服务器技术之热插拔技术

<P>    目前服务器的技术热点主要有:IRISC与CISC技术、处理器技术、多处理器技术（AMP技术、SMP技术、MPP技术、COMA技术、集群技术和NUMA技术）、SCSI接口技术、智能I/O技术、容错技术、磁盘阵列技术、热插拔技术、双机热备份。 </P>
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2 w4 b, a5 L, s. I; G<P>　　服务器在网络中承担传输和处理大量数据的任务，要具备高可伸缩性、高可靠性、高可用性和高可治理性。IA－64体系将带动服务器技术特性的提高，如高性能CPU、多处理器技术、总线和内存技术、容错技术、群集技术、硬件治理接口、均衡服务器平台技术等。 <BR>　　热插拔(Hot Swap)技术 <BR>　　热插拔技术指在不关闭系统和不停止服务的前提下更换系统中出现故障的部件，达到提高服务器系统可用性的目的。目前的热插拔技术已经可以支持硬盘、电源、扩展板卡的热插拔。而系统中更为要害的CPU和内存的热插拔技术也已日渐成熟。未来热插拔技术的发展将会促使服务器系统的结构朝着模块化的方向发展，大量的部件都是可以通过热插拔的方式进行在线更换的。</P>
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<P>PCI热插拔，INTEL所支持热插拔属性：<BR>热 插 拔 支 持 <BR>PCI Express* 技 术 是 一 种 创 新 的 高 性 能 互 连 体 系 结 构 ， 可 带 来 显 著 增 强 的 可 靠 性 、 可 用 性 和 可 维 护 性 （ RAS ） 。 本 文 将 重 点 介 绍 RAS 的 其 中 一 个 方 面 ： 热 插 拔 支 持 。 文 章 深 入 介 绍 了 与 热 插 拔 支 持 相 关 的 问 题 和 挑 战 ， 并 描 述 了 PCI Express如 何 能 够 通 过 消 除 平 台 体 系 结 构 中 影 响 可 靠 性 和 可 维 护 性 的 冲 突 连 接 ， 帮 助 开 发 人 员 充 分 利 用 过 去 和 现 在 的 输 入 / 输 出 （ I/O ） 体 系 结 构 的 优 势 ， 同 时 继 续 向 前 发 展 。 </P>
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  O6 G/ K3 a( L/ {& p<P>传 统 PCI 热 插 拔 技 术 </P>
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5 y7 m2 M$ ?% }# s$ \7 j& T<P>热 插 拔 技 术 允 许 用 户 在 不 中 断 系 统 中 其 它 设 备 运 营 的 情 况 下 ， 物 理 拆 卸 或 添 加 工 业 标 准 的 外 设 组 件 互 连 （ PCI ） 设 备 （ 如 局 域 网 网 卡 或 I/O 控 制 器 等 ） 。 在 添 加 或 拆 卸 的 过 程 中 ， 只 有 个 别 插 槽 会 受 到 影 响 ， 系 统 将 无 需 重 启 或 关 机 。 </P>( c3 ]$ Z1 Y% [- L+ B5 r+ O
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<P>热 插 拔 技 术 通 常 要 求 在 不 同 平 台 层 中 的 硬 件 和 软 件 能 够 实 现 良 好 的 互 操 作 性 ， 以 便 为 用 户 提 供 可 靠 的 热 插 拔 功 能 ― ― 而 这 也 正 是 问 题 的 所 在 。 不 同 厂 商 的 组 件 必 须 能 够 结 合 起 来 支 持 热 插 拔 功 能 。 这 使 得 当 企 业 IT 和 数 据 中 心 经 理 尝 试 对 不 同 服 务 器 和 适 配 器 产 品 配 置 （ 包 含 定 制 的 服 务 器 平 台 ） 的 众 多 服 务 模 式 进 行 分 类 时 ， 将 可 能 面 临 极 大 的 可 维 护 性 挑 战 。 原 因 在 于 ， 不 同 的 服 务 模 式 将 导 致 服 务 复 杂 性 的 加 剧 和 停 机 可 能 性 的 增 加 。 </P>
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4 s3 h! d* C$ q<P>图 1 显 示 了 需 要 实 现 无 缝 互 操 作 以 支 持 传 统 热 插 拔 功 能 的 硬 件 和 软 件 组 件 。 其 中 包 括 ： </P>+ |7 N4 _+ D, e1 S

