SPI：盛開的奇葩

SCSI（Small Computer System Interface）是一種高性能計(jì)算機(jī)外部設(shè)備接口。通過這個(gè)接口，所有連接到PC的外部設(shè)備均可通過HBA（Host Bus Adapter）實(shí)現(xiàn)彼此間獨(dú)立于主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸和分發(fā)。與一般的ATA接口不同，SCSI整合了與主機(jī)通信的指令，因而降低了系統(tǒng)I/O處理對(duì)主機(jī)CPU的占用率?？梢哉f，無論是在數(shù)據(jù)傳輸率上還是在CPU負(fù)載上，乃至可連接外圍設(shè)備的數(shù)量上，SCSI較傳統(tǒng)的ATA都有很大的優(yōu)勢(shì)，這也是自20世紀(jì)80年代以來這種接口技術(shù)一直應(yīng)用于高端領(lǐng)域的最主要的原因。 

SCSI通過向后兼容性（backward-compatible），可從一定程度上保護(hù)用戶的投資利益。 

從1982年SCSI的前身SASI（Shugart Associates Systems Interface）到1986年被ANSI接受為標(biāo)準(zhǔn)（X3.131-1986），再到目前乃至將來各種SCSI相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)的不斷推出，這項(xiàng)高性能計(jì)算機(jī)I/O技術(shù)已經(jīng)走過了20多年的歷程。不能不說它是計(jì)算機(jī)發(fā)展史中的一朵奇葩！ 

SCSI-3體系結(jié)構(gòu)模型 

SCSI是一種規(guī)范，是一組協(xié)議族。第三代SCSI最初被稱為SCSI-3，以區(qū)別于SCSI-2。但當(dāng)SCSI-3體系結(jié)構(gòu)模型SAM（SCSI-3 Architecture Model）被修改時(shí)，這種體系結(jié)構(gòu)模型就被稱為SAM-2了。SCSI-3中各種協(xié)議在現(xiàn)在和將來都會(huì)不斷地得到修改和完善，但字面意義上的SCSI-4是不會(huì)出現(xiàn)的。 

并行SCSI（區(qū)別于串行SCSI相關(guān)協(xié)議），即SCSI-3 Parallel Interface（SPI）只是這個(gè)協(xié)議族中的一員，也是本文的主題。目前最新的SCSI Parallel Interface（SPI）是第五代，即SPI-5，也就是商業(yè)領(lǐng)域統(tǒng)稱的Ultra 640。 

有關(guān)SCSI-3協(xié)議族的成員情況如圖1所示。從圖1可以看出，整個(gè)SCSI體系結(jié)構(gòu)實(shí)際上包含了三部分：命令集（Command Set），主要涉及具體媒介的各種SCSI命令；協(xié)議（Protocol），定義了數(shù)據(jù)交換和傳輸方式；互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)（Interconnect Standard），定義了設(shè)備的物理連接。 


概說SPI 

我們通常所說的SCSI是指并行SCSI，即SCSI-3 Parallel Interface（SPI）。最初的SPI文檔分為協(xié)議（Protocol）、物理層（Physical Layer）、Fast-20三個(gè)內(nèi)容，可以作為SPI-1。其中Fast-20定義了20MHz總線信號(hào)，提供高達(dá)40MB/s的速率。這個(gè)文檔在1999年被SPI-2代替了。 

應(yīng)該明確的是，通常所說的Ultra SCSI或Wide Ultra SCSI與這里所討論的SPI實(shí)際上是一個(gè)問題的不同提法。前者是一個(gè)商業(yè)術(shù)語，往往側(cè)重于并行SCSI的信號(hào)速率；而后者則是一個(gè)比較規(guī)范的學(xué)術(shù)術(shù)語，除了表明并行SCSI信號(hào)的速率外，還涉及到并行SCSI所采用的具體電纜情況，例如是50芯的A-Cable還是68芯的P-Cable等。 

SPI與其他幾種I/O技術(shù)的帶寬比較如圖2所示。 


1．SCSI-3 Parallel Interface-2（SPI-2） 

SPI-2就是通常所謂的第二代SCSI-3 Parallel Interface。SPI-2定義了一些新的特性，主要包括以下幾點(diǎn)： 

● Fast-40數(shù)據(jù)傳輸率 在Fast-20的基礎(chǔ)上將總線信號(hào)頻率由20MHz提升到40MHz，這樣就可達(dá)到8位通道下的40MB/s、16位通道下的80MB/s傳輸速率。 

● 低電壓差分LVD信號(hào)（Low Voltage Differential Signaling） 這是一項(xiàng)把傳統(tǒng)SE信號(hào)（Single-ended Signaling）與高電壓差分HVD信號(hào)（High Voltage Differential Signaling）相融合的技術(shù)。  

● 多模式操作 定義了可自動(dòng)工作于LVD和SE總線上的設(shè)備。 

● 高密度連接器 定義了一個(gè)比較小的高密度68芯連接器。 

與SPI-2相對(duì)應(yīng)的是Ultra2 SCSI和Wide Ultra2 SCSI。 

2．SCSI-3 Parallel Interface-3（SPI-3） 

SPI-3主要包括以下幾個(gè)要點(diǎn)： 

● Fast-80雙倍傳輸率 不是通過將并行SCSI總線的頻率由40MHz提升到80MHz，而是通過雙倍轉(zhuǎn)換時(shí)鐘（Double Transition Clocking）分別達(dá)到8位通道和16位通道下的80MB/s和160MB/s。 

