SSD固态硬盘接口扫盲1

By | 2019-10-21

原文:https://blog.csdn.net/hunter___/article/details/88081092;文中所有图片均来自互联网

SSD固态硬盘接口扫盲1
SSD固态硬盘接口扫盲2

一、SSD通道SATA和PCIE

现SSD主要分为两种通道一种走SATA通道,一种走PCIE通道; 但随着固态硬盘生产工艺以及用户对读写速度的追求,越来越多的中高端SSD开始选择PCI-E接口来进行SSD与主板的对接 。

两种通道对比如下:

速度对比

那么为什么固态硬盘要舍弃SATA 3.0接口而要采用PCI-E接口呢?我们先来了解一下两种接口硬盘的工作原理:在传统SATA硬盘中,当我们进行数据操作时,数据会先从硬盘读取到内存,再将数据提取至CPU内部进行计算,计算后写入内存,存储至硬盘中;而PCI-E就不一样了,数据直接通过总线与CPU直连,接近最大的传输速度,最大的数据量,省去了内存调用硬盘的过程。简单的说,我们可以把两种通道理解成两辆相同的汽车,PCI-E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

二、硬盘传输标准协议AHCI和NVME

AHCI(serial Advanced Host Controller Interface) 高级串行ATA功能接口标准

现在所用的SATA接口与