Энциклопедия PC
.pdf800 Глава13. Параллельныешиныпериферийныхустройств— АТАиSCSI
Хост-адаптерSCSI
Хост-адаптер является важнейшим узлом интерфейса, определяющим производительность системы SCSI. Существует широкий спектр адаптеров. К простейшим можно подключать только устройства, некритичные к производительности. Такие адаптеры входят в комплект поставки сканеров, а подключение к ним диска может оказаться невозможным. Высокопроизводительные адаптеры имеют собственный специализированный процессор, большой объем буферной памяти и используют высокоэффективные режимы прямого управления шиной для доступа к памяти компьютера. Адаптеры SCSI существуют для всех шин: ISA (8-16 бит), EISA, MCA, PCI, VLB, PCMCIA — и для параллельного порта. Ряд системных плат имеют встроенный SCSI-адаптер, подключенный к одной из локальных шин. При выборе интерфейса, к которому подключается хост-адаптер, учитывайте производительность — интерфейс не должен стать узким местом при обмене с высокопроизводительными устройствами SCSI. Наибольшую эффективность имеют хост-адаптеры для шины PCI. Конечно, за мощный адаптер для сервераприходитсяплатить— егоценаможетпревышатьценурядовогонастольного компьютера. Еще дороже хост-адаптеры со встроенными контроллерами RAIDмассивов, которые содержат мощный RISC-процессор и большой объем локальнойпамяти.
Конфигурированиехост-адаптеровсточкизренияшиныSCSI неотличаетсяот конфигурирования других устройств. Для современных адаптеров вместо джамперов используется программное конфигурирование. Утилита конфигурирования обычно входит в расширение BIOS, установленное на плате адаптера, и приглашениекеевызовувыводитсянаэкранвовремятестаPOST.
Как и всякая карта расширения, хост-адаптер долженбытьсконфигурирован и с точки зрения шины расширения, к которой он подключается. Системные ресурсыдляшинногоSCSI-адаптеравключают:
»область памяти для расширения ROM BIOS, необходимого для поддержки конфигурирования устройств и дисковых функций (если в системе установлено несколько однотипных хост-адаптеров, для них используется ROM BIOS с одного адаптера, разнотипные хост-адаптеры не всегда могут работатьвместе);
»областьразделяемойбуфернойпамяти;
«областьпортовввода-вывода(I/O port);
»IRQ, — запроспрерывания;
«DMA — канал прямого доступа к памяти (для шин ISA/EISA), часто используемыйдлязахватауправленияшиной(bus mastering).
Всем устройствам SCSI требуются специальные драйверы. Базовый драйвер дисковых устройств входит в BIOS хост-адаптера. Расширения, например ASPI (Advanced SCSI Programming Interface), загружаются отдельно. От драйверов сильно зависит производительность устройств SCSI. «Умное» ПО способно эффективнозагружатьработойустройства, аиногдаи«срезатьуглы» — выполнять копирование данных между устройствами без выхода на системную шину компьютера. Наиболее предпочтительны драйверы, работающие в режиме прямого управления шиной (bus mastering); их применение позволяет реализовать всепреимуществаSCSI вмногозадачныхсистемах.
13.2. ШинаSCSI 801
Подключениеустройствкшине
Подключение устройств к шине SCSI относительно несложно, но имеются нюансы при смешении разнотипных устройств на одной шине. Пропускная способность шины SCSI, «освоенная» компьютером, определяется, естественно, возможностями хост-контроллера. Шина SCSI обеспечивает хорошую совместимость устройств с параллельными интерфейсами разных поколений, «узких» и «широких», но зачастую одно старое устройство способно свести на нет все преимущества подключенных к шине новых устройств. По типу интерфейса совместимыми являются только SE и LVD.
ВНИМАНИЕ———————————————————————————————————————————
СмешиватьустройстваLVD сHVD наоднойшиненельзя!
