智能计算之服务器关键组件_raid超级电容加装

本次博客主要介绍服务器的关键组件，主要有处理器、内存、硬盘、RAID技术、PCIe接口、网卡、电源、BIOS和BMC的一些相关知识。

CPU 定义和组成

中央处理器（Central Processing Unit，CPU）是一台计算机的运算核心和控制核心，由运算器、控制器和寄存器以及实现他们之间联系的数据、控制及状态的总线构成的计算单元，是服务器的算力核心，
CPU、内部存储器和输入/输出设备是电子计算机三大核心部件。
CPU主要功能是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。

CPU的频率

用来衡量处理器的性能指标有主频、外频、总线频率以及倍频系数。
主频也叫主频也叫时钟频率，单位是兆赫（MHz）或吉赫（GHz），用来表示CPU的运算、处理数据的速度。
外频是CPU的基准频率，单位是MHz。CPU的外频决定着整块主板的运行速度。
总线频率代表的是CPU与内存数据交换的速度。
倍频系数是指CPU主频与外频之间的相对比值。

CPU的缓存

CPU的缓存，其实就是CPU和内存之间的一个临时储存设备，作用和内存差不多，但是就是容量比较小，速度要比内存快，现有的内存和硬盘跟不上CPU的运算速度，所以需要缓存来做存储，将一些快要用到的数据放到缓存里面，CPU就能很快的调用这些数据。
CPU一般包含3级的缓存，从一级到三级的缓存，速度会越来越慢，空间越来越大，缓存可以很好的来缓解CPU和内存之间的速度差。
L1 Cache（一级缓存）是CPU第一层高速缓存，分为数据缓存和指令缓存；
L2 Cache（二级缓存）是CPU第二层高速缓存，分内部和外部两种芯片；
L3 Cache（三级缓存），分为两种，早期的是外置，现在的都是内置的。
如下图所示，是处理器的封装，

内存

在计算机的组成结构中，有一个很重要的部分就是存储器。存储器是用来存储程序和数据的部件，对于计算机来说，有了存储器，才有记忆功能，才能保证正常工作。存储器按用途可分为主存储器和辅助存储器。主存储器又称内存储器（简称内存），是CPU能直接寻址的存储空间，它的作用是用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。
内存（Memory）也被称为主存，是电脑中的主要部件，它是相对于外存而言的。我们平常使用的程序，如Windows操作系统、打字软件、游戏软件等，一般都是安装在硬盘等外存上的，必须把它们调入内存中运行，才能真正使用其功能。我们平时输入一段文字，或玩一个游戏，其实都是在内存中进行的。就好比在一个书房里，存放书籍的书架和书柜相当于电脑的外存，而我们工作的办公桌就是内存。通常我们把要永久保存的、大量的数据存储在外存上，而把一些临时的或少量的数据和程序放在内存上。用来存放程序和数据，是硬盘和CPU进行沟通的桥梁。计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的，因此内存的性能对计算机的影响非常大。内存由内存芯片、电路板、金手指等部分组成。

服务器内存技术

双通道技术是指在CPU上集成了两个内存控制器，扩展了单个CPU可管理的内存空间和带宽。
内存交错技术是一种通过在内存设备上均匀的分布内存地址来最大限度的提升内存性能的技术；
Registered内存（寄存器内存）是指内存中集成了寄存器，提升了内存系统的稳定性和可靠性；
内存镜像为系统出现内存物理故障的时候，提供数据保护的功能。

常见的内存类型

如下图所示

主流内存条规格识别方法

如下图所示，是内存条规格的识别方法。

硬盘类型和应用

按介质分类，硬盘可以分为固态硬盘（Solid State Drive，SSD）和机械硬盘(Hard Disk Drive，HDD)
固态硬盘是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，由控制单元和存储单元（FLASH芯片、DRAM芯片）组成。如下图所示，

固态硬盘是由多个闪存芯片加主控以及缓存组成的阵列式存储，属于以固态电子存储芯片阵列制成的硬盘，固态硬盘在接口的规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的完全相同，在产品外形和尺寸上也完全与普通硬盘一致。被广泛应用于军事、车载、工控、视频监控、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空、导航设备等领域。
优点：读写速度快；防震抗摔性；低功耗；无噪音；工作温度范围大；轻便。
缺点：容量小；寿命有限；售价高 。

