SCSI

Transcrição

SCSI

Inhalt Teil 9 (Peripheriebusse)
aus 8. Busse und Systemstrukturen
8.2 Peripheriebusse
8.2.1 IDE/ATA, ATAPI, PATA
8.2.2 Serial ATA (SATA), 2001
8.2.3 SCSI-Bus
8.2.4 Serial Attached SCSI (SAS)
8.2.5 FireWire
8.2.6 Fibre-Channel
8.2.7 Universal Serial Bus (USB)
seriell, parallel
PS/2, Floppy
R. Hoffmann, TU Darmstadt, FG Rechnerarchitektur
Systementwurf mit Mikroprozessoren WS 09/10
1
Parallele und Serielle Peripheriebusse

Nachteile der parallelen Datenübertragung
 viele Verbindungen, breite Steckverbindungen,
Übersprechen, Reflexionen, Flankenversatz,
viele Treiber, Entfernung begrenzt

Ziele
 hohe Übertragungsraten,
 mittlere Entfernungen
 geringer Verkabelungs und Steckeraufwand

Lösung: schnelle serielle Datenübertragung
 Techniken: differentielle Übertragung, verdrillte
Leitungen, Koaxialkabel, Glasfaser
 geringer Stromverbrauch
2
8.2 Peripheriebusse - Übersicht

1994: IDE/ATA, ATAPI
(Integrated Drive Electronics, ATAttachment), PATA


Einfacher paralleler Anschluss
von zwei Plattenspeichern
SCSI (Small Computer System
Interface)

Paralleler Anschluss von
schnellen Platten, Vernetzung
mit anderen Hosts

2001: SATA (Serial ATA)


SAS (Serial Attached SCSI)


Einfacher serieller Anschluss von
Standard-Peripheriegeräten
Fibre-Channel

Serieller Anschluss von schneller
Peripherie, Data-StreamingAnwendungen
USB (Universal Serial Bus)


Serieller Nachfolger von SCSI
FireWire


serieller Nachfolger von PATA
hohe Bandbreite und geringe Latenz
auch über große Distanzen,
Speichernetze
3
Parallele und serielle Peripheriebusse
4
Tabelle 8-1.
Parallele und serielle
Peripheriebusse und Punkt-zuPunkt-Verbindungen mit ihren
maximalen Übertragungsraten
(abhängig von der Leitungsart).
Angabe des maximalen
Geräteabstands zur Verdeutlichung
der Einsatzmöglichkeiten
(rechnernah, rechnerfern) sowie
der Anzahl adressierbarer Geräte.
Bei Serial ATA, Serial Attached
SCSI und Fibre Channel sind mit
Mbit/s die Brutto- und mit Mbyte/s
die Nettoübertragungsraten
angegeben (8B/10B-Codierung!),
sonst in beiden Fällen die
Nettoraten (auch bei FireWire
1394b mit ebenfalls 8B/10BCodierung); bei Serial Attached
SCSI verdoppelt sich die
angegebene Rate beim
Vollduplexbetrieb
SATA
SAS
8.2.1 IDE/ATA, ATAPI

5
IDE/ATA (Integrated Drive
Electronics, AT-Attachment)






1994, Paralleler Anschluss von
Plattenspeichern an den ISA(AT)Bus (16-bit-Daten)
40-adriges Flachbandkabel
ISA-Adapter (Adress-Decodierung,
Treiber)
(wird auch als PATA = Parallel ATA
bezeichnet)
Zwei Platten an das Kabel anschließbar
Zwei Registersätze für
• Kommando
• Sektornummer, Zylindernummer
• Daten
• Control, Status
früher
ATAPI Festplatte mit IDE/ATA-Controller
IDE: Integrated Device Electronics
ISA
(AT)
PATA
(heute)
Bild 8-12.
Heutige und frühere
Schnittstellen bei
Festplattenlaufwerken (in
Anlehnung an [Schmidt 1998])
ISA (Industry Standard Architecture) ist ein 16Bit-Bus-Standard für IBM kompatible PCs
IDE-Erweiterung: ATAPI

Zusätzliche Kommandos um weitere
Geräte anschließen zu können (CD,
DVD)


IDE/ATAPI-Controller stellt 2 IDEKanäle zur Verfügung, an jeden sind
zwei Geräte anschließbar



werden in dem alten Kommandoformat
verpackt  ATA Packet Interface =
ATAPI
in der Southbridge enthalten
oder als Einsteckkarte für den PCI-Bus

DMA-Unterstützung

PATA Modus: Ultra-ATA/133




seit 2001, 2005
133 MByte/s
Double Data Rate
Beschleunigung das Transfers zwischen
Controller und Plattenspeicher


