Шина SCSI

6. Шина SCSI

Шина SCSI (Small Computer System Interface - cистемный интерфейс малых компьютеров, произносится "скази") была стандартизована ANSI (American National Standards Institute - Американский институт стандартов) еще в 1986 году. Интерфейс предназначен для соединения устройств различных классов - памяти прямого и последовательного доступа, CD-ROM, оптических дисков однократной и многократной записи, устройств автоматической смены носителей информации, принтеров, сканеров, коммуникационных устройств и процессоров. Устройством SCSI (SCSI Device) - называется как хост-адаптер, связывающий шину SCSI с какой-либо внутренней шиной компьютера, так и контроллер целевого устройства - target controller, с помощью которого оно подключается к шине SCSI. С точки зрения шины все устройства могут быть равноправными и являться как инициаторами обмена, так и целевыми устройствами, однако чаще всего в роли инициатора выступает хост-адаптер. К одному контроллеру может подключаться несколько периферийных устройств, по отношению к которым контроллер может быть как внутренним, так и внешним. Широкое распространение получили периферийные устройства со встроенным контроллером SCSI (embeded SCSI controller), к которым, например, относятся накопители на жестких магнитных дисках, CD-ROM, стриммеры.

По физической реализации интерфейс является 8-битной параллельной шиной с тактовой частотой 5 МГц. Шина допускает подключение до 8 устройств, скорость передачи данных в первоначальной версии достигала 5 Мбайт/с. Впоследствии (1991 г.) появилась новая спецификация - SCSI-2, расширяющая возможности шины как в количественных, так и в качественных показателях. Тактовая частота шины Fast SCSI-2 достигает 10 МГц, а Ultra SCSI-2 - 20 МГц. Разрядность данных может быть увеличена до 16 бит - эта версия называется Wide SCSI-2 (широкий), а 8-битную версию назвали Narrow (узкий). 16-битная шина позволяет увеличивать число устройств до 16. Стандарт SCSI-2 определяет и 32-битную версию интерфейса, но такие устройства пока не распространены из-за неоправданно высокой стоимости интерфейса. Комбинации тактовой частоты и разрядности обеспечивают широкий диапазон пропускной способности, достигающей 40 Мбайт/с для реальной версии Ultra Wide SCSI-2.

Спецификация SCSI-2 определяет систему команд, которая включает набор базовых команд, обязательных для всех периферийных устройств, и специфических команд для периферии различных классов. Стандарт полностью описывает протокол взаимодействия устройств на шине, включая структуры передаваемой информации. Поддержка устройствами возможности исполнения цепочек команд, очередей (до 256 команд) и независимости их работы друг от друга обуславливают высокую эффективность применения SCSI в многозадачных системах. Возможность присутствия на шине более одного контроллера (инициатора обмена) позволяет обеспечить разделяемое использование периферии несколькими компьютерами, подключенными к одной шине.

SCSI-3 - дальнейшее развитие стандарта, направленное на увеличение количества подключаемых устройств, спецификацию дополнительных команд, поддержку Plug and Play. SCSI-3 существует в виде широкого спектра документов, определяющих отдельные стороны интерфейса. Транспортный уровень может использовать различные протоколы с соответствующей поддержкой физических соединений:

·     SIP (SCSI-3 Interlocked Protocol) - протокол обмена традиционного интерфейса, физически реализуемый параллельным интерфейсом SCSI.

·     FCP (Fibre Channel Protocol) - протокол оптоволоконного канала с соответствующим физическим уровнем FC-PH со скоростью передачи данных 100 Мбайт/с.

·     SBP (Serial Bus Protocol) - протокол последовательной шины, реализуемый интерфейсом 1394 (FireWire).

·     GPP (Generic Packetized Protocol) - обобщенный пакетный протокол, реализуемый любым пакетным интерфейсом.

·     SSP (Serial Storage Protocol) - последовательный протокол памяти.

Современные устройства с интерфейсом SCSI выпускаются в соответствии со стандартом SCSI-2 или SCSI-3. В отличие от стандарта SCSI-2, который явно подразумевал более высокую производительность шины и устройств, чем SCSI-1, заявка о поддержке устройством стандарта SCSI-3 непосредственно на повышение производительности не указывает. Эта заявка прямо означает лишь соответствие новому поколению документов. Однако всвязи с общей тенденцией к росту производительности устройства SCSI-3 в большинстве случаев показывают более высокую производительность, чем SCSI-2. Стандарт SCSI-3 предполагает различные варианты протокольного и физического уровня интерфейса, включающие как параллельные, так и последовательные шины.

