SCSI（小型计算机系统接口）工作原理

引言

计算机中布满了总线——从一个位置向另一个位置传输信息和电力的高速通道。例如，将MP3或数码相机连接到计算机时，您可能会使用通用串行总 (USB)端口。对于存储图片、音乐等的小型电子设备，USB端口完全可以胜任传输数据和充电的工作。但是，这种总线还不足以同时支持整台计算机和服务器以及其他许多设备。

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如图所示，SCSI设备通常连接到控制器卡。

在这种情况下，就需要使用SCSI这样的总线。SCSI原意是小型计算机系统接口，但实际上，它已超出了“小型”的范围。它是一种快速总线，可以同时将大量设备连接到计算机，这些设备包括硬盘驱动器、扫描仪、CD-ROM/RW驱动器、打印机和磁带机。在新系统中，串行ATA(SATA)等其他技术已在很大程度上取代了SCSI，但SCSI仍在使用。本文将介绍SCSI基础知识，提供有关SCSI类型和规范的相关信息。

SCSI基础知识

SCSI是在一种老式专有总线接口（称为施加特联合系统接口，缩写为 SASI）的基础上发展而来的。SASI最初是由Shugart Associates和NCR Corporation在1981年合作开发的。1986年，美国国家标准协会(ANSI)批准了SASI的修正版SCSI。SCSI使用一个控制器，向支持SCSI的设备（如硬盘驱动器和打印机）传输数据，同时接收来自这些设备的数据，并为其提供电力。

SCSI连接器

SCSI具有许多优点。它的速度相当快，最高可达320兆字节每秒(Mbps)。问世20多年来，经过充分测试，因而它享有性能可靠的美誉。与串行ATA和FireWire一样，您可以在一条总线上连接多个设备。此外，SCSI可在大多数计算机系统中使用。

但是，SCSI也有一些潜在的问题。它对BIOS（基本输入输出系统）的支持比较有限，必须针对每台计算机进行配置。此外也没有通用的SCSI软件接口。最后，不同的SCSI类型具有不同的速度、总线宽度和连接器，因此它们非常容易混淆。不过，只要了解“Fast”、“Ultra”和“Wide”的含义，这些SCSI类型也比较容易理解。下面将介绍一下这些类型。

RAID

SCSI常用于控制独立磁盘冗余阵列(RAID)。串行ATA(SATA) 等其他技术也可用于这一用途。新型SATA驱动器往往比SCSI驱动器更快，也更便宜。
RAID是一组硬盘驱动器，通常被视为大型驱动器。这些驱动器可同时读写数据，称为条带。RAID控制器确定哪个驱动器获取哪些数据块。当驱动器写入数据时，控制器会将数据发送到另一个驱动器，或从另一个驱动器读取数据。

通过镜像和奇偶校验，RAID还提高了容错性。镜像是在另一个硬盘驱动器上创建某个驱动器数据的准确副本。奇偶校验使用至少三个硬盘驱动器，将数据按序写入每个驱动器，最后一个驱动器除外。最后一个驱动器存储一个数字，该数字表示其他驱动器上数据的总和。有关RAID和容错性的更多信息，请参考此页。

SCSI类型

SCSI有三个基本规范：

• SCSI-1：SCSI-1是在1986年开发的原始规范，现已不再使用。它规定总线宽度为8位，时钟速度为5MHz。
• SCSI-2：1994年采用，此规范包括通用指令集(CCS)——支持任何SCSI设备所必需的18个命令。在此规范中，可以选择将时钟速度提高一倍，达到10MHz (Fast)，将总线宽度增加为原来的两倍，即16位，将设备数增加为15个(Wide)，或者同时实现上述两种升级(Fast/Wide)。SCSI-2还增加了命令队列，允许设备存储命令，并从主机排列命令优先级。
• SCSI-3：此规范于1995年正式出台，包括一系列较小范围的标准。涉及SCSI并行接口(SPI)的一组标准在SCSI-3中得到了继续发展，SPI是SCSI设备之间的通信方式。大多数SCSI-3规范都以Ultra开头，如Ultra for SPI规范、Ultra2 for SPI-2规范和Ultra3 for SPI-3规范。名称中的Fast和Wide的含义与SCSI-2中的一样。SCSI-3是当前正在使用的标准。

双倍总线速度、双倍时钟速度和SCSI-3规范的不同组合，产生了许多不同的SCSI规范。下表对几种不同规范进行了比较。很多较慢的规范已不再使用——在此列出仅作比较之用。