Устройства LVD можно использовать на одной шине с SE, но при этом все устройства перейдут в режим SE и шина не сможет работать в режиме Ultra2, свойственном устройствам LVD. Интерфейс LVD, являясь дифференциальным, требует, чтобы каждый обратный провод (сигнал +) приходил на вход своего приемника; в версии SE все обратные провода на устройстве соединялись вместе и подключались к шине GND. Если на шине с устройствами LVD имеется хотя бы одно устройство SE, то линия DIFFSENS окажется заземленной и все устройства LVD перейдут в режим SE. При конфигурировании устройство LVD может быть принудительно переведено в режим SE установкой джампера «Force SE».
Если на шине присутствуют устройства Ultra 160 и Ultra2 (или еще ниже), то шина будет работать в самом низком из этих режимов. Принудительно запретить режим UltralGO (понизить до Ultra2) можно джампером «Disable U160».
Подключение «узкого» устройства к «узкой» шине — самая простая задача,
поскольку здесь обычно встречаются лишь два типа разъемов (не считая Мае SCSI)
— внешний (типа Centronics) и внутренний. Устройства должны быть сконфигурированы (см. выше), каждому должен быть назначен уникальный (на шине) идентификатор SCSI ID, формально — любой в диапазоне 0-7. Длина шины не должна превышать допустимого предела, на обоих концах шины (и только там!) должны быть установлены и включены терминаторы. На линию TERMPWR должно подаваться питание (чаще от хост-адаптера), что можно проверить, замерив напряжение на соответствующих контактах разъема.
Подключение«широкого» устройствак«широкой» шинеможетбытьнесколько сложнее, поскольку здесь больше разнообразия в разъемах. Из-за этого может потребоваться применение переходных адаптеров от одного типа разъема к другому. Также могут возникнуть сложности с подключением терминаторов, особенно для устройств LVD, среди которых внутренние терминаторы встречаются редко, а внешние могут занимать отдельный разъем на кабеле. Идентификаторы устройств можно задавать в диапазоне 0-15.
Подключение «узкого» устройства к «широкой» шине требует применения пе-
реходного адаптера с 68на 50-контактный разъем. Старший байт в этом адаптере не должен терминироваться, если подключаемое устройство не крайнее на шине. Если же устройство крайнее, то в адаптере старший байт должен терминироваться и на самом устройстве должен быть установлен терминатор. Выбор положения устройства (крайнее или промежуточное) может определяться име-
802 Глава13. Параллельныешиныпериферийныхустройств— АТАиSCSI
ющимся адаптером. Идентификаторы устройств должны устанавливаться в диапазоне 0-7 для всех устройств, поскольку невидимость идентификаторов 8-15 «узким» устройством не позволит процедуре арбитража нормально работать (см. выше). Поскольку все «узкие» устройства всегда SE, линия DIFFSENS окажется заземленной и все устройства LVD перейдут в режим SE. Существуют, однако, и адаптеры-мосты, при подключении SE-устройства позволяющие остальным находиться в режиме LVD. Определить режим можно, замерив напряжение на 16-м контакте 68-контактного разъема (46-м для80-контактного).
Подключение «широкого» устройства к «узкой» шипе также потребует приме-
нения специального адаптера, и на «широком» устройстве следует установить джампер «Disable Wide». Дополнительно может потребоваться терминатор для старшего байта и относящихся к нему управляющих линий, чтобы обеспечить на них надежное пассивное состояние («висящие» входы восприимчивы к помехам). Некоторые версии встроенного микропрограммного обеспечения позволяют работать устройствам и без дополнительных терминаторов. Идентификаторы всех устройств должны быть в диапазоне 0-7 (по тем же соображениям, что и в предыдущем случае).
