨著第一代系統(tǒng)的推出，Maxim擴大了其廣受歡迎的NexSAS?產(chǎn)品線。

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

Maxim的NexSAS系列產(chǎn)品分為四個功能區(qū)：擴展器技術、SAS/SATA支持器件、服務器/機箱/主板管理和信號調(diào)理。本文詳細介紹了第1.5代NexSAS擴展器在技術上的突破，討論了NexSAS的多連接STP/SATA橋以及對SAS 2.0分區(qū)的支持。

NexSAS擴展器技術

NexSAS擴展器系列產(chǎn)品設計用于高性能的互聯(lián)設備，采用單功能設計。該設計方法能夠確保從較少端口向刀片服務器、機箱和交換/隔離SAN應用所要求的多端口的可擴展性。

Maxim的所有擴展器都將核心系統(tǒng)功能分為兩個獨立部分：擴展功能和管理功能。擴展功能包括擴展器連接管理(ECM)、擴展器連接路由器(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，取決于具體應用)。

核心功能的另一部分是管理功能，它提供擴展器管理和廠商規(guī)定的機箱管理功能。這一部分還集成了與整個系統(tǒng)互動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展器及工作模式。


圖1. Maxim的第1.5代NexSAS系列擴展器的原理圖

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：

• 高性能開關結(jié)構(gòu)。一個低延遲、無阻塞開關矩陣，可提供高達54Gbps的開關容量(多端口擴展器，低端口數(shù)的擴展器容量會線性下降)。
• Maxim的通用PHY。自配置、自適應PHY能夠以1.5Gbps和3.0Gbps的數(shù)據(jù)速率支持SAS啟動器和SAS/SATA目標器。多PHY的預加重/去加重功能以及多PHY輸出級，充分利用了Maxim 20多年的技術積累。它們可以組合成寬度為n個PHY的SAS“擴展端口”。
• 虛擬啟動器和目標器的容量。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)啟動器、目標器能夠提供可靠的增值業(yè)務，例如自配置、自發(fā)現(xiàn)、SES控制以及偽劣設備的識別。
• 集成式機箱管理(EM)子系統(tǒng)。可靠的機箱管理能力最大程度地保護了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)設計的靈活性。
• 集成式以太網(wǎng)接口。EM子系統(tǒng)包括了兩個10/100以太網(wǎng)MAC，支持刀片服務器或其它需要通過以太網(wǎng)訪問擴展器的應用。
• 多連接STP/SATA橋。利用Maxim的擴展器技術，對原有的STP/SATA橋進行擴展時在啟動器和目標器之間支持兩個并發(fā)(主/主) NCQ連接。這一創(chuàng)新方案有效解決了SAS 1.1中單一連接機制常見的啟動器資源缺乏問題。
• 端對端SAS 2.0分區(qū)。出于安全、控制和性能指標的考慮，NexSAS擴展器同時支持SAS 2.0 PHY解析和地址解析分區(qū)。
• 對第一代器件的其它改進。其它功能包括EPOW、集成A/D轉(zhuǎn)換器、用于可信賴平臺的LPC以及片上存儲器的奇偶校驗保護。

NexSAS系列中，最新推出的產(chǎn)品包括VSC7156 24-PHY、VSC7157 36-PHY和VSC7158 18-PHY擴展器。與前期產(chǎn)品(VSC7153、VSC7154和VSC7155第一代擴展器)一樣，這些器件也是針對企業(yè)服務器、存儲設備和刀片應用設計的。

第1.5代擴展器填補了SAS 1.1和即將推出的SAS 2.0技術規(guī)范之間的空缺，本文介紹2個主要的功能區(qū)別：多連接STP/SATA橋和SAS 2.0分區(qū)，詳情請參考下文。

NexSAS多連接STP/SATA橋

早期設計的合理性和性能局限性

SAS 1.1技術規(guī)范將STP/SATA橋定義為在STP啟動器與SATA目標器(HDD)之間起橋梁作用的擴展組件。如果沒有STP/SATA橋，SAS將不能夠支持串行ATA(SATA)驅(qū)動。

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

• 在SAS擴展器中，STP/SATA橋可實現(xiàn)SATA驅(qū)動到SAS域之間的連接。
• SAS協(xié)議用于建立或切斷主機(啟動器)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。
• 擴展器通常在每個PHY中有一個STP/SATA橋，但是只有在連接到SATA設備時才會激活橋。

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

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

完成指定的啟動器的所有命令后，啟動器應該向STP/SATA橋發(fā)送一個特殊的CLOSE (CLEAR AFFILIATION)，從而解除連接，并允許其它主機訪問驅(qū)動器/資源。

