Параллельный интерфейс SCSI существует в нескольких версиях, различающихся разрядностью шины, способами передачи сигналов и синхронизации. Физически «узкий» интерфейс SCSI представляет собой шину, состоящую из 18 сигнальных и нескольких питающих цепей. В «широком» варианте число сигнальных цепей увеличено. Для защиты от помех каждая сигнальная цепь имеет собственный обратный провод. На применяемых двухрядных разъемах контакты сигнальных и обратных цепей располагаются друг против друга. Это позволяет применять в качестве кабелей как витые пары проводов, так и плоские ленточные кабели, где сигнальные и обратные провода чередуются.
По типу сигналов различают линейные (single ended) и дифференциальные (differential) версии SCSI. Их кабели и разъемы идентичны, но электрической совместимости устройств нет.
В широко используемой линейной версии SE (Single Ended) каждый сигнал передается потенциалом с ТТЛ-уровнями относительно общего провода. Здесь общий (обратный) провод для каждого сигнала тоже должен быть отдельным, что снижает перекрестные помехи. В SCSI-1 применяются передатчики с открытым коллектором, приемники на биполярных транзисторах. Высокий уровень при пассивном состоянии передатчиков обеспечивают пассивные терминаторы (см. п. 5.1.2). В SCSI-2 стали применять и передатчики с активным снятием сигнала (active negation). Схема с открытым коллектором для снятия сигнала просто «отпускает» линию, и ее потенциал возвращается в исходное состояние только под действием терминаторов. При активном снятии выходная схема передатчика кратковременно форсирует переход линии к потенциалу пассивного состояния, после чего «отпускает» линию; при этом создается иллюзия возможности работы без терминаторов. В SCSI-3 стандарт SPI предписывает использование интерфейсных схем КМОП (CMOS).
Дифференциальная версия Diff, или HVD, для каждой цепи задействует пару проводников, по которым передается парафазный сигнал. Здесь используются специальные дифференциальные приемопередатчики, применяемые и в интерфейсе RS-485, что позволяет значительно увеличить длину кабеля, сохраняя скорость обмена. Дифференциальный интерфейс применяется в дисковых системах серверов, но в обычных PC не распространен. Интерфейс HVD (но еще с названием Diff) появился в SCSI-2, а в стандарте SPI-3 (SCSI-3 1999 года) он уже упразднен, поскольку скорость Ultra2 и выше он не выдерживает.
Низковольтный дифференциальный интерфейс LVD позволяет работать на частотах 40, 80 и 160 МТ/с в устройствах Ultra2, Ultra160 и Ultra320 SCSI при длине шины 25 м (8 устройств) или 12 м (16 устройств). Устройства LVD совместимы с устройствами SE благодаря возможности их автоматического переконфигурирования (Multimode LVD). Устройства LVD распознают напряжение на линии DIFFSENS и по низкому уровню напряжения на ней способны переключаться из режима LVD (дифференциальный) в SE (линейный). Контакт разъема, на который выводится эта цепь, в устройствах SE заземлен, что и обеспечивает автоматическое «понижение» режима всех устройств шины до SE, если имеется хотя бы одно устройство SE.
Скорость передачи данных определяется частотой переключений сигналов, измеряемой в МТ/с, разрядностью, а в последних версиях и способом синхронизации (одиночная или двойная). Изначально разрядность шины SCSI составляла 8 бит (Narrow), а частота — до 5 МТ/с. Широкий (wide) вариант шины имеет разрядность 16 бит. Комбинации этих параметров обеспечивают широкий диапазон пропускной способности (табл. 5.1), достигающей уже 320 Мбайт/с. В обозначениях пропускной способности интерфейсов встречаются разночтения, здесь приводятся названия, используемые фирмой Western Digital в 2000 году. Fast SCSI означает частоту передач 10 МТ/с, временные диаграммы для такого режима определены в SCSI-2. Краткое название Fast-20 соответствует полному «Fast Wide SCSI» (16 бит, 10 MT/s). Режим Ultra SCSI указывает на частоту передач 20 МТ/с, он определен для параллельного интерфейса в SCSI-3. Краткое название Fast-40 соответствует полному «Wide Ultra SCSI» (16 бит, 20 MT/s). Режим Ultra2 SCSI указывает на частоту передач 40 МТ/с, краткое название Fast-80 соответствует полному «Wide Ultra2 SCSI» (16 бит, 40 MT/s). Этот режим, определенный в SCSI-3, в настоящее время является самым распространенным для новых устройств с параллельной шиной. Он реализован только в низковольтной дифференциальной версии интерфейса — LVD. В SCSI-3 понятие Ultra3 SCSI довольно широкое. Ultra160 SCSI означает скорость 160 Мбайт/с и существует только в «широком» (16 бит) варианте. Здесь применяется синхронизация по обоим фронтам сигнала, а также контроль достоверности передач по CRC-кодам, что позволяет «выжать» из кабеля максимальную скорость передачи (как и в Ultra DMA интерфейса ATA). В 2001 году появился интерфейс Ultra320 SCSI со скоростью 320 Мбайт/с.
Таблица 5.1. Скорость передачи данных (Мбайт/с) по параллельной шине SCSI
| Разрядность шины, бит | Разновидность | |||||
| Обычная | Fast | Fast-20 (Ultra) | Fast-40 (Ultra2) | Ultra 160 (Ultra3) | Ultra 320 | |
| 8 (Narrow) | 5 | 10 | 20 | 40 | – | – |
| 16 (Wide) | 10 | 20 | 40 | 80 | 160 | 320 |
Наиболее популярный интерфейс Ultra2 SCSI обеспечивает хорошее сочетание пропускной способности шины при ее большей длине, цены устройств и совместимости с традиционными устройствами SCSI.
