隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，影視行業(yè)對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的依賴程度越來越大。影視數(shù)字化編輯播出系統(tǒng)是一個(gè)信息量巨大、高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的高速?gòu)?fù)雜的分布式多媒體網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)。它所需要的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的規(guī)模很大，因此對(duì)服務(wù)器存儲(chǔ)技術(shù)要求非常高。目前服務(wù)器的存儲(chǔ)技術(shù)主要分為直接連接存儲(chǔ)技術(shù)DAS和附網(wǎng)存儲(chǔ)技術(shù)NAS。為了建立影視數(shù)字化與空間數(shù)據(jù)組織及管理的原型實(shí)驗(yàn)室，作為其先期的工作，需要對(duì)SCSI技術(shù)有深入的研究與分析，以期實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的高效分布式存儲(chǔ)及調(diào)度。本文對(duì)SCSI接口和Linux下的SCSI API進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并運(yùn)用此API作了與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)相關(guān)的實(shí)現(xiàn)。

　　1  SCSI接口

　　SCSI－小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口，是種較為特殊的接口總線，具備與多種類型的外設(shè)進(jìn)行通信。SCSI采用ASPI的標(biāo)準(zhǔn)軟件接口使驅(qū)動(dòng)器和計(jì)算機(jī)內(nèi)部安裝的SCSI適配器進(jìn)行通信。SCSI接口是一種廣泛應(yīng)用于小型機(jī)上的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。SCSI接口具有應(yīng)用范圍廣、多任務(wù)、帶寬大、CPU占用率低，以及熱插拔等優(yōu)點(diǎn)。

　　SCSI接口為光存儲(chǔ)產(chǎn)品提供了強(qiáng)大、靈活的連接方式，還提供了很高的性能，可以有7個(gè)或更多的驅(qū)動(dòng)器連接在一個(gè)SCSI適配器上，其缺點(diǎn)就在于昂貴的價(jià)格。SCSI接口的光驅(qū)需要配合價(jià)格不菲的SCSI卡一起使用，而且SCSI接口的光驅(qū)在安裝、設(shè)置時(shí)比較麻煩，所以SCSI接口的光驅(qū)遠(yuǎn)不如IDE接口光驅(qū)使用廣泛。SCSI接口的光存儲(chǔ)產(chǎn)品更多的是應(yīng)用于有特殊需求的領(lǐng)域，家用產(chǎn)品幾乎沒有采用此類接口的。

　　SCSI是一種連結(jié)主機(jī)和外圍設(shè)備的接口，支持包括磁盤驅(qū)動(dòng)器、磁帶機(jī)、光驅(qū)、掃描儀在內(nèi)的多種設(shè)備。它由SCSI控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，SCSI控制器相當(dāng)于一塊小型CPU，有自己的命令集和緩存?！?/P>

　　SCSI接口從技術(shù)和性能上始終擁有設(shè)備的特征。SCSI接口與IDE接口相比具有以下特點(diǎn)：（1）適應(yīng)面廣。使用IDE接口時(shí)，會(huì)受到系統(tǒng)IRQ（中斷號(hào)）及IDE通道的限制，一般情況下每個(gè)IDE通道使用一個(gè)IRQ,所接的IDE設(shè)備多不能超過15個(gè)。而使用SCSI時(shí)，所接的設(shè)備可以超過15個(gè)，且所有這些設(shè)備只占用一個(gè)IRQ。（2）多任務(wù)。SCSI允許在對(duì)一個(gè)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)對(duì)另一個(gè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)查找，這對(duì)于服務(wù)器來說是非常重要的。因?yàn)榉?wù)器常常需要同時(shí)處理幾個(gè)進(jìn)程，并且對(duì)服務(wù)器硬盤的操作也經(jīng)常是既有讀數(shù)據(jù)，又有寫數(shù)據(jù)。（3）寬帶寬。理論上，目前快的SCSI總線帶寬為160Mbps,這意味著硬盤的傳輸速率可達(dá)160Mbps（這是理論值，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)降低）。而目前快的IDE接口硬盤的外部速度為100Mbps（即ATA-100,這也是理論值），而且由于各方面的限制，現(xiàn)在所能用的速度只有33Mbps。（4）較少的CPU占用率。使用傳統(tǒng)IDE接口時(shí)，CPU需要全程控制數(shù)據(jù)的傳輸操作，所以在IDE傳輸數(shù)據(jù)的過程中，CPU不能執(zhí)行任何操作，直到傳輸結(jié)束才可執(zhí)行后續(xù)的指令。而SCSI在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，CPU在將傳輸指令傳給SCSI后就可立即處理后續(xù)的指令，傳輸?shù)墓ぷ鲃t交給SCSI卡上的處理芯片自行負(fù)責(zé)，直到SCSI處理完畢、發(fā)出信號(hào)通知CPU后，CPU再進(jìn)行后續(xù)處理，因此占用CPU資源較少。

