Manufacturing Technology

一文讲解固态硬盘接口技术

固态硬盘的出现，彻底打破了机械硬盘多年来在电脑硬件领域的统治地位。相比于机械硬盘，固态硬盘更高的传输性能，让普通用户和发烧玩家的使用体验均得到了成倍的提升。

在这场存储的革命中，为了实现更快的速度、更广的使用环境和更好的体验，硬盘接口技术也在不断进化革新，从早期的IDE、SCSI接口到主流的SATA、SAS接口，再到M.2、PCIe接口。

一、IDE接口

IDE接口，又叫ATA接口、PATA接口、并口。最早是在1986年由康柏、西部数据等几家公司共同开发。在九十年代初开始应用于台式机系统，最初的设计只能支持两个硬盘。ATA接口从诞生至今，共推出了7个不同的版本，分别是：ATA-1（IDE）、ATA-7（ATA 133）。这种接口比较老款，其最大的表现在于数据线是一条像布条的东西，传输数据慢，ATA-7理论带宽也才1Gbit/s。从图中可以看到ATA接口由三部分组成：电源接口、跳线接口（用于区别主盘和从盘）、数据接口。由于数据传输速度慢、线缆长度过短、不支持热插拔等原因，这种接口已经被淘汰。

二、SCSI接口

ATA接口是应用于PC的接口技术，与他同一时期用于服务器的接口是SCSI接口。

SCSI全称为小型计算机系统接口。最早于1986年提出的SCSI Ⅰ最大传输速率为5MB/s，支持7个设备。后来的SCSI Ⅱ规定了两种提高速率的选择：

提高数据发送的频率，即Fast SCSI（1994年，最大支持7个设备），由于频率提高一倍，达10MB/s（10MHz）；

提高速度的选择是传输频率提高一倍的同时也增大数据通路的宽度，由8位增至16位。即Wide SCSI，其最大同步传输速度为20MB/s (时钟频率为10MHz，1996年，最大支持15个设备)。

大概在1995年左右出现了第三代SCSI，SCSI有太多的型号，这里就不一一介绍了，感兴趣的同学可以下去查阅以下。SCSI-3的典型特点是将总线频率大大地提高，并降低信号的干扰。由于设计的局限性，以上两种硬盘接口已经被SATA和SAS取代。

三、SATA接口

SATA接口（串口硬盘），以连续串行的方式传送数据，可以在较少的位宽下使用较高的工作频率来提高数据传输的带宽。这个硬盘接口大概是在2003年出现的，可以算是最为主流的硬盘接口形态。由于存在时间很长，SATA接口兼容性极强，几乎所有种类的主板都有SATA接口。市面上固态硬盘SATA接口在性能标准上，一般采用SATA Ⅲ标准，理论最高速度为6Gbps。大部分基于SATA接口的固态硬盘的读取性能正常会在500MB/S以上。

SATA数据接口（7针）电源接口（15针）

在SATA接口的基础上，后面又衍生出了两款产品。

四、mSATA接口

mSATA接口是早期为了适应于超极本这类超薄设备而基于SATA开发的。可以看作SATA接口的mini版。

物理形态上有两种尺寸：全高（30mm50mm）和半高（30mm25mm）。

mSATA接口，SSD小型化的一个重要过程。不过mSATA并没有摆脱SATA接口的一些缺陷，比如依然是SATA通道，速度也还是6Gbps。

五、SATA-e接口

另一个和mSATA一样由SATA接口发展而来的是SATA-e接口，SATA + PCI-Express的混合体，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。由于SATA接口在传输速率上的局限性，mSATA和SATA-e在推出后不久也就销声匿迹。

六、SAS接口

SATA接口常见于PC，与之对应的服务器端接口是2005年由SCSI进化而来的SAS接口。

sas是新一代的 SCSI 技术，全称为串行连接SCSI(Serial Attached SCSI) 。SAS结合了SATA和SCSI的优点。

SAS 的接口可以向下兼容 之前介绍的SATA。具体来说，二者的兼容性主要体现在物理层和 协议层的兼容。

在物理层，SAS 接口和 SATA 接口完全兼容，SATA 硬盘可以直接使用在 SAS 的 环境中，从接口标准上而言，SATA 是 SAS 的一个子标准，因此 SAS 控制器可以直接操 控 SATA 硬盘，但是 SAS 却不能直接使用在 SATA 的环境中，因为 SATA 控制器并不能 对 SAS 硬盘进行控制；

在协议层，SAS 由 3 种类型协议组成，根据连接的不同设备使用相应的协议进行数据传输。其中串行 SCSI 协议(SSP)用于传输 SCSI 命令；SCSI 管理协议(SMP)用于对连接设备的维护和管理；SATA 通道协议(STP)用于 SAS 和 SATA 之间数据的传输。因此在 这 3 种协议的配合下，SAS 可以和 SATA 以及部分 SCSI 设备无缝结合。

七、M.2接口

在SATA和SAS接口之后，目前正火的是2013年诞生的M.2接口。M.2接口又叫NGFF(Next Generation Form Factor)接口。

M.2常见规格：2242、2260、2280，其中22表示硬盘的宽度为22mm，42、60、80分别表示不同长度。 PCB板越长可容纳的内存颗粒越多，容量也就越大。目前比较主流的是2280。

M.2接口按照插槽来划分可以分为BKey和MKey

从图中 金手指上的缺口可以看到这他们在物理形态上的的区别。

其中B key支持SATA通道PCI-E X 2通道，Mkey支持PCI-E x 4通道，在PCI-E*4通道上可以支持NVME协议，理论带宽32Gbps。

当前台式机上的NGFF插槽主要是M模式的，笔记本上B模式比较常见。

Key怎么定的

同是M.2接口，为什么会有PCI-E和SATA之分？

购买M.2接口的SSD的时候，除了区分不同插槽外，还要注意分辨他的上层协议。

据上层协议的不同，M.2接口内部又可以简单划分为走传统的SATA AHCI协议的接口和走PCIe 通道NVMe协议的接口。

假如你买了一个M.2接口的SSD，它走的是SATA通道，那么他的上层协议依然是传统的ACHI，最大读写性能和走SATA3.0接口的SSD没有任何区别！

八、PCIe接口

PCIe接口下数据直接通过总线与CPU直连，省去了内存调用硬盘的过程，传输效率与速度都成倍提升。可以这么理解PCIe通道的汽车就像是在高速上行驶，而SATA通道的汽车就像是在崎岖山路上行驶。很显然，PCIe SSD的传输速度会远大于SATA SSD。

结语

在智能化系统的各类应用当中，数据的存储是必不可少的，以上就是关于存储接口的知识。