SCSI（小型計算機系統接口）工作原理

引言

計算機中布滿了總線——從一個位置向另一個位置傳輸信息和電力的高速通道。例如，將MP3或數碼相機連接到計算機時，您可能會使用通用串行總 (USB)端口。對于存儲圖片、音樂等的小型電子設備，USB端口完全可以勝任傳輸數據和充電的工作。但是，這種總線還不足以同時支持整臺計算機和服務器以及其他許多設備。

在這種情況下，就需要使用SCSI這樣的總線。SCSI原意是小型計算機系統接口，但實際上，它已超出了“小型”的范圍。它是一種快速總線，可以同時將大量設備連接到計算機，這些設備包括硬盤驅動器、掃描儀、CD-ROM/RW驅動器、打印機和磁帶機。在新系統中，串行ATA(SATA)等其他技術已在很大程度上取代了SCSI，但SCSI仍在使用。本文將介紹SCSI基礎知識，提供有關SCSI類型和規范的相關信息。

SCSI基礎知識

SCSI是在一種老式專有總線接口（稱為施加特聯合系統接口，縮寫為 SASI）的基礎上發展而來的。SASI最初是由Shugart Associates和NCR Corporation在1981年合作開發的。1986年，美國國家標準協會(ANSI)批準了SASI的修正版SCSI。SCSI使用一個控制器，向支持SCSI的設備（如硬盤驅動器和打印機）傳輸數據，同時接收來自這些設備的數據，并為其提供電力。

SCSI具有許多優點。它的速度相當快，最高可達320兆字節每秒(Mbps)。問世20多年來，經過充分測試，因而它享有性能可靠的美譽。與串行ATA和FireWire一樣，您可以在一條總線上連接多個設備。此外，SCSI可在大多數計算機系統中使用。

但是，SCSI也有一些潛在的問題。它對BIOS（基本輸入輸出系統）的支持比較有限，必須針對每臺計算機進行配置。此外也沒有通用的SCSI軟件接口。最后，不同的SCSI類型具有不同的速度、總線寬度和連接器，因此它們非常容易混淆。不過，只要了解“Fast”、“Ultra”和“Wide”的含義，這些SCSI類型也比較容易理解。下面將介紹一下這些類型。

RAID

SCSI常用于控制獨立磁盤冗余陣列(RAID)。串行ATA(SATA) 等其他技術也可用于這一用途。新型SATA驅動器往往比SCSI驅動器更快，也更便宜。
RAID是一組硬盤驅動器，通常被視為大型驅動器。這些驅動器可同時讀寫數據，稱為條帶。RAID控制器確定哪個驅動器獲取哪些數據塊。當驅動器寫入數據時，控制器會將數據發送到另一個驅動器，或從另一個驅動器讀取數據。

通過鏡像和奇偶校驗，RAID還提高了容錯性。鏡像是在另一個硬盤驅動器上創建某個驅動器數據的準確副本。奇偶校驗使用至少三個硬盤驅動器，將數據按序寫入每個驅動器，最后一個驅動器除外。最后一個驅動器存儲一個數字，該數字表示其他驅動器上數據的總和。有關RAID和容錯性的更多信息，請參考此頁。

SCSI類型

SCSI有三個基本規范：

• SCSI-1：SCSI-1是在1986年開發的原始規范，現已不再使用。它規定總線寬度為8位，時鐘速度為5MHz。
  
• SCSI-2：1994年采用，此規范包括通用指令集(CCS)——支持任何SCSI設備所必需的18個命令。在此規范中，可以選擇將時鐘速度提高一倍，達到10MHz (Fast)，將總線寬度增加為原來的兩倍，即16位，將設備數增加為15個(Wide)，或者同時實現上述兩種升級(Fast/Wide)。SCSI-2還增加了命令隊列，允許設備存儲命令，并從主機排列命令優先級。
  
• SCSI-3：此規范于1995年正式出臺，包括一系列較小范圍的標準。涉及SCSI并行接口(SPI)的一組標準在SCSI-3中得到了繼續發展，SPI是SCSI設備之間的通信方式。大多數SCSI-3規范都以Ultra開頭，如Ultra for SPI規范、Ultra2 for SPI-2規范和Ultra3 for SPI-3規范。名稱中的Fast和Wide的含義與SCSI-2中的一樣。SCSI-3是當前正在使用的標準。