Терминаторы
В переводе с английского терминатор — это оконечная нагрузка. Терминаторы приходится устанавливать на концах интерфейсных линий связи в тех случаях, когда длина волны электромагнитного сигнала, передаваемого по линии, оказывается соизмеримой с длиной самой линии. Не вдаваясь в глубокие теоретические основы электротехники, напомним, что существует понятие «длинная линия», и для анализа процессов распространения в ней электрического сигнала приходится учитывать волновые явления. Если на конце А линии установлен источник сигнала, то импульсный сигнал от него распространяется вдоль линии в сторону В с определенной скоростью, составляющей десятки процентов от скорости света в вакууме. Если на конце В нагрузки нет (линия разомкнута), то, дойдя до него, импульс отразится(!) и начнет распространяться в обратную сторону. Отраженный импульс в точке В будет иметь ту же амплитуду и полярность, что и пришедший прямой сигнал. По пути вдоль линии отраженный сигнал будет суммироваться с прямым, распространяющимся от источника. В каждой точке линии мгновенное значение сигнала будет равно сумме мгновенных значений проходящих волн прямого и отраженного сигналов. Если конец, противоположный источнику, замкнут накоротко, то отражение тоже происходит, а отраженный импульс имеет ту же величину, но обратную полярность. Это вполне очевидно, поскольку сумма прямого и отраженного сигналов в точке В будет нулевой — ничего другого на коротком замыкании ожидать не приходится. Мы рассмотрели два крайних случая
— обрыв и замыкание. Теперь заметим, что каждая длинная линия (однородная)
характеризуется своим волновым, сопротивлением, или характеристическим импедансом. Если нашу линию на конце В нагрузить резистором, сопротивление которогоравноимпедансулинии, тоотраженияотэтогоконцанебудет, авесьсигнал поглотится нагрузкой. Это случай полного согласования нагрузки с линией. Если полного согласования нет, то будет отражение, величина и знак которых зависят от того, в какую сторону и в какой степени рассогласована нагрузка с линией. Предельные случаи — обрыв и
13.2. Шина SCSI 803
замыкание — мы рассмотрели, все остальные варианты лежат между ними. Такова теориядлинныхлиний, иеениктопоканеотменял.
Посмотрим, что из этого следует. Источник на конце А посылает последовательность импульсов, которая каким-то образом кодирует передаваемую информацию. Если время прохождения сигнала вдоль всей линии значительно меньше, чем длительность импульса, то отраженный сигнал большого вреда не нанесет — суммарный сигнал будет несколько меньше или больше переданного, но форма результирующего сигнала будет близка к передаваемой. Несогласованностью линий иногда даже сознательно пользуются: так, например, в шине PCI предусматривается удвоение сигнала из-за отражений от разомкнутых (в соответствии со спецификацией) концов сигнальных линий. Если же задержка распространения соизмерима с периодом следования импульсов, то в линии будет сигнальная «каша», «расхлебать» (выделить тот сигнал, который передавался) которую будет под силу далеко не каждому приемнику, установленному на линии. Причемвразныхточкахлиниисмесьпрямогоиотраженногосигналовбудет иметь разную форму. Чтобы избавиться от этих проблем, линии стараются согласовать с нагрузкой — свести отражения к нулю. Заметим, что отражения происходят от обоих несогласованных концов, а также ото всех неоднороднос-тейлинии.
Теперь вернемся к интерфейсной шине SCSI. Эта шина изначально разрабатывалась для связи устройств кабелем, длина которого может доходить до 25 метров (это не АТА с полуметровым шлейфом!). Частота передачи составляет 5, 10, 20, 40 и 80 мегатранзакций в секунду для версий SCSI-1, Fast, Ultra, Ultra2 и UltraS SCSI-2/3 (грубо говоря, здесь можно оперировать и мегагерцами). В шине SCSI всегда требуется установка терминаторов, и в соответствии с определением этого слова они должны устанавливаться на концах физических линий. Терминаторы должны быть согласованы по импедансу с кабелем. Кроме функции согласования, описанной выше, они предназначены и для «подтягивания» уровня сигналов линий к высокому потенциалу. Этим обеспечивается пассивное состояние управляющих сигналов, когда шиной не управляет ни одно устройство. Для питания терминаторов в шине предусмотрены специальные линии TermPWR. Терминаторыразличаютпоэлектрическимсвойствам.
ж Пассивные терминаторы (SCSI-1) с импедансом 132 Ом представляют собой обычные резисторы. Каждая сигнальная линия соединяется резистором 330 Ом сшиной GND и 220 Ом сшиной TermPwr (+5 В). Эти терминаторы плохо согласуются с большинством кабелей, имеющих импеданс 85-110 Ом и непригодны для высокоскоростных режимов SCSI-2 (частоты 20 МГц и выше).
