基于CPLD的可管理SAS硬盤(pán)背板設計

摘要：基于CPLD為核心設計了一款可管理的SAS硬盤(pán)背板，在方便更換故障硬盤(pán)的同時(shí)通過(guò)對LED燈的控制來(lái)指示硬盤(pán)的工作狀態(tài)，實(shí)現對硬盤(pán)狀態(tài)的監控。測試結果表明該背板可以完成6Ghps SAS信號的傳輸，實(shí)現對硬盤(pán)狀態(tài)指示，高速SAS信號滿(mǎn)足系統要求。
關(guān)鍵字：SAS硬盤(pán)；SGPIO；背板

SAS硬盤(pán)背板應用于服務(wù)器產(chǎn)品中，擔當著(zhù)“增值線(xiàn)纜”的作用。之所以稱(chēng)之為“增值線(xiàn)纜”，一方面是因為它對硬盤(pán)的連通作用，另一方而相對于單一的線(xiàn)纜來(lái)說(shuō)，硬盤(pán)背板還可以提供一些附加功能，如硬盤(pán)工作狀態(tài)指示、硬盤(pán)熱拔捕等硬盤(pán)背板從早期的光背板到最近的電背板，不斷改進(jìn)。隨著(zhù)當前用戶(hù)環(huán)境數據量的巨增，單臺服務(wù)器配置的硬盤(pán)數量和容量都有了大幅度地增長(cháng)，因此背板的需求也越來(lái)越多，硬盤(pán)背板的設計與質(zhì)量控制已成為影響服務(wù)器整機性能和穩定性的一個(gè)重要關(guān)注點(diǎn)。

1 系統設計
硬盤(pán)背板是SAS線(xiàn)的擴展，在完成擴展的同時(shí)對硬盤(pán)狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。硬盤(pán)背板主要包括四個(gè)部分，如圖1所示，接口單元，CPLD控制單元，溫度檢測單元和電源部分。下面分別介紹各部分的功能。

1．1 接口單元
接口單元包括Minisas接口，SAS接口，SMBus(System Management Bus)接口。Minisas接口將從服務(wù)器端HBA (Host Bus Adapter)／RAID (Redum(dant Array of Independent Disk)控制卡獲得的信號通過(guò)Minisas線(xiàn)纜傳遞到硬盤(pán)背板上 SAS接口用來(lái)接連接外接的硬盤(pán)，SMBus接口用來(lái)將背板上的溫度信號傳遞到服務(wù)器端。
1．2 CPLD控制單元
EPM240是背板管理的核心，它是一款Alteral推出的低功耗低價(jià)位的CPLD，屬于MAXⅡ家族，在提供可編程解決方案的同時(shí)降低設計的成本和功耗。EPM240將Minisas接口的邊帶信號解析成對應的硬盤(pán)狀態(tài)進(jìn)行輸出。邊帶信號遵從SFF-8485協(xié)議，它定義了與串行SCSI(SAS)及串行ATA(SATA)結合使用的串行GPIO (SGPIO，Serial General Purpose Input／Output)總線(xiàn)。SGPIO總線(xiàn)共有4根信號線(xiàn)，用于SAS／SATA HBA ／RAID控制卡與硬盤(pán)背板之間的通訊，控制卡通過(guò)SGPIO來(lái)獲得背板上的硬盤(pán)插座狀況和發(fā)出硬盤(pán)LED狀態(tài)指示信號。在這4根線(xiàn)中有3根是由HBA／RAID驅動(dòng)，1根由背板驅動(dòng)。SGPIO總線(xiàn)與MiniSAS線(xiàn)放在一根線(xiàn)纜中，以方便HBA／RAID卡與背板的連接。SGPIO4根線(xiàn)的定義如下：
SClock：由HBA／RAID驅動(dòng)的時(shí)鐘線(xiàn)，最大的時(shí)鐘頻率是100kHz(典型的是48kHz)。
Sload：這根線(xiàn)與SClock是同步的，主要用來(lái)指示一幀新數據的開(kāi)始。當Slcad至少有5個(gè)時(shí)鐘低電平后，在SClock脈沖上升時(shí)Sload跟隨變?yōu)楦弑硎疽粠碌腟GPIO數據開(kāi)始，在隨后4個(gè)時(shí)鐘脈沖對應的4-Bit Sload數據規范沒(méi)有明確定義，不同HBA／RAID卡廠(chǎng)商的定義也不同。
SDataOut：這根線(xiàn)由HBA／RAID輸出硬盤(pán)狀態(tài)信號。
SDataIn：這根線(xiàn)由背飯向HBA／RAID提供背板上的狀況。第1位高電平表示該槽位已插入硬盤(pán)，隨后的2何通常是低電平。
CPLD對邊帶信號進(jìn)行解析，通過(guò)控制背板上的LED燈的開(kāi)和關(guān)來(lái)顯示硬盤(pán)的工作狀態(tài)。背板上每塊硬盤(pán)有兩個(gè)LED，一個(gè)單色LED用于指永硬盤(pán)是否插入并上電，一個(gè)雙色LED用來(lái)指示硬盤(pán)正常工作，故障，硬盤(pán)定位等狀況。
1.3 溫度監測單元
溫度監測單元通過(guò)分布在硬盤(pán)背板上的溫度傳感器，采集硬盤(pán)的溫度信息，主要通過(guò)在硬盤(pán)背板上的合理分配，以獲得指定硬盤(pán)區域的溫度參數。溫度檢測單元對背板來(lái)說(shuō)非常重要，它實(shí)時(shí)采集背板上溫度并將溫度信號傳送到服務(wù)器主板上。如果主板檢測到背板上溫度過(guò)高會(huì )進(jìn)行報警以起到對背板和硬盤(pán)的保護作用。
溫度檢測單元采用EMC1053，它是SMBus接口的溫度傳感器，可以最多檢測三個(gè)點(diǎn)的溫度，包含一個(gè)傳感器內部溫度和兩個(gè)遠端溫度。傳感器內部溫度的精度為±3℃(0℃～85℃)，遠端溫度的精度為±1℃(40℃～80℃)。EMC1053作為從設備將檢測到的溫度信號通過(guò)SMBus傳遞到服務(wù)器端。

1．4 電源部分
背板的+12V和+5V電壓直接來(lái)自服務(wù)器電源，CPLD和溫度傳感芯片工作電壓需要3．3V，因此增加了穩壓電源芯片AME1117，將5V電壓轉成3．3V來(lái)供溫度檢測單元和CPLD控制單元使用。