　　2 Linux下的SCSI API

　　由于SCSI具有多任務(wù)的特點(diǎn)，因此它在多任務(wù)操作系統(tǒng)中可以獲得更高的性能。為了能夠更好地對(duì)Linux的SCSI子系統(tǒng)進(jìn)行管理，本文先對(duì)SCSI體系結(jié)構(gòu)和與系統(tǒng)相關(guān)的應(yīng)用接口進(jìn)行分析，然后再運(yùn)用API對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)相關(guān)方面進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

　　在linux中，用戶編程接口API遵循了UNIX中的應(yīng)用編程界面標(biāo)準(zhǔn)---POSIX標(biāo)準(zhǔn)。POSIX標(biāo)準(zhǔn)是由IEEE和ISO/IEC共同開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。該標(biāo)準(zhǔn)基于當(dāng)時(shí)現(xiàn)有的UNIX實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，描述了操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用編程接口API，用于保證應(yīng)用程序可以在源程序上在多種操作系統(tǒng)上移植運(yùn)行。這些系統(tǒng)調(diào)用編程接口主要是通過C庫（LIBC）來實(shí)現(xiàn)的。

　　2.1 SCSI體系結(jié)構(gòu)

　　從圖1中可以看出，上層支持用戶-內(nèi)核接口，SD屬于磁盤類，SR屬于CD-ROM子系統(tǒng)，它們都有一個(gè)中斷設(shè)備接口。ST是用來讀寫磁帶的字符驅(qū)動(dòng)器，SG是用一個(gè)字符設(shè)備接口連接設(shè)備的命令，它們都有一個(gè)字符設(shè)備接口。SCSI中間層定義了內(nèi)部接口，為上層和下層驅(qū)動(dòng)器提供服務(wù)。

　　通過SG驅(qū)動(dòng)器的請(qǐng)求可以分為三個(gè)階段：（1）從用戶接受請(qǐng)求，預(yù)留所需要的資源。如果需要，在用戶區(qū)的數(shù)據(jù)先被傳送到內(nèi)核緩沖區(qū)，然后將請(qǐng)求提交給SCSI中間層（然后給適配器）去執(zhí)行。（2）假設(shè)SCSI適配器支持中斷，當(dāng)請(qǐng)求完成時(shí)中斷就被接收。當(dāng)中斷到達(dá)時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸即完成。也就是說，如果SCSI命令是READ發(fā)的，則數(shù)據(jù)就在內(nèi)核緩沖區(qū)或者在用戶緩沖區(qū)。（3）用戶通過一個(gè)調(diào)用取出請(qǐng)求的結(jié)果。如果需要，內(nèi)核緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)會(huì)被傳送到用戶層，此時(shí)與這個(gè)請(qǐng)求相關(guān)的內(nèi)核資源被釋放。通常write（）調(diào)用就是階段的發(fā)送請(qǐng)求，之后read（）調(diào)用取得數(shù)據(jù)或者出錯(cuò)信息。另外SCSI中間層自動(dòng)維護(hù)一個(gè)隊(duì)列以支持多個(gè)用戶請(qǐng)求。

