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摘要：Maxim針對下一代串行SCSI (SAS)系統設計的NexSAS?產品分為四個功能區：擴展器技術、SAS/SATA支持器件、服務器/機箱/主板管理和信號調理。本文詳細介紹了第1.5代NexSAS擴展器在技術上的突破。
類似文章發表于Maxim工程期刊 ，第63期(PDF，1MB)。
第1.5代NexSAS系列產品為SMB (中/小型業務)和企業系統提供了高性能的存儲解決方案，甚至具備目前只有高利用率、高性能光纖通道系統才會提供的功能。NexSAS產品線包括三個高密度PHY擴展器、智能復用/解復用器擴展、新型機箱管理/SAS背板控制器以及業界靈敏度最高的信號調理器。
Maxim的NexSAS系列產品分為四個功能區：擴展器技術、SAS/SATA支持器件、服務器/機箱/主板管理和信號調理。本文詳細介紹了第1.5代NexSAS擴展器在技術上的突破，討論了NexSAS的多連接STP/SATA橋以及對SAS 2.0分區的支持。
Maxim的所有擴展器都將核心系統功能分為兩個獨立部分：擴展功能和管理功能。擴展功能包括擴展器連接管理(ECM)、擴展器連接路由器(ECR)、廣播原始處理器(BPP)和連接到器件的物理接口(PHY) (接口數為6至36，取決于具體應用)。
核心功能的另一部分是管理功能，它提供擴展器管理和廠商規定的機箱管理功能。這一部分還集成了與整個系統互動所需的各種外圍接口，包括2 線串口、JTAG、UART、通用I/O (GPIO)以及串行外圍接口。這些接口的數量和類型取決于特定的擴展器及工作模式。
圖1. Maxim的第1.5代NexSAS系列擴展器的原理圖
圖1所示是所有Maxim NexSAS系列產品的基本功能框圖。第1.5代擴展器提供了各種功能，以滿足不同的系統需求。它們也具有一些相同特性，包括：
第1.5代擴展器填補了SAS 1.1和即將推出的SAS 2.0技術規范之間的空缺，本文介紹2個主要的功能區別：多連接STP/SATA橋和SAS 2.0分區，詳情請參考下文。
一般情況下，SAS 1.1技術規范對STP/SATA橋的功能定義為：
圖2. STP/SATA橋支持STP功能啟動器和SATA驅動之間的連接
圖2所示為STP/SATA橋結構。與SAS驅動不同，SATA驅動不能識別多主機或多啟動器的并發訪問。會話期間，STP啟動器保持與SATA目標器的連接。在建立連接期間，任何試圖訪問相同SATA設備的STP啟動器將接收到一條“OPEN_REJECT (STP RESOURCES BUSY)”信息，并且嘗試重新連接。這種簡單的排除連接的機制在指定時間內僅允許設備上激活一個主機，保持了系統的相干性。
完成指定的啟動器的所有命令后，啟動器應該向STP/SATA橋發送一個特殊的CLOSE (CLEAR AFFILIATION)，從而解除連接，并允許其它主機訪問驅動器/資源。
可以想象，第一代擴展器只能支持單一連接，符合SAS 1.1技術規范。
任何新技術的推出都會帶來一些意想不到的結果。傳統的STP/SATA橋結構也是如此，原始設計橋在合理性和性能方面都存在一定的局限，以下簡要介紹這些局限性。
合理性
圖3. SAS 1.1中的SATA連接從概念上僅支持單一連接，從而在合理性和性能上造成一定的局限
圖4. 第1.5代NexSAS擴展器支持多連接STP/SATA橋工作，使兩個主機可同時在相同的SATA驅動器上發出激活命令
以下簡要介紹新型橋設計的工作原理。
智能連接管理
為滿足這些需求，在即將推出的SAS 2.0規范中引入了端對端分區的概念(關于分區規范的最新信息請訪問網站：www.t10.org)。
根據定義，SAS協議在指定的域中支持最多16,384個設備(啟動器、目標器、擴展器和/或虛擬設備)；然而，在實際應用中，實現如此大的拓撲將困難重重。其實，端對端分區提供了以較少的邏輯(分段)電路管理較大的物理拓撲的必要機制。SAS分區提供了控制組內及組間存取的概念和機制。
即將推出的SAS 2.0規范將分區劃分為2個部分：PHY解析分區和地址解析分區。兩種方法均采用了相同的訪問控制，但分組不同。
PHY解析的分區非常適合于小型拓撲、刀片服務器或集群應用。
通常情況下，地址解析分區用于較大拓撲，或者需要更大規模控制器的應用。
類似文章發表于Maxim工程期刊 ，第63期(PDF，1MB)。
