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SAS控制芯片之LSILogic
任何一台计算机系统(主机)要访问采用SAS接口的硬盘驱动器或外部存储系统,必须配有支持SAS的接口控制器,其表现形式可以是板载的控制芯片(IC)、扩展插槽上的控制卡(主机总线适配器,即HBA),或各种面目的RAID控制器,这里我们统一称为SAS存储适配器。
毫无疑问,SAS控制芯片(SASIC)是三者中的核心——SASHBA围绕它构建,SASRAID也不能成其为“SAS”RAID。
现有的SAS控制芯片可以分为4种,这来自于两端的两种可能性的两两组合:
SAS端口4个或8个,插槽类型PCI-X或PCIExpress(简写为PCI-E或PCIe)。
从SAS端口的角度来看,2个太少,而超过8个的需求有Expander(扩展器)解决。
尽管PCI-X1.0的带宽只有1066MB/s(64位/133MHz),还不如4个SAS端口之和(单向1200MB/s),但毕竟PCI-X2.0已没有机会普及;后起之秀PCIExpress支持全双工操作,x4的双向带宽为2.0GB/s,x8为4.0GB/s,因此PCIExpress版本的8端口SAS控制芯片都采用x8,4端口则既有x4也有x8。
如果您觉得上面这段话太过抽象,看到下表就会一目了然。
主流SAS控制芯片一览表
厂商
型号
端口数量
总线类型
LSILogic
LSISAS1064
4
PCI-X
LSISAS1064E
4
x8PCIe
LSISAS1068
8
PCI-X
LSISAS1068E
8
x8PCIe
Adaptec
AIC-9405W
4
PCI-X
AIC-9410W
8
PCI-X
Vitesse
VSC7251
4
x4PCIe
VSC7250
8
x8PCIe
Adaptec和LSILogic(LSI逻辑)这两大SCSI控制芯片供应商,在Ultra160和Ultra320时代可谓是各领风骚。
但是,LSILogic在2001年11月16日与Compaq(康柏,现已属于惠普)、IBM(现主要是HitachiGST)、Maxtor(迈拓)、Seagate(希捷)一同发起成立SerialAttachedSCSI工作组之后,对这种新兴标准倾注了极大的心血,并逐渐占得先机。
LSILogic在2004年和2005年先后推出了4款SASIC,分别是4端口的LSISAS1064(PCI-X)/1064E(PCI-E)和8端口的LSISAS1068(PCI-X)/1068E(PCI-E),正好对应全部的4种类型。
从型号上看,LSISAS1064E应该是LSISAS1064的PCI-E版本,但实际上前者与LSISAS1068/1068E的血缘关系更近:
472管脚EPBGA封装的1064采用一颗ARM926处理器,而1064E、1068和1068E均为636管脚EPBGA封装并采用225MHz的ARM966处理器。
此外,1064E的x8PCI-E也让我们更有理由认为其是1068E的缩减版。
这4款芯片均支持每端口1.5Gb/s和3Gb/s的SATA和SAS(全双工)数据传输率,端口独立自动协商。
支持SSP(SerialSCSIProtocol,串行SCSI协议)、SMP(SerialManagementProtocol,串行管理协议)、STP(SerialATATunneledProtocol,SATA隧道协议)和SATA协议,以及2、3或4个Phy宽度的SAS端口配置。
此外,交错启动(Staggeredspin-up)、热插(HotPlug)、本机命令排队(NativeCommandQueuing,NCQ)、每个phy的活动和故障指示(Activityandfaultindicators)、端口选择器(PortSelector,用于双端口驱动器)等SATAⅡ特性也获得支持。
借助内置的ARM处理器核心,4款芯片均可以实现独立于操作系统的集成RAID功能,包括IntegratedMirroring(IM,集成镜像,即RAID1)和IntegratedStriping(IS,集成条带化,即RAID0),以及增强的集成镜像(IME,相当于RAID1E,目前仅限于1064E和1068E)。
