第六章 连接方式_v1.0

第六章连接方式_v1.0幻灯片1幻灯片2幻灯片3幻灯片4幻灯片5存储网络是由服务器、存储设备、连接部件等多个组件构成的，那么服务器与存储设备之间是如何连接的呢？服务器内部各组件又是如何连接的呢？不同的连接方式又有哪些区别？本章我们将来解决这些问题。幻灯片6存储系统是由多种存储设备的集成所构成的。而存储体系结构、设备运转方式以及设备机构等概念都涉及到连接策略问题，连接策略的好坏对构建高速数据交换系统影响意义深远。在这一章中，我们需要了解可用于从存储系统组件向计算机传输和传送数据的连接方式并对其中相关的各种要素进行综合讨论。长期以来，传统的系统连接策略是建立在总线（Bus）体系结构的基础之上。计算机总线指的是对计算机中分散的组件进行连接，并最终使其构成完整系统的线路以及控制机制。实际上，内部服务器组件、CPU、RAM和高速缓存之间的数据通信都采用了这种连接方式。而如果把范围扩大一点，存储设备、磁盘、磁带等外部I/O组件以及显示器、鼠标、键盘等外围设备也是需要通过这种方式来进行，不过其具体实现的形式可能会有所差别。总线和网络连接组件的不同应用，实际上就构成了大型多用户系统的基础。幻灯片7服务器可支持多种总线技术，本章将详细介绍PCI、SCSI、PCI-X、PCI-E和InfiniBand几种总线技术。幻灯片8存储网络中可以通过TCP/IP网络和FC网络连接服务器与存储设备。NAS和IPSAN存储网络是使用TCP/IP网络构建的，而使用FC网络连接的是FCSAN。幻灯片9幻灯片10在计算机的工作中，CPU工作时需要与外围硬件设备进行指令、数据的交换，为了实现这一功能，就需要一个连接CPU和各个功能部件的传输通道。如果为了实现这一功能而分别为每个设备引入一组线路和CPU进行连接和数据交换的话，这样的架构可能会导致系统线路过多过杂，进而导致布线走线混乱甚至无法实现连接。为了简化硬件电路和系统结构，设计人员引入了一组通用的总线，并且配以适当的接口，CPU就可以通过这条通用的线路与外围硬件设备相连，这条通用线路被称为总线（Bus）。所以，所谓地总线（Bus），就是指通过分时复用的方式，将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线，它是计算机中传输数据的公共通道。根据连接种类不同，总线又可以分为内部总线、系统总线和外部总线3大类。内部总线用于连接CPU和系统内部芯片的处理器系统总线；系统总线是连接系统主板和扩展插卡的总线（如PCI总线）；外部总线则是用于连接系统与外部设备的总线（如ATA、SCSI以及USB接口）。幻灯片11计算机主板上的内部流量通过总线来控制，这可以实现CPU和内部存储设备（RAM、高速缓存等）之间的数据传输。外部硬件的连接则是通过主板外沿机制来实现的。这些与外部设备连接的是扩展总线和I/O通道。它们所提供的连接机制使得系统的能力得以扩展到主板之外。I/O设备就是以这种方式连接的。同样，主机适配器组件也是以这种方式连接的。内部组件需要总线来进行相互连接，I/O设备也是同样如此。内部总线会将所连接组件的传输和控制数据匹配到I/O总线上。各种不同的总线控制设备具有不同的机制、不同的响应时间和不同的性能。总线必须能够与特定的设备协同工作，这些设备使用总线的规则并利用公共的电子特性来传输数据。在总线的实际工作过程中，当总线空闲时，若某一个器件要与目的器件通信时，发起通信的源器件驱动总线，发出目的地址和数据。其他连接在总线上的器件如果收到与自己相符的地址信息后，即接收总线上的数据。发送器件完成通信，将总线控制权让出。I/O总线的特征是几种基本元素所构成，这些元素包括了：吞吐量（也就是通常所说的带宽）、寻址空间（总线的宽度）、中断处理（是否能够对外部事件进行响应并作出相应的处理模式改变）以及一些电路和机械特性如信号衰减时间的长短、使用的是转接卡还是电路板等等。幻灯片12带宽指的是总线在一个固定的时间段内所能传输的信息量，通常用MB/S来衡量。