»Активные терминаторы с импедансом ПО Ом — это специальные терминаторы, призванные обеспечивать работу на частоте 20 МГц в SCSI-2. Они имеют источник опорного напряжения (стабилизатор), вырабатывающий нужный потенциал, и каждая линия соединяется резистором 110 Ом с выходом этого источника. Эти терминаторы рекомендуются для всех скоростей, а для частот 20 MT/s и выше — требуются.
»Терминаторы FPT (Forced Perfect Terminator) — улучшенный вариант ак-
тивных терминаторов с ограничителями выбросов. Применяются в высокоскоростныхверсияхинтерфейса.
804 Глава13. Параллельныешиныпериферийныхустройств— АТАиSCSI
Активный терминатор, применяемый для устройств LVD, тоже должен отслеживать линию DIFFSENS и при напряжении ниже 0,7 В переходить в режим SE, при напряжении 0,9-1,9 В — в режим LVD. При напряжении на линии DIFFSENS выше 2,4 В терминатор должен «отпускать» шину, поскольку это соответствует режимуHVD.
По исполнению терминаторы могут быть как внутренними (размещенными на печатной плате устройства), так и внешними (устанавливаемыми на разъемы кабеля или устройства). Внутренние терминаторы на каждом устройстве могут быть включены или выключены. В старых устройствах (SCSI-1) для включения терминаторов нужно было установить набор перемычек или вставить в специальную кроватку сборку резисторов. Активные терминаторы включаются-вык- лючаются перестановкой одного джампера или даже бесконтактно — программно при конфигурировании устройства. Возможно даже автоматическое включение терминатора (если таковая возможность поддерживается устройством и разрешена при конфигурировании). Внешние терминаторы выглядят как разъемы с небольшой крышкой, под которой смонтирована их «начинка». Несмотря на внешнюю простоту, их цена ощутима — активный терминатор для Ultra-Wide SCSI стоит 10-15 долларов. Внешние терминаторы устанавливаются и снимаются тольковручную.
Внутренние терминаторы (или, по крайней мере, панель для их установки) имеются практически во всех устройствах снеLVD-интерфейсом. Вустройствах с LVD-интерфейсом терминаторы, как правило, отсутствуют в целях экономии: когда на шину устанавливается несколько устройств, терминатор используется лишь в последних. Однако при подключении одного устройства экономия на цене устройства незаметна, а вот расходы на приобретение терминатора вполне очевидны.
ВНИМАНИЕ———————————————————————————————————————————
ОтсутствиетерминаторовнаустройствахсLVD неозначаетотказаотправилтерминации!
Рассмотрим различные конфигурации подключения устройств к контроллеру SCSI. Контроллер может быть расположен на карте расширения, устанавливаемой в слот PCI или ISA, или же встроен в системную плату. Устройства, подключаемые к нему, могут быть как внутренними (разного рода дисковые и ленточные устройства), так и внешними (те же, а также сканеры и другие периферийные устройства). Терминаторы расставляются, исходя из конкретных условий.
Правила подключениядостаточно просты:
» концыкабельногошлейфанедолжнывисетьввоздухе(какнарис. 13.11, б); » на устройствах, подключенных кконцамшлейфа, должны быть включены внутренние терминаторы (на рисунке обозначено как TRM=ON) или же установлен внешний (рис. 13.11, г); ® на промежуточных устройствах
терминаторы должны быть отключены
(TRM-OFF).
ЕсликонтроллерSCSI смонтированнадополнительнойинтерфейснойкарте, то разъем, к которому подключаются внешние устройства, расположен достаточно близкоквнутреннему, такчтодлиннойлиниимеждуниминет. Вэтомслучае
13.2. ШинаSCSI 805
терминация внешнего разъема хлопот не доставляет: когда используется только внутреннее (рис. 13.11, а) или только внешнее (рис. 13.11, г) подключение, терминатор на контроллере включают. Когда используется и внешнее, и внутреннее подключение(рис. 13.11, в), терминатор на контроллере отключают.
Рис. 13.11. ПодключениеустройствккартеконтроллераSCSI: а, в, г— правильно; б— неправильно
Если используется внутреннее подключение, а внешние устройства подключаются не все время, то приходится переключать терминатор контроллера в соответствии с текущей конфигурацией. В старых контроллерах приходилось вскрывать системный блок и переставлять джамперы. В новых контроллерах вскрытия не требуется — терминаторы включаются/отключаются программно (утилитой SCSI Setup) или даже автоматически. Если по какой-либо причине переключать терминатор контроллера не хочется, можно его отключить и пользоваться внешним, устанавливая его на внешний разъем (снаружи корпуса компьютера), когда внешние устройства неподключены.
