Ultra160 SCSI - mehr als ein neuer Standard

09.07.2000
Angetrieben durch steigende Anforderungen an Server- und Workstations, wurde der neue Standard Ultra160 für SCSI verabschiedet. Da die ersten Produkte jetzt erhältlich sind, lohnt es sich, über die Grundlagen der jüngsten Entwicklungsstufe zu sprechen.

Ultra160 SCSI bietet die zweifache Performance eines herkömmlichen Ultra2-SCSI-Interfaces und soll daher eine tragende Rolle in der Entwicklung der nächsten Generation von Netzwerk- und E-Commerce-Anwendungen spielen. Drei Merkmale unterscheiden den neuen Standard von seinen Vorgängern:

Double-Edge clocking

Das Datensignal wird sowohl mit steigender als auch mit fallender Flanke des Taktsignals übertragen. Dadurch verdoppelt sich die Transferrate. Die elektrische Charakte-ristik des Bus bleibt dabei erhalten. Dies erklärt schon im Wesentlichen die Leistungssteigerung von Ultra160: Verdopplung der Datentransferrate auf 160 MB/s gegenüber Ultra-Wide-2-SCSI (80 MB/s) ohne zusätzlichen internen Clock.

Zyklischer Redundanztest

Die zweifache Nutzung der Taktsignale und die sich daraus ergebende Verdopplung der Transferrate auf 160 MB pro Sekunde stellt völlig neue Anforderungen im Hinblick auf die Signalintegrität. Frühere SCSI-Versionen prüften lediglich die Parität, um Übertragungsfeh-ler nachzuweisen. Das reicht bei schnellerem Datentransfer nicht mehr. Dafür benötigt man ein höheres Level in der Fehlerdetektion, und das leistet der zyklische Redundanztest (CRC).

CRC wird vor allem in Fast-Ethernet-, FDDI- und Glasfiberkabeln eingesetzt. Die Methode wendet einen zyklischen Algorithmus auf jeden zu übertragenden Datenblock an und liefert dadurch eine breitere Fehlerdetektion. Die Sendereinheit fügt das Ergebnis ihrer Berechnung jedem Datenblock bei. Ist dieser übertragen, wendet die empfangende Einheit denselben Algorithmus auf jeden erhaltenen Datenblock an und vergleicht das Resultat mit dem gleichfalls erhaltenen CRC-Code des Senders.

Je nach Ergebnis schickt das Device eine Bestätigung oder Fehlermeldung. Die CRC-Technologie, die in Ultra160 zum Einsatz kommt, kann alle Ein-Bit-Fehler, alle Doppel-Bit-Fehler, alle ungeraden Fehlerzahlen sowie sämtliche Burst-Fehler bis zu 32 Bit Länge nachweisen.

CRC erhöht die Datensicherheit beim Transfer im Vergleich mit vorherigen SCSI-Standards beträchtlich, denn anstelle eines einzelnen Bytes überprüft CRC alle übertragenen Blöcke. Daten aus externen Anlagen und Einheiten werden sicherer übertragen, sogar beim Hot-Plugging. Darüber hinaus legt CRC, indem es diesen Fehlernachweis zum technischen Standard macht, den Grundstein für zukünftige, noch leistungsstärkere SCSI-Versionen.

Domain-Validation

Domain-Validation spielt eine wichtige Rolle bei der Frage, ob ein System Daten nach Ultra160-Standard übertragen kann oder nicht. Heutige Controller auf dem SCSI-Board bestimmen über einen "Inquiry"-Befehl die Transferrate für den Datenaustausch mit den anderen Geräten. Diese Methode birgt aber einen Nachteil: Sie kann nicht garantieren, dass die Kabelverbindung die errechnete Datentransferrate unterstützt. Das kann zu Problemen wie "No Access" oder gar Systemabstürzen führen.

Dagegen stellt Domain-Validation sicher, dass die SCSI-Verbindung die Daten mit der vereinbarten Rate überträgt, und eliminiert somit diese Anfälligkeit. Haben SCSI-Controller und -Device die Transferrate einmal vereinbart, wird auf diese Rate hin auch gecheckt. Im Fehlerfall fährt der Controller automatisch die Rate bis zum maximalen unkritischen Wert herunter.

Die Ansi-T10-SPI-3-Spezifikation definiert zwei Levels für die Domain-Validation des Ultra160-Standards. Die SCSI-Controller führen die Level-1-Domain-Validation durch. Sie senden dafür zwei Inquiry-Befehle mit Timing-Parametern, die auf "asynchron" und "narrow" gesetzt sind. Die zurückkommenden Daten werden für spätere Zwecke gespeichert. Als nächstes schickt der Controller einen zweiten Inquiry-Befehl mit einer Frequenz und einer Signallänge, die der gewünschten Transferrate entspricht. Die Daten des zweiten Befehls werden sodann mit den zurückerhaltenen des ersten verglichen.