　　2.2 主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　當(dāng)前通用SCSI-3驅(qū)動(dòng)器的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是struct sg_io_hdr。其余的一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是關(guān)于特定驅(qū)動(dòng)器信息（如struct sg_scsi_id,struct sg_req_info等）的。另外，老版本的SCSI接口struct sg_header是SCSI-2的主要控制結(jié)構(gòu)。

　　sg_io_hdr中的主要成員有：interface_id,一般情況下它被置為‘S’，標(biāo)志接口的版本；dxfer_direction標(biāo)志數(shù)據(jù)的傳輸模式；SG_SXFER_NONE標(biāo)記測(cè)試設(shè)備是否就緒；SG_SXFER_TO_DEV標(biāo)記一個(gè)寫命令；SG_SXFER_FROM_DEV標(biāo)記一個(gè)讀命令；SG_SXFER_UNKNOWN用在當(dāng)前應(yīng)用程序不清楚具體傳輸模式的情況下；cmdp指向一個(gè)SCSI命令的指針；cmd_len代表了命令的長(zhǎng)度；dxferp表示用戶內(nèi)存緩沖空間，存放被傳輸數(shù)據(jù)；dxfer_len表示緩沖空間的大?。籹bp表示錯(cuò)誤信息的存放地點(diǎn)。其余一些數(shù)據(jù)成員是輔助性的成員，本文不再介紹。此外，有關(guān)命令操作碼可以參看scsi.h文件。

　　2.3 系統(tǒng)調(diào)用

　　成功地打開一個(gè)sg設(shè)備文件名，就在文件描述符和連接的SCSI設(shè)備間建立了一個(gè)連接。sg設(shè)備保存著在SCSI設(shè)備和文件描述符層（如保留緩沖區(qū)）中的狀態(tài)信息和資源。即使SCSI設(shè)備被拔掉，一個(gè)應(yīng)用仍然可以擁有該設(shè)備的文件描述符。如USB這樣的熱拔插設(shè)備就可以被拔掉，但它的文件描述符仍然存在。此時(shí)大多數(shù)試圖訪問該設(shè)備的系統(tǒng)調(diào)用會(huì)生成ENODEV錯(cuò)誤，poll（）調(diào)用會(huì)產(chǎn)生一個(gè)POLLHUP錯(cuò)誤，但close（）調(diào)用會(huì)正常完成。如對(duì)這個(gè)文件進(jìn)行open（）操作，則也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)ENODEV錯(cuò)誤。

　　（1）open（）調(diào)用

　　調(diào)用的形式為open（const char*filename,int flags）。

　　filename為sg設(shè)備文件名。flags為以下標(biāo)記或者為以下標(biāo)記的組合：

　　O_RDONLY:只能用于read（）和ioclt（）操作中。

　　O_RDWR:允許所有的系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行。

　　O_EXCL:在處理之前等待與SCSI設(shè)備相關(guān)的其他打開關(guān)閉。當(dāng)其他人打開了一個(gè)SCSI設(shè)備，如果設(shè)置了O_NONBLOCK就會(huì)產(chǎn)生EBUSY。該標(biāo)記不允許和O_RDONLY、O_EXCL一起用。

　　O_NONBLOCK:設(shè)置non_blocking模式。這個(gè)標(biāo)記被ioclt（SG_IO）忽略。

　　在以上的標(biāo)記中，O_RDONLY和O_RDWR必需設(shè)置，其他標(biāo)記可以任選。

　?。?）write（）調(diào)用

　　調(diào)用形式為write（int sg_fd,const void*buffer,size_t count）。

　　buffer應(yīng)該指向數(shù)據(jù)類型為sg_io_hdr_t的對(duì)象，count為（sg_io_hdr_t）的大小。如果write（）調(diào)用成功，count就作為結(jié)果返回，命令請(qǐng)求就被發(fā)送給SCSI設(shè)備。

　　（3）read（）調(diào)用

　　調(diào)用形式為read（int sg_d,void*buffer,size_t count）。

　　buffer應(yīng)該指向數(shù)據(jù)類型為sg_io_hdr_t的對(duì)象，count為（sg_io_hdr_t）的大小。如果read（）調(diào)用成功，則count作為結(jié)果返回。通常read（）返回的是早被完成的命令請(qǐng)求。