Для параллельных шин скорость передачи данных определяется частотой передач, измеряемой в миллионах передач за секунду - MT/sec (Mega Transfer/sec) и разрядностью. Название SCSI Fast указывает на частоту передач 10 MT/sec, временные диаграммы для такого режима определены в SCSI-2. Название SCSI Fast-20 указывает на частоту передач 20 MT/sec. Этот режим, более известный как SCSI Ultra, определен для параллельного интерфейса в SCSI-3. SCSI Fast-40 указывает на частоту передач 40 MT/sec. Этот режим, определенный в SCSI-3 и называемый как Ultra2 SCSI, в настоящее время является самым быстрым для параллельной шины. Он реализован только в низковольтной дифференциальной версии интерфейса LVD. Для будущих версий стандарта в SCSI-3 заложен режим и SCSI Fast-80, но говорить о его реализации еще преждевременно. Изначально разрядность шины SCSI составляла 8 бит в “узкой”(Narrow) версии. "Широкий" (Wide) вариант шины, появившийся с SCSI-2, имеет разрядность 16-бит (32-битные расширения не распространены). Скорость передачи данных для различных вариантов параллельной шины приведена в таблице 1.

Таблица 1. Скорость передачи данных по параллельной шине SCSI.

*реализации не встречаются

Разрядность шины, бит	Разновидность
	Обычный	Fast	Fast-20 (Ultra)	Fast-40 (Ultra2)
8 (Narrow)	5 Мбайт/с	10 Мбайт/с	20 Мбайт/с	40 Мбайт/с
16 (Wide)	10 Мбайт/с	20 Мбайт/с	40 Мбайт/с	80 Мбайт/с
32 (Wide) *	20 Мбайт/с	40 Мбайт/с	80 Мбайт/с	160 Мбайт/с

Интерфейс Ultra2 SCSI обеспечивает прекрасное сочетание пропускной способности шины при ее большей длине, цены устройств и совместимости с традиционными устройствами SCSI. Здесь используется дифференциальная передача сигналов, но с низким уровне напряжения. В настоящее время традиционный дифференциальный интерфейс получил название "высоковольтный" - High Voltage Differential (HVD), поскольку в SCSI-3 ему появилась низковольтная альтернатива - Low Voltage Differential (LVD). Низковольтный вариант позволяет достичь частоты передачи 40 MT/sec при длине шины до 25 м (до 8 устройств) или до 12 м (до 16 устройств). Новые устройства с интерфейсом LVD могут иметь возможность работы на шине вместе с устройствами с линейным (Single ended) интерфейсом - для этого их буферные схемы содержат автоматический определитель типа интерфейса. Однако эта совместимость относится только к LVD - традиционные устройства с HVD могут работать только с себе подобными.

Последовательный интерфейс FCAL (Fibre Channel Arbitrated Loop - арбитражное кольцо волоконного канала) по реализации ближе к интерфейсам локальных сетей. Этот интерфейс, известный также и как Fibre Channel SCSI, может иметь как электрическую (коаксиальный кабель), так и оптоволоконную реализацию. В обоих случаях частота 800 МГц обеспечивает скорость передачи данных 100 Мбайт/с. Медный кабель допускает длину шины до 30 м, оптический - до 10 км. Здесь используется иной протокольный и физический уровни интерфейса и имеется возможность подключения к шине до 126 устройств (а не 8 или 16, как для параллельного интерфейса). Двухпортовые устройства могут достигать пиковой скорости обмена до 200 Мбайт/с.

В настоящее время наибольшее распространение имеют устройства SCSI-2 и SCSI-3, которые в значительной степени сохраняют совместимость и с исходной версией, теперь называемой SCSI-1. Однако смешивать устройства SCSI-1 и SCSI-2 на одной шине не эффективно, да и не всегда возможно из-за некоторых проблем.

Все устройства на шине должны быть согласованно сконфигурированы. Для них требуется программно или с помощью джамперов установить следующие основные параметры:

Идентификатор устройства - SCSI ID - адрес 0-7 (для Wide-SCSI допустимы адреса 0-15), уникальный для каждого устройства на шине. Обычно хост-адаптеру, который должен иметь высший приоритет, назначается адрес 7 (15 для Wide SCSI). Контроль паритета - SCSI Parity. Если хоть одно устройство на шине не поддерживает контроль паритета, он должен быть отключен на всех устройствах данной шины. Контроль паритета, особенно для дисковых устройств, является надежным средством защиты от искажения данных при передаче по шине.

·     Включение терминаторов - Termination. В современных устройствах применяются активные терминаторы, которые могут включаться одним джампером или даже программно-управляемым сигналом. Терминаторы должны быть включены только на крайних устройствах в цепочке. Современные хост-адаптеры позволяют автоматически включать свой терминатор, если они являются крайними, и отключать, если используются внутренний и внешний разъем канала. Корректность использования терминаторов имеет существенное значение - отсутствие одного из терминаторов, или, наоборот, лишний терминатор может привести к неустойчивости или потере работоспособности интерфейса.