Когда контроллер SCSI установлен на системной плате, он имеет только один разъем, к которому подключается кабель-шлейф. Если требуется только внутреннее или только внешнее подключение (рис. 13.12, а и б), то терминатор на контроллере включают. Если используется и внутреннее, и внешнее подключение (рис. 13.12, в), терминатор на контроллере отключают. Если используется универсальный кабельшлейф с внутренними и внешним разъемами (рис. 13,12, в), но внешних устройств нет, то терминатор на контроллере должен быть отключен, а на внешнем разъеме должен быть установлен внешний терминатор.
Кабели и терминаторы могут входить в комплект адаптеров SCSI или системных плат со встроенным контроллером SCSI, а могут приобретаться отдельно. То, что входит в стандартный комплект поставки, не всегда подходит для конкретного применения. Так, например, в комплекте с системной платой CT6BTS, имеющей контроллер Ultra-Wide SCSI, поставляется универсальный
806 Глава 13. Параллельныешиныпериферийныхустройств— АТАиSCSI
«широкий» (wide) шлейф (как показано на рис. 13.12, в, но с меньшим количеством внутренних разъемов) и «узкий» внутренний. Для подключения только внутренних дисководов Wide SCSI такого комплекта недостаточно: нужен внешний терминатор! Можно, конечно, отрезать часть шлейфа, идущую от разъема, для подключения контроллера квнешнему разъему, ножалко!
Рис. 13.12. ПодключениеустройствкинтегрированномуконтроллеруSCSI
Контроллеры Wide SCSI обычно имеют и разъемы для подключения обычных («узких» — narrow) устройств. На той же системной плате CT-6BTS кроме 68контактного разъема Wide SCSI имеется и 50-контактный для обычных устройств. «Узкий» (8-разрядный) интерфейс можно рассматривать как подмножество «широкого» (16-разрядного), у которого используется только младшая половина шины данных. В простых одноканальных контроллерах (какна этой плате) контакты «узкого» разъема запараллелены с частью контактов широкого. При этом доступна «смесь» широких и узких устройств, для чего терминаторы на контроллере разделены на две половины: терминаторы младшего байта (TrmL) и старшего байта (TrmH) могут управляться независимо. На рис. 13.13, а и б приведены корректные способы смешанного подключения (устройства с терминаторами на концах шлейфов подразумеваются). На рис. 13.13, в приведена некорректная схема — здесь в младшем байте и в сигналах управления окажутся три терминатора (перегрузка передатчиков) или «висячий» конец (отражения!). Заметим, что штатными кабелями из комплекта поставки платы (именно они и изображены на рисунке) корректно смешанное подключение не выполнить.
В заключение заметим, что жизнь всегда разнообразнее наших представлений о ней. Это касается и терминаторов. Если следовать вышеприведенным правилам (и не превышать разрешенную длину и число подключений), то при исправном оборудовании шина SCSI будет работать надежно, как ей и полагается. Если правила нарушать, то возможны варианты. Есть определенные модели контроллеров и устройств, для которых мелкие «шалости» с терминаторами «сойдут с рук». Так, например, может быть прощен (или почти прощен) висящий
13.2. Шина SCSI 807
конец без терминатора (если он не очень длинный). Устройства могут работать (ОС будет загружаться, диски читаться), но, возможно, со сбоями, которые не сразу заметны. Правда, если используется «серьезная» ОС (например, Windows NT), то заглянув в журнал регистрации событий (Event Log), можно увидеть «букет красных фонариков», связанных с устройствами SCSI. «Пышность» этого букета будет зависеть от тяжести нарушений и нрава используемых устройств. Есть модели, придерживающиеся «строгих правил», и при нарушении терминации устройства работать не будут вообще. Как поступать в каждом конкретном случае — зависит от множества обстоятельств (на «лишний» терминатор или кабель другой конфигурации может просто не хватить денег). Но теория, увы, такова.
