基于CPLD的可管理SAS硬盤背板設計

摘要：基于CPLD為核心設計了一款可管理的SAS硬盤背板，在方便更換故障硬盤的同時通過對LED燈的控制來指示硬盤的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對硬盤狀態(tài)的監(jiān)控。測試結果表明該背板可以完成6Ghps SAS信號的傳輸，實現(xiàn)對硬盤狀態(tài)指示，高速SAS信號滿足系統(tǒng)要求。
關鍵字：SAS硬盤；SGPIO；背板

SAS硬盤背板應用于服務器產品中，擔當著“增值線纜”的作用。之所以稱之為“增值線纜”，一方面是因為它對硬盤的連通作用，另一方而相對于單一的線纜來說，硬盤背板還可以提供一些附加功能，如硬盤工作狀態(tài)指示、硬盤熱拔捕等硬盤背板從早期的光背板到最近的電背板，不斷改進。隨著當前用戶環(huán)境數據量的巨增，單臺服務器配置的硬盤數量和容量都有了大幅度地增長，因此背板的需求也越來越多，硬盤背板的設計與質量控制已成為影響服務器整機性能和穩(wěn)定性的一個重要關注點。

1 系統(tǒng)設計
硬盤背板是SAS線的擴展，在完成擴展的同時對硬盤狀態(tài)信息進行實時顯示。硬盤背板主要包括四個部分，如圖1所示，接口單元，CPLD控制單元，溫度檢測單元和電源部分。下面分別介紹各部分的功能。

1．1 接口單元
接口單元包括Minisas接口，SAS接口，SMBus(System Management Bus)接口。Minisas接口將從服務器端HBA (Host Bus Adapter)／RAID (Redum(dant Array of Independent Disk)控制卡獲得的信號通過Minisas線纜傳遞到硬盤背板上 SAS接口用來接連接外接的硬盤，SMBus接口用來將背板上的溫度信號傳遞到服務器端。
1．2 CPLD控制單元
EPM240是背板管理的核心，它是一款Alteral推出的低功耗低價位的CPLD，屬于MAXⅡ家族，在提供可編程解決方案的同時降低設計的成本和功耗。EPM240將Minisas接口的邊帶信號解析成對應的硬盤狀態(tài)進行輸出。邊帶信號遵從SFF-8485協(xié)議，它定義了與串行SCSI(SAS)及串行ATA(SATA)結合使用的串行GPIO (SGPIO，Serial General Purpose Input／Output)總線。SGPIO總線共有4根信號線，用于SAS／SATA HBA ／RAID控制卡與硬盤背板之間的通訊，控制卡通過SGPIO來獲得背板上的硬盤插座狀況和發(fā)出硬盤LED狀態(tài)指示信號。在這4根線中有3根是由HBA／RAID驅動，1根由背板驅動。SGPIO總線與MiniSAS線放在一根線纜中，以方便HBA／RAID卡與背板的連接。SGPIO4根線的定義如下：
SClock：由HBA／RAID驅動的時鐘線，最大的時鐘頻率是100kHz(典型的是48kHz)。
Sload：這根線與SClock是同步的，主要用來指示一幀新數據的開始。當Slcad至少有5個時鐘低電平后，在SClock脈沖上升時Sload跟隨變?yōu)楦弑硎疽粠碌腟GPIO數據開始，在隨后4個時鐘脈沖對應的4-Bit Sload數據規(guī)范沒有明確定義，不同HBA／RAID卡廠商的定義也不同。
SDataOut：這根線由HBA／RAID輸出硬盤狀態(tài)信號。
SDataIn：這根線由背飯向HBA／RAID提供背板上的狀況。第1位高電平表示該槽位已插入硬盤，隨后的2何通常是低電平。
CPLD對邊帶信號進行解析，通過控制背板上的LED燈的開和關來顯示硬盤的工作狀態(tài)。背板上每塊硬盤有兩個LED，一個單色LED用于指永硬盤是否插入并上電，一個雙色LED用來指示硬盤正常工作，故障，硬盤定位等狀況。
1.3 溫度監(jiān)測單元
溫度監(jiān)測單元通過分布在硬盤背板上的溫度傳感器，采集硬盤的溫度信息，主要通過在硬盤背板上的合理分配，以獲得指定硬盤區(qū)域的溫度參數。溫度檢測單元對背板來說非常重要，它實時采集背板上溫度并將溫度信號傳送到服務器主板上。如果主板檢測到背板上溫度過高會進行報警以起到對背板和硬盤的保護作用。
溫度檢測單元采用EMC1053，它是SMBus接口的溫度傳感器，可以最多檢測三個點的溫度，包含一個傳感器內部溫度和兩個遠端溫度。傳感器內部溫度的精度為±3℃(0℃～85℃)，遠端溫度的精度為±1℃(40℃～80℃)。EMC1053作為從設備將檢測到的溫度信號通過SMBus傳遞到服務器端。

1．4 電源部分
背板的+12V和+5V電壓直接來自服務器電源，CPLD和溫度傳感芯片工作電壓需要3．3V，因此增加了穩(wěn)壓電源芯片AME1117，將5V電壓轉成3．3V來供溫度檢測單元和CPLD控制單元使用。