Кабели, разъемы, сигналы
Для параллельного интерфейса характерен плоский или круглый гибкий кабель. Плоский кабель, используется для соединения устройств, расположенных в одном корпусе. На нем может быть наколото несколько разъемов. При необходимости кабели могут сращиваться через специальные переходные разъемы, причем только концевые; T-образные ответвления недопустимы (допускается длина отвода до 10 см, сюда входит длина проводника от ответвления до входа микросхемы приемопередатчика). Круглый кабель, состоящий из витых пар, используется для соединения вне корпусов устройств. ПУ внешнего исполнения обычно имеют два разъема, что позволяет соединить их в цепочку. Длина кабеля зависит от версии интерфейса и частоты (табл. 5.2) При подсчете суммарной длины кабеля следует учитывать возможность использования одного порта хост-адаптера одновременно для внешних и внутренних подключений и, в случае такого подключения, суммировать длины внутренних и внешних кабелей. У всех разъемов кабеля контакты одноименных цепей соединяются «один в один».
Таблица 5.2. Максимальная длина кабелей SCSI
| Тип интерфейса | Обычный (5 МТ/с) | Fast (10 МТ/с) | Ultra (20 МТ/с) | Ultra2 (40 МТ/с) | Ultra160 (80 МТ/с) | Ultra320 (160 МТ/с) |
| Линейный (Single ended) | 6 м | 3 м | 1,5 м (8 устр.), 3 м (4 устр.) | – | – | – |
| Дифференциальный (HVD) | 25 м | 12 м (16 устр.), 25 м (8 устр.) | 6 м (16 устр.), 25 м (8 устр.) | – | – | – |
| Дифференциальный, низковольтный (LVD) | – | – | – | 12 м (16 устр.), 25 м (8 устр.) | 12 м (16 устр.), 25 м (8 устр.) | 12 м (16 устр.), 25 м (8 устр.) |
В настоящее время ассортимент разъемов, применяемых в устройствах SCSI, довольно широк, что иногда заставляет использовать переходные адаптеры. Разъемы различаются как по числу, так и по форме и размеру контактов (о назначении контактов см; ниже). Практически все разъемы двухрядные, и раскладка цепей рассчитана на чередование сигнальных и обратных проводов. Исключения составляют разъемы DВ-25, у которых число «земляных» контактов меньше, чем сигнальных, и экзотические трехрядные DB-50. Ниже описаны применяемые типы разъемов.
♦ IDC-50 — разъемы для соединения внутренних устройств (аналогичны разъемам ATA, где применяются 40-контактные IDC-40). Разъемы имеют квадратные штырьковые контакты с шагом 0,1" (2,54 мм), пластмассовый корпус, без кожуха и дополнительных фиксаторов (рис. 5.1, а). На устройствах устанавливают вилки (IDC-50M), на ленточных кабелях — розетки (IDC-50F).
♦ СХ-50 — разъемы типа Centronics, аналогичные применяемым в принтерах (но 50-контактные). Разъемы имеют пластинчатые контакты с шагом 0,085" (2,16 мм) и внешний металлический кожух (рис. 5.1, б). Применяются для соединения внешних устройств. На корпусе устройства (и SCSI-адаптера) устанавливают розетки (CX-50F), на кабелях — вилки (СХ-50М). Разъемы фиксируются проволочными скобами, установленными на розетке, входящими в выемки на корпусе вилки. Часто называются «внешними SCSI-1» (SCSI-1 External).
♦ DB-25 — разъемы с круглыми штырьковыми контактами в металлическом кожухе D-образной формы (как на LPT-порте компьютера). На устройстве устанавливается розетка (DB-25F), на кабеле — вилка (DB-25M); фиксация выполняется с помощью винтов (рис. 5.1, в). Применяются на некоторых внешних устройствах (например, Zip).
♦ HD-50, они же MiniD50 (рис. 5.1, г), — разъемы со штырьковыми контактами в металлическом кожухе D-образной формы, с высокой плотностью контактов (High Density) — с шагом 0,05" (1,27 мм). На устройстве устанавливается розетка (HD-50F), на кабеле — вилка (HD-50M); фиксация выполняется с помощью защелок (клипсов). Часто называются «внешними SCSI-2» (SCSI-2 External).
Рис. 5.1. Разъемы 8-битного устройства SCSI: а — IDC-50P, б — CX-50P, в — DB-25P, г — HD-50F
♦ HD-68, они же MiniD68, — аналогичные разъемы, но с 68 контактами. На устройстве устанавливается розетка (HD-68F или MiniD68F), на кабеле — вилка (HD-68M или MiniD68M). Внешние разъемы фиксируются с помощью клипсов или винтов, внутренние — только на трении. Часто называются разъемами SCSI-3, в настоящее время наиболее широко используются для «широкого» интерфейса. На рис. 5.2 показан внешний разъем, слева изображена клипса, справа — резьбовая букса.
Рис. 5.2. Разъемы 16-битного устройства SCSI HD-68F
♦ VHDCI-68 — внешние разъемы с особо высокой плотностью (Very High Density Connector), контакты в стиле Centronics с шагом 0,8 мм. Применяются нечасто, иногда их ошибочно называют разъемами SCSI-4 или SCSI-5.
♦ МСХ (Micro-centronics) — разъемы в стиле Centronics, но в миниатюрном варианте. Наиболее распространены разъемы МСХ-68 и MCX-80 более известные как SCA.
♦ SCA (Single Connector Attachment) — разъем для подключения устройства одним разъемом. Предназначен для подключения дисков, устанавливаемых в шасси с возможностью «горячей» замены (или, по крайней мере, легкой, через лицевую панель). В настоящее время распространена спецификация SCA-2 на разъемах MCX-80 (рис. 5.3). На устройстве устанавливается вилка (MCX-80F), на шасси — розетка (МСХ-80М). Кроме интерфейсных сигналов, на разъем выводятся шины питания, а также сигналы конфигурирования устройства (идентификатор, режимы и т. п.). На боковых направляющих имеются дополнительные контакты заземления. Конфигурационные джамперы устанавливаются не на устройстве, а на шасси (или на плате адаптера).