3 V2 @& E. {6 b' D) @<P>• 特 定 平 台 厂 商 组 件 ， 包 括 热 插 拔 控 制 器 （ HPC ） 和 电 脑 基 本 输 入 输 出 系 统 （ BIOS ） 等 ― ― 操 作 系 统 通 过 此 类 软 件 与 计 算 机 的 HPC 和 其 它 平 台 相 关 组 件 进 行 通 信 。 <BR>• 特 定 操 作 系 统 技 术 ， 包 括 操 作 系 统 电 源 管 理 （ OSPM ） 、 高 级 配 置 和 电 源 接 口 （ ACPI ） 驱 动 程 序 、 ACPI 源 语 言 和 ACPI 机 器 语 言 （ AML ） 解 释 程 序 、 以 及 操 作 系 统 相 关 应 用 / API 等 。 <BR>• 独 立 于 操 作 系 统 之 上 的 技 术 ， 诸 如 ACPI（ 包 括 特 定 平 台 厂 商 代 码 ） 等 。 </P>) U5 B( p. l7 g# [0 d$ s, U
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<P>插 入 图 1</P>
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<P>硬 件 BIOS 和 操 作 系 统 相 关 、 或 与 之 紧 密 结 合 的 组 件 会 加 大 支 持 的 成 本 与 复 杂 性 ， 并 降 低 整 体 系 统 的 可 靠 性 。 这 是 因 为 ： </P>
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8 }, l  d- S% t" Y2 e. `$ M$ m* r! D<P>• 操 作 系 统 直 接 控 制 以 外 的 诸 多 变 数 ― ― 可 靠 性 取 决 于 不 同 厂 商 组 件 中 最 薄 弱 的 一 环 。 <BR>• 不 同 的 BIOS 、 驱 动 程 序 和 控 制 器 。 <BR>• 操 作 系 统 API/应 用 采 用 的 不 同 使 用 模 式 。 <BR>• 不 一 致 的 兼 容 模 式 ， 诸 如 原 始 设 备 制 造 商 （ OEM ） 和 独 立 硬 件 厂 商 （ IHV ） 推 出 的 产 品 等 。 <BR>• IT / 数 据 中 心 经 理 需 要 提 供 不 同 的 平 台 支 持 模 式 。 </P>  x' W% K) ?1 i$ X+ w! r/ B

) L9 u! M* |5 E  A' z' j: o<P>PCI Express 的 先 进 特 性 </P>0 P! k6 L% \4 t! G- w; I% G
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<P>PCI Express 技 术 采 用 下 列 方 法 来 解 决 传 统 热 插 拔 技 术 中 存 在 的 问 题 ： </P>
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8 d$ M1 Z8 @! h<P>• PCI Express 专 为 改 进 热 插 拔 能 力 而 设 计 ， 为 此 ， PCI Express 在 设 计 时 包 含 了 热 插 拔 寄 存 器 （ 不 同 于 SHPC1.0 ， 其 中 热 插 拔 寄 存 器 是 一 种 独 立 的 独 立 功 能 ） 。 <BR>• 为 操 作 系 统 提 供 了 一 个 通 用 热 插 拔 硬 件 寄 存 器 接 口 ― ― 使 操 作 系 统 能 够 提 供 固 有 的 热 插 拔 支 持 （ 摒 弃 了 传 统 基 于 BIOS 的 方 法 ） 。 <BR>• 通 过 在 基 础 体 系 结 构 一 级 上 定 义 硬 件 所 需 的 热 插 拔 性 能 来 推 广 一 种 标 准 使 用 模 式 。 <BR>• 构 建 于 标 准 体 系 结 构 基 础 之 上 ： 标 准 热 插 拔 控 制 器 （ SHPC ） 。 <BR>• 通 过 改 进 外 形 来 降 低 原 始 设 备 制 造 商 （ OEM ） 的 生 产 成 本 ， 同 时 提 高 平 台 可 靠 性 。 </P># L! G, N5 d8 M/ B: `/ m