Рис. 13.13. ПодключениеузкихиширокихустройствSCSI: а, 5— правильно; в—неправильно
Последовательныешины:
USB, FIREWIRE,
FCAL, ACCESS. Bus
Последовательные шины позволяют объединять множество устройств, используя всего 1-2 пары проводов. При этом достигается пропускная способность от 100
Кбит/с для шины ACCESS.Bus до 400 Мбит/с для Fire Wire, 480 Мбит/с для USB 2.0
и 1 Гбит/с для FCAL. Функциональные возможности этих шин гораздо шире, чем у традиционных интерфейсов локальных сетей — USB и Fire Wire способны передавать изохронный трафик аудио- и видеоданных. Последовательные шины по своей организации сильно отличаются от параллельных. В последовательных шинах нет отдельных линий для данных, адреса и управления — все протокольные функции приходится выполнять, пользуясь одной (в USB и ACCESS.Bus) или двумя (в Fire Wire) парами сигнальных проводов или парой оптических волокон (Fibre Channel). Это накладывает отпечаток на построение шинного протокола, который в последовательных шинах строится на пересылках пакетов — определенным образом организованных цепочек бит. Заметим, что в терминологии USB пакеты и кадры имеют несколько иную трактовку, нежели в сетях передачи данных. В параллельных шинах имеются возможности явной синхронизации интерфейсной части ведущих и ведомых устройств; исполнение каждого шага протокола обмена может быть подтверждено, и при необходимости некоторые фазы обмена могут продлеватьсяпо«просьбе» неуспе-
14.1. ШинаUSB 809
вающего устройства. В последовательных шинах такой возможности нет — пакет пересылается целиком, а синхронизация возможна только по принимаемому потоку бит. Эти и другие особенности сближают последовательные шины с локальнымисетямипередачиданных.
Наибольшую популярность имеют шины USB и Fire Wire, хотя последняя пока что в PC-совместимых компьютерах используется не повсеместно. Технологии последовательных шин FireWire и USB, имея общие черты, существенно различаются. Обе шины обеспечивают простое подключение большого числа ПУ (127 для USB и 63 для FireWire), допуская коммутации и включение/выключение устройств при работающей системе. По структуре топология обеих шин достаточно близка, но 1394 допускает большую свободу и пространственную протяженность. Хабы USB входят в состав многих устройств и для пользователя их присутствие зачастую незаметно. Обе шины имеют линии питания устройств, но допустимая мощность для FireWire значительно выше. Обе шины поддерживают технологию РпР (автоматическое конфигурирование при включении/выключении) и снимают проблему дефицита адресов, каналов DMA и прерываний. Различаются пропускная способность шиниуправление ими.
Шина USB ориентирована на периферийные устройства, подключаемые к PC. Изохронные передачи USB позволяют передавать цифровые аудиосигналы, a USB 2.0 способна нести и видеоданные. Все передачи управляются централизованно, и PC является необходимым управляющим узлом, находящимся в корне древовидной структуры шины. Адаптер USB пользователи современных ПК получают почти бесплатно, поскольку он входит в состав всех современных чипсетов системных плат. Правда, адаптеры USB 2.0 первое время будут выпускаться в виде карт PCI. Непосредственное соединение нескольких PC шиной USB не предусматривается, хотя выпускаются «активные кабели» для связи пары компьютеров иустройства-концентраторы.
Шина FireWire ориентирована на устройства бытовой электроники, которые с ее помощью могут быть объединены в единую домашнюю сеть. К этой сети может быть подключен компьютер, и даже не один. Принципиальным преимуществом шины 1394 является отсутствие необходимости в специальном контроллере шины (компьютере). Любое передающее устройство может получить полосу изохронного трафика и начинать передачу по сигналу автономного или дистанционного управления — приемники «услышат» эту информацию. При наличии контроллера соответствующее ПО может управлять работой устройств, реализуя, например, цифровую студию нелинейного видеомонтажа или снабжая требуемыми мультимедийнымиданнымивсехзаинтересованных потребителейинформации.
14.1. ШинаUSB
USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники. Шина USB совсем молодая— версия 1.0 была опубликована в начале 1996 года, и скептики