FIFO im IDE-Kanal
Sektorpuffer im Plattenspeicher
EIDE: Enhanced IDE

4 Kanäle statte nur 2
6
8.2.2 Serial ATA (SATA), 2001

Serieller Nachfolger von PATA





PCI-X
nur 7 Leitungen (2 Datenpaare und 3 Masse)
differentielle Übertragung (+0,25 V, -0,25 V), LVDS (Low voltage
differential signaling)
8B/10B Signalcodierung
Software-kompatibel zu PATA-Kommandos (werden im
seriellen SATA-Format verpackt)
Nettoübertragungsrate



7
SATA 1: 1,2 GBit/s (150 MByte/s), 2005: SATA 2 (300 MByte/s)
geplant bis SATA 3: 600 MByte/s
Daten (Halbduplex), Handshake (Vollduplex)
PCI-X
Interface
DMA, Progr.IO
Transport-Layer
Link-Layer
Physical-Layer
Southbridge
ODER
SATA-Controller
SATA
Gerät
8.2.3 SCSI-Bus


Ziel: Flexible schnelle Verbindung von mehreren
SCSI Plattenspeichern (auch >2) mit einem
oder mehreren Rechnern
1979 von der Fa. Shugart entwickelt: SASI (Shugart
Associates System Interface), weiter entwickelt und
1986 als SCSI genormt.

Paralleler (8/16-Bit-) Bus, multimasterfähig

Dezentrale Busarbitration

Datenübertragung zwischen einem Initiator und
einem oder mehreren Targets

8
SCSIPlattencontroller1
Systembus1
SCSI-HostAdapter
SCSIPlattencontroller2
SCSI
SCSIStreamercontroller
Anzahl der Geräte am Bus ist auf die Datenbusbreite
begrenzt

Statische Einstellung der Geräteadressen, Busenden
müssen elektrisch abgeschlossen werden

Ein Gerät kann mehrere LUNs (log. units) enthalten
Systembus2
SCSI-HostAdapter
mulit drop bus
Weiterentwicklungen, Varianten
SCSI-Standards
9
Busbreite
[Bit]
Takt
[MHz]
DÜ-Rate
[MByte/s]
1986
Narrow
8
5
5
1989
Fast
8
10
10
1989
Fast Wide
16
10
20
1992
Ultra
8
20
20
Ultra Wide
16
20
40
Ultra 2, Fast 40
8
40
40
Ultra 2 Wide
16
40
80
1999
Ultra 3 Wide (U160)
16
40 DDR
160
2002
Ultra 4 Wide (U320)
16
80 DDR
320
1997
SCSI-Protokoll
10
(meist Host-Adapter)
Target
Initiator
Initiator bewirbt sich um
den Bus:
IN legt dazu ID-Byte (ein
Datenbit) auf den Datenbus
Initiator wählt Target
aus:
IN-Bit und TA-Bit liegen
auf den Datenbus
BUS FREE
ARBITRATION
SELECTION 
übernimmt Kontrolle
(BSY# aktiv)
fordert Kommandos an
COMMAND 
Datenübertragung 
 Status, Message zurück
IN=Initiator
TA=Target
gibt Kontrolle zurück
n * (8/16 Bit)
erfolgreich,
Aufrechterhaltung
der Verbindung
(BSY#
inaktiv)
SCSI Arbitrierung
11
Jedes Gerät hat eine ID-Nummer, entspricht einem
bestimmten Bit auf dem Bus
D7: höchste Priorität
D0: niedrigste Priorität
(bei 16 Bit-Bus folgen danach die Bits D15
bis D8)
Wenn der Bus frei ist, legt jeder Initiator sein
ID-Bit (wired or) auf den Bus. Wenn es eine
Anmeldung höherer Priorität gibt, nimmt er
seine Anmeldung zurück. (vergl.
Identifikationsbus, hier 1-aus-n-Code zur
Anmeldung)
Contro
l
D7..D0
Übertragung der IDs
Kommandos
Daten
Status
Message
Der Initiator mit der höchsten Priorität wählt
das Target aus, durch das zusätzliche Anlegen
des Target-ID-Bits (dadurch entsteht 2-aus-n
Code)
8.2.4 Serial Attached SCSI (SAS), 2004

Serieller Nachfolger des
parallelen SCSI





7 Leitungen wie bei SATA (2
Datenpaare und 3 Masse)
8B/10B-Codierung
Kein Bus mehr: Baumstruktur
Netto-Übertragungsrate z. Zt.
300 MByte/s (3 GBit/s brutto),
Vollduplex
Virtuelle Kanäle: Wie bei ParallelSCSI können mehr als 14.000
virtuelle Datenkanäle, verteilt auf
256 Ebenen gleichzeitig aktiv sein