考虑到板载应用的需要,它们也都提供了对零通道RAID(ZeroChannelRAID,ZCR)的支持。
SAS控制芯片之Adaptec&Vitesse
在Ultra160时代风光无限的Adaptec,转向Ultra320后逐渐被LSILogic赶超,有消息说他们在处理高速信号方面遇到了困难。
SerialAttachedSCSI工作组成立时Adaptec表示了支持,而并不在发起者之列,其产品的推出时间和数量也落后于LSILogic。
2005年1月底,Adptec公司宣布与Vitesse半导体公司结为战略联盟,由后者雇用经过精心选拔的Adaptec工程师(主要是负责SASASIC开发的硬件工程师),并获得某些SAS技术和与部署AdaptecSASRoC(RAID-on-Chip)产品有关的知识产权的许可,Adaptec公司则逐渐淡出硬件开发,将重心转向RAID代码和管理等软件业务。
当时,Adaptec的两款PCI-XSAS控制芯片已开发完成,分别是4端口的AIC-9405W和8端口的AIC-9410W。
Adaptec没有把控制芯片作为独立产品的传统(虽然板载应用一点不少),SAS也不例外。
Adaptec的网站上的产品分类中没有SAS控制芯片,我们只能在后面HBA(HostController)和RAID卡(RAIDController)的章节一并介绍。
Vitesse已有的两款SAS控制芯片分别是x4PCI-E的4端口VSC7251和x8PCI-E的8端口VSC7250,均可以连接SAS或SATA硬盘驱动器、SAS扩展器(Expander)以及任何SAS1.1兼容的发起者(Initiator)或目标(Target)设备。
与AIC-9405W和AIC-9410W不同的是,VSC7251和VSC7250被称为SAS单芯片RAID控制器,它们嵌入了64位MIPS645Kc处理器核心,集成RAID5和RAID6硬件加速,具有DDR2外部内存接口,在RAID代码、DIMM和电池备份单元的支持下能够实现RAID0,1,10,1E,5,50,6,60的级别,而不仅仅是普通SCSI控制芯片集成RAID的0,1,10和1E。
VitesseVSC7250数据表中的图,HostRAID和ARC显示出与Adaptec非同一般的关系
在PCI-X即将被PCI-E取代的大形势下,Adaptec的下一代SASHBA和RAID卡将基于这两款来自Vitesse的SASIC。
SASHBA之Adaptec
SASHBA在很大程度上是SAS控制芯片的延伸,包括为后者配备物理的总线和端口连接器。
总线类型是被SAS控制芯片严格定义了的,PCI-X就是PCI-X,PCI-E也无非是在x4和x8之间选择而已。
SAS端口连接器则不同,制造商可以有多种选择。
最简单的做法当然是一个端口配一个连接器,LSILogic于2004年推出的LSISAS3040X(X代表PCI-X)就是这样做的。
不过,这个“先驱”还没正式走向市场便成了“先烈”,在一年后被板型更为低矮的SAS3041X(见下图)所取代,现已发展为集成RAID0,1,1E和10E的SAS3041X-R。
LSILogic将SAS3041X-R的4个连接器称为“内部SATAx1”,因为它们与SATA连接器的确别无二致。
远远望去,很容易被误认为是SATAHBA。
这倒还在其次,关键是4条分立的线缆既影响机箱内部的空气流通又有碍观瞻,而如果是8端口的卡,则连接器的布置都会成为问题。
解决之道是用多宽度的连接器以减少所需要的数量和占用的板上空间。
目前最普遍的做法是4宽度(x4)连接器,通俗地说,就是把4个端口整合成一个连接器,线缆可以是一根(另一端还是4宽度连接器),也可以在另一端分叉为4个分离的端口——即所谓的“fanoutcable”。
SAS所用的4宽度连接器有至少三种形状和用途不同的标准,它们在Adaptec的3款SASHBA中得到了充分的展现。
AdaptecSerialAttachedSCSI48300是Adaptec的第一款SASHBA,它采用AIC-9410W控制芯片,具有8个SAS端口。
这8个端口分为两组,各对应一个4宽度连接器。
内部的x4连接器遵循SFF-8484规范,呈细长的扁平状“伏”在卡上,32个接脚朝内,获得了很好的保护。