机械硬盘的数据保存在磁盘盘片上，如下图所示，机械硬盘由一个或者多个铝制或者玻璃制成的磁性碟片，磁头，转轴，控制电机，磁头控制器，数据转换器，接口和缓存等几个部分组成。工作时，磁头悬浮在高速旋转的碟片上进行读写数据。机械硬盘是集精密机械、微电子电路、电磁转换为一体的电脑存储设备。

硬盘的接口可以分为SAS、SATA和PCIE，其中，PCIE接口速度最快，SATA速度最慢。

硬盘的关键指标

硬盘的关键指标包括硬盘容量（Volume）、转速（Rotational Speed）（机械硬盘指标）、平均访问时间（Average Access Time）、数据传输率（Date Transfer Rate）、IOPS (Input/Output Operations Per Second每秒可以输出输入多少次)

RAID技术

RAID(Redundant Array of Independent Disks）即独立磁盘冗余阵列，简称磁盘阵列。将多个单独的物理硬盘以不同的方式组合成一个逻辑硬盘，从而提高了硬盘的读写性能和数据安全性。
服务器支持的RAID级别，如下表所示

RAID控制卡

RAID卡上集成了处理器，能够独立于主机对RAID存储子系统进行控制。
CPU通过控制RAID控制卡来 管理磁盘阵列，这里有两种方式，一种是RAID卡配置在服务器内的内置插卡式，另一种是配置在服务器外的磁盘阵列的外置独立式磁盘阵列

RAID卡实物图

这里有一个LSI SAS3108RAID卡的外观图，
如下图所示

为了提供掉电保护功能，RAID卡配置了超级电容，使得在服务器断电的时候，可以持续供电，将RAID卡存储的数据写入到磁盘中。

RAID卡对接硬盘

RAID卡与硬盘的对接有两种形式，一种是直接与硬盘背板相连，如下图所示，

另一种是RAID卡通过扩展芯片与硬盘背板相连，如下图所示，这样可以接触更多的磁盘。

总线

总线（BUS）是计算机内各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，连接了CPU、内存、输入输出设备，而PCIE技术就是总线的一种。

PCI vs PCI-E

PCIE总线是由PCI总线发展而来的，PCI（Peripheral Component Interconnect）总线是一种高性能局部总线，是为了满足外设间以及外设与主机间高速数据传输而提出来的，
PCI Express（简称PCI-E）采用了目前业内流行的点到点串行连接，每个设备都有主机的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到PCI所不能提供的高带宽，根据通道数量的不同，可以分为x1（单通道）、x4（4通道）、x8（8通道）、x16（16通道）。

PCI Epress总线技术

PCI-E技术一直在更新换代，每一次更新都带来了大幅提升，如下图所示，PCI-E版本4中16通道单向传输速率可以达到32G左右。

网卡定义和特点

网卡，又称为网络适配器或网络接口卡NIC（Network Interface Card），是构成计算机网络系统中最基本的、最重要的、必不可少的连接设备，计算机主要通过网卡接入网络。
网卡可以代表固定的网络地址，也可以对数据进行发送与接收，还可以对数据进行封装与解封，也就是在发送数据时加上首部和尾部；接受数据时，剥掉首部和尾部，此外，网卡还有链路管理的功能，主要是CSMA/CD（冲突检测的载波监听多路访问）的实现，以及编码与译码，对物理层数据的编码和译码，网卡的功能主要在网络协议栈中的第一层和第二层，也就是物理层和数据链路层，数据帧在网卡解封装之后，会送往给CPU,进行后续的协议栈处理。

服务器网卡

网卡按照处理不同的协议可以分为NIC、CNA、HBA、HCA.
NIC（Network interface Card），特指以太网卡，支持TCP/IP协议，应用于以太网络中；
CNA(Converged Network Adapter),融合网卡，本质上是以太网卡，但支持FCoE功能（FC over Ethernet）；
HBA，(Host Bus Adapter)，特指FC网卡，支持FC协议，连接存储或光纤交换机；
HCA：(Host Channel Adapter),特指Infiniband网卡，即IB卡，应用于高带宽，低时延的高性能计算项目中。
网卡按照不同的形态上分类，可以分为板载网卡LOM（Lan on MotherBoard）、PCIe标卡网卡、灵活IP插卡、MEZZ卡。