Рис. 5.3. Разъем устройства SCSI с «горячей» заменой SCA-80
Для версии Narrow SCSI использовались разъемы, изображенные на рис. 5.1, для Wide SCSI — на рис. 5.2. Для устройств с «горячей» заменой применяют миниатюрный D-образный разъем SCA-2, общий для питания и сигнальных цепей (рис. 5.3).
Ассортимент кабелей SCSI довольно широк.
♦ А-кабель. Стандартный для 8-битного интерфейса, 25 пар проводов. Для внутренних устройств используется плоский ленточный кабель, для внешних — круглый кабель, состоящий из 25 витых пар в общем экране:
• внутренний А-кабель SCSI-1 и SCSI-2 имеет разъемы с низкой плотностью контактов IDC-50 (розетки, см. рис. 5.1, а);
• внешний А-кабель SCSI-1 имеет разъемы Centronics-50 (CX-50M, см. рис. 5.1, б);
• внешний А-кабель SCSI-2 имеет разъемы MiniD50M (HD-50M, см. рис. 5.1, в).
♦ B-кабель. Малораспространенный 16/32-битный расширитель SCSI-2.
♦ P-кабель. 8/16-битный кабель с 34 парами проводов, снабжен улучшенными миниатюрными экранированными разъемами. Применяется в интерфейсах SCSI-2/3, в 8-битном варианте контакты 1–5, 31–39, 65–68 не используются:
• внутренний P-кабель SCSI-3 имеет разъемы HD-68M без фиксаторов;
• внешний P-кабель SCSI-3 имеет разъемы MiniD68M с фиксаторами;
• внешний P-кабель SCSI SPI-2 имеет разъемы с особо высокой плотностью VHDCI-68M (иногда такой кабель ошибочно называют кабелем SCSI-4 или SCSI-5).
♦ Q-кабель. 68-проводное расширение до 32 бит, используется в паре с P-кабелем и имеет аналогичную конструкцию. Реально Q-кабель так и не использовался, в спецификации SCSI SPI-3 уже не рассматривается.
♦ Mac SCSI. Кабель с разъемами DB-25P (см. рис. 5.1, г) — 8-битный, стандартный для Macintosh (назначение контактов см. ниже), используется на некоторых внешних устройствах (Iomega ZIP Drive). Встречается иная раскладка цепей, если 25-контактный разъем установлен на хост-адаптере.
Существуют также различные варианты кабелей-переходников (с разнотипными разъемами) и адаптеров. Адаптеры представляют собой печатную плату или монолитную конструкцию с разнотипными разъемами. У адаптеров, соединяющих шины разной ширины, может присутствовать терминатор (должен быть отключаемым!) старшего байта (см. п. 5.1.5). Адаптер подключения SCA к обычной шине имеет стандартный разъем подключения питания, а также набор джамперов, задающих конфигурацию устройства.
Назначение контактов разъемов кабелей приведено в табл. 5.3–5.7. Неудобство вызывает система нумерации контактов, которая различна для внешних и внутренних разъемов. Однако физическая раскладка проводов на разъеме и в плоском кабеле одинакова, сигнальные линии (прямые) перемежаются обратными проводами (заземленными в SE-устройствах).
Таблица 5.3. Разъёмы A-кабеля SCSI
| Контакт IDC-50/CX-50 | Цепь SE/Diff | Контакт IDC-50/CX-50 | Цепь |
| 1/1 | GND/DB0+ | 2/26 | DB0# |
| 3/2 | GND/DB1+ | 4/27 | DB1# |
| 5/3 | GND/DB2+ | 6/28 | DB2# |
| 7/4 | GND/DB3+ | 8/29 | DB3# |
| 9/5 | GND/DB4+ | 10/30 | DB4# |
| 11/6 | GND/DB5+ | 12/31 | DB5# |
| 13/7 | GND/DB6+ | 14/32 | DB6# |
| 15/8 | GND/DB7+ | 16/33 | DB7# |
| 17/9 | GND/DBP0+ | 18/34 | DBP0# |
| 19/10 | GND/GND | 20/35 | GND |
| 21/11 | GND/GND | 22/36 | GND |
| 23/12 | Резерв | 24/37 | Резерв |
| 25/13 | Свободен | 26/38 | TERMPWR |
| 27/14 | Резерв | 28/39 | Резерв |
| 29/15 | GND | 30/40 | GND |
| 31/16 | GND/ATN+ | 32/41 | ATN# |
| 33/17 | GND | 34/42 | GND |
| 35/18 | GND/BSY+ | 36/43 | BSY# |
| 37/19 | GND/ACK+ | 38/44 | ACK# |
| 39/20 | GND/RST+ | 40/45 | RST# |
| 41/21 | GND/MSG+ | 42/46 | MSG# |
| 43/22 | GND/SEL+ | 44/47 | SEL# |
| 45/23 | GND/C/D+ | 46/48 | C/D# |
| 47/24 | GND/REQ+ | 48/49 | REQ# |
| 49/25 | GND/I/O+ | 50/50 | I/O# |
Таблица 5.4. Разъемы B-кабеля SCSI
| Контакт внутр./внешн. | Цепь SE/Diff | Контакт внутр./внешн. | Цепь |
| 1/1 | GND | 2/35 | GND |
| 3/2 | GND/DB8+ | 4/36 | DB8# |
| 5/3 | GND/DB9+ | 6/37 | DB9# |
| 7/4 | GND/DB10+ | 8/38 | DB10# |
| 9/5 | GND/DB11+ | 10/39 | DB11# |
| 11/6 | GND/DB12+ | 12/40 | DB12# |
| 13.07.12 | GND/DB13+ | 14/41. | DB13# |
| 15/8 | GND/DB14+ | 16/42 | DB14# |
| 17/9 | GND/DB15+ | 18/43 | DB15# |
| 19/10 | GND/DBP1+ | 20/44 | DBP1# |