5-Schichtenmodell
1. Physical (Medium)
2. Phy (Transceiver, Geräteanschluss)
3. Link
 CRC-Datensicherung, Data-Scrambling,
 Steuerung, Adressierung, Verwalten
logischer Verbindungen
 Zusammenfassen mehrerer Physikalischer
Verbindungen zu einem Wide-Port
 Protokollauswahl:
 SSP (Serial SCSI Protocol),
 STP (SATA Tunneling Protocol),
 SMP (Serial Managment Protocol)
1. Transport
 frame definitions
2. Application
 SCSI oder ATA spezifische Eigenschaften
12
SAS-Netzstruktur
 Punkt-zu-PunktVerbindungen zwischen den
Ports (kein Bus wie bei SCSI)
 Komplexe Strukturen
durch Verzweigungen
(Expander).
 Erhöhung der Bandbreite
durch Wide-Ports und
Wide-Links
 Mischung von SAS- und
SATA-Geräten ist möglich
 Anschluss von Dual-PortDrives zur Erhöhung der
Redundanz möglich
Bild 8-18.
SAS-Struktur mit mehreren Initiatoren (z. B. Server) und Targets (SAS- und SATA-Festplatten),
die durch mehrere Edge-Expander und einen Fan-Out-Expander miteinander vernetzt
sind (in Anlehnung an [Griffith 2003])
13
Weitere Serielle Busse, orientiert an SCSI
14
Bevor SAS definiert wurde gab es bereits folgende
Entwicklungen

FireWire IEEE1394 (Apple), für Data Streaming



1995: ursprünglich nur auf Macintosh
2000: IEEE1394a2002: IEEE1394b

Fibre-Channel, ANSI-Standard (diverse Firmen, 1994), für
Speichernetze

Serial Storage Architecture SSA, ANSI-Standard (IBM,
1990)
zusammengefasst in
SCSI-3
SCSI-3 Architekturmodell
15
FireWire, Fibre-Channel, Serial Storage Architecture SSA wurden in dem SCSI-3-Architekturmodell
(1993) zusammengefasst.
Verwendung einer gemeinsamen Kommandostruktur in Anlehnung an SCSI (Ebene 1 und 2)
Je nach ausgewähltem Transport-Protokoll erfolgt eine entsprechende Abbildung auf die
Kommunikationsmechanismen und die physikalische Schnittstellen (Ebene 3 und 4)
Allgemeines Architekturmodell, das für die
serielle Busse FireWire, Fibre-Channel, SerialStorage-Architecture SSA verwendet wird.
4 Ebenen:
1. (Command Sets) gerätespezifische Kommandos
nach Gruppen (Block, Stream, Graphic)
2. (Primary Commands) gemeinsame Kommandos
für alle Gruppen
3. (Transport Protocols) Auswahl der
verschiedenen seriellen und parallelen Protokolle
4. (Physical Interconnect) Physikalische Vorgaben
für die Protokolle
fest
variabel
8.2.5 FireWire





Anwendungen
 unterbrechungsfreies DataStreaming (Digital Video, Musik,
Festplattenanschluss)
 Sony: Digital Video Camcorder
Übertragungsraten
 100 MBit/s, 200 MBit/s und
400 MBit/s
 Erweiterungen auf 800, 1600,
3200 MBit/s
6 Leitungen
 1 twisted-pair (Daten,
Halbduplex)
 1 twisted-pair (Takt, ändert sich,
wenn sich die Daten nicht ändern)
 2 Leitungen für Stromversorgung
Bis zu 63 Geräte beliebig
anschließbar (+ Hostadapter)
maximal 4,5 m Entfernung
16

Multimastersystem (jede
Verbindung erfordert
Busarbitration)

Peer-to-Peer (direkte
Transfers vom Sender zum
Empfänger ohne Host).