外部的x4连接器符合最早用于InfiniBand的SFF-8470规范,外形紧凑,能通过螺丝将插头牢靠地固定住以防止脱落。
AdaptecSerialAttachedSCSI44300的布局与48300十分相似,主要区别是控制芯片换成4端口的AIC-9405W,并去掉了外部连接器。
由于推出时间较晚,44300兼容欧盟(EU)提出的RoHS(RestrictionofHazardousSubstances,有害物质使用限制)规范。
与44300一同加入产品序列的AdaptecSerialAttachedSCSI58300也兼容RoHS,其与48300的另一区别是采用两个外部的SFF-8088规格屏蔽型miniSASx4连接器,而没有供内部连接使用的端口。
此外,新生产的48300亦会是RoHS兼容的。
AdaptecSerialAttachedSCSI44300、48300和58300都采用PCI-X64位/133MHz总线,支持AdaptecHostRAID0,1和10,并具备可引导阵列支持、按位置自动重建、背景初始化等功能,可通过AdaptecStorageManager(ASM)软件管理。
SASHBA之LSILogic
LSILogic已发布的SASHBA中亦有4款采用x4连接器的产品,全部采用LSISAS1068控制芯片,其中SAS3442X有内部(SFF-8484)和外部(SFF-8470)连接器各一个,SAS3442X-R为集成RAID0,1,1E和10E的版本,以及有两个外部SFF-8470连接器的SAS3800X和有两个内部SFF-8484连接器的SAS3080X。
LSISAS3442X(上)和LSISAS3080X(下)
LSISAS3041X-R、LSISAS3442X、LSISAS3442X-R和SAS3800X都支持(通过Expander)连接超过122个端设备。
上述SASHBA全部采用PCI-X总线,至于PCI-E,LSILogic今年3月初刚开始供货LSISAS1064E和LSISAS1068E控制芯片,暂时还没有推出相应的HBA。
SASHBA一览表
厂商
型号
IC
总线
内部连接器
外部连接器
RAID
Adaptec
44300
9405W
PCI-X
1x4SFF-8484
0,1,10
48300
9410W
PCI-X
1x4SFF-8484
1x4SFF-8470
58300
9410W
PCI-X
2x4SFF-8088
LSI
3041X-R
1064
PCI-X
4x1SATA
0,1,
1E,10E
3442X-R
1068
PCI-X
1x4SFF-8484
1x4SFF-8470
3442X
1068
PCI-X
1x4SFF-8484
1x4SFF-8470
3080X
1068
PCI-X
2x4SFF-8484
3800X
1068
PCI-X
2x4SFF-8470
SASRAID卡(上)
SASRAID卡依然是Adaptec与LSILogic分庭抗礼的格局,不同之处在于IOP(I/OProcesser,I/O处理器)的加入抢去了SAS控制芯片的风头。
SASRAID卡一览表
厂商
Adaptec(SASRAID)
LSILogic(MegaRAIDSAS)
型号
4800SAS
4805SAS
8308ELP
8408E
8480E
IC
AIC-9410W
AIC-9410W
1068
1068
1068
IOP
IOP331
IOP333
IOP333
IOP333
总线
PCI-X
x8PCI-E
x4PCI-E
x8PCI-E
x8PCI-E
内存
128/256MBECCDDR2
256MBDDR2400MHz
内连
2x4SFF-8484
2x4SFF-8487
2x8484
外连
1x4SFF-8470
2x8470
RAID
0,1,10,5,50;1E,5EE,6,60
0,1,5,6*,10,50,60*
电池
AdaptecBatteryModule600
智能可移动电池备份(iTBBU)
最明显的一点是,在SASRAID卡中PCI-E占了上风:
Adaptec为PCI-X和PCI-E各半,LSILogic则全面倒向PCI-E。
VSC7250或LSISAS1068E并未获得采用,原因在于Intel的IOP333支持PCI-E(另以PCI-X与SAS控制芯片相连)。
