SAF-TE技术在磁盘阵列背板中的实现

摘    要：在磁盘阵列中，一般使用背板方式连接硬盘，这样服务器可在不关机的情况下直接更换损坏的硬盘。在背板设计中采用SAF-TE监控技术不仅可以随时监控硬盘的好坏、对损坏的硬盘提供LED指示并报警，同时还可以实现对系统风扇、温度及电压的实时监控。本文将以SAF-TE控制器GEM318为例，介绍其在曙光2U服务器硬盘热插拔背板设计中的具体应用。
关键词：SAF-TE；GEM318；I2C；PCB布线

SAF-TE控制技术
SAF-TE(SCSI Accessed Fault-Tolerant Enclosure) 是Intel公司提出的一种标准。该标准定义了一组命令，这些命令可用于设置RAID阵列和获得阵列中磁盘的状态信息，并在实现对热插拔磁盘进行管理的同时，为用户提供磁盘阵列的环境状态信息。这样就在主机、RAID控制器、存储设备、背板、电源及其它设备间建立了有效的通信途径。
与以往的背板相比，采用SAF-TE控制技术的热插拔背板，具有以下优点：可进行驱动器状况监控并在热插拔底板上显示磁盘驱动器的状态信息。这就允许客户快速地确认并更换一个已经无效的或者可能有故障的磁盘驱动器。在更换了损坏的硬盘后，RAID的重建可自动进行，而无须再经手动操作RAID控制器来完成。在硬盘的恢复过程中，不影响系统的服务。如果没有SAF-TE，自动重建工作只能是在有备用磁盘存在的情况下方可完成。由于不需在阵列中放置备用磁盘，使用SAF-TE可实现磁盘阵列中适用磁盘数量的最大化。

电路设计
GEM318 是一款低成本、自完备的热插拔硬盘背板管理控制器，只需简单的外围器件就可实现SAF-TE管理功能。由于其低成本和小封装的特点，使其成为1U和2U服务器节点背板设计中首选的解决方案。
硬件电路设计
GEM318具有LVDS接口，作为SCSI的一个目标设备存在，并占一个ID号,支持SAF-TE 1.0规范。具有一个I2C接口，当工作在主方式下，可以读取外部的温度传感器LM75和NVRAM AT24C01里面的组态数据。最多支持8个SCSI设备，具有8个LED控制引脚。支持两个LM75温度传感器，具体设计电路如图1所示。
硬盘插拔检测
该背板支持6块SCSI硬盘，所以只需将GEM318的DEV_INS5~0这6个引脚分别连接到背板上6个SCSI插槽的MATED引脚即可。该引脚正常为高电平，当某个槽中有硬盘插入时，硬盘的MATED引脚会将相应的DEV_INS引脚电平拉低。这样，GEM318就依此来判断每个SCSI插槽上硬盘的插拔状态。
当GEM318检测到某个DEV_INS引脚出现由高到低的电平跳变后，会立即使能SCSI总线上的复位信号，使得SCSI设备处于复位状态(如图2所示)。这样就有效的“屏蔽”了硬盘插入瞬间对SCSI总线信号的干扰，从而保证了SCSI总线信号的可靠性传输。
故障报警及LED指示
GEM318可以把SAF-TE命令寄存器记录的错误信息及时传递给报警输出引脚FAULT_IN。这样，GEM318就可随时把出错信息以声光报警的方式通知给用户。
设计中将温度、风扇和电压检测电路的逻辑输出，通过7411三输入与门芯片输出给GEM318的外部故障输入引脚G_ALARM(低电平有效)，以实现监控盘阵工作环境的目的。
LED7~0输出引脚用来驱动外部的LED,分别显示相对应的硬盘状态信息。
LVDS信号接口与ID设置
GEM318支持LVDS信号接口方式，LVDS是电流驱动模式，350mV的低电压摆幅可以提供几百兆比特的信号传输率。使用差分传输的方式可以使电磁干扰互相抵消，消除共模噪声，减少EMI。
GEM318有两个ID可选：ID6或ID8。目的是为了当盘阵中一个SCSI通道的硬盘数超过8时，可采用两个GEM318。设计时将GEM318的ID_ON1+/ID_ON1- 连到SCSI总线上的DB6+/DB6-，将GEM318的ID号设为6。
通过硬件电路跳线和NVRAM组态GEM318
GEM318具有很大的设计灵活性，可以在上电时通过读取输出引脚的电平状态和NVRAM中的数据来配置GEM318的特性。
 LED7~0引脚在系统上电时，在GEM318的RESET信号有效期间作为输入引脚使用。要求RESET信号至少要保持5个时钟周期。
LED7~0上电初期的引脚电平设计时由上拉或下拉电阻决定，此期间要求驱动LED显示的供电电源LED_VDD暂停供电，以便GEM318能读到准确的低电平信息。LED_VDD延迟上电的时间t可通过调整C31和R22的值来决定。设计电路如图3所示，电源时序如图4所示。
设计时NVRAM选用的是AT24C01，上电时GEM318将从AT24C01的40H存储单元读取信息。通过对AT24C01编程可设置以下选项：Slot的数目，每个Slot的SCSI ID号，设置温度传感器的数目及温度报警上下限值等。
串行通信设计
GEM318的串行通信接口兼容I2C规范，即可工作在主方式下也可工作在从方式下。工作在主方式下时可支持多主竞争，在背板设计上预留了I2C插针，这就为外部的控制设备访问盘阵信息提供了可能。当工作在从方式下时，GEM318有两个从地址可选。设计时将ID_ON1接到SCSI总线上，把GEM318的从地址设为E1H。如果将ID_ON0接到总线则从地址为E3H。
PCB设计
背板要求支持320Mbps的SCSI总线传输速率，SCSI总线采用LVDS信号传输技术，为保证信号的可靠传输，PCB布线至关重要。印制板的主要技术参数如下：
1. 尺寸是270mm X 84mm，板厚为2mm。
2. 采用六层板设计，信号从顶层到底层的布局依次为TOP层，GND层，信号1层，信号2层，信号3层和BOTTOM层。其中信号2层布12V电源，信号3层铺5V电源。
在布线中应注意以下几点：
1.  优先考虑电源和地在系统中的分布。
2. 使TTL信号和LVDS信号相互隔离,最好分布在不同的层。
3. 尽量多使用去耦电容。
4. 大电流回路布线尽量加粗，保持PCB地线层返回路径尽量宽而短。
5. 对于差分布线采用手动布线功能，使差分线对离开集成芯片后尽可能地相互靠近。每对差分线的间隔要尽量小，差分对间的长度要匹配。这样能减少反射并能确保耦合到的噪声为共模噪声。
6. 进行阻抗控制，通过阻抗设计软件计算阻抗以确定差分线宽及线间距。
7. 背板上设计终结器电路，以吸收反射信号。
8. 走线时避免90洌ㄒ苑涝斐勺杩共涣没∠呋?5毕叽妗?
结语
采用SAF-TE控制技术设计的SCSI背板，已广泛应用在曙光的系列产品中。经两年多的实际运行，证明系统工作可靠，性能稳定，保证了热插拔硬盘的安全稳定运行。该控制技术在产品中的采用，改变了传统的热插拔背板只能监控温度和风扇信息，而不能与主机，硬盘控制器通信的缺陷。为服务器存储系统的安全稳定运行提供了有效的保障。■

参考文献
1 SCSI Accessed Fault-Tolerant Enclosures Interface and Specification
2 GEM318 Guardian Enclosure Management Controller  Data Sheet
3 GEM318 Guardian Management Controller  Technical Manual