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

任何新技術的推出都會帶來一些意想不到的結(jié)果。傳統(tǒng)的STP/SATA橋結(jié)構(gòu)也是如此，原始設計橋在合理性和性能方面都存在一定的局限，以下簡要介紹這些局限性。

合理性

• 對于連接的時效性沒有明確限制，這意味著一個連接可能是永久建立的。
• 對SATA裝置的有效訪問必須由啟動器發(fā)起；當沒有主/主通信時，可能得不到保證。
• 實現(xiàn)合理的軟件算法對于OEM來說難度較大。
• 現(xiàn)有的STP啟動器并不“規(guī)范”：它們有時可能不解除連接。
• 如果在擴展器STP/SATA橋和啟動器之間存在有效的連接，其它主機則不能完成與該驅(qū)動器的任何連接請求，包括診斷。

性能

• 在負載平衡系統(tǒng)中，單進程訪問SATA硬盤非常慢。

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

新設計克服了傳統(tǒng)的性能局限

第1.5代NexSAS擴展器解決了SAS 1.1 STP/SATA橋的局限問題。通過升級橋的功能，兩個主機可同時對同一SATA驅(qū)動器發(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擴展器支持多連接STP/SATA橋工作，使兩個主機可同時在相同的SATA驅(qū)動器上發(fā)出激活命令

以下簡要介紹新型橋設計的工作原理。

智能連接管理

• 靈活、非獨占斷開策略(允許交迭)，包括：
  • 定時斷開(多種模式和范圍)
  • 完成任何FIS傳輸后斷開
  • 完成數(shù)據(jù)FIS傳輸后斷開
  • 互鎖操作后斷開
• 根據(jù)隊列標簽/上下文自動召回適當?shù)膯悠?主機)

NCQ和PIO命令支持

• SATA驅(qū)動器上允許采用所有32個NCQ命令標簽(或根據(jù)配置使用少數(shù)標簽)
• 管理來自于不同主機的NCQ和PIO命令之間的交互
• 標簽為透明管理，并從驅(qū)動器映射或映射至設備，避免啟動器時間標簽的編碼沖突(不需要特殊的主機軟件或固件)

第1.5代NexSAS擴展器都采用了多連接STP/SATA橋，提高了設計合理性以及系統(tǒng)性能和系統(tǒng)設計的便利性。同樣，所有采用兩個或多個主機共享SATA硬盤的SAS域均會從中受益。它還能夠擴展為將來需要更多激活連接的產(chǎn)品，并完全符合SAS 1.1規(guī)范以及未來的SAS 2.0規(guī)范。

SAS 2.0分區(qū)的基礎知識

當存儲器OEM和集成廠商在引進并采用基于SAS的系統(tǒng)時，都會希望能夠提供流量管理(性能)和安全領域所需的光纖通道及企業(yè)級特性。

為滿足這些需求，在即將推出的SAS 2.0規(guī)范中引入了端對端分區(qū)的概念(關于分區(qū)規(guī)范的最新信息請訪問網(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個設備(啟動器、目標器、擴展器和/或虛擬設備)；然而，在實際應用中，實現(xiàn)如此大的拓撲將困難重重。其實，端對端分區(qū)提供了以較少的邏輯(分段)電路管理較大的物理拓撲的必要機制。SAS分區(qū)提供了控制組內(nèi)及組間存取的概念和機制。

即將推出的SAS 2.0規(guī)范將分區(qū)劃分為2個部分：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)的擴展器的每個PHY分配了一個分區(qū)組；屬于該PHY (或端口，當為寬端口PHY分組時)的所有設備均成為該分區(qū)組的一部分。擴展器中的一個授權表包括訪問控制許可信息，其中列出了不同分區(qū)組中設備之間的會話協(xié)議(默認情況下，一個分區(qū)組中的所有設備均可相互通信)。

PHY解析的分區(qū)非常適合于小型拓撲、刀片服務器或集群應用。

地址解析分區(qū)

地址解析分區(qū)提供了PHY解析分區(qū)所不具備的一個抽象層。在地址解析配置中，自檢測擴展器解析每個設備地址，并形成一個表。該表包括了路由信息和分區(qū)授權。通過表中的授權和分區(qū)組確定任意兩個設備之間能夠進行什么級別的通信。

通常情況下，地址解析分區(qū)用于較大拓撲，或者需要更大規(guī)模控制器的應用。

結(jié)論

沒有放之四海而皆準的真理，無論是SAS還是其它事物。需要根據(jù)應用、連接需求、可擴展性、性能及價格因素，選擇合適的解決方案—創(chuàng)新的功能。值得慶幸的是，Maxim擁有全面存儲網(wǎng)絡產(chǎn)品，為設計人員提供極大的靈活性，可以針對不同的設計挑戰(zhàn)選擇理想的功能組合。