认识硬盘的总线协议和接口

一.前言

我也才刚刚不久接触到硬盘，在这之前我还是一个对于硬盘种只知道固态和机械硬盘这一种分类，而当你去接触到服务器时，这点知识就往往显得不够用了，我学习了以下网络上一些关于硬盘的知识，并且将其分享归纳给大家。

在平时生活中，经常能够听到我电脑没内存了（准确来说应该是外存），需要买一块额外的硬盘。也经常能够听到什么sata硬盘啊、nvme硬盘等等，但是要再往下说就讲不清楚细节了。其实nvme和sata这两种东西完全不是一个层面的，你现在要知道得到就是系统要对一个硬盘进行读写操作，它需要的是一个可触碰到的物理接口，一个通信通道以及传输数据协议。接下来我们从这三个给方面来介绍硬盘的分类及基本的工作原理。

一般来说，除了较旧的IDE硬盘，现在的主要的硬盘情况总结如下：

 接下来笔者会从硬盘的接口图，总线和协议去讨论硬盘。（IDE硬盘因为比较老被淘汰这里就不进行具体分析了）

二.协议

硬盘协议分为ahci、nvme和scsi等等

协议其实很好理解，其实就和语言差不多，就比如说我和一个外国人讲中文他听不懂，他和我说外语我也听不懂，那么这时候我们就学手语用手语交流，这个时候手语其实就是一种协议。

 三.总线分析

两个人讲话，能互相听得到，我们知道是空气的原因，这个时候空气其实就是一种总线，连接这两个人的一种总线，在硬件里面，总线原理也是一样的，它充当了二者间的媒介。

1、SATA总线

现在常用的是SATA 3.0

2、PCIe总线

现在常用的是3.0版本和4.0版本

3、SAS总线

现在常用的是SAS 3.0

四.硬盘的接口图片及基本分析

 1.SATA接口（Serial ATA，串行ATA）

SATA（Serial ATA，串行ATA，Serial Advanced Technology Attachment），速度比IDE接口更快，SATA不依赖系统总线的带宽，而是内置时钟频率，支持热插拔。SATA 3.0最大的改进之处，就是将总线最大传输带宽提升到6Gbps，实际传输速度大约600MB/S（理论为6Gbps/8=768MB/S)

现在市场上大部分机械硬盘接口几乎都是SATA。虽然SATA具备了热插拔的规范，但连接缆线多是设计给内接式硬盘使用，最大插拔次数仅约200次，超过此插拔数目，缆线接头便会劣化，甚至有可能造成硬盘的损坏。

SATA与并行ATA的不同并行ATA数据线由80根线组成，非常宽；SATA数据线仅有7根弦，较窄，不会影响机箱内部散热风流。SATA数据线最远传输距离可达1米，更有利于机箱内部走线，保障系统散热。

 

2.mSATA接口

mSATA接口，全称迷你版SATA接口（mini-SATA）。是早期为了更适应于超级本这类超薄设备的使用环境，针对便携设备开发的mSATA接口应运而生。可以把它看作标准SATA接口的mini版，而在物理接口上（也就是接口类型）是跟mini PCI-E接口是一样的。

mSATA接口是SSD小型化的一个重要过程，不过mSATA依然没有摆脱SATA接口的一些缺陷，比如依然是SATA通道，速度也还是6Gbps。诸多原因没能让mSATA接口火起来，反而被更具升级潜力的M.2 SSD所取代。

3.SATA Express接口

在SATA 6Gbps速度之后，SATA接口再想提升速度就比较困难了。SAS接口虽然说能达到12Gbps的速度，不过这也只是针对企业级市场，并且对原接口做了很大变动，而且后者的成本更大。但是，面对消费市场时就不能这样了，必须考虑到现实问题，SATA-IO最终拿出了SATA Express接口的解决方案。

SATA Express接口

SATA-Express是SATA接口 +PCI-Express 的混合体，其理论带宽达10Gbps，比SATA3.0高了4Gbps，它能兼容SATA标准的老硬盘，也能使用SATA-Express接口的高速SSD，每个SATA-Express接口可以接1个SATA-Express硬盘，或者2个SATA硬盘。