引言
隨著第一代基于串行SCSI (SAS)技術的系統進入市場，主要的服務器和存儲器OEM競相推出新的平臺。伴隨著第一代系統的推出，Maxim擴大了其廣受歡迎的NexSAS?產品線。第1.5代NexSAS系列產品為SMB (中/小型業務)和企業系統提供了高性能的存儲解決方案，甚至具備目前只有高利用率、高性能光纖通道系統才會提供的功能。NexSAS產品線包括三個高密度PHY擴展器、智能復用/解復用器擴展、新型機箱管理/SAS背板控制器以及業界靈敏度最高的信號調理器。
Maxim的NexSAS系列產品分為四個功能區：擴展器技術、SAS/SATA支持器件、服務器/機箱/主板管理和信號調理。本文詳細介紹了第1.5代NexSAS擴展器在技術上的突破，討論了NexSAS的多連接STP/SATA橋以及對SAS 2.0分區的支持。
NexSAS擴展器技術
NexSAS擴展器系列產品設計用于高性能的互聯設備，采用單功能設計。該設計方法能夠確保從較少端口向刀片服務器、機箱和交換/隔離SAN應用所要求的多端口的可擴展性。Maxim的所有擴展器都將核心系統功能分為兩個獨立部分：擴展功能和管理功能。擴展功能包括擴展器連接管理(ECM)、擴展器連接路由器(ECR)、廣播原始處理器(BPP)和連接到器件的物理接口(PHY) (接口數為6至36，取決于具體應用)。
核心功能的另一部分是管理功能，它提供擴展器管理和廠商規定的機箱管理功能。這一部分還集成了與整個系統互動所需的各種外圍接口，包括2 線串口、JTAG、UART、通用I/O (GPIO)以及串行外圍接口。這些接口的數量和類型取決于特定的擴展器及工作模式。
圖1. Maxim的第1.5代NexSAS系列擴展器的原理圖
圖1所示是所有Maxim NexSAS系列產品的基本功能框圖。第1.5代擴展器提供了各種功能，以滿足不同的系統需求。它們也具有一些相同特性，包括：
- 高性能開關結構。一個低延遲、無阻塞開關矩陣，可提供高達54Gbps的開關容量(多端口擴展器，低端口數的擴展器容量會線性下降)。
- Maxim的通用PHY。自配置、自適應PHY能夠以1.5Gbps和3.0Gbps的數據速率支持SAS啟動器和SAS/SATA目標器。多PHY的預加重/去加重功能以及多PHY輸出級，充分利用了Maxim 20多年的技術積累。它們可以組合成寬度為n個PHY的SAS“擴展端口”。
- 虛擬啟動器和目標器的容量。SMP (串行管理協議)、SSP (串行SCSI協議)和STP (串行ATA隧道協議)啟動器、目標器能夠提供可靠的增值業務，例如自配置、自發現、SES控制以及偽劣設備的識別。
- 集成式機箱管理(EM)子系統。可靠的機箱管理能力最大程度地保護了OEM廠商在原有固件/軟件/定制功能上的投資，并可提供系統設計的靈活性。
- 集成式以太網接口。EM子系統包括了兩個10/100以太網MAC，支持刀片服務器或其它需要通過以太網訪問擴展器的應用。
- 多連接STP/SATA橋。利用Maxim的擴展器技術，對原有的STP/SATA橋進行擴展時在啟動器和目標器之間支持兩個并發(主/主) NCQ連接。這一創新方案有效解決了SAS 1.1中單一連接機制常見的啟動器資源缺乏問題。
- 端對端SAS 2.0分區。出于安全、控制和性能指標的考慮，NexSAS擴展器同時支持SAS 2.0 PHY解析和地址解析分區。
- 對第一代器件的其它改進。其它功能包括EPOW、集成A/D轉換器、用于可信賴平臺的LPC以及片上存儲器的奇偶校驗保護。
第1.5代擴展器填補了SAS 1.1和即將推出的SAS 2.0技術規范之間的空缺，本文介紹2個主要的功能區別：多連接STP/SATA橋和SAS 2.0分區，詳情請參考下文。
NexSAS多連接STP/SATA橋
早期設計的合理性和性能局限性
SAS 1.1技術規范將STP/SATA橋定義為在STP啟動器與SATA目標器(HDD)之間起橋梁作用的擴展組件。如果沒有STP/SATA橋，SAS將不能夠支持串行ATA(SATA)驅動。一般情況下，SAS 1.1技術規范對STP/SATA橋的功能定義為：
- 在SAS擴展器中，STP/SATA橋可實現SATA驅動到SAS域之間的連接。
- SAS協議用于建立或切斷主機(啟動器)與STP/SATA橋之間的連接。
- 連接期間，STP/SATA橋僅將本地SATA協議發送到SATA。
- 擴展器通常在每個PHY中有一個STP/SATA橋，但是只有在連接到SATA設備時才會激活橋。
