服务器通用背板管理(UBM)实现

本文分享自天翼云开发者社区《服务器通用背板管理(UBM)实现》，作者: 乘风

一 UBM概述

通过SGPIO 进行 SAS 和 SATA 背板管理的 SCSI 机箱服务 (SES) 标准于 2003 年首次推出。该规范提供主机控制 LED，并允许主机检测槽位和已安装驱动器的存在，以及槽位编号方案。该规范提供了驱动器活动和故障指示，同时控制器可以通过协议自动识别设备类型、分支和速度。 SGPIO 自 2006 年以来一直保持不变。此后，许多创新增加了背板管理的复杂性，超出了 SES 和 SGPIO 的能力。

现代存储产品包括多通道驱动器和第三种驱动器协议，即 NVMe。为了确保相同级别的存储功能，需要更智能的背板。这种需求产生了通用背板管理 (UBM) 标准。

Universal Backplane Management (UBM)为主机提供了一个通用背板管理框架，以确定 SAS/SATA/PCIe 背板功能、Drive Facing Connector (DFC) 状态和控制信息，并读取背板的面向驱动器的连接器(DFC)到面向主机的连接器Host Facing Connector (HFC) 的端口路径。

采用 UBM 标准可实现背板管理的两个关键方面：

在服务器内构建一套完全可互换的背板，无论背板与主机的接口或背板支持的介质如何变化。在各种存储架构中使用 UBM 是通用的，它可以避免手动配置的复杂性和错误配置的成本。

能够创建支持驱动器槽位内完全可互换的存储介质类型的背板，包括在系统运行时在 NVMe 和 SAS/SATA 之间进行切换。

二 UBM组成

UBM 可用于在单个驱动器机架中创建支持所有三种协议的 SAS/SATA 背板、NVMe 背板或组合背板。 同样，UBM 规范可用于带有 SAS/SATA 扩展器和 PCIe 开关的背板。UBM 使支持 UBM 的主机（例如 CPU、RAID 或 HBA 卡或其他存储控制器）能够准确了解背板的功能，以及感知驱动器类型和存在。

UBM 系统的组件由 FRU 和 UBM 控制器组成，它们通过 2 线接口连接到主机。

2.1 2线接口

UBM使用边带信号定义SAS，其他的标准定义使用2线模式。服务器主板的BMC提供到背板的2Wire主接口，可以实现对于背板的统一管理和远程控制，固件更新等功能。2Wire主接口定义 了UBM 背板管理功能和主机到背板的端口通路信息。该2Wire主接口会与背板上的UBM 控制器2Wire从接口和UBM FRU 2Wire接口互联。UBM 控制器2Wire从接口，提供背板点灯功能和 DFC 状态和控制描述符。连接到同一个 2Wire从接口的 UBM FRU 为一个NVRAM，实现了一个格式化的IPMI FRU 。同时，为了支持PCIE设备，例如NVME SSD硬盘，该2wire接口还会连接到MUX bridge，用于2wire接口扩展，以实现同一2wire接口管理多个PCIe SSD设备。

2.2 UBM FRU

提供将背板识别为支持 UBM 的子系统的方法，并通过 2 线接口连接到主机。UBM FRU 是具有 IPMI FRU 格式内容的 256 字节只读 NVRAM，负责上报静态背板信息，使用单字节 2Wire 寻址。

定义主机创建访问映射的端口路径信息描述符，该访问映射由面向驱动器的连接器 (DFC)、端口链路宽度、面向主机的连接器 (HFC) 和 HFC 起始通道组成。

指定连接到 HFC 的 UBM 控制器的 2 线地址，允许存储控制器访问。

2.3 UBM控制器

负责管理面向驱动器的连接器 (DFC)，通过 2 线接受预先确定的命令序列，可分为以下几类：

控制器状态和身份：报告命令和控制器状态。

背板功能：反映 UBM 控制器实现支持的功能。

面向驱动器的连接器状态：允许 UBM 控制器报告每个面向驱动器的连接器中“安装了什么”的关键功能。

定义 PCIe 参考时钟预期、PCIe 复位预期、PwrDIS 信号支持和双端口支持。

背板 UBM 控制器固件更新

三 UBM操作

3.1 驱动器检测

驱动器类型识别是通过从驱动器中采样 PRSNT#、IFDET# 和 IFDET2# 引脚来执行的。 这些引脚的值通过 DFC 状态和控制描述符命令报告给主机。 驱动器引脚状态与背板映射数据结合使用，允许将适当的配置应用于连接到该驱动器的存储控制器 PHY。

3.2 端口分叉

支持从面向主机的连接器到面向驱动器的连接器的 x4 或 x2 连接的背板可分别重新用作 x2 或 x1 背板。 这是使用端口分叉字段完成的。 当从主机连接到背板的电缆不再直接映射，而是连接每个驱动器只有一条链路时，背板将以 DFC 的宽度分为两部分运行。 通过使用端口分叉字段，可以在两种配置中使用单个背板，从而减少所需的背板 SKU 数量。

3.3 LED 和电源控制

LED 和电源控制是使用 SES 阵列设备元素字段执行的，类似于 SAS 扩展器。 主机可以通过 UBM 控制器的 2 线接口请求以下操作：

禁用电源

灯识别 LED

显示“重建”LED 模式

显示“失败的阵列”LED

如果LED 闪烁模式超出了 UBM 规范的范围，可以遵循 IBPI 规范 SFF-8489，对应于主机与 UBM 控制器接口发出的信号。

3.4 复位、REFCLK 控制

FRU 通过定义以下内容来定义背板和主机之间的状态和控制信号接口：

PCIe 参考时钟预期

PCIe 重置预期

PwrDIS 信号支持

双端口支持（如果适用）

3.5 通过 BP_TYPE 支持 SGPIO

BP_TYPE 信号指示背板是否支持 SGPIO 或 2 线接口。 使用信号的状态，主机可以确定它是应该使用 SGPIO 还是继续进行 UBM 发现。

3.6 维护

UBM 规范允许通过 UBM 控制器固件更新过程更新控制器代码。

四 UBM实现示例

UBM可以实现HFC通过x1、x2、x4或其它lane带宽连接多个DFC，还可以支持多个面向主机的连接器。但是，对于同一背板，UBM 控制器实现应在同一背板内提供唯一的面向主机的连接器标识字段，指示相同的背板编号字段。 多个面向主机的连接器不应将其 2Wire 接口与其他面向主机的连接器 2Wire 接口互连。

下图的 UBM 系统部署视图显示了主机（例如，适配器、PCIe 交换机、SAS 扩展器）和背板之间的连接关系。 服务器机箱内可以只有一个背板，也可能存在多个背板。 支持直接连接主机或存储控制器的 U.2 NVMe 和 SAS/SATA。每个面向主机的连接器支持两个 x4/x2/x1 U.2 NVMe 驱动器或 4 个 x1 SAS/SATA 驱动器。UBM 控制器位于背板上，用于管理来自驱动器的控制和状态信号。高速电缆和边带 I/O 信号用于与背板通信。UBM FRU 应在 0xAE 的固定 8 位地址上进行 2Wire 寻址。 UBM FRU 提供主机与底板上的 UBM 控制器通信所需的 UBM 控制器 2Wire 地址。