| 21/11 | GND/ACKB+ | 22/45 | ACKB# |
| 23/12 | GND/GND | 24/46 | GND |
| 25/13 | GND/REQB+ | 26/47 | REQB# |
| 27/14 | GND/DB16+ | 28/48 | DB16# |
| 29/15 | GND/DB17+ | 30/49 | DB17# |
| 31/16 | GND/DB18+ | 32/50 | DB18# |
| 33/17 | TERMPWR | 34/51 | TERMPWR |
| 35/18 | TERMPWR | 36/52 | TERMPWR |
| 37/19 | GND/DB19+ | 38/53 | DB19# |
| 39/20 | GND/DB20+ | 40/54 | DB20# |
| 41/21 | GND/DB21+ | 42/55 | DB21# |
| 43/22 | GND/DB22+ | 44/56 | DB22# |
| 45/23 | GND/DB23+ | 46/57 | DB23# |
| 47/24 | GND/DBP2+ | 48/58 | DBP2# |
| 49/25 | GND/DB24+ | 50/59 | DB24# |
| 51/26 | GND/DB25+ | 52/60 | DB25# |
| 53/27 | GND/DB26+ | 54/61 | DB26# |
| 55/28 | GND/DB27+ | 56/62 | DB27# |
| 57/29 | GND/DB28+ | 58/63 | DB28# |
| 59/30 | GND/DB29+ | 60/64 | DB29# |
| 61/31 | GND/DB30+ | 62/65 | DB30# |
| 53/32 | GND/DB31+ | 64/66 | DB31# |
| 65/33 | GND/DBP2+ | 66/67 | DBP2# |
| 67/34 | GND/GND | 68/68 | GND |
Таблица 5.5. Разъемы P-кабеля SCSI
| Контакт | Цепь SE/Diff | Контакт | Цепь |
| 1 | GND/DB12+ | 35 | DB12# |
| 2 | GND/DB13+ | 36 | DB13# |
| 3 | GND/DB14+ | 37 | DB14# |
| 4 | GND/DB15+ | 38 | DB15# |
| 5 | GND/DBP1+ | 39 | DBP1# |
| 6 | GND/DB0+ | 40 | DB0# |
| 7 | GND/DB1+ | 41 | DB1# |
| 8 | GND/DB2+ | 42 | DB2# |
| 9 | GND/DB3+ | 43 | DB3# |
| 10 | GND/DB4+ | 44 | DB4# |
| 11 | GND/DB5+ | 45 | DB5# |
| 12 | GND/DB6+ | 46 | DB6# |
| 13 | GND/DB7+ | 47 | DB7# |
| 14 | GND/DBP0+ | 48 | DBP0# |
| 15 | GND | 49 | GND |
| 16 | DIFFSENS (GND)¹ | 50 | GND |
| 17 | TERMPWR | 51 | TERMPWR |
| 18 | TERMPWR | 52 | TERMPWR |
| 19 | Резерв | 53 | Резерв |
| 20 | GND | 54 | GND |
| 21 | GND/ATN+ | 55 | ATN# |
| 22 | GND/GND | 56 | GND |
| 23 | GND/BSY+ | 57 | BSY# |
| 24 | GND/ACK+ | 58 | ACK# |
| 25 | GND/RST+ | 59 | RST# |
| 26 | GND/MSG+ | 60 | MSG# |
| 27 | GND/SEL+ | 61 | SEL# |
| 28 | GND/C/D+ | 62 | C/D# |
| 29 | GND/REQ+ | 63 | REQ# |
| 30 | GND/I/O+ | 64 | I/O# |
| 31 | GND/DB8+ | 65 | DB8# |
| 32 | GND/DB9+ | 66 | DB9# |
| 33 | GND/DB10+ | 67 | DB10 |
| 34 | GND/DB11+ | 68 | DB11 |
¹ Сигнал DIFFSENS определен только для интерфейса LVD.
Таблица 5.6. Разъем Mac SCSI (DB-25)
| Контакт | Цепь | Контакт | Цепь |
| 1 | REQ# | 14 | GND |
| 2 | MSG# | 15 | C/D# |
| 3 | I/O# | 16 | GND |
| 4 | RST# | 17 | ATN# |
| 5 | ACK# | 18 | GND |
| 6 | BSY# | 19 | SEL# |
| 7 | GND | 20 | DBP0# |
| 8 | DB0# | 21 | DB1# |
| 9 | GND | 22 | DB2# |
| 10 | DB3# | 23 | DB4# |
| 11 | DB5# | 24 | GND |
| 12 | DB6# | 25 | TERMPWR |
| 13 | DB7# |
Таблица 5.7. Разъем SCA-80
| Контакт | Цепь | Контакт | Цепь SE/Diff |
| 01 | 12 Volt Charge | 41 | 12V GND |
| 02 | 12 Volt | 42 | 12V GND |
| 03 | 12 Volt | 43 | 12V GND |
| 04 | 12 Volt | 44 | Mated 1 |
| 05 | Резерв | 45 | Резерв |
| 06 | Резерв | 46 | GND |
| 07 | DB11# | 47 | GND/DB11+ |
| 08 | DB10# | 48 | GND/DB10+ |
| 09 | DB9# | 49 | GND/DB9+ |
| 10 | DB8# | 50 | GND/DB8+ |
| 11 | I/O# | 51 | GND/I/O+ |
| 12 | REQ# | 52 | GND/REQ+ |
| 13 | C/D# | 53 | GND/C/D+ |
| 14 | SEL# | 54 | GND/SEL+ |
| 15 | MSG# | 55 | GND/MSG+ |
| 16 | RST# | 56 | GND/RST+ |
| 17 | ACK# | 57 | GND/ACK+ |
| 18 | BSY# | 58 | GND/BSY+ |
| 19 | ATN# | 59 | GND/ATN+ |
| 20 | DBP0# | 60 | GND/DBP0+ |
| 21 | DB7# | 61 | GND/DB7+ |
| 22 | DB6# | 62 | GND/DB6+ |
| 23 | DB5# | 63 | GND/DB5+ |
| 24 | DB4# | 64 | GND/DB4+ |
| 25 | DB3# | 65 | GND/DB3+ |
| 26 | DB2# | 66 | GND/DB2+ |
| 27 | DB1# | 67 | GND/DB1+ |
| 28 | DB0# | 68 | GND/DB0+ |
| 29 | DBP1# | 69 | GND/DBP1+ |
| 30 | DB15# | 70 | GND/DB15+ |
| 31 | DB14# | 71 | GND/DB14+ |
| 32 | DB13# | 72 | GND/DB13+ |
| 33 | DB12# | 73 | GND/DB12+ |
| 34 | 5 Volt | 74 | Mated 2 |
| 35 | 5 Volt | 75 | 5V GND |
| 36 | 5 Volt Charge | 76 | 5V GND |
| 37 | Резерв | 77 | Active LED Out |
| 38 | Auto Spin Up | 78 | Delayed Start |
| 39 | SCSI I D 0 | 79 | SCSI I D 1 |
| 40 | SCSI I D 2 | 80 | SCSI I D 3 |
Терминаторы
Как было сказано выше, каждая физическая шина SCSI должна оканчиваться терминаторами, устанавливаемыми на обоих ее концах. Терминаторы могут быть как внутренними (установленными внутри контроллеров и периферийных устройств SCSI), так и внешними — маленькими блоками, устанавливаемыми на разъем кабеля или дополнительный разъем последнего устройства. Терминаторы шины SCSI должны выполнить две задачи:
♦ избавить линии шины от отражений сигналов с ее концов;
♦ обеспечить требуемый уровень сигнала пассивных линий.
Первая задача вытекает из того, что шлейф SCSI может иметь довольно большую протяженность, и в терминах теоретических основ электротехники каждая сигнальная линия является «длинной линией». Чтобы сигналы не отражались от концов этой линии, оба конца должны быть нагружены согласованной нагрузкой. Согласованность означает совпадение волнового сопротивления линии с динамическим сопротивлением (импедансом) нагрузки. Волновое сопротивление линий кабельных шлейфов, применяемых в SCSI, обычно лежит в диапазоне 85-110 Ом. Если терминаторов не будет (или импеданс терминатора не совпадает с линией), «звон» отраженных сигналов будет приводить к помехам на шине.
Вторая задача обусловлена спецификой интерфейса SCSI, где каждой сигнальной линией может управлять любое из нескольких устройств, подключенных к шине. Причем устройство, посылающее сигнал, формирует только активный уровень (низкий в недифференциальных версиях SCSI), а возвратить линию в пассивное состояние должны терминаторы. Если нет ни одного терминатора, то уровень на линиях, «отпущенных» устройством, за счет входных токов приемников сигнала тоже будет возвращаться в пассивное состояние, но гораздо медленнее. Если шина достаточно длинная и устройств много, то это возвращение будет слишком запоздалым и может вызвать сбои в протоколе. У высокоскоростных устройств применяется активное возвращение сигналов в пассивное состояние (active negation), от чего возникает иллюзия возможности работы шины без терминаторов. Однако устойчивая работа при большом количестве устройств (более двух на шине, включая контроллер) проблематична.
Из сказанного выше становится понятно, когда пренебрежение правилами установки терминаторов может «сойти с рук»: когда шина не очень длинная, устройств мало (скажем, контроллер и один винчестер), а скорость обмена невелика. Однако на одну шину SCSI чаще устанавливают много устройств, при этом шина получается довольно длинной; устройства стараются использовать на высоких скоростях обмена, да еще и с высокими требованиями к надежности. В иных случаях было бы выгоднее применять устройства с иным интерфейсом — для устройств хранения данных это широко распространенный и дешевый интерфейс ATA.
Рассмотрим, какие бывают терминаторы для наиболее популярных устройств SE и LVD. Многие устройства с интерфейсом LVD способны работать и с интерфейсом SE (но на малых скоростях); их интерфейс обозначается символами «LVD/SE». Режим работы эти устройства способны определять автоматически: если все устройства на шине (включая и терминаторы) «умеют» работать в режиме LVD, то этот режим и будет выбран (если ни на одном из устройств принудительно не установлен режим SE). Если же на шине хоть одно устройство способно только на режим SE, то в этот режим перейдут и все остальные (соответственно, снижая возможную скорость передачи данных). Заметим, что устройства HVD (Diff) в компанию к LVD/SE включать нельзя.
Для режимов SE и LVD различается способ передачи по сигнальным линиям и режим терминации. Каждая сигнальная линия шины SCSI состоит из пары проводов: прямого и обратного. В режиме SE все обратные провода соединяются с «землей» (на каждом устройстве); терминирующие цепи подключаются только к прямым проводам. В режиме LVD по каждой паре проводов сигнал передается в дифференциальной парафазной форме; терминирующие цепи подключаются к обоим проводам каждой пары. Варианты схем терминаторов для SE и LVD приведены на рис. 5.4, где изображены нагрузочные цепи для одной: сигнальной линии. Все терминаторы (не только «активные»!) нуждаются в питании; которое на них поступает по специальным линиям TERMPWR (+5.В).
♦ Пассивные терминаторы SE (рис. 5.4, а) имеют импеданс 132 Ом, что плохо согласуется с ленточным кабелем шины. Эти терминаторы пригодны лишь для «обычного» интерфейса SCSI (скорость передачи до 5/10 Мбайт/с в «узком»/«широком» вариантах). Для Fast SCSI, Ultra SCSI и далее они непригодны.