圖2. STP/SATA橋支持STP功能啟動器和SATA驅動之間的連接
圖2所示為STP/SATA橋結構。與SAS驅動不同，SATA驅動不能識別多主機或多啟動器的并發訪問。會話期間，STP啟動器保持與SATA目標器的連接。在建立連接期間，任何試圖訪問相同SATA設備的STP啟動器將接收到一條“OPEN_REJECT (STP RESOURCES BUSY)”信息，并且嘗試重新連接。這種簡單的排除連接的機制在指定時間內僅允許設備上激活一個主機，保持了系統的相干性。
完成指定的啟動器的所有命令后，啟動器應該向STP/SATA橋發送一個特殊的CLOSE (CLEAR AFFILIATION)，從而解除連接，并允許其它主機訪問驅動器/資源。
可以想象，第一代擴展器只能支持單一連接，符合SAS 1.1技術規范。
任何新技術的推出都會帶來一些意想不到的結果。傳統的STP/SATA橋結構也是如此，原始設計橋在合理性和性能方面都存在一定的局限，以下簡要介紹這些局限性。
合理性
- 對于連接的時效性沒有明確限制，這意味著一個連接可能是永久建立的。
- 對SATA裝置的有效訪問必須由啟動器發起；當沒有主/主通信時，可能得不到保證。
- 實現合理的軟件算法對于OEM來說難度較大。
- 現有的STP啟動器并不“規范”：它們有時可能不解除連接。
- 如果在擴展器STP/SATA橋和啟動器之間存在有效的連接，其它主機則不能完成與該驅動器的任何連接請求，包括診斷。
- 在負載平衡系統中，單進程訪問SATA硬盤非常慢。
圖3. SAS 1.1中的SATA連接從概念上僅支持單一連接，從而在合理性和性能上造成一定的局限
新設計克服了傳統的性能局限
第1.5代NexSAS擴展器解決了SAS 1.1 STP/SATA橋的局限問題。通過升級橋的功能，兩個主機可同時對同一SATA驅動器發出激活命令，圖4所示為支持多連接STP/SATA橋的工作原理。圖4. 第1.5代NexSAS擴展器支持多連接STP/SATA橋工作，使兩個主機可同時在相同的SATA驅動器上發出激活命令
以下簡要介紹新型橋設計的工作原理。
智能連接管理
- 靈活、非獨占斷開策略(允許交迭)，包括：
- 定時斷開(多種模式和范圍)
- 完成任何FIS傳輸后斷開
- 完成數據FIS傳輸后斷開
- 互鎖操作后斷開
- 根據隊列標簽/上下文自動召回適當的啟動器(主機)
- SATA驅動器上允許采用所有32個NCQ命令標簽(或根據配置使用少數標簽)
- 管理來自于不同主機的NCQ和PIO命令之間的交互
- 標簽為透明管理，并從驅動器映射或映射至設備，避免啟動器時間標簽的編碼沖突(不需要特殊的主機軟件或固件)
SAS 2.0分區的基礎知識
當存儲器OEM和集成廠商在引進并采用基于SAS的系統時，都會希望能夠提供流量管理(性能)和安全領域所需的光纖通道及企業級特性。為滿足這些需求，在即將推出的SAS 2.0規范中引入了端對端分區的概念(關于分區規范的最新信息請訪問網站：www.t10.org)。
根據定義，SAS協議在指定的域中支持最多16,384個設備(啟動器、目標器、擴展器和/或虛擬設備)；然而，在實際應用中，實現如此大的拓撲將困難重重。其實，端對端分區提供了以較少的邏輯(分段)電路管理較大的物理拓撲的必要機制。SAS分區提供了控制組內及組間存取的概念和機制。
即將推出的SAS 2.0規范將分區劃分為2個部分：PHY解析分區和地址解析分區。兩種方法均采用了相同的訪問控制，但分組不同。
PHY解析分區
在PHY解析分區配置中，能夠分區的擴展器的每個PHY分配了一個分區組；屬于該PHY (或端口，當為寬端口PHY分組時)的所有設備均成為該分區組的一部分。擴展器中的一個授權表包括訪問控制許可信息，其中列出了不同分區組中設備之間的會話協議(默認情況下，一個分區組中的所有設備均可相互通信)。PHY解析的分區非常適合于小型拓撲、刀片服務器或集群應用。
地址解析分區
地址解析分區提供了PHY解析分區所不具備的一個抽象層。在地址解析配置中，自檢測擴展器解析每個設備地址，并形成一個表。該表包括了路由信息和分區授權。通過表中的授權和分區組確定任意兩個設備之間能夠進行什么級別的通信。通常情況下，地址解析分區用于較大拓撲，或者需要更大規模控制器的應用。
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