SAF-TE技術(shù)在磁盤陣列背板中的實(shí)現(xiàn)

摘    要：在磁盤陣列中，一般使用背板方式連接硬盤，這樣服務(wù)器可在不關(guān)機(jī)的情況下直接更換損壞的硬盤。在背板設(shè)計(jì)中采用SAF-TE監(jiān)控技術(shù)不僅可以隨時(shí)監(jiān)控硬盤的好壞、對(duì)損壞的硬盤提供LED指示并報(bào)警，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)風(fēng)扇、溫度及電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控。本文將以SAF-TE控制器GEM318為例，介紹其在曙光2U服務(wù)器硬盤熱插拔背板設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：SAF-TE；GEM318；I2C；PCB布線

SAF-TE控制技術(shù)
SAF-TE(SCSI Accessed Fault-Tolerant Enclosure) 是Intel公司提出的一種標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了一組命令，這些命令可用于設(shè)置RAID陣列和獲得陣列中磁盤的狀態(tài)信息，并在實(shí)現(xiàn)對(duì)熱插拔磁盤進(jìn)行管理的同時(shí)，為用戶提供磁盤陣列的環(huán)境狀態(tài)信息。這樣就在主機(jī)、RAID控制器、存儲(chǔ)設(shè)備、背板、電源及其它設(shè)備間建立了有效的通信途徑。
與以往的背板相比，采用SAF-TE控制技術(shù)的熱插拔背板，具有以下優(yōu)點(diǎn)：可進(jìn)行驅(qū)動(dòng)器狀況監(jiān)控并在熱插拔底板上顯示磁盤驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)信息。這就允許客戶快速地確認(rèn)并更換一個(gè)已經(jīng)無(wú)效的或者可能有故障的磁盤驅(qū)動(dòng)器。在更換了損壞的硬盤后，RAID的重建可自動(dòng)進(jìn)行，而無(wú)須再經(jīng)手動(dòng)操作RAID控制器來(lái)完成。在硬盤的恢復(fù)過(guò)程中，不影響系統(tǒng)的服務(wù)。如果沒(méi)有SAF-TE，自動(dòng)重建工作只能是在有備用磁盤存在的情況下方可完成。由于不需在陣列中放置備用磁盤，使用SAF-TE可實(shí)現(xiàn)磁盤陣列中適用磁盤數(shù)量的最大化。