♦ Активные терминаторы SE (рис. 5.4, б) имеют импеданс 110 Ом, что позволяет их использовать на более высоких скоростях в Fast SCSI,Их «активность» заключается лишь в наличии внутреннего источника опорного напряжения (ИОН) +2,85 В, питающегося от тех же линий TermPWR. Микросхемы активных терминаторов имеют и электронные ключи, включенные последовательно в каждую линию. Ключи управляются общим сигналом, позволяющим включать-отключать терминатор.
♦ Терминаторы FPT SE (Forced Perfect Terminator) — улучшенный вариант активных терминаторов с диодными ограничителями выбросов, применяемые в высокоскоростных версиях SE-интерфейса.
♦ Терминаторы для LVD (рис. 5.4, в) имеют дифференциальной импеданс 105 Ом (линейный — 150 Ом). Здесь два источника опорных напряжений обеспечивают между прямым и обратным проводами смещение 112 мВ (в их пассивном состоянии).
♦ Универсальные терминаторы LVD/SE сочетают в себе активные SE-терминаторы, дифференциальные терминаторы LVD, схему определения режима и цепи коммутации каждого провода (прямого и обратного) шины SCSI на соответствующие терминирующие цепи.
Рис. 5.4. Терминаторы SCSI: а — SE пассивные, б — SE активные, в — LVD
Универсальные терминаторы LVD/SE, как и остальные устройства, определяют режим работы шины по линии DIFSENSE. В старых устройствах SE контакт разъема, соответствующий этой линии, был заземлен. Устройства LVD пытаются вывести на этот контакт потенциал 1,3 В. Устройства HVD на этот контакт выводили потенциал выше 2,1 В. В терминаторе имеются компараторы, сравнивающие сигнал этой линии с эталонами, и логика, переключающая режим терминатора (если обнаруживается HVD, терминатор отключает все свои цепи). Специально для универсальных терминаторов выпускаются микросхемы (например, DS2117М, DS2118М фирмы Dallas Semiconductor), выполняющие все функции автоматической терминации для 9 пар проводов. Для терминации 16-разрядной шины данных (Wide SCSI) и сигналов управления требуется 3 таких микросхемы. В микросхемах используются прецизионные резисторы с лазерной подгонкой, что обходится недешево.
По исполнению терминаторы могут быть как внутренними (размещенными на печатной плате устройства), так и внешними (устанавливаемыми на разъемы кабеля или устройства). Внутренние терминаторы на каждом устройстве могут быть включены или выключены. В старых устройствах (SCSI-1) для включения терминаторов нужно было установить набор перемычек или вставить в специальную кроватку сборку резисторов. Активные терминаторы включаются-выключаются перестановкой одного джампера или даже бесконтактно — программно при конфигурировании устройства. Возможно даже автоматическое включение терминатора (если таковая возможность поддерживается устройством и разрешена при конфигурировании). Внешние терминаторы выглядят как разъемы с небольшой крышкой, под которой смонтирована их «начинка». Несмотря на внешнюю простоту, они имеют ощутимую цену — терминатор для Ultra-Wide SCSI стоит $10–15. Внешние терминаторы устанавливаются и снимаются только вручную.
Внутренние терминаторы или, по крайней мере, панелька для их установки имеются практически во всех устройствах, интерфейс которых не является LVD-интерфейсом. В устройствах с LVD-интерфейсом терминаторы, как правило, отсутствуют в целях экономии: когда на шину устанавливается несколько устройств, терминатор используется лишь в последних. Однако при подключении одного устройства экономия на цене устройства незаметна, а вот расходы на приобретение терминатора вполне очевидны.
ВНИМАНИЕ
Отсутствие терминаторов на устройствах с LVD не означает отказа от правил терминации!
Протокол шины
Назначение сигналов параллельной шины раскрывает табл. 5.8. Все сигналы являются L-активными: активному состоянию и логической единице соответствует низкий потенциал, что в данной книге отмечено символом «#» после мнемоники цепи. Обратные (парафазные) цепи обозначаются знаком «+».
Таблица 5.8. Назначение сигналов шины SCSI
| Сигнал | Назначение |
| BSY# | Busy — шина занята |
| SEL# | Select — выбор ЦУ инициатором (Select) или инициатора целевым устройством (Reselect) |
| C/D# | Control/Data — управление (низкий уровень)/данные (высокий уровень) |
| I/O# | Input/Output — направление передачи относительно ИУ: вводу в ИУ соответствует низкий уровень. Используется для различия прямой (Select) и обратной (Reselect) выборки: фазе Selection соответствует низкий уровень |
| MSG# | Message — передача сообщения |
| DB[0:31]# | Data Bus — инверсная шина данных |
| DP[0:3]# | Data Parity — инверсные биты паритета, дополняют количество единичных битов байта до нечетного. DP0# относится к DB[0:7], …, DP3# — к DB[24:31]. В фазе арбитража не действуют |
| TERMPWR | Terminator Power — питание терминаторов |
| ATN# | Attention — внимание (намерение ИУ послать сообщение) |
| REQ# | Request — запрос от ЦУ на пересылку данных |
| ACK# | Acknowledge — подтверждение передачи (ответ на REQ#) |
| RST# | Reset — сброд |
| DIFFSENS | Признак дифференциального (LVD) интерфейса: ниже 0,7 В — линейный SE; 0,9–1,9 В — дифференциальный LVD; выше 2,4 В — дифференциальный HVD |
Каждое устройство SCSI, подключенное к шине, должно иметь свой уникальный адрес, назначаемый при конфигурировании. Для 8-битной шины диапазон значений адреса 0–7, для 16-битной — 0-15. Адрес задается предварительной установкой переключателей или джамперов. Для хост-адаптера возможно программное конфигурирование. Адресация устройств на шине в фазах выборки осуществляется через идентификатор SCSI ID, представляющий адрес в позиционном коде. Адрес определяет номер той линии шины данных, которая осуществляет выборку данного устройства. Устройство с нулевым адресом выбирается низким уровнем на линии DB0# (SCSI ID=00000001), с адресом 7 — на линии DB7# (SCSI ID=10000000). Для ИУ значение идентификатора определяет приоритет устройства при использовании шины; наибольший приоритет имеет устройство с большим значением адреса. Понятия адрес и идентификатор часто путают, но это всего лишь две различные формы представления одного и того же параметра.