　　（4）poll（）調(diào)用

　　調(diào)用的形式為poll（struct pollfd*ufds,unsigned int nfds,int timeout）。這個(gè)調(diào)用用于測(cè)試sg文件的當(dāng)前狀態(tài)。POLLIN說明可以進(jìn)行read（）調(diào)用，POLLOUT則代表可以發(fā)送write（）命令，POLLHUP意味一個(gè)設(shè)備被分離需要進(jìn)行清理工作，POLLERR則表示出錯(cuò)。

　?。?）close（）調(diào)用

　　調(diào)用的形式為close（int sg_fd）。close（）調(diào)用應(yīng)該在所有write（）及read（）調(diào)用完成之后進(jìn)行。返回0代表成功，-1表示錯(cuò)誤。

　　3  SCSI API在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中的應(yīng)用

　　與存儲(chǔ)相關(guān)的 SCSI 命令一般是在 SCSI Architecture Model （SAM）、SCSI Primary Commands （SPC） 和 SCSI Block Commands （SBC） 中定義的：

　　* SAM 定義 SCSI 系統(tǒng)模型、SCSI 標(biāo)準(zhǔn)集的功能性分區(qū)，以及適用于所有 SCSI 實(shí)現(xiàn)和實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的需求。

　　* SPC 定義對(duì)所有 SCSI 設(shè)備模型通用的行為。

　　* SBC 定義命令集擴(kuò)展，以方便操作 SCSI 直接訪問塊設(shè)備。

　　每個(gè) SCSI 命令都由 Command Descriptor Block （CDB） 描述，它定義 SCSI 設(shè)備執(zhí)行的操作。SCSI 命令涉及到用于向 SCSI 設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)（或從中輸出數(shù)據(jù)）的數(shù)據(jù)命令，以及用于設(shè)置 SCSI 設(shè)備的配置參數(shù)的非數(shù)據(jù)命令。

　　在一臺(tái)雙CPU HP服務(wù)器（512MB）上掛載了二個(gè)Ultra3 Lvd SCSI硬盤，系統(tǒng)平臺(tái)為RedHat Linux 7.3,其內(nèi)核為L(zhǎng)inux2.4.18。往內(nèi)存中隨機(jī)寫入200MB數(shù)據(jù)，然后按一定的策略將其分布儲(chǔ)存到二個(gè)SCSI硬盤，其算法流程見圖2。

　　讀操作所涉及到函數(shù)是int sg_read（int sg_fd,unsigned char*buff,int blocks,int from_block,int bs,int*diop）。其中sg_fd代表數(shù)據(jù)源所在設(shè)備的句柄，buff是獲得數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)，這個(gè)函數(shù)從sg_fd的from_block處開始讀取blocks*bs大小的數(shù)據(jù)到buff中去。diop標(biāo)志是否使用DMA方式。下面是用C語言編寫的讀操源程序的主要部分，略去了一些完整性控制。

　　按照上述的算法，將200MB的數(shù)據(jù)分布地寫到二個(gè)SCSI硬盤上，同時(shí)也將200MB的數(shù)據(jù)寫到一個(gè)SCSI硬盤上進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。測(cè)試時(shí)使用Linux系統(tǒng)下的time函數(shù)獲得運(yùn)行時(shí)間，圖3的縱坐標(biāo)表示傳輸200MB數(shù)據(jù)所需要的總時(shí)間。從圖3中可以得到單硬盤傳輸200MB數(shù)據(jù)所需要的平均時(shí)間為12.4112s,平均的傳輸速率為16.115Mbps,這和系統(tǒng)提供的拷貝命令的傳輸速率差不多。按上述算法存儲(chǔ)200MB數(shù)據(jù)所花的平均時(shí)間為8.8314s,平均的傳輸速率是22.647Mbps。不難發(fā)現(xiàn)分布儲(chǔ)存的效率比一個(gè)硬盤儲(chǔ)存要高40.5%,具體數(shù)據(jù)參見圖3。