基于CPLD的可管理SAS硬盘背板设计

摘要：基于CPLD为核心设计了一款可管理的SAS硬盘背板，在方便更换故障硬盘的同时通过对LED灯的控制来指示硬盘的工作状态，实现对硬盘状态的监控。测试结果表明该背板可以完成6Ghps SAS信号的传输，实现对硬盘状态指示，高速SAS信号满足系统要求。
关键字：SAS硬盘；SGPIO；背板

    SAS硬盘背板应用于服务器产品中，担当着“增值线缆”的作用。之所以称之为“增值线缆”，一方面是因为它对硬盘的连通作用，另一方而相对于单一的线缆来说，硬盘背板还可以提供一些附加功能，如硬盘工作状态指示、硬盘热拔捕等硬盘背板从早期的光背板到最近的电背板，不断改进。随着当前用户环境数据量的巨增，单台服务器配置的硬盘数量和容量都有了大幅度地增长，因此背板的需求也越来越多，硬盘背板的设计与质量控制已成为影响服务器整机性能和稳定性的一个重要关注点。

1 系统设计
    硬盘背板是SAS线的扩展，在完成扩展的同时对硬盘状态信息进行实时显示。硬盘背板主要包括四个部分，如图1所示，接口单元，CPLD控制单元，温度检测单元和电源部分。下面分别介绍各部分的功能。

1．1 接口单元
    接口单元包括Minisas接口，SAS接口，SMBus(System Management Bus)接口。Minisas接口将从服务器端HBA (Host Bus Adapter)／RAID (Redum(dant Array of Independent Disk)控制卡获得的信号通过Minisas线缆传递到硬盘背板上 SAS接口用来接连接外接的硬盘，SMBus接口用来将背板上的温度信号传递到服务器端。
1．2 CPLD控制单元
    EPM240是背板管理的核心，它是一款Alteral推出的低功耗低价位的CPLD，属于MAXⅡ家族，在提供可编程解决方案的同时降低设计的成本和功耗。EPM240将Minisas接口的边带信号解析成对应的硬盘状态进行输出。边带信号遵从SFF-8485协议，它定义了与串行SCSI(SAS)及串行ATA(SATA)结合使用的串行GPIO (SGPIO，Serial General Purpose Input／Output)总线。SGPIO总线共有4根信号线，用于SAS／SATA HBA ／RAID控制卡与硬盘背板之间的通讯，控制卡通过SGPIO来获得背板上的硬盘插座状况和发出硬盘LED状态指示信号。在这4根线中有3根是由HBA／RAID驱动，1根由背板驱动。SGPIO总线与MiniSAS线放在一根线缆中，以方便HBA／RAID卡与背板的连接。SGPIO4根线的定义如下：
    SClock：由HBA／RAID驱动的时钟线，最大的时钟频率是100kHz(典型的是48kHz)。
    Sload：这根线与SClock是同步的，主要用来指示一帧新数据的开始。当Slcad至少有5个时钟低电平后，在SClock脉冲上升时Sload跟随变为高表示一帧新的SGPIO数据开始，在随后4个时钟脉冲对应的4-Bit Sload数据规范没有明确定义，不同HBA／RAID卡厂商的定义也不同。
    SDataOut：这根线由HBA／RAID输出硬盘状态信号。
    SDataIn：这根线由背饭向HBA／RAID提供背板上的状况。第1位高电平表示该槽位已插入硬盘，随后的2何通常是低电平。
    CPLD对边带信号进行解析，通过控制背板上的LED灯的开和关来显示硬盘的工作状态。背板上每块硬盘有两个LED，一个单色LED用于指永硬盘是否插入并上电，一个双色LED用来指示硬盘正常工作，故障，硬盘定位等状况。
1.3 温度监测单元
    温度监测单元通过分布在硬盘背板上的温度传感器，采集硬盘的温度信息，主要通过在硬盘背板上的合理分配，以获得指定硬盘区域的温度参数。温度检测单元对背板来说非常重要，它实时采集背板上温度并将温度信号传送到服务器主板上。如果主板检测到背板上温度过高会进行报警以起到对背板和硬盘的保护作用。
    温度检测单元采用EMC1053，它是SMBus接口的温度传感器，可以最多检测三个点的温度，包含一个传感器内部温度和两个远端温度。传感器内部温度的精度为±3℃(0℃～85℃)，远端温度的精度为±1℃(40℃～80℃)。EMC1053作为从设备将检测到的温度信号通过SMBus传递到服务器端。

1．4 电源部分
    背板的+12V和+5V电压直接来自服务器电源，CPLD和温度传感芯片工作电压需要3．3V，因此增加了稳压电源芯片AME1117，将5V电压转成3．3V来供温度检测单元和CPLD控制单元使用。[!--empirenews.page--]

2 测试结果
    图2是硬盘背板的实物图，背板的尺寸为140mmx80mm，板厚为2mm。最多可以支持8块2．5’SAS硬盘。SAS硬盘背板采用6层PCB板设计，独立的电源层和地层，并且把信号层隔离开，既增强了抗干扰能力，又保证了信号的完整性。

    SAS信号的传输速率为6Gb／s，目前使用的SAS背板采用表层走线的方式。图3是6G SAS信号的眼图，从眼图结果来看，SAS信号的质量还是令人满意的。通过对背板进行7*24H的可靠性测试，结果表明该背板可以完成从帔务器到硬盘的可靠的数据传输。

3 结束语
    设计了一款基于CPLD的可管理SAS硬盘背板，可以在方便更换硬盘的同时显示的硬盘的工作状态。测试结果表明该硬盘背板可以可靠的完成服务器和硬盘之间的数据传输。目前这款背板已经在浪潮的多款产品上应用。