電路設(shè)計(jì)
GEM318 是一款低成本、自完備的熱插拔硬盤背板管理控制器，只需簡(jiǎn)單的外圍器件就可實(shí)現(xiàn)SAF-TE管理功能。由于其低成本和小封裝的特點(diǎn)，使其成為1U和2U服務(wù)器節(jié)點(diǎn)背板設(shè)計(jì)中首選的解決方案。
硬件電路設(shè)計(jì)
GEM318具有LVDS接口，作為SCSI的一個(gè)目標(biāo)設(shè)備存在，并占一個(gè)ID號(hào),支持SAF-TE 1.0規(guī)范。具有一個(gè)I2C接口，當(dāng)工作在主方式下，可以讀取外部的溫度傳感器LM75和NVRAM AT24C01里面的組態(tài)數(shù)據(jù)。最多支持8個(gè)SCSI設(shè)備，具有8個(gè)LED控制引腳。支持兩個(gè)LM75溫度傳感器，具體設(shè)計(jì)電路如圖1所示。
硬盤插拔檢測(cè)
該背板支持6塊SCSI硬盤，所以只需將GEM318的DEV_INS5~0這6個(gè)引腳分別連接到背板上6個(gè)SCSI插槽的MATED引腳即可。該引腳正常為高電平，當(dāng)某個(gè)槽中有硬盤插入時(shí)，硬盤的MATED引腳會(huì)將相應(yīng)的DEV_INS引腳電平拉低。這樣，GEM318就依此來(lái)判斷每個(gè)SCSI插槽上硬盤的插拔狀態(tài)。
當(dāng)GEM318檢測(cè)到某個(gè)DEV_INS引腳出現(xiàn)由高到低的電平跳變后，會(huì)立即使能SCSI總線上的復(fù)位信號(hào)，使得SCSI設(shè)備處于復(fù)位狀態(tài)(如圖2所示)。這樣就有效的“屏蔽”了硬盤插入瞬間對(duì)SCSI總線信號(hào)的干擾，從而保證了SCSI總線信號(hào)的可靠性傳輸。
故障報(bào)警及LED指示
GEM318可以把SAF-TE命令寄存器記錄的錯(cuò)誤信息及時(shí)傳遞給報(bào)警輸出引腳FAULT_IN。這樣，GEM318就可隨時(shí)把出錯(cuò)信息以聲光報(bào)警的方式通知給用戶。
設(shè)計(jì)中將溫度、風(fēng)扇和電壓檢測(cè)電路的邏輯輸出，通過(guò)7411三輸入與門芯片輸出給GEM318的外部故障輸入引腳G_ALARM(低電平有效)，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控盤陣工作環(huán)境的目的。
LED7~0輸出引腳用來(lái)驅(qū)動(dòng)外部的LED,分別顯示相對(duì)應(yīng)的硬盤狀態(tài)信息。
LVDS信號(hào)接口與ID設(shè)置
GEM318支持LVDS信號(hào)接口方式，LVDS是電流驅(qū)動(dòng)模式，350mV的低電壓擺幅可以提供幾百兆比特的信號(hào)傳輸率。使用差分傳輸?shù)姆绞娇梢允闺姶鸥蓴_互相抵消，消除共模噪聲，減少EMI。
GEM318有兩個(gè)ID可選：ID6或ID8。目的是為了當(dāng)盤陣中一個(gè)SCSI通道的硬盤數(shù)超過(guò)8時(shí)，可采用兩個(gè)GEM318。設(shè)計(jì)時(shí)將GEM318的ID_ON1+/ID_ON1- 連到SCSI總線上的DB6+/DB6-，將GEM318的ID號(hào)設(shè)為6。
通過(guò)硬件電路跳線和NVRAM組態(tài)GEM318
GEM318具有很大的設(shè)計(jì)靈活性，可以在上電時(shí)通過(guò)讀取輸出引腳的電平狀態(tài)和NVRAM中的數(shù)據(jù)來(lái)配置GEM318的特性。
 LED7~0引腳在系統(tǒng)上電時(shí)，在GEM318的RESET信號(hào)有效期間作為輸入引腳使用。要求RESET信號(hào)至少要保持5個(gè)時(shí)鐘周期。
LED7~0上電初期的引腳電平設(shè)計(jì)時(shí)由上拉或下拉電阻決定，此期間要求驅(qū)動(dòng)LED顯示的供電電源LED_VDD暫停供電，以便GEM318能讀到準(zhǔn)確的低電平信息。LED_VDD延遲上電的時(shí)間t可通過(guò)調(diào)整C31和R22的值來(lái)決定。設(shè)計(jì)電路如圖3所示，電源時(shí)序如圖4所示。
設(shè)計(jì)時(shí)NVRAM選用的是AT24C01，上電時(shí)GEM318將從AT24C01的40H存儲(chǔ)單元讀取信息。通過(guò)對(duì)AT24C01編程可設(shè)置以下選項(xiàng)：Slot的數(shù)目，每個(gè)Slot的SCSI ID號(hào)，設(shè)置溫度傳感器的數(shù)目及溫度報(bào)警上下限值等。
串行通信設(shè)計(jì)
GEM318的串行通信接口兼容I2C規(guī)范，即可工作在主方式下也可工作在從方式下。工作在主方式下時(shí)可支持多主競(jìng)爭(zhēng)，在背板設(shè)計(jì)上預(yù)留了I2C插針，這就為外部的控制設(shè)備訪問(wèn)盤陣信息提供了可能。當(dāng)工作在從方式下時(shí)，GEM318有兩個(gè)從地址可選。設(shè)計(jì)時(shí)將ID_ON1接到SCSI總線上，把GEM318的從地址設(shè)為E1H。如果將ID_ON0接到總線則從地址為E3H。
PCB設(shè)計(jì)
背板要求支持320Mbps的SCSI總線傳輸速率，SCSI總線采用LVDS信號(hào)傳輸技術(shù)，為保證信號(hào)的可靠傳輸，PCB布線至關(guān)重要。印制板的主要技術(shù)參數(shù)如下：
1. 尺寸是270mm X 84mm，板厚為2mm。
2. 采用六層板設(shè)計(jì)，信號(hào)從頂層到底層的布局依次為TOP層，GND層，信號(hào)1層，信號(hào)2層，信號(hào)3層和BOTTOM層。其中信號(hào)2層布12V電源，信號(hào)3層鋪5V電源。
在布線中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
1.  優(yōu)先考慮電源和地在系統(tǒng)中的分布。
2. 使TTL信號(hào)和LVDS信號(hào)相互隔離,最好分布在不同的層。
3. 盡量多使用去耦電容。
4. 大電流回路布線盡量加粗，保持PCB地線層返回路徑盡量寬而短。
5. 對(duì)于差分布線采用手動(dòng)布線功能，使差分線對(duì)離開(kāi)集成芯片后盡可能地相互靠近。每對(duì)差分線的間隔要盡量小，差分對(duì)間的長(zhǎng)度要匹配。這樣能減少反射并能確保耦合到的噪聲為共模噪聲。
6. 進(jìn)行阻抗控制，通過(guò)阻抗設(shè)計(jì)軟件計(jì)算阻抗以確定差分線寬及線間距。
7. 背板上設(shè)計(jì)終結(jié)器電路，以吸收反射信號(hào)。
8. 走線時(shí)避免90洌ㄒ苑澇斐勺榪共渙?，記](méi)∠呋?5畢嘰妗?
結(jié)語(yǔ)
采用SAF-TE控制技術(shù)設(shè)計(jì)的SCSI背板，已廣泛應(yīng)用在曙光的系列產(chǎn)品中。經(jīng)兩年多的實(shí)際運(yùn)行，證明系統(tǒng)工作可靠，性能穩(wěn)定，保證了熱插拔硬盤的安全穩(wěn)定運(yùn)行。該控制技術(shù)在產(chǎn)品中的采用，改變了傳統(tǒng)的熱插拔背板只能監(jiān)控溫度和風(fēng)扇信息，而不能與主機(jī)，硬盤控制器通信的缺陷。為服務(wù)器存儲(chǔ)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有效的保障?！?/p>

參考文獻(xiàn)
1 SCSI Accessed Fault-Tolerant Enclosures Interface and Specification
2 GEM318 Guardian Enclosure Management Controller  Data Sheet
3 GEM318 Guardian Management Controller  Technical Manual