名称	规范	设备数量	总线宽度	总线速度	Mbps
异步SCSI	SCSI-1	8	8位	5MHz	4Mbps
同步SCSI	SCSI-1	8	8位	5MHz	5Mbps
Wide	SCSI-2	16	16位	5MHz	10Mbps
Fast	SCSI-2	8	8位	10MHz	10Mbps
Fast/Wide	SCSI-2	16	16位	10MHz	20Mbps
Ultra	SCSI-3SPI	8	8位	20MHz	20Mbps
Ultra/Wide	SCSI-3SPI	8	16位	20MHz	40Mbps
Ultra2	SCSI-3SPI-2	8	8位	40MHz	40Mbps
Ultra2/Wide	SCSI-3SPI-2	16	16位	40MHz	80Mbps
Ultra3	SCSI-3SPI-3	16	16位	40MHz	160Mbps
Ultra320	SCSI-3SPI-4	16	16位	80MHz	320Mbps

除了总线速度提高之外，Ultra320 SCSI还使用打包数据传输，从而提高其效率。Ultra2也是最后一种具有“窄”（8位）总线宽度的规范。

所有这些SCSI类型都是并行的——数据通过总线同时传输，而不是一次传输一种数据。最新的SCSI类型称为串行连接SCSI(SAS)，这种连接使用SCSI命令，但以串行方式传输数据。SAS使用点对点串行连接，以3.0千兆位每秒的速度传输数据，每个SAS端口可以支持多达128个设备或扩展设备。

SCSI控制器

所有SCSI规范都使用控制器和电缆与设备相连。下面将介绍这一过程。

scsi的控制器、设备和电缆

SCSI控制器在SCSI总线上的所有其他设备和计算机之间进行协调。SCSI控制器也称为主机适配器，控制器既可以是插入可用插槽的卡，也可以内置在主板上。SCSI BIOS也在控制器上。它是一个小型ROM或闪存芯片，包含访问和控制总线上的设备所需的软件。

每个SCSI设备都必须具有唯一的标识符(ID)才能正常工作。例如，如果总线能够支持16个设备，通过硬件或软件设置指定的设备ID的范围为0-15。SCSI 控制器本身必须使用其中一个ID，通常是最高的那一个，而将其他ID留给总线上的其他15个设备使用。

内部SCSI设备连接到一条带状电缆。

内部设备通过带状电缆连接到SCSI控制器。外部SCSI设备使用一条粗的圆形电缆，以菊花链形式连接到控制器（串行连接SCSI设备使用SATA电缆）。在菊花链中，每个设备都依次连接到下一个设备。因此，外部SCSI设备通常具有两个SCSI连接器——分别连接前后两个设备。

外部SCSI设备使用粗的圆形电缆连接。

电缆本身通常由三层构成：

• 内层：保护性最好的层，包含实际发送的数据。
• 介质层：包含向设备发送控制命令的线路。
• 外层：包含传输奇偶校验信息的线路，这些信息可确保数据的正确性。

不同SCSI标准使用不同的连接器，这些连接器通常不兼容，通常使用50、68或80针。SAS使用较小的SATA兼容连接器。

68针Alternative 3 SCSI连接器

50针Centronics SCSI连接器

一旦总线上的全部设备安装完毕，而且分配了各自的ID，则总线的每一端都必须闭合。下面介绍如何执行这一操作。

SCSI终结

如果SCSI总线保持开放状态，沿总线发送的电信号会反射回来，从而干扰设备和SCSI控制器之间的通信。解决方法是终结总线，用电阻电路闭合每一端。如果总线同时支持内部和外部设备，则必须终结每个系列的最后一个设备。

SCSI 终结的类型主要可分为两类：被动和主动。被动终结通常用于在标准时钟速度下运行、且设备到控制器的距离小于1米的SCSI系统。主动终结用于Fast SCSI系统，或设备到SCSI控制器的距离大于1米的系统。

如图所示，某些SCSI终结器内置于SCSI设备中，而另一些可能需要使用外部终结器。

SCSI还使用三种不同类型的总线信令，这也会影响终结。电脉冲以信令的方式在线路上发送。

• 单端(SE)：控制器生成信号，并通过单条数据线将信号传送至总线上的所有设备。每个设备都会产生信号损失。因此，信号会很快开始衰减，由此SE SCSI的传输距离被限制为约3米以内。PC中普遍采用SE信令。
• 高压差动(HVD)：HVD常用于服务器，它以串联方式发送信号，采用一条数据高压线和一条数据低压线。SCSI总线上的每个设备都有信号收发器。控制器与设备通信时，总线沿途的设备接收信号并转发信号，直至信号到达目标设备为止。这样，控制器和设备之间的允许距离可显著增加，可达25米。

• 低压差动(LVD)：LVD是HVD的同类技术，工作原理非常相似。两者之间的差异在于，LVD的收发器更小，并且内置于每个设备的SCSI适配器中。这使得LVD SCSI设备的价格更合理，并且LVD使用更少的电量就可以通信。缺点在于最大距离仅为HVD的一半——12米。

主动终结器

HVD和LVD通常都使用被动终结器，即使设备和控制器之间的距离远大于1米也是如此。这是因为收发器可以确保信号足够强，能从总线的一端传输到另一端。