● 循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC） 伴隨著傳輸速率的提高，誤碼率也不斷增加，而通過CRC校驗(yàn)可以很好地保證高速率下數(shù)據(jù)的正確傳輸。 

● 域確認(rèn)（Domain Validation）機(jī)制 通過這種機(jī)制，可以校驗(yàn)總線上的SCSI設(shè)備與SCSI控制器之間硬件連接的互操作性，不同的SCSI設(shè)備可以選擇最佳的數(shù)據(jù)傳輸速率。 

● 快速仲裁和選擇（Quick Arbitration and Selection，QAS） 通過這個(gè)特性，SCSI設(shè)備可以確定哪個(gè)設(shè)備在控制總線，減少了總線上的空閑時(shí)間，從一定程度上提高了系統(tǒng)性能。 

● 包封裝SCSI機(jī)制 通過這種機(jī)制可以降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇鷥r(jià)，也可在一定程度上提高系統(tǒng)性能。  

3．SCSI-3 Parallel Interface-4（SPI-4） 

SPI-4或稱Ultra320 SCSI是SCSI技術(shù)發(fā)展過程中的重要里程碑。由上述討論可以知道，SPI-4包括了三個(gè)主要特性，分別為雙倍率時(shí)鐘、域確認(rèn)和CRC校驗(yàn)。SPI-4在SPI-3的基礎(chǔ)上增添了不少新的特性，通過這些新特性，并行SCSI在降低系統(tǒng)開銷的同時(shí)大幅提高了系統(tǒng)I/O的性能。 

SPI-4主要包含以下重要特性： 

● Fast-160雙倍傳輸速率 通過雙倍傳輸，SCSI總線速率高達(dá)320MB/s。 

● 包封裝SCSI機(jī)制 包含了對(duì)包協(xié)議（Packet Protocol）的支持，通過新的包封裝機(jī)制，大大降低了并行SCSI總線在傳輸命令、數(shù)據(jù)以及狀態(tài)信息過程中的命令負(fù)荷。SPI-4的包封裝機(jī)制是通過雙倍速率轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)相位而不是通過較低異步相位來實(shí)現(xiàn)的。這樣可以通過最大化提高SCSI總線利用率和最小化降低命令負(fù)荷，以獲取較高的I/O性能。包協(xié)議可以使多個(gè)SCSI命令在單一連接上傳輸。在SPI-4中，數(shù)據(jù)以160MB/s的同步相位模式傳輸，而命令和狀態(tài)信息則仍舊以比較慢的異步模式來傳輸，并且每一個(gè)連接上只能局限于單一傳輸。 

● QAS 這個(gè)機(jī)制降低了從一個(gè)并行SCSI設(shè)備到另外一個(gè)并行SCSI設(shè)備由釋放總線控制權(quán)所帶來的命令開銷。 

● 讀寫數(shù)據(jù)流(Read and Write Data Streaming） 通過允許目標(biāo)器跟在多個(gè)數(shù)據(jù)包之后發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)流LUN Q-TAG（LQ）包來降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_銷。在一個(gè)非流數(shù)據(jù)傳輸中，每一個(gè)數(shù)據(jù)包之后都有一個(gè)LQ包。由于在每一個(gè)LQ包和數(shù)據(jù)包之間沒有發(fā)生總線轉(zhuǎn)向延遲，因此寫數(shù)據(jù)流性能也得到了提高。 

● 流控機(jī)制 該機(jī)制允許起始器在寫數(shù)據(jù)過程中優(yōu)化數(shù)據(jù)預(yù)取，在讀取數(shù)據(jù)過程中取數(shù)據(jù)FIFOs。目標(biāo)器將指明何時(shí)最后一個(gè)數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)包將被發(fā)送。一旦目標(biāo)器指明了這個(gè)最后發(fā)送的數(shù)據(jù)包，起始器將終止數(shù)據(jù)預(yù)取或開始取數(shù)據(jù)FIFOs。 


20年來，SCSI應(yīng)用的廣度和深度都在不斷拓展。無論是SPI-4還是SPI-5，在繼承SCSI傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也為并行SCSI在21世紀(jì)的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。從最初的5MB/s到SPI-4的320MB/s乃至SPI-5的640MB/s，無疑證明了并行SCSI技術(shù)在過去、現(xiàn)在和將來都有著廣闊的發(fā)展空間。 

由于采用了包封裝SCSI、QAS等新技術(shù)，SCSI提供了更安全更可靠的性能，進(jìn)而從整體上提高了系統(tǒng)的I/O性能。伴隨著PCI-X2.0、PCI Express等高性能計(jì)算機(jī)局部總線技術(shù)的不斷應(yīng)用，SPI-4、SPI-5將充分挖掘高性能局部總線的優(yōu)勢(shì)以獲取更高的系統(tǒng)I/O帶寬。 

可以說，SCSI Parallel Interface的技術(shù)優(yōu)勢(shì)今天仍毋庸置疑。目前SPI-4已投入應(yīng)用，SPI-5也在不斷完善。我們相信，并行SCSI，即SPI必將得到更為廣泛、深入的應(yīng)用。