其实，它的物理接口是由SATA 6Gbps接口改造而来，已经在市场上推出了好几年。不过，从目前市场占有率来看，该产品还有很长一段普及之路。该产品做得唯一比较明智的地方就是向下兼容了SATA 6Gbps接口。

 

4.scsi接口

SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口），使用50针接口，外观和普通硬盘接口有些相似。用在服务器上面比较多，速度快，稳定性很好，比较适合做磁盘阵列。 SCSI的进化型是SAS（Serial Attached SCSI，串行SCSI），而SCSI并不是专门为硬盘设计的接口，是一种广泛应用于小型机上的高速数据传输技术。SCSI接口具有应用范围广、多任务、带宽大、CPU占用率低，以及热插拔等优点。

 

5.SAS（Serial Attached SCSI，串行SCSI

SAS（Serial Attached SCSI，串行SCSI）是新一代的SCSI技术，和现在流行的Serial ATA(SATA)硬盘相同，都是采用串行技术以获得更高的传输速度，并通过缩短连结线改善内部空间等。SAS是并行SCSI接口之后开发出的全新接口，此接口的设计是为了改善存储系统的效能、可用性和扩充性，并且提供与SATA硬盘的兼容性。

 

6.m.2接口

M.2接口是Intel推出的一种替代mSATA的新的接口规范，也就是我们以前经常提到的NGFF，即Next Generation Form Factor。，主要用来取代mSATA接口。不管是从非常小巧的规格尺寸上讲，还是说从传输性能上讲，这种接口要比mSATA接口好很多。正是因为SATA的接口瓶颈越来越突出，现在很多主板厂商都开始在产品线上预留出M.2接口。

 

既可以走SATA总线AHCI协议，也可以走PCIe总线AHCI协议，还可以走PCIe总线NVME协议。
  这三种组合的速度由总线和协议共同决定。

SATA总线、AHCI协议，速度和SATA接口一样。
PCIe总线、AHCI协议，这个比较少见。
PCIe总线、NVME协议，这个是最常见的。如果是PCIe3.0x4，那速度上限为4GB/S。如果是PCIe4.0x4，那速度上限为8GB/S。
  M.2接口分为B-Key和M-Key。B-Key又称为socket2，支持SATA总线和PCIex2总线。M-Key又称为socket3，支持SATA总线和PCIex4总线。

7.u.2接口

一般来说，u.2接口是存在于服务器上面的，它是这样的一个接口类型，其别名是SFF-8639。

U.2接口的最大特色就是高速低延迟低功耗，支持NVMe标准协议，并且走的是PCI-E 3.0 x4通道，理论传输速度高达32Gbps，而SATA只有区区6Gbps，比SATA快了足足5倍多。因此大家可以把它当做是四通道版本 的SATA-Express接口。比较常见的Intel的750系列。
 

 但是服务器上边呢往往只会有m.2的接口类型，这个时候我们就需要配置一个u.2转m.2的转接器，如下图所示

8.PCIe接口

 PCIex1的卡可以插到x2、x4、x8、x16的插槽内，PCIex2的卡可以插到x4、x8、x16的插槽内，以此类推。

 部分参考如下：

(1条消息) AHCI协议、NVME协议、SATA总线、PCIe总线、SATA接口、PCIe接口、M.2接口_【ql君】qlexcel的博客-CSDN博客_ahci协议

(4条消息) 固态硬盘有哪些协议知识点？_文鸿开源工作室的博客-CSDN博客_固态硬盘协议

(4条消息) 什么是SATA/PCI-E, M.2, U.2, NVMe...固态硬盘接口协议详解_凡凡不知所错的博客-CSDN博客_固态硬盘协议

(1条消息) 硬盘的接口，总线，协议知识点总结_漉水浮沙的博客-CSDN博客_机械硬盘接口

(1条消息) 一图明白AHCI，SATA是接口还是协议_ToBeAITer的博客-CSDN博客_ahci sata