& o6 d+ w# }+ R* J$ ?6 ]$ j- ]<P>标 准 使 用 模 式 </P>
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<P>PCI Express 通 过 为 3 个 连 续 的 平 台 等 级 上 的 功 能 定 义 并 提 供 相 关 的 寄 存 器 支 持 ， 采 用 了 一 种 标 准 使 用 模 式 ： </P>' D' U5 w/ x$ j( E% K" m
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<P>• 机 箱 <BR>• 插 槽 <BR>• 终 点 （ 适 配 器 ） </P>
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+ f* T7 p( }+ L9 H/ ]7 E" p: u<P>这 一 标 准 使 用 模 式 使 得 不 同 厂 商 的 产 品 可 以 实 现 出 色 的 互 操 作 性 。 对 于 IT 和 数 据 中 心 经 理 而 言 ， 由 于 不 同 厂 商 平 台 间 的 差 异 被 大 幅 降 低 ， 因 此 该 模 式 将 可 以 极 大 地 减 少 技 术 人 员 的 培 训 和 服 务 时 间 。 它 同 时 还 能 够 消 除 用 户 为 避 免 发 生 兼 容 性 问 题 ， 从 单 一 制 造 商 处 购 买 所 有 系 统 组 件 的 困 境 ， 进 而 可 显 著 提 高 投 资 回 报 。 </P>$ T8 u# X+ w, Q/ ]

9 L& P: `/ f' E+ |, i4 M<P>标 准 基 础 体 系 结 构 </P>4 x3 S) ]% O: Z5 U

% g8 E' i6 V: ]6 W6 S<P>PCI Express 基 础 体 系 结 构 构 建 于 标 准 热 插 拔 控 制 器 （ SHPC ） 之 上 ， 并 在 《 PCI 标 准 热 插 拔 控 制 器 和 子 系 统 规 范 1.0 版 》 中 进 行 了 详 细 描 述 。 这 一 规 范 由 PCI 特 殊 利 益 集 团 （ PCI SIG） 出 版 ， 如 欲 了 解 更 多 信 息 ， 请 访 问 PCI-SIG 网 站 。 </P>
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. u( k" E) A8 D0 g: T- l+ e<P>PCI Express 采 用 了 SHPC 的 全 部 组 件 ， 详 细 信 息 请 参 阅 以 下 矩 阵 图 。 其 中 “ 组 件 范 围 ” 栏 指 支 持 SHPC 模 式 的 平 台 范 围 。 </P>
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<P>插 入 图 1</P>
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8 G- M3 ~5 E  n<P>厂 商 独 立 性 </P>) V( q( @, U) g% B- T  F: j8 t, Y
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<P>虽 然 PCI 热 插 拔 规 范 说 明 了 硬 件 要 求 ， 但 它 没 有 为 处 理 插 入 和 拆 卸 活 动 定 义 一 个 完 整 的 模 式 ― ― SHPC 1.0 规 范 定 义 了 所 需 的 软 件 模 式 。 2002 年 推 出 的 PCI Express Native 全 面 支 持 传 统 的 PCI 热 插 拔 和 SHPC模 式 ， 并 通 过 使 用 公 共 寄 存 器 接 口 ， 脱 离 了 对 BIOS 的 依 赖 ， 转 移 到 操 作 系 统 之 上 。 更 为 重 要 的 是 ， PCI Express Native 通 过 创 建 一 个 能 在 任 意 厂 商 平 台 上 使 用 的 热 插 拔 控 制 器 标 准 连 结 ， 消 除 了 对 ACPI BIOS 和 特 定 平 台 热 插 拔 控 制 器 驱 动 程 序 依 赖 。 。 </P>
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<P>PCI Express Native 在 能 够 充 分 利 用 当 前 I/O 体 系 结 构 优 势 的 同 时 ， 还 通 过 采 用 一 种 允 许 操 作 系 统 打 开 或 关 闭 Native 支 持 的 方 法 ， 满 足 了 当 前 和 未 来 的 需 求 。 这 种 被 称 为 操 作 系 统 热 插 拔 （ OSHP ） 的 控 制 方 法 需 要 驻 留 于 支 持 ACPI 机 制 的 平 台 BIOS 之 中 。 当 关 闭 Native 支 持 时 ， 将 由 ACPI BIOS 控 制 管 理 热 插 拔 功 能 。 当 操 作 系 统 打 开 Native 支 持 时 ， ACPI BIOS 就 会 自 动 关 闭 ， 从 而 使 操 作 系 统 可 以 直 接 通 过 Native操 作 系 统 支 持 来 管 理 热 插 拔 插 槽 。 </P>
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<P>当 PCI Express Native 和 SHPC 提 供 相 同 的 功 能 时 ， 用 于 PCI Express Native 和 SHPC 的 寄 存 器 集 之 间 会 有 细 微 的 差 异 ； 然 而 ， 通 过 对 寄 存 器 相 关 接 口 进 行 一 些 微 小 的 变 化 ， 单 一 的 操 作 系 统 驱 动 程 序 将 可 以 同 时 支 持 SHPC 和 PCI Express 。 </P># l  P- M# q; y4 O