网卡接口

常见的网卡接口类型有电口和光口，如下图所示，电口即普通的RJ45接口，连接网线；
光口是用于连接光模块。

服务器电源

服务器的电源标准有两类：
ATX（Advanced Technology Extended）标准 ——使用较为普通，用于台式机、低端服务器或工作站。输出功率一般在125瓦～350瓦之间。通常采用20Pin（20针）的双排长方形插座给主板供电。
SSI （Server System Infrastructure）标准 ——SSI标准是随着服务器技术的发展而产生的，适用于各种档次的服务器，SSI规范是IA服务器的电源规范，SSI规范的推出是为了规范服务器电源技术，降低开发成本，延长服务器的使用寿命而制定。
电源冗余特性：
1+1冗余, 此时每个模块承担50%的输出功率，当一个模块拔出时，另一个模块承担100%输出功率。
2+1, 有三个模块，每个模块承担输出功率的1/3，拔出一个模块，其余两个模块各承担50%的输出功率。

热插拔

热插拔功能就是允许用户在不关闭系统，不切断电源的情况下取出和更换损坏的硬盘、电源或板卡等部件，从而提高了系统对灾难的及时恢复能力、扩展性和灵活性。
常见的热插拔设备：硬盘，电源，PCIe设备，风扇等。

BIOS定义和特点

BIOS（Basic Input/Output System，基本输入输出系统）全称是ROM-BIOS，只读存储器基本输入输出系统的简写，它实际是一组被固化到电脑中，夹杂在计算机硬件系统上最基本的软件代码，是比操作系统更底层 的运行程序，BIOS是计算机硬件和操作系统之间的抽象层，用来设置硬件，为OS运行做准备，为电脑提供最低级最直接的硬件控制程序，是连通软件程序和硬件设备之间的枢纽，是在通电引导阶段运行硬件初始化，以及为操作系统和程序提供运行时服务的固件。
BIOS的主要功能是服务器 硬件管理，上电，自检、CPU内存初始化，检测输入输出设备以及和启动设备，并最终引导操作系统启动，此外，BIOS还提供热插拔设置等功能。

CMOS和RTC

由于BIOS内容日渐增多，为适应软硬件兼容的要求，有很多可选的设置，BIOS提供一个可以交互的界面让用户设置，并将设置值保存在CMOS RAM中，由RTC电池供电，保证CMOS的存储内容，在设备下电后不丢失。
RTC，Real Time Clock实时时钟，提供一个精度较高的实时时间计数器，由电池供电，保证在系统断电后仍然能计时。

UEFI定义和特点

UEFI（Unified Extensible Firmware Interface）是OS和平台固件之间的接口，是Intel为PC固件的体系结构，接口和服务提出的建议标准，其主要目的是为了提供一组在OS加载之前（启动前）在所有平台上一致的正确指定的启动服务，是一种个人电脑系统规格，用来定义操作系统与系统固件之间的软件界面，作为BIOS的替代方案。可扩展固件接口负责加电自检（POST）、联系操作系统以及提供连接操作系统与硬件的接口，是一种进入操作系统的启动方式，相对于传统的启动方式，UEFI减少了BIOS自检的步骤，从而加快了系统启动，如下图所示，

从上面的图中，我们可以看出，UEFI在启动系统的过程中，简化了启动流程，UEFI版的BIOS一般出现在近几年出现的新主板中，在现实中已经大量普及，其最大的特色就是图形化设置，不再像传统的BIOS那样蓝底白字的全英文状态。

BMC定义

主板管理控制单元（Baseboard Management Controller）是独立于服务器的小型操作系统，作用是方便服务器远程管理，监控、安装、重启等，BMC是一个集成在主板上的芯片，提供带外管理能力，BMC是 IPMI规范的核心，负责各路传感器的信号采集、处理、储存，以及各种器件运行状态的监控。BMC向机框管理板提供被管理对象的硬件状态及告警等信息，从而实现机框管理模块对被管理对象的设备管理功能。
BMC提供了多种接口，如命令行、基于Web系欸按的用户接口，IPMI集成接口、SNMP集成接口和Redfish集成接口，提供丰富的管理功能，BMC芯片通过蓝桥与服务器其他部件相连，实现信息收集和指令下发。
2B 什么是IPMI
IPMI是智能平台管理接口 (Intelligent Platform Management Interface) ，是管理企业系统中所使用的外围设备中的一种工业标准，用户可以利用IPMI来监控服务器的物理健康特征（如温度、电压、风扇工作状态电源状态等），是一种开放标准的硬件管理接口规格，定义了嵌入式管理子系统进行通信的特定方法。
IPMI 信息通过基板管理控制器 (BMC) 进行交流，使用低级硬件智能管理而不使用操作系统进行管理。