《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種M.2固態(tài)硬盤熱插拔和RAID功能的創(chuàng)新設(shè)計(jì)
電子技術(shù)應(yīng)用
丁維銀
思科系統(tǒng)（中國(guó)）研發(fā)有限公司
摘要： M.2固態(tài)硬盤因其自身的優(yōu)勢(shì)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，企業(yè)級(jí)的產(chǎn)品也普遍使用M.2固態(tài)硬盤作為操作系統(tǒng)的啟動(dòng)盤。但是由于其不具備熱插拔功能，難以滿足企業(yè)市場(chǎng)對(duì)高可用性、24小時(shí)不停機(jī)、數(shù)據(jù)保護(hù)以及在線維護(hù)的特殊需求。提出了一種新穎的綜合設(shè)計(jì)方案，在載板、FPGA、BIOS和BMC的配合下，實(shí)現(xiàn)了熱插拔功能和RAID功能。同時(shí)，依靠M.2固態(tài)硬盤引腳定義的不同實(shí)現(xiàn)了在M.2接口上PCIe和SATA總線的自動(dòng)識(shí)別和兼容，利用FPGA和MOSFET引入了一種新的動(dòng)態(tài)時(shí)鐘信號(hào)控制方式。該綜合設(shè)計(jì)方案不需要額外的硬件投入，以極高的成本效益實(shí)現(xiàn)以上功能，并提升系統(tǒng)的可靠性和可用性。
中圖分類號(hào)：TP333；TP368.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256326
中文引用格式： 丁維銀. 一種M.2固態(tài)硬盤熱插拔和RAID功能的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(7)：101-105.
英文引用格式： Ding Weiyin. An innovative design of hot-plug and RAID feature for M.2 SSD[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(7)：101-105.
An innovative design of hot-plug and RAID feature for M.2 SSD
Ding Weiyin
Cisco Systems （China） Research and Development Co.， Ltd.
Abstract： M.2 Solid State Drive (SSD) has been more and more widely used due to its own advantages, and the enterprise products also commonly use M.2 SSDs as the bootable disk of operating system. However, because it does not support hot-plug feature, it is difficult to meet the requirements of the enterprise market for high availability, 24-hour non-stop operation, data protection and online maintenance. In this paper, a novel comprehensive design scheme is proposed, which achieves the hot-plug and Redundant Arrays of Independent Disks (RAID) features with the cooperation of the carrier board, Field-Programmable Gate Array (FPGA), Basic Input Output System (BIOS) and Baseboard Management Controller (BMC). At the same time, depending on the different pin definition of M.2 SSD, the automatic recognition and compatibility of Peripheral Component Interconnect express (PCIe) and Serial Advanced Technology Attachment (SATA) buses on M.2 interface are deployed, and a new dynamic clock signal control method is introduced by using FPGA and Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET). This comprehensive design solution does not require additional hardware investment, achieves these functions with high-cost effectiveness, and improves the reliability and availability of the system.
Key words : M.2 SSD；hot-plug；redundant arrays of independent disks；dynamic clock control；server

引言

M.2固態(tài)硬盤（M.2 Solid State Drive, M.2 SSD）是一種基于M.2接口的用固態(tài)電子存儲(chǔ)芯片陣列制成的硬盤，因其具有速度快、體積小、容量大的優(yōu)點(diǎn)而備受市場(chǎng)的青睞。M.2 SSD的接口可以兼容外設(shè)組件互連快速總線（Peripheral Component Interconnect express，PCIe）、串行硬盤總線（Serial Advanced Technology Attachment, SATA）和通用串行總線（Universal Serial Bus, USB）等多種協(xié)議，其中PCIe總線的M.2 SSD又被稱之為NVMe M.2 SSD。其支持的PCIe速度已經(jīng)發(fā)展到PCIe Gen5 32GT/s，最大×4的通道寬度，容量也已經(jīng)達(dá)到4 TB[1-2]。同時(shí)在企業(yè)級(jí)市場(chǎng)上，M.2 SSD經(jīng)常被用作服務(wù)器和路由器的操作系統(tǒng)啟動(dòng)盤，成為這些產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)配置。然而，企業(yè)級(jí)產(chǎn)品要求高可用性（High Availability, HA）、保證24小時(shí)開(kāi)機(jī)提供服務(wù)、支持在線替換功能以及數(shù)據(jù)保護(hù)功能以提高可靠性。這就要求擔(dān)當(dāng)操作系統(tǒng)啟動(dòng)盤的固態(tài)硬盤具有熱插拔能力（Hot-Plug）和獨(dú)立磁盤冗余陣列（Redundant Array of Independent Disks, RAID）功能，以便在不停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行維護(hù)、替換和擴(kuò)展。

熱插拔是允許在機(jī)器帶電運(yùn)行的情況下在線更換系統(tǒng)中可替換部件[3]。RAID是多個(gè)磁盤組成陣列，并利用個(gè)別磁盤提供數(shù)據(jù)保護(hù)功能以保證系統(tǒng)在單個(gè)磁盤失效時(shí)，可以保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性并繼續(xù)提供服務(wù)，維持系統(tǒng)的高可用性。這兩者結(jié)合可以提供針對(duì)操作系統(tǒng)啟動(dòng)盤的在線維護(hù)。但是，M.2 SSD接口在設(shè)計(jì)之初并沒(méi)有考慮到對(duì)熱插拔功能的支持[2]，也沒(méi)有熱插拔導(dǎo)軌，它必須固定安裝在一個(gè)載體上，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線更換和RAID功能。目前，業(yè)界典型的解決方案如圖1所示。

圖片1.png

圖1　目前業(yè)界典型的M.2 SSD熱插拔解決方案

圖1中采用一種具有熱插拔管理能力的硬件RAID控制器（HW RAID controller）通過(guò)PCIe ×8鏈路與中央處理器（Central Processing Unit, CPU）的PCIe端口連接，其后端通過(guò)一個(gè)載板（Carrier）和多塊M.2 SSD相連，并將這個(gè)硬件RAID控制器和兩塊或四塊M.2 SSD一起固定在這張載板上，由載板實(shí)現(xiàn)機(jī)械上的熱插拔動(dòng)作，再由這個(gè)硬件RAID控制器來(lái)管理與CPU間熱插拔時(shí)的所有電氣特性和實(shí)現(xiàn)RAID功能，同時(shí)這個(gè)硬件RAID控制器可以兼容PCIe和SATA[4-5]這兩種不同的數(shù)據(jù)接口。這種方案的不足之處在于，硬件RAID控制器及其外圍電路需要額外的硬件部署，因此增加了硬件成本，且占用物理空間；此外，實(shí)際在進(jìn)行熱插拔操作時(shí)，固定安裝在同一張載板上的這個(gè)RAID控制器連同多塊M.2 SSD必須隨載板一起移除和插入，靈活性較差。

本文提出了一種基于市場(chǎng)上通用M.2 SSD模塊新的設(shè)計(jì)方案，以實(shí)現(xiàn)熱插拔功能，同時(shí)兼容PCIe和SATA兩種數(shù)據(jù)接口，且具備RAID功能；還給出了一種具有更高的性價(jià)比新的動(dòng)態(tài)時(shí)鐘信號(hào)控制（Dynamic Clock Control）[6]設(shè)計(jì)方案。最后，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了上述方案并進(jìn)行了實(shí)例測(cè)試驗(yàn)證。


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作者信息：

丁維銀

（思科系統(tǒng)（中國(guó)）研發(fā)有限公司，上海 200231）


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