В любой момент обмен информацией по шине может происходить только между парой устройств. Операцию начинает инициатор обмена ИУ (initiator), а целевое устройство ЦУ (target) ее исполняет. ИУ выбирает ЦУ по его идентификатору. Чаще всего роли устройств фиксированы: хост-адаптер является инициатором (ИУ), а периферийное устройство — целевым (ЦУ). Возможны комбинированные устройства, выступающие в роли и ИУ, и ЦУ. В ряде случаев роли устройств меняются: ЦУ может, пройдя фазу арбитража, выполнить обратную выборку (Reselect) ИУ для продолжения прерванной операции. При выполнении команды копирования (Сору) ИУ дает указание ведущему устройству копирования (Copy Master) на обмен данными, который может производиться и с другим ЦУ (для которого ведущее устройство копирования выступит в роли ИУ).
Информация по шине данных передается побайтно (пословно) асинхронно, используя механизм запросов (REQuest) и подтверждений (ACKnowledge). Каждый байт контролируется на нечетность (кроме фазы арбитража), но контроль может быть отключен. Интерфейс имеет возможность синхронной передачи данных, ускоряющей обмен (в SCSI-1 синхронного режима не было).
Шина может находиться в одной из перечисленных ниже фаз. Роли источников сигналов между ИУ и ЦУ описаны в табл. 5.9.
Таблица 5.9. Источники сигналов SCSI
| Фаза шины | Сигнал | ||||
| BSY# | SEL# | REQ#, C/D#, I/O#, MSG# | ACK#, ATN# | DBx#, DBPx# | |
| Bus Free | - | - | - | - | - |
| Arbitration | AA1 | WA2 | - | - | SID3 |
| Selection | I4, T5 | I | - | I | I |
| Reselection | I, T | T | T | I | T |
| Command | T | - | T | I | I |
| Data IN | T | - | T | I | T |
| Data OUT | T | - | T | I | I |
| Status | T | - | T | I | T |
| Message IN | T | - | T | I | T |
| Message OUT | T | - | T | I | I |
1 AA: источник сигнала — устройство, активное в арбитраже;
2 WA: источник сигнала — устройство — победитель в арбитраже;
3 SID: каждое устройство управляет только битом данных, соответствующим значению его SCSI ID;
4 I: источник сигнала — ИУ;
5 T: источник сигнала — ЦУ.
В фазе Bus Free шина находится в состоянии покоя — нет никаких процессов обмена; она готова к арбитражу. Признаком является пассивное состояние линий BSY# и SEL#.
В фазе Arbitration устройство может получить право на управление шиной. Дождавшись покоя шины (Bus Free), устройство вводит сигнал BSY# и свой идентификатор SCSI ID. Если идентификаторы выставили несколько устройств одновременно, то право на управление шиной получает устройство с наибольшим адресом, а остальные устройства отключаются до следующего освобождения шины. Устройство, выигравшее арбитраж, вводит сигнал SEL# и переходит в фазу Selection или Reselection.
В фазе Selection ИУ, выигравшее арбитраж, вводит на шину данных результат логической функции ИЛИ от пары идентификаторов — своего и ЦУ, — сопровождая его битом паритета. Установкой сигнала ATN# ИУ указывает, что следующей фазой будет Message OUT. ИУ снимает сигнал BSY#. Отсутствие сигнала I/O# отличает данную фазу от Reselection. Адресованное ЦУ отвечает сигналом BSY#, если паритет корректный и на шине данных присутствует только пара идентификаторов (его и ИУ). На некорректные значения данных устройства отвечать не должны. Если за заданное время ЦУ не ответило, срабатывает тайм-аут, ИУ освобождает шину или вводит сигнал сброса RST#.
Фаза Reselection аналогична предыдущей, но ее вводит ЦУ. Фаза появляется в том случае, когда ЦУ на время исполнения команды отключалось от шины. По завершении внутренней операции это устройство, выиграв арбитраж, будет вызывать ИУ, которое ранее породило исполнение операции. ЦУ снимает сигнал BSY#, активность сигнала I/O# отличает данную фазу от фазы Selection. Адресованное ИУ отвечает сигналом BSY#, условия ответа и тайм-аут аналогичны предыдущей фазе.
В фазах Command, Data, Status и Message по шине данных передается информация, фазы идентифицируются сигналами MSG#, C/D# и I/O# (табл. 5.10), которыми управляет ЦУ. ИУ может потребовать посылки сообщения (фаза Message OUT) введением сигнала ATN#, а ЦУ может освободить шину, сняв сигналы MSG#, C/D#, I/O# и BSY#.
Таблица 5.10. Информационные фазы SCSI
| Сигнал | Фаза | Направление | ||
| MSG# | C/D# | I/O# | ||
| 0 | 0 | 0 | Data OUT | I→T |
| 0 | 0 | 1 | Data IN | I←T |
| 0 | 1 | 0 | Command | I→T |
| 0 | 1 | 1 | Status | I←T |
| 1 | 0 | 0 | Зарезервировано | |
| 1 | 0 | 1 | Зарезервировано | |
| 1 | 1 | 0 | Message OUT | I→T |
| 1 | 1 | 1 | Message IN | I←T |
Временные диаграммы асинхронного обмена приведены на рис. 5.5. Здесь передача каждого байта сопровождается взаимосвязанной парой сигналов REQ#/ACK#. ИУ фиксирует принимаемые данные, получив сигнал REQ# (по отрицательному перепаду). ЦУ считает принимаемые данные действительными по отрицательному перепаду сигнала ACK#. Асинхронный обмен поддерживается всеми устройствами для всех фаз передачи информации.
