硬盘的接口、协议

硬盘这东西其实是很好玩的，里面有很多的故事可以说。当然讲的过于高深就不太好，所以这里尽量就用通俗的语言去讲解。相信认真看的你一定可以看懂的。

首先，既然将接口与总线，就要明白这三个概念：

传输总线，传输接口，传输协议

 

1 什么是传输总线？

所谓总线，其实他就是一条通道，就像公路一样，只不过公路是走车的，而总线是用来走电信号的。那么公路的大小与车速，就决定了这条公路的车流量，同样的，总线的位宽大小与传输频率，也决定了在一次传输中能够提供的最大速度。常见的传输总线很多。

 

1.1 PCIE

PCIE大家都想到了吧。你可能会说，PCIE不是给显卡网卡用的吗？硬盘怎么会用？其实，PCIE是一切的根源。你的所有外设，比如显卡，网卡，声卡，USB，SATA，M2等等，其实都是由PCIE演化而来。可以说PCIE就是一切的根。PCIE如今已经更新了三代，分别是1.0，2.0，3.0。其速度如下表

 

 

 

1.2 SATA

我想这个大家很熟悉了吧，很多人都在用的SATA1.0，SATA2.0，SATA3.0，以及没什么人用的SATA Express，SATA各代速度如下图

 

 

1.3 PATA(ATA)

大名鼎鼎的IDE硬盘，其速度和名字非常紧密，分别是ATA-66,ATA-100,ATA-133，分别代指着66MB/S，100MB/S，133MB/S的传输速度。

 

1.4 SCSI

服务器领域中使用的传输总线，SCSI莫过于像是PATA的服务器版，因为SCSI已经很少人用了，就不多说了。

 

1.5 SAS

同样的民用领域有PATA到SATA，服务器领域也有SCSI到SAS。SAS同样也已经更新了三代了，SAS1.0 达到了3Gbps，每一代翻2倍。而SAS控制器是可以兼容SATA设备的（但SATA控制器不能兼容SAS设备）。

 

1.6 FC

FC接口，全称叫Fibre Channel。由于中文名会容易和光纤接口混淆就不说了。（Wiki成为网状通道）FC是一种基于网络传输协议下诞生的接口，这种接口可以说是稀缺的不行。FC起源于SCSI，但在速度上远超SCSI，最新的FC通道速度达到了16Gbps。

 

2 什么是传输接口？

我想这个大家肯定很容易懂了，接口就是你接入的那个插口。不过因为传输接口和传输总线很容易混在一起，所以要多加区分。如：

 

2.1 PATA接口（IDE接口）

你说IDE也对，说PATA也对，因为没有规范，所以怎么说都对。

2.2 SATA接口

这个大家在熟悉不过了。需要注意的是，常说的eSATA，mSATA，miniSATA实际上都只是SATA接口的变种而已。

 

2.3 SATA Express接口

传说中的没人用接口，自推出以后，就没有几个人在适用。在intel 9系主板存活了一段时间后灭亡了，即使存在，我敢说绝大部分人都把它当成两个SATA用对不对（请真诚的回答我）。

 

2.4 M.2接口

由于NVMe协议爆发而突然走红的接口，其特点适用于笔记本等轻薄设备。

 

2.5 U.2接口

多用于服务器的接口，也因为NVMe而走红。与M.2的本质区别不大。可以说它和M.2的关系就如SATA与mSATA的关系。

 

2.6 SCSI/SAS接口

这些都不用说了吧，服务器版的PATA/SATA。

 

SCSI接口

SAS接口

2.7 FC接口

为FC而生的接口，和SCSI很像。

 

3 什么是传输协议？

传输协议，也有时候回叫做传输规范，网上很多都会把它叫做传输标准。什么是传输协议？用一种简单的理解方法，就是数据传输的方法。

 

每当有数据到达控制器（比方说南桥吧），传输协议就规定着这个数据将会以怎么样的方法传输到硬盘上。比如，一次传输队列中携带多少的数据，一次传输的数据大小等等。传输协议限定着硬盘（准确的就是硬盘控制器，常说的主控）与控制器（南桥等）如何传输，如何沟通，他就像交通规则一样，规范着数据的传输规则。那么哪些是传输协议呢？这里列举几个非常常见的传输协议。

 

3.1 IDE

老牌的硬盘传输协议，很多人经常会和PATA，ATA搞混淆，其实你搞混淆是非常可以理解的，因为连百度，Wiki都没有能很好的定义他们之间的区别，而介于IDE早已被淘汰，我想后人也不关心他们的区分了。IDE作为非常老牌的传输协议，为计算机能够更轻松的操作硬盘数据起到了非常重要的作用。但是随着计算机对速度的需求，与其配备的传输总线（ATA-133）以及自身的功能都太少了。也渐渐被AHCI与SATA所淘汰。