而带宽的大小主要取决于时钟频率和数据传输横截面的宽度，例如，一条使用10MHz时钟频率和4字节数据横截面宽度的总线的带宽为每秒10×4＝40MB。这就是通常说到的总体吞吐量，还需要扣除协议的开销之后才是真正的数据传输带宽。所以，提高总线带宽的方法有两种，一种是加大数据传输位数，一种是提高时钟频率寻址空间在总线内部提供了确定通信来源和目标的能力。它取决于寻址组件的宽度。寻址空间越大，所能支持的设备操作也就越多。目前比较常见的大多数总线都是工作在32位的寻址体系下，每次的寻址空间为4GB。在多任务、多用户系统中，外部事件随时都可能发生，而当外部事件发生以后，总线必须能够及时作出反应以保证持续的处理能力，所以，中断处理是交互式系统中必需的一个功能。当出现高优先级事件时，I/O总线应当能够停止低优先级数据的传输，转而为高优先级的事件服务。在这一高优先级的事件中不论是执行错误处理进程还是从系统中读取某一块数据，如果总线不具备中断功能能力，那么交互式应用将无法实现，总线将只能为单一设备或者进程使用，从而限制了系统的应用发展。在系统设计中，电子和机械特性也是构成I/O总线特性的一个重要因素。设备主板上的内部总线可能只有几英寸长，而外部I/O连接则可能需要延伸数英尺或者数米远的距离。这些连接通常使用的是某种类型的屏蔽电缆以避免外部电磁干扰。I/O总线在提供足够的物理可扩展性的同时，必须具备保护信号完整性的能力。计算机的主板上都配备有数个连接口或者插槽，这些实际上都是总线的接口，主板适配器就连接在这些外沿点上。当然，除此以外还有一种连接方式是使用转接卡进行连接。最基本的连接卡只是为主机适配器提供连结点而不具备其它电子或者线路功能，而有的转接卡也可以用于将整个主板系统与共享的总线进行连接，只是在这类环境下需要对公用的外部总线进行共享，这种总线可能是网络，也可能是其它类型的系统互联技术。幻灯片13总线是从源设备传输数据到目标设备的路径。在最简单的情况下，控制器的高速缓存作为源，将数据传输给目标磁盘。控制器首先向总线处理器发出请求使用总线的信号。该请求被接受之后，控制器高速缓存就开始执行发送操作。在这个过程中，控制器占用了总线，总线上所连接的其它设备都不能使用总线。当然，由于总线具备中断功能，所以总线处理器可以随时中断这一传输过程并将总线控制权交给其它设备，以便执行更高优先级的操作。总线上所连接的设备在预先定义的命令集和优先级的基础上通过仲裁来决定总线的控制权，这种运行方式被称为总线仲裁调度。在数据传输过程中，各个设备既可以是数据源，也可以是数据目标。这种内部通信方式形成了可供所有数据源和目标使用的总线协议。幻灯片14按照功能划分，系统总线包含有三种不同功能的总线，即数据总线DB（DataBus）、地址总线AB（AddressBus）和控制总线CB（ControlBus）。数据总线用于传送数据信息。数据总线是双向三态形式的总线，即它既可以把CPU的数据传送到存储器或I／O接口等其它部件，也可以将其它部件的数据传送到CPU。数据总线的位数是微型计算机的一个重要指标，通常与微处理的字长相一致（寻址体系匹配）。需要注意的是，数据的含义是广义的，它可以是真正的数据，也可以是指令代码或状态信息，有时甚至是一个控制信息，因此，在实际工作中，数据总线上传送的并不一定仅仅是真正意义上的数据。地址总线是专门用来传送地址的，由于地址只能从CPU传向外部存储器或I／O端口，所以地址总线是单向三态的。地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小，一般而言，若地址总线为n位，则可寻址空间为2n字节。控制总线CB用来传送控制信号和时序信号。控制信号中，有的是微处理器送往存储器和I／O接口电路的，如读／写信号，片选信号、中断响应信号等；也有是其它部件反馈给CPU的，比如：中断申请信号、复位信号、总线请求信号、限备就绪信号等。因此，控制总线的传送方向由具体控制信号而定，一般是双向的，控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。