以AdaptecSerialAttachedSCSIRAID4800SAS和4805SAS为例,两者均为3/4长的全高PCI卡,板上布局基本相同,只是由于采用了不同的IOP,导致总线类型从PCI-X64位/133MHz转为x8PCI-E。
顺便提一句,IOP333和IOP331都支持RAID6硬件加速。
SASRAID卡(下)
LSILogic方面,采用x4PCIExpress接口的低矮型(LowProfile,LP)8端口SASRAID卡MegaRAIDSAS8308ELP值得一提。
8308ELP与MegaRAIDSAS8408E一样采用两个SASx4内部连接器,但不是符合SFF-8484规范的第一代SASx4内部连接器,而是遵循更为紧凑的SFF-8487规范,占用空间明显减小。
据悉,未来MegaRAID系列SASRAID卡将放弃SFF-8484规范的SASx4内部连接器,一律采用SFF-8487规范的SASx4内部连接器,而SASHBA则会采用两者并存(有可能一款卡出两个版本)的做法。
这种“SASIC+IOP”的组合很可能不会在PCI-E版本的SASIC上位后出现,而将代之以集SAS接口逻辑与I/O处理于一身的RoC(RAID-on-Chip,片上RAID)模式,也可称之为单芯片RAID。
Intel不再满足于仅仅为RAID卡厂商提供IOP,而要直接进入这个市场来分一杯羹的举动,无疑将加快这个转变的进程。
Intel预计在今年第三季度推出其SunriseLake品牌的SASRoC,采用PCI-E总线,集成的IOP内核频率高达1.2GHz,RAID6的P+Q运算效率有明显的提高,若能如期投放市场,对Adaptec和LSILogic都会形成很大的威胁。
作为Intel紧密的合作伙伴,LSILogic未雨绸缪,早在一年前就开发出了x8PCI-E的8端口SASRoC芯片LSISAS1078,它集成了高性能的PowerPC440内核作为XOR引擎以支持RAID5,并通过硬件加速实现RAID6。
笔者看到的基于SAS1078的RAID卡,板型与MegaRAIDSAS8408E相同,但因为不需要额外的IOP,外观简洁了许多。
至于Adaptec,将会使用其战略合作伙伴Vitesse提供的VSC7250和VSC7251——从前面的介绍中可以看出,这两款IC也都符合SASRoC的定义。
SAS硬盘驱动器(上)
在设备端,硬盘驱动器是SAS生态系统不可或缺的一环。
4Gb/sFC(4GFC)可以在HBA、交换机和存储系统支持的情况下让用户获益,而不是非要4GFC硬盘驱动器配合不可,因为现有的2Gb/sFC(2GFC)硬盘驱动器可以在4GFC存储系统中使用。
SAS则不然,因为它是一个全新的架构,其底层既不兼容并行SCSI,也不兼容FibreChannel。
从2GFC到4GFC,主要是接口传输速率的提高,并不涉及架构的改变,4GFC硬盘驱动器投放市场的时间都要比存储系统和交换机晚上一年左右,(从并行SCSI)脱胎换骨的SAS能够让硬盘驱动器紧跟HBA,应该说已经做得非常不错了。
实际上,由于开发工作起步较早和业内厂商群策群力,SAS硬盘驱动器还要先于4GFC硬盘驱动器面市呢。
采用SAS接口的希捷Savvio10K.1
要了解一个技术标准在业内的影响力,看看掉队的厂商的“下场”可略知一二。
不过需要指出的是,作为SerialAttachedSCSI工作组的发起者之一,迈拓一直非常积极地推广SAS技术,被希捷收购不是也不可能是SAS上表现不佳。
从硬盘驱动器整体的角度来看,SAS毕竟只是个接口,硬盘控制器厂商的风险更大。
在并行SCSI时代,QLogic向富士通(Fujitsu)和日立(HitachiGlobalStorageTechnologies,HitachiGST)供应硬盘驱动器的控制器(主要是前者),加上磁带驱动器的业务,控制器芯片为QLogic贡献了大约25%的收入。
但是,由于没能跟上SAS的脚步(QLogic也是SerialAttachedSCSI工作组成立时表示支持的厂商之一),收入持续下降。
于是,QLogic在2005年8月底将其硬盘驱动器和磁带驱动器控制半导体部门以2.25亿美元的价格卖给了Marvell。
LSILogic是惟一同时涉足SAS控制芯片、HBA、Expander硬盘控制器IC业务的厂商,这使其老客户希捷受益匪浅,得以率先供货SAS硬盘驱动器。