Plug-and-Play,
selbstkonfigurierend



Knoten werden automatisch
durchnummeriert
es wird automatisch ein
Wurzelknoten bestimmt,
der den Takt vorgibt und den
Bus arbitriert
max. Übertragungsraten
werden bekannt gemacht
FireWire
Bild 8-19.
Typische FireWire-Busstruktur,
wie sie sich nach der
Selbstkonfigurierung darstellt
(nach [Anderson 1999]).
Anschluss an einen PCI-Bus
mittels eines PCI-to-IEEE-1394aAdapters
17
FireWire

Asynchrone Übertragung (ohne garantiertes Übertragungsverhalten)
1. Initiator belegt den Bus nach Busarbitration
2. Initiator verschickt Anforderungspaket (Request Packet)
•
(Quelladresse, Zieladresse, [Daten], Kommando)
3. Empfänger antwortet mit Antwortpaket (Response Packet)
•

(Adresse, [Daten], Status)
Isochrone Übertragung (garantiertes Übertragungsverhalten)




quasi kontinuierlicher Datenstrom
Reservierung von bis zu 80% der Zeitschlitze (je 125 µs), Rest für asynchrone
Übertragung
Keine Quittung durch Response Packet
keine Zieladresse  Broadcasting
18
FireWire
Bild 8-20.
Zuordnung von isochronen und asynchronen
Übertragungspaketen zu Zeitschlitzen
(cycles) von 125 µs Dauer (nach [Anderson 1999])
19
Elektrische Schnittstelle und Taktung
Bild 8-22.
Elektrische Schnittstelle des FireWire-Busses
nach IEEE 1394a, gezeigt für eines der
beiden Adernpaare. Das andere Adernpaar ist
dazu spiegelbildlich (nach [Anderson 1999])
Bild 8-23. Datendarstellung des FireWireBusses nach IEEE 1394a. Taktrückgewinnung
auf der Empfängerseite durch Exklusiv-OderVerknüpfung der Signale Data und Strobe (nach
[Anderson 1999])
20
8.2.7 Universal Serial Bus (USB)

Ziel: Einfacher flexibler Anschluss
diverser Peripheriegeräte über
genormten Anschluss (INTEL und
weitere Firmen)

Serielle Halbduplex-Verbindungen
über 4-adriges Kabel
(Differentielles Leitungspaar und
Spannungsversorgung)



USB 1.1:
1,5 MBit/s (Low-Speed)
oder 12 MBit/s (Full-Speed)
USB 2.0:
bis 480 MBit/s (HighSpeed), abwärtskompatibel
Stromversorgung: Geräte können
über den Anschluss mit Strom versorgt
werden.
21

Hot Plug and Play (Geräte während
des laufenden Betriebs anschließen)

Zentrale Verwaltung durch USB-HostController (Root-Hub), nicht
multimasterfähig

Geräte: Geeignet zum Anschluss von
Tastatur, Maus, Scanner, Drucker, Audiound Video-Daten, Plattenspeicher
Baumstruktur
LS=Low Speed
FS=Full Speed
HS=High Speed
22
Root-Hub
USB-Host-Controller
(zentraler Controller, Master)
Geschwindigkeit
wird durch das
langsamste Glied in
der Kette bestimmt
Hub reicht die
Datenpakete weiter
und verstärkt die
Signale (Repeater)
Bild 8-26. USB-Struktur mit Low-Speed-, Full-Speed- und HighSpeed-Komponenten (nach [Anderson, Dzatko 2001])
Frames und Microframes
1 ms
(12 MHz-Takt)
125 us (480 MHz Takt)
Bild 8-27. Aufteilung der Übertragungskapazität des USB mittels
Frames und Microframe (nach [Anderson, Dzatko 2001])
Die Daten werden in Pakete
aufgeteilt, die innerhalb der
Zeitrahmen (Frames)
bestimmte Anteile zugeteilt
bekommen.
23
Transfer Types
1. Interrupt Transfer

Abfrage der Geräteanmeldungen in
kurzen Abständen (Polling), schnelle
Reaktion


bis zu 1024 Byte bei High-Speed
für Maus, Tastatur, ...
2. Bulk Transfer

3. Isochronous Transfer


Garantie fester Übertragungsrate.
Video/Audio, nach den Start kann das
Ende der Übertragung vorhergesagt
werden.
bis zu 90% des Rahmens reserviert,
keine Wiederholung bei Fehler
 Echtzeitübertragung von Sprache, Musik
schnelle Datenblock-Übertragung
4. Control Transfer
wird erst nach allen sonstigen
Transfertypen gestartet, ohne Start- und
 Konfigurierung, Anforderungen an
Endegarantie, Wiederholung bei Fehler
Geräte, bis zu 20%