雙倍總線速度、雙倍時鐘速度和SCSI-3規范的不同組合，產生了許多不同的SCSI規范。下表對幾種不同規范進行了比較。很多較慢的規范已不再使用——在此列出僅作比較之用。

除了總線速度提高之外，Ultra320 SCSI還使用打包數據傳輸，從而提高其效率。Ultra2也是最后一種具有“窄”（8位）總線寬度的規范。

所有這些SCSI類型都是并行的——數據通過總線同時傳輸，而不是一次傳輸一種數據。最新的SCSI類型稱為串行連接SCSI(SAS)，這種連接使用SCSI命令，但以串行方式傳輸數據。SAS使用點對點串行連接，以3.0千兆位每秒的速度傳輸數據，每個SAS端口可以支持多達128個設備或擴展設備。

所有SCSI規范都使用控制器和電纜與設備相連。下面將介紹這一過程。

scsi的控制器、設備和電纜

SCSI控制器在SCSI總線上的所有其他設備和計算機之間進行協調。SCSI控制器也稱為主機適配器，控制器既可以是插入可用插槽的卡，也可以內置在主板上。SCSI BIOS也在控制器上。它是一個小型ROM或閃存芯片，包含訪問和控制總線上的設備所需的軟件。

每個SCSI設備都必須具有唯一的標識符(ID)才能正常工作。例如，如果總線能夠支持16個設備，通過硬件或軟件設置指定的設備ID的范圍為0-15。SCSI 控制器本身必須使用其中一個ID，通常是最高的那一個，而將其他ID留給總線上的其他15個設備使用。

內部設備通過帶狀電纜連接到SCSI控制器。外部SCSI設備使用一條粗的圓形電纜，以菊花鏈形式連接到控制器（串行連接SCSI設備使用SATA電纜）。在菊花鏈中，每個設備都依次連接到下一個設備。因此，外部SCSI設備通常具有兩個SCSI連接器——分別連接前后兩個設備。

電纜本身通常由三層構成：

• 內層：保護性最好的層，包含實際發送的數據。
• 介質層：包含向設備發送控制命令的線路。
• 外層：包含傳輸奇偶校驗信息的線路，這些信息可確保數據的正確性。

不同SCSI標準使用不同的連接器，這些連接器通常不兼容，通常使用50、68或80針。SAS使用較小的SATA兼容連接器。

一旦總線上的全部設備安裝完畢，而且分配了各自的ID，則總線的每一端都必須閉合。下面介紹如何執行這一操作。

SCSI終結

如果SCSI總線保持開放狀態，沿總線發送的電信號會反射回來，從而干擾設備和SCSI控制器之間的通信。解決方法是終結總線，用電阻電路閉合每一端。如果總線同時支持內部和外部設備，則必須終結每個系列的最后一個設備。

SCSI 終結的類型主要可分為兩類：被動和主動。被動終結通常用于在標準時鐘速度下運行、且設備到控制器的距離小于1米的SCSI系統。主動終結用于Fast SCSI系統，或設備到SCSI控制器的距離大于1米的系統。

SCSI還使用三種不同類型的總線信令，這也會影響終結。電脈沖以信令的方式在線路上發送。

• 單端(SE)：控制器生成信號，并通過單條數據線將信號傳送至總線上的所有設備。每個設備都會產生信號損失。因此，信號會很快開始衰減，由此SE SCSI的傳輸距離被限制為約3米以內。PC中普遍采用SE信令。
  
• 高壓差動(HVD)：HVD常用于服務器，它以串聯方式發送信號，采用一條數據高壓線和一條數據低壓線。SCSI總線上的每個設備都有信號收發器。控制器與設備通信時，總線沿途的設備接收信號并轉發信號，直至信號到達目標設備為止。這樣，控制器和設備之間的允許距離可顯著增加，可達25米。

• 低壓差動(LVD)：LVD是HVD的同類技術，工作原理非常相似。兩者之間的差異在于，LVD的收發器更小，并且內置于每個設備的SCSI適配器中。這使得LVD SCSI設備的價格更合理，并且LVD使用更少的電量就可以通信。缺點在于最大距離僅為HVD的一半——12米。

HVD和LVD通常都使用被動終結器，即使設備和控制器之間的距離遠大于1米也是如此。這是因為收發器可以確保信號足夠強，能從總線的一端傳輸到另一端。