现在,加上迈拓、日立(HitachiGST)和富士通,四家有SCSI/FC硬盘驱动器业务的厂商都建立起了自己的SAS产品线。
SAS硬盘驱动器(下)
尽管10000RPM和15000RPM的转速在硬盘驱动器里面已经处于高端,但由于SAS的定位在Ultra320SCSI(以及2GFC)之上,因此不是每款10000RPM硬盘驱动器都有采用SAS接口的型号。
富士通MAX3147SAS
希捷的15000RPM和2.5英寸10000RPM(Savvio10K.1)硬盘驱动器都提供了SAS支持,而Cheetah15K.4同时推出的3.5英寸10000RPM硬盘驱动器Cheetah10K.7则没有。
富士通MAY2073SAS
富士通的策略与希捷完全相同——其MAW3300也没有SAS型号,不过,其MAX3147SAS和MAY2073SAS都已经是第二代产品——分别替换MAU3147SAS和MAV2073SAS。
从这个角度可以清楚地看到日立Ultrastar15K147的SAS连接器
日立的Ultrastar10K300同样没有SAS版本,不过他们尚未推出10000RPM(或更高转速)的2.5英寸硬盘驱动器。
只有迈拓在其全线SCSI/FC产品中都加入了支持SAS接口的型号。
迈拓Atlas10KVSAS
SASExpander之边缘扩展器
SAS在SATA的串行点对点架构的基础上,通过引入相当于网络中交换机和路由器的Expander(扩展器),从而能够形成一个先进的交换式拓扑架构,伸缩性和灵活性远远超出并行SCSI及FC-AL(光纤通道仲裁环路)。
如果要构建一个基于SAS技术的磁盘阵列或更大型的存储系统,Expander必不可少。
与SAS控制芯片、HBA和硬盘驱动器相比,SASExpanderIC虽然端口数量较多,但对外的连接比较简单——需要考虑的标准只有SAS一种。
这样带来的好处是可以减少在互操作性上投入的精力,缩短产品开发周期。
看看4GFC,交换机推出的时间明显早于其他设备就是类似的原因使然。
SAS扩展器(红圈中的VSC7154)与控制芯片(VSC7250)的关系示意图
不过,SASExpander毕竟是一种全新的设备。
一方面,产品设计没有先例可循,摸索前进在所难免;另一方面,由于SASExpander具有交换机的性质,吸引了PMCSierra和Vitesse等具有网络交换机IC开发经验的厂商加入进来,并压倒LSILogic成为主导力量。
SASExpander的SAS端口不仅要连接硬盘驱动器等端设备,还要连接主机端设备,因此其数量通常不是2的幂次方(2、4、8、16……),而经常是3的整数倍,例如6、12、18、24、36等。
这些端口一般都能自动检测并协商1.5Gbps或3.0Gbps的连接速率,以及支持配置为一个宽端口(x2或x4)。
简单的扩展器应用模型
目前市场上SASExpaner的提供者主要是LSILogic、PMCSierra和Vitesse,各自有4款、6款和9款产品,下面我们将按照端口数量和类型的不同分组介绍。
6端口SASExpander
PMCSierra和Vitesse各有一款6端口SASExpander:
∙PM8381SXP6x3G是144管脚TQFP封装的20×20mm芯片,具有
o可任意分配给主机或目标的6个端口,支持主机到目标(host-target)、主机到主机和目标到目标的连接;
o连接主机端的Phy(可理解为单宽度的端口)可组成一个具有通用SAS地址的宽端口;
o支持STP,自动检测SATA或SAS硬盘驱动器,容忍扩展时钟频谱(SpreadSpectrumClocking,SSC)降低电磁干扰;
o允许SMP访问寄存器。
∙VSC7149同样采用144管脚TQFP封装,具有
o6个独立的自配置端口,支持任意Phy之间的连接;
o通过内部的STP/SATA桥接功能支持SATA驱动器;
o支持SMP命令/协议,内嵌用于本地控制和SMP功能的32位RISCCPU(盘柜管理处理器,EMP)。
作为最低端的产品,6端口SASExpander的多数端口直接连接SAS或SATA硬盘驱动器,其余的端口连接H
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