/ u* Q! r) Q  T+ G3 Q: }/ M<P>外 形 </P>. J+ x& w, o. @. K; ~

$ i+ {2 B5 j6 e3 W8 {4 B<P>PCI Express 支 持 任 意 一 种 基 于 插 槽 或 模 块 的 热 插 拔 能 力 。 与 传 统 方 法 相 比 ， PCI Express 的 一 项 重 要 改 进 就 是 推 出 了 能 够 保 护 硬 件 免 受 骤 然 热 插 拔 影 响 的 “ mate-last / break-first” （ 先 断 后 连 ） 连 接 器 。 PCI Express 热 插 拔 优 于 传 统 模 式 的 关 键 之 一 在 于 其 独 特 的 PCI Express 模 块 ， 它 采 用 了 一 种 前 端 插 入 模 式 ， 允 许 在 不 打 开 机 箱 的 情 况 下 进 行 热 插 拔 。 </P>2 I, u* c; J: n- ~: V  J- s3 ]" b

) Z, r! u# K) D( u<P>插 槽 和 模 块 都 构 建 于 相 同 的 软 件 模 式 之 上 。 但 具 体 平 台 实 施 成 本 要 显 著 低 于 传 统 方 法 。 模 块 解 决 方 案 相 比 更 为 经 济 ， 而 随 着 电 源 控 制 器 到 模 块 的 转 移 （ 连 接 器 与 系 统 之 间 将 没 有 电 源 控 制 逻 辑 ） ， 相 关 成 本 将 完 全 由 模 块 产 生 。 模 块 解 决 方 案 的 另 一 个 优 势 就 是 成 本 随 解 决 方 案 的 扩 展 而 增 加 ， 从 而 实 现 了 按 需 付 费 。 </P>
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<P>建 议 </P>  k; f# y1 c4 |; _
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<P>为 了 充 分 利 用 PCI Express 技 术 可 提 供 的 高 可 靠 性 和 低 成 本 优 势 ， 行 业 厂 商 将 需 要 采 取 以 下 措 施 ： </P>7 h0 ^1 i, k5 Q

# o( t, `  _. R4 s<P>• 硬 件 开 发 商 应 在 新 的 硬 件 设 计 中 提 供 PCI Express Native 支 持 。 <BR>• 软 件 开 发 商 应 在 BIOS 修 正 版 中 实 施 OSHP ， 并 部 署 一 个 基 于 SHPC 的 使 用 模 式 。 <BR>• OEM 应 部 署 基 于 支 持 PCI Express Native 的 组 件 的 集 成 服 务 器 产 品 。 <BR>• IT 和 数 据 中 心 经 理 应 在 2004 年 开 始 部 署 基 于 PCI Express 的 平 台 ， 以 充 分 利 用 Native 热 插 拔 的 优 势 。 </P># |1 O5 |& D: X% b( G/ a4 q# g
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<P>总 结 </P>1 G0 H4 F& Y! d& z

' X1 b4 z- ]7 i8 d4 x/ M) Z! M<P>热 插 拔 功 能 对 于 保 持 系 统 可 用 性 至 关 重 要 。 现 今 的 传 统 热 插 拔 技 术 存 在 诸 多 问 题 ， 而 且 价 格 不 菲 ， 结 果 导 致 软 硬 件 之 间 关 系 复 杂 且 脆 弱 。 这 些 问 题 进 而 使 得 数 据 中 心 和 IT 经 理 需 要 投 入 大 量 的 时 间 和 资 金 予 以 解 决 。 通 过 采 用 标 准 使 用 模 式 并 消 除 实 现 可 靠 热 插 拔 所 需 的 特 定 厂 商 代 码 和 组 件 ， PCI Express 将 可 以 显 著 提 高 系 统 性 能 、 延 长 正 常 使 用 时 间 、 增 强 可 维 护 性 和 降 低 成 本 。 <BR></P>