Stimmen sie nicht überein, setzt der Controller Frequenz und Signallänge zurück und wiederholt den Vorgang solange, bis die Daten schließlich übereinstimmen. Dann kommunizieren der initiierende und der Ziel-Controller mit der so ausgehandelten Transferrate. Diese Validation ist sehr nützlich, wenn man Probleme mit Kabeln, Systemerweiterungen, fehlerhaften Sender-Empfängern oder unsauberen Terminatoren hat.

Das zweite Level, das SPI-3 vorsieht, ist die erweiterte Domain-Validation. Um Level-2-Operationen auszuführen, wendet der Controller multiple "Read/Write Buffer"-Befehle an und vergleicht die gesendeten mit den empfangenen Daten. Sind sie nicht gleich, so setzt der SCSI-Controller die Rate Schritt für Schritt herunter, bis es passt. Anschließend wird der gesamte Vorgang mit einem anderen Datenmuster wiederholt. Alternierende Muster können dazu benutzt werden, unterschiedliche potenzielle Fehlertypen aufzuspüren. Das ist sehr hilfreich bei Problemen mit Crosstalk, bei Systemrauschen, schwachen oder starken Sendern/Empfängern, unsauberen Terminatoren, unkorrekten DeviceAbständen und Kabeln mit falscher Impedanz.

Grenz-Domain-Validation

Bei Signallaufzeiten zwischen einer und vier Nanosekunden und Bandbreiten im Gigahertz-Bereich sind die physikalischen Anforderungen für das SCSI-Board-Design extrem hoch. Bei solchen Geschwindigkeiten hat die kleinste Unstimmigkeit im Design einen großen Einfluss auf Impedanz und Bitversatz des Bussystems.

Deshalb liefert ein dritter Level-Check Informationen über den Sicherheitsspielraum auf dem Datenbus. Diese so genannte Grenz-Domain-Validation führt denselben Write/Read-Buffer-Test aus wie Level 2. Aber Level 3 ändert gleichzeitig die elektrische Charakteristik des SCSI-Signals und gibt so den Entwicklern ein Mittel an die Hand, die Toleranzbreite ihres Schaltungsdesigns zu bestimmen.

Diese erweiterte Domain-Validation bestimmt den Spielraum der Lowvoltage-Signalstärke (LVD). Der Entwickler setzt dabei den Treiberstrom für das SCSI-Signal auf 80 oder 120 Prozent des Nominalwertes. So kann er prüfen, ob der Bus innerhalb des 20-Prozent-Spielraums übermäßig belastet wird. Gleichzeitig testet er das Impedanzverhalten auf dem Bus, das sich bei größeren Datenmengen als kritisch erweist.

Die Hersteller können außerdem die Grenzcharakteristik des Bus bestimmen, indem sie das Clock-Signal-Timing variieren. Dabei wird mit dem Host-Controller das Abtast-Timing von REQ und ACK (Request und Acknowledge) modifiziert. Der Test zeigt, ob der SCSI-Bus genügend Spielraum hat, um den Bitversatz des Signals auszumachen. Verursacht werden könnte dieser durch Schwankungen der Impedanz und durch unterschiedliche Kabellängen zwischen Datensignal und REQ/ACK. Die Grenzcharakteristik des Design kann nicht allein durch das Testen der LVD Signalstärke bestimmt werden.

Diese zusätzliche Domain-Valida-tion gibt den Designentwicklern einen unschätzbaren Einblick in die Leistungsbegrenzungen ihres Systems. Liegt der Arbeitspunkt an der Toleranzschwelle, wird die Betriebssicherheit leicht gefährdet. Es brauchen dazu lediglich mehrere Devices und elektrische Lasten im Schaltkreis sein, die die elektrische Integrität des Bus stören - schon leidet die gesamte Performance. Mit Level 3 können die Entwickler in einem frühen Stadium feststellen, ob ihr Design an der Leistungsschwelle arbeitet und somit einen Risikofaktor darstellt.

Fazit

Ultra160 SCSI markiert einen wichtigen Schritt vorwärts für die Entwickler von I/O-Technik. Der neue Standard verspricht dramatischen Zuwachs bei den Datentransferraten. Gleichzeitig versucht er, nahtlose Kompatibilität mit der großen Anzahl von SCSI-Geräten und ihren Abkömmlingen im Markt zu wahren. (de)

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