512 Byte Paketgröße bei High-Speed
bis zu 53,248 MByte/s
für Scanner, Drucker, Platte, ...
 Control Pipe zum Endpunkt 0 ist immer
verfügbar
 Dabei können auch Daten mit übertragen
werden.
24
Pipes (Übertragungskanäle)
 Die Übertragungskanäle werden
beim USB Pipes genannt.
 Es werden unterschieden
 unidirektionale Streampipes
• Interrupt-, Bulk-, Isochronous-Transfer
 Pipes werden zwischen Endpoints
(Host, Gerät, Transfer Type) bei der
Initialisierung eines USB-Geräts
eingerichtet.
 Zu den Pipeattributen zählen auch
Übertragungsbandbreite und
Puffergröße.
 Zu einem Gerät können mehrere
Pipes (logische Kanäle) eingerichtet
werden (bis zu 16).
 bidirektionale Messagepipes
• nur bei Control-Transfers
 Eine Messagepipe (Control Pipe 0)
ist bei jedem Gerät vorhanden. Sie
dient der Gerätekonfiguration und
zur Übertragung von Status- und
Kontrollinformation.
25
Bustransaktionen
Die Bustransaktionen werden vom Host-Controller
verwaltet und bestehen aus der Übertragung von
folgenden Paketen
1. Token-Packet. Jede Transaktion beginnt mit der
Übertragung eines Tokens vom Host. Das Token
beschreibt Typ und Richtung der Übertragung und
enthält die Geräteadresse. Die Geräte am Bus
selektieren sich selbst durch Erkennung der eigenen
Adresse im Token.
2. Data-Packet (vom/zum Gerät)
 bis zu drei aufeinanderfolgende im Rahmen
3. Handshake-Packet (Empfänger quittiert Übertragung)
 nicht bei Isochronous-Transfer
26
Signalcodierung
NRZI = Non Return to Zero with Interchange
Bit-Stuffing zur Synchronisation
6 Einsen
Wechsle bei 0
Jede Datenübertragung eines Packets beginnt mit
SYNC
= 0 0 0 0 0 0 0 1
NRZI-SYNC
= 0 1 0 1 0 1 0 0
Bild 8-29. Signaldarstellung des USB (nach [Anderson, Dzatko 2001])
27
Elektrische Schnittstelle
Bild 8-28. USB-Schnittstelle (nach [Anderson, Dzatko 2001])
28
8.2.6 Fibre-Channel






Motivation/Historie: Bedarf an EAKanälen mit hoher Bandbreite und
geringer Latenz auch über große
Distanzen (>10 km)
Einsatz: zur Vernetzung von
Workstations, Mainframes, Super
Computern, Speichern und Displays
Hauptanwendung: Zugriff von
mehreren Rechnern auf lokale
Speichernetze unabhängig vom LAN
Punkt-zu-Punkt-Verbindungen,
Vollduplex
1 GHz Takt, 8B/10B-Codierung
Nettodatenrate 100 MByte/s

Verschiedene Netztopologien werden
unterstützt
1. Direkte Verbindung zwischen zwei
Ports (z. B. Server und
Festplattenspeicher)
2. Ring-Struktur (Arbitrated Loop), die
Geräte sind ringförmig miteinander
verbunden, Realisierung auch mit Hubs
3. Switched Fabric: zentrale intelligente
Schalteinheit, kann gleichzeitig
Verbindungen für alle angeschlossenen
Ports herstellen. Skalierbare Leistung.
29
Speichernetz
30
Fibre
Channel
Copyright Ulf Troppens
http://www.speichernetze.com/
Speichernetz
Bild 8-25. Symbolisiertes lokales Netz (LAN) mit einem
über einen Switch gebildeten Speichernetz (SAN), z. B.
als Fabric Topology des Fibre-Channel
31
Zusammenfassung

Serielle Übertragung


PATA  SATA



seriell, Streaming
USB (Universal Serial Bus)


FireWire, Fibre-Channel, Serial-Storage-Architecture SSA.
FireWire


paralleler  serieller Anschluss Plattenspeichern, Vernetzung
multimasterfähig, Punkt zu Punkt
SCSI-3: Allgemeines Architekturmodell für


einfacher paralleler  serieller Anschluss von Plattenspeichern
nicht multimasterfähig
SCSI (Small Computer System Interface)  SAS (Serial Attached SCSI)



hohe Übertragungraten, geringer Aufwand
nicht multimasterfähig
Fibre-Channel


hohe Bandbreite, geringe Latenz
Speichernetze
32

SCSI

Transcrição

Documentos relacionados

Eröffnung Heinerfest 2015 Darmstadt

Ad-hoc-Betreuung an der Waldspirale in Darmstadt

ddr ram qimonda 1 gb 333 mhz

3 66 88 99 Centralstation/Im Carree/Darmstadt

Eisenbahnmuseum Darmstadt Kranichstein Vernissage am

Anfahrt Darmstadt

das Original PDF - Orplid

DARMSTADT LEONHART OPEN

01 Einf hrung (VL03)