幻灯片15存储设备的并行连接利用多条线路同时传输数据。这就需要用复杂的导线集合构成并行电缆，这种电缆通常比较粗大，并且因为ERC（错误检测、恢复和纠正）、距离限制、外部噪声的敏感性所带来的开销也会比较大。而串行连接方式相对就要简单很多。串行连接的基本结构只包括两条导线。尽管它以串行的方式传输数据，但对于远距离传输而言，串行连接的效率更高，可靠性也更好。ATM和光缆之类的高速网络通信传输介质都已经使用了串行连接。使用并行连接的宽缆总线中存在着交叉干扰的潜在威胁，可能会导致信号的间断，并最终给存储操作的可靠性和性能带来影响。而使用两条导线的方式可以有效地提高屏蔽能力。虽然从表面上来看串行连接具有较少地导线，但是由于时钟频率较高，使得串行连接可以比宽缆并行连接提供更高地带宽。串行连接中简化地物理特性使得时钟频率可以提高50至100倍，并使得吞吐量提高200倍。同并行总线相比，串行总线具有许多优点。串行总线连接引脚数量少，连接简单，成本较低，系统可靠性高。串行总线对系统体系结构具有重大的影响，它的应用有助于数据流计算机体系结构的实现。对于高速计算机系统，串行总线比并行总线更容易使用。在并行总线中，传输数据的各个位必须处于一个时钟周期内的相同位置，频率越高，对器件的传输性能和电路结构要求越严格，系统设计难度加大，致使系统成本提高，可靠性降低。相比之下，使用串行总线时，数据的各个位是串行传输的。在串行总线设计时，既可以嵌入时钟信号作为同步信号，也可以采用锁相环的时钟恢复方式；同并行总线相比，串行总线的传输线效应比较容易处理，从而降低设计难度和系统成本。幻灯片161992年Intel在发布486处理器的同时，也发布了32位的PCI总线（PCI32）。PCI总线的操作是通过使用PCI控制器，PCI总线可以判断数据的传输目标。该传输目标可以是本地接口，也可以是扩展插槽。如果数据是发送给一个扩展插槽地址的，那么主机适配器就会接管该数据并将PCI协议语言翻译成主机适配器协议语言，例如IDE、SCSI、USB或者IEEE1394。PCI总线的重要性在于它将数据路径的控制权放到了自己手中，也就是说，PCI总线需要在性能方面担负起更大的责任，并更加依赖于带宽和速度的特性。最早发布的PCI总线工作在33MHz频率下，传输带宽达到了133Mbps，基本满足了当时的处理器的发展需求。随着对更高性能的要求，PCI32总线逐渐不能满足需求，提高PCI总线带宽已经势在必行。PCI设备的数据传输带宽由两个因素决定：数据传输位数（宽度）和时钟频率。改变其中的任何一个参数都可以使得PCI带宽发生变化。因此，提高数据传输带宽有两种方法：一种是加大经过PCI设备的数据传输位数，由每周期的32位扩展为64位；另一种方法是让PCI的时钟频率加倍，由33MHz增加为66MHz，这将有效的提升PCI的吞吐量。这两种方式都可以让以前的PCI32吞吐量加倍，当两种方式一起采用的话，可以使得传输带宽达到PCI32的4倍也就是533MHZ。PCI总线的另外一个重要之处在于其中间层体系结构，这种结构使得总线自身可以进行扩展，提高了外围设备连接数量的可扩展性。PCI总线是并行的共享总线，各种速度不同的设备连接在PCI总线上共同工作，通过总线仲裁功能（BusArbitration）来获取总线的使用权。所有的设备以存储单元映射的方式与CPU完成数据的交换动作。共享总线的最大优点在于其结构简易、成本低以及设计较为容易等特点。但是，同样的共享总线也存在很多缺点：并行总线架构扩展性较低，无法连接太多的设备，且当多个设备同时连接时，有效频宽将大幅降低，传输效率也由此下降。并且更为重要的是线缆相互之间的干扰信息（噪声）可能会导致系统无法正常工作，所以为了降低成本和尽可能减少线缆间的相互干扰信息，要减少总线宽度，地址总线AB和数据总线DB采用多工方式设计，这样就降低了频宽的有效使用率。幻灯片17当前所使用的最流行的存储总线是SCSI总线。SCSI是一种允许各种设备通过一个并行接口