Питание терминаторов - Terminator Power. Питание терминаторов джампером или программно должно быть включено хотя бы на одном устройстве, когда используются активные терминаторы (а в современных устройствах они используются всегда). Согласование скорости синхронного обмена - SCSI Synchronous Negotiation. Режим синхронного обмена, обеспечивающий высокую производительность, включается по взаимному согласованию устройств. Однако если хоть одно устройство на шине его не поддерживает, согласование необходимо запретить на хост-адаптере. При этом, если обмен будет инициирован синхронным устройством, хост-адаптер поддержит этот режим. Старт по команде - Start on Command, или задержанный старт - Delayed Start. При включении этой опции запуск двигателя устройства выполняется только по команде от хост-адаптера, что позволяет снизить пик нагрузки блока питания в момент включения. Хост будет запускать устройства последовательно. Разрешение отключения - Enable Disconnection. Выбор этой опции позволяет устройствам отключаться от шины при неготовности данных во время длительных операций с носителем, что весьма эффективно используется в многозадачном режиме при нескольких периферийных устройствах на шине. Однако в случае одного устройства на шине отключение приведет только к дополнительным затратам времени на повторное соединение.

Хост-адаптер SCSI является важнейшим узлом интерфейса, определяющим производительность подсистемы SCSI-устройств. Существует широкий спектр адаптеров, начиная от простейших, к которым можно подключать только устройства, не критичные к производительности. Такие адаптеры иногда входят в комплект поставки сканеров, и подключение к ним диска может оказаться неразрешимой задачей. Высокопроизводительные адаптеры имеют собственный специализированный процессор, большой объем буферной памяти и используют высокоэффективные режимы прямого управления шиной для доступа к памяти компьютера.

Конфигурирование SCSI хост-адаптеров c точки зрения шины SCSI не отличается от конфигурирования других устройств. Для современных адаптеров вместо джамперов используется программное конфигурирование. Утилита конфигурирования обычно входит в расширение BIOS, установленное на плате адаптера, и приглашение к ее исполнению выводится на экран при инициализации во время POST.

Как и всякая карта расширения, хост-адаптер должен быть сконфигурирован и с точки зрения шины расширения, к которой он подключается. Адаптеры SCSI существуют для всех шин: ISA (8-16 бит), EISA, MCA, PCI, VLB, PCMCIA. Существуют адаптеры для параллельного порта. Многие новые системные платы имеют встроенный SCSI-адаптер.

Все устройства SCSI требуют специальных драйверов. Базовый драйвер дисковых устройств обычно входит в BIOS хост-адаптера. Расширения, например ASPI (Advanced SCSI Programming Interface), загружаются отдельно. От организации драйверов сильно зависит производительность устройств SCSI. "Умное" ПО способно эффективно загружать работой устройства, а иногда и "срезать углы" - выполнять копирование данных между устройствами без выхода на системную шину компьютера.

Шина SCSI распространена в больших серверных системах, в системах по обработке графических данных и т.п. В настольных системах шина SCSI распространения не получила из-за своей дороговизны.

7. Шины блокнотных компьютеров

Организация PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association - международная ассоциация производителей карт памяти для персональных компьютеров) ввела ряд стандартов на шины расширения блокнотных компьютеров. Первый из них и назывался PCIMCIA, а впоследствии был переименован в стандарт PC Card. Шина PC Card позволяет подключать расширители памяти, модемы, контроллеры дисков и стриммеров, SCSI-адаптеры, сетевые адаптеры и др. Не очень строгое следование производителей этому стандарту приводит к некоторым проблемам совместимости. Шина адресует до 64 Mбайт памяти, разрядность данных 16 бит, частота до 33 МГц, DMA и Bus-Mastering не поддерживаются. Теоретическая скорость передачи данных до 66 Мбайт/с. Теоретически допускается до 4080 слотов PC Card в PC. Шина ориентирована на программное конфигурирование адаптеров (переключатели на таких маленьких картах не помещаются). Большинство адаптеров выпускается с поддержкой PnP и предусматривают возможность горячего подключения-отключения - интерфейсные карты могут вставляться и выниматься без выключения PC. Для обеспечения горячего подключения контакты шин питания имеют большую длину, чем сигнальные, чем обеспечивается их упреждающее подключение и запаздывающее отключение. Два контакта обнаружения карты (Card Detect) короче остальных. Все устройства имеют свою BIOS-поддержку. Несмотря на возможность динамического конфигурирования, в некоторых случаях при изменении конфигурации требуется перезагрузка системы.

Различают несколько типов PC Card. Электрически идентичные, они различаются по габаритам и совместимы снизу вверх (меньшие адаптеры встают в большие гнезда). Адаптер типа 1 имеет размеры 54 x 85 мм и толщину не более 3.3 мм, типа 2 - размеры 48 x 75 мм и толщину 5 мм, тип 3 - размеры 48 x 75 мм и толщину 10.5 мм.

Все устройства PC Card имеют минимальное энергопотребление. Существуют предпосылки для введения этой шины как дополнительной и в настольные PC. Но на данный момент это не реализовано.

Шина CardBus с тем же 68-контактным разъемом обеспечивает расширение разрядности данных до 32 бит за счет мультиплексирования шины адреса и данных, обеспечивая обратную совместимость с PC Card.

Для карт памяти (динамической, статической, постоянной и флэш-памяти) существует стандарт Miniature Card, представляющий подмножество шины PC Card. Миниатюрная карта размером 33 x 38 x 3.5 мм с 60-контактным разъемом через переходный адаптер может устанавливаться и в слот PC Card типа 2.