 

Tips：实际上，PATA的出现是因为SATA的出现，而为了防止ATA与SATA混淆，所以把ATA改名为PATA。

 

3.2 AHCI

IDE过低的速度，以及老旧的协议，催生了AHCI传输协议，AHCI相比于IDE，其每次传输传输一个队列中，携带32条指令，同时优化了硬盘队列，通过NCQ技术，使硬盘能够快速顺畅的读取数据而减少磁头移动带来的时间浪费。而与AHCI相匹配的SATA接口，能够提供比ATA总线更高的传输速度。但是，AHCI终究是为了机械硬盘而产生的产物，随着SSD的普及，SSD的高响应速度与读写能力在压榨着传输总线与传输协议的最大速度。因此而诞生了为SSD而生的新协议。

 

3.3 NVMe

如上文所属，为了能够让SSD更好的发挥速度与读写能力。NVMe随之产生。相比于AHCI，NVMe单次提供64*1024个请求队列，而每个队列达到了64*1024个请求。远超AHCI单队列32个请求的规模。NVMe可以说完全释放了传输协议的限制，而为了能够与传输协议的速度匹配，使用NVMe的设备都直接连接到了PCIE总线上。更直接的总线为NVMe设备提供绝对强大的传输速度。

 

 

4 他们如何影响着硬盘的速度？

实际上，判断一个硬盘的性能好坏，就是两大基本因素。一个是持续读写，一个是4K读写。而由他们所诞生的下属性能（比如SSD垃圾回收性能）就不一一说了。

持续读写毫无疑问，是压榨传输总线速度的最好工具。而4K读写，则是压榨传输协议的最好工具。道理我想大家都应该明白。持续读写讲究吞吐量。4K读写讲究的是请求量。我用一个简单的例子帮助大家理解。

 

还是以公路的例子。而我们把公路入口的收费站当作请求。每辆车当作一个数据。收费站就是一个协议，协议规定一次放多少车进入。而公路就是总线，它原来设计能通过多少车流量。

 

当测试持续读写的时候，就是测试这个公路最大的车流量。正常来说，收费站都是一车一杆的。但我不，我一杆走32辆车，那么在一杆这个时间段（每一杆的时间长度是一样的），流过的车就会非常多。就相当于一个请求里请求了非常大的数据。那么尽可能让大量的车进入了公路，其走过的车流量，就是我们要测试的吞吐量，也就是持续读写。

 

而当测试4K读写时，我们回到原来的一杆一车的状态。那么一杆车过的快慢，就决定了车流量的大小。而由此得到了4K读写的速度。

由此我们得到的结论就是传输协议，限制着硬盘的4K读写能力，而传输总线限制着硬盘的持续读写能力。（当然啦，这是假设硬盘主控读写能力非常强的情况下）。

 

这也就是为什么，SATA SSD的4K能力，总是突破不了10KIOPS，原因就在于AHCI传输协议已经达到极限了。而SATA SSD的持续读写能力也超过不了550MB/S，原因就是SATA3.0总线只能提供最大6Gbps的速度（在干扰与纠错等各种情况综合下，最终只达到了550MB/S）

 

几年前的高端M6S早已开始压榨AHCI与SATA3.0的极限

 

5 那么谁最强？

这个毫无疑问，使用NVMe协议，并通过PCIE总线的设备无疑是最强的。

 

跑分狂魔960PRO轻松跑出40万IOPS，但里离压榨PCIE与NVMe还远着

接口只是一种展现形式而已。它并不会对你的速度造成绝对的影响。所以，而协议也往往与总线所挂钩，但与接口的关系挂钩，往往相对而言比较的松一点。

 

比如：

基于SATA3.0总线，我们只能使用AHCI协议，但我们可以使用M.2接口，我们也可以使用SATA接口。得到的速度依旧是最高6Gbps（实际约550MB/s）。

而基于PCIE总线，我们只能使用NVME协议，但我们可以使用M.2接口，也可以使用U.2接口，根据PCIE总线的宽带，我们能获得4GB/s的速度（基于PCIE3.0 X4）。

评判一个硬盘的性能，除了硬盘自身的性能以外，必不可少的当然是这些总线与协议的配合。可以说这两个因素就是在不断的推动对方。

 

而我们所处的时代，因为SSD的出现，压榨了AHCI的请求能力与SATA的速度极限，才因此诞生了NVMe。现在时代又回到了是硬盘自身性能不足以跑满总线的时代了。谁能知道什么时候是下一个跳跃点呢？