Рис. 5.5. Временные диаграммы асинхронного обмена (DI — данные от ИУ, DT — данные от ЦУ)
Фазы передачи данных Data OUT и Data IN по предварительной «договоренности» устройств могут выполняться и в синхронном режиме обмена, диаграммы которого приведены на рис. 5.6. При согласовании синхронного режима определяются минимальные длительности и периоды управляющих импульсов ACK# и REQ#, а также допустимое отставание подтверждений от запросов (REQ/ACK offset agreement). ЦУ передает серию данных, сопровождаемых стробами REQ# (рис. 5.6, а), в темпе, ограниченном установленными временными параметрами. ИУ фиксирует принимаемые данные по отрицательному перепаду сигнала REQ#, но отвечать на них сигналом ACK# может с некоторым опозданием. Как только отставание числа принятых сигналов ACK# от числа посланных REQ# достигнет оговоренного предельного значения (в данном примере — 2), ЦУ приостановит обмен до прихода очередного подтверждения ACK#. Операция считается завершенной, когда число принятых подтверждений совпадет с числом посланных запросов. При приеме данных ЦУ механизм согласования остается тем же, но данные фиксируются по отрицательному перепаду сигнала ACK# (рис. 5.6, б).
ВНИМАНИЕ
В спецификации SCSI-1 момент возобновления передачи после устранения отставания описан нечетко, в результате разработчики могли посчитать, что очередной запрос (и данные) может последовать лишь после окончания (положительного перепада) сигнала ACK#. Устройство, на это рассчитанное, может терять данные: для него последний сигнал REQ# (и данные) является неожиданным и выглядит как превышение согласованного смещения.
Рис. 5.6. Временные диаграммы синхронного обмена: а — передача; б — прием
Обмен при разрядности 16 бит происходит аналогично. Если в последней фазе данных используются не все байты, передатчик обязан снабдить корректным битом паритета и неиспользуемые байты.
При описании фаз передачи данных не говорилось о временных задержках. Они определяются спецификацией так, чтобы возможный «перекос» — неодновременный приход сигналов, вызванный задержкой как в электронных схемах, так и в разных проводах кабеля, — не влиял на устойчивость протокола. В асинхронном режиме обмена на скорость передачи информации влияет и длина кабеля, поскольку изменения состояний участников обмена привязываются к сигналам, распространяющимся по кабелю с ограниченной скоростью. Если в широкой шине имеется пара кабелей (А и В, что на практике встречается редко), то в каждом из них используется своя пара управляющих сигналов (REQ#/ACK# и REQB#/ACKB#), поскольку эти кабели могут иметь разную длину.
В фазе Command ЦУ запрашивает от ИУ команду. В фазе Status ЦУ делает запрос на передачу ИУ информации о своем состоянии. В фазах Data IN и Data OUT ЦУ делает запросы на передачу данных к ИУ и от него соответственно. Фазы Message IN и Message OUT служат для передачи сообщений. Фазу Message OUT ЦУ вводит в ответ на условие Attention, порождаемое ИУ сигналом ATN#, когда оно нуждается в посылке сообщения ЦУ. Фазу Message IN ЦУ вводит при необходимости посылки сообщения ИУ.
Между фазами передачи информации сигналы BSY#, SEL#, REQ# и ACK# должны оставаться в неизменном состоянии, меняться могут только значения сигналов C/D#, I/O#, MSG# и шины данных.
Сигналы ATN# и RST# могут порождать условия Attention и Reset соответственно, причем асинхронно по отношению к фазам шины. Эти условия могут привести к изменению предопределенного порядка фаз. Сигнал ATN# вводится ИУ во время любой фазы, кроме арбитража и состояния покоя шины. Сигнал RST# вводится в любой момент любым устройством, и по условию Reset все устройства должны немедленно освободить шину. В зависимости от настройки, принятой для всех устройств конкретной системы, возможно выполнение одного из двух вариантов сброса. «Жесткий» сброс переводит устройства в состояние, принятое по включению питания, сбрасывая все текущие процессы, очереди и т. п. В случае «мягкого» сброса после освобождения шины устройства пытаются завершить начатые операции, сохраняя текущие значения настроек.
Каждый процесс ввода-вывода состоит из следующей последовательности фаз шины: из состояния Bus Free через фазу Arbitration переход к фазе Selection или Reselection. Далее следуют фазы передачи информации (Command, Data, Status, Message), Завершающей фазой является Message In, в которой передается сообщение Disconnect или Command Complete, после чего шина переходит в состояние покоя Bus Free.
Архитектура SCSI обеспечивает для каждого процесса ввода-вывода сохранение набора из трех указателей (saved SCSI pointers): для команды, состояния и данных. ИУ имеет текущий набор указателей (только один), в который копируется сохраненный набор для текущего процесса. Текущие указатели указывают на очередной байт команды, состояния и данных, которые будут передаваться между памятью ИУ и ЦУ. Сохраненные указатели команды и состояния всегда указывают на начала блоков дескрипторов команд и состояния. Сохраненный указатель данных указывает на начало блока данных до тех пор, пока ЦУ не пришлет сообщение Save Data Pointer. По его приему будет сохранен текущий указатель данных. Когда ЦУ отключается от шины, информация о текущем процессе ввода-вывода содержится в сохраненном наборе указателей. При возобновлении процесса ЦУ сообщением Restore Pointers может потребовать у ИУ скопировать сохраненный набор в текущий и продолжить выполнение команд данного процесса ввода-вывода.
ВНИМАНИЕ
Поскольку указатель данных может быть модифицирован ЦУ до завершения ввода-вывода, определение реального количества переданных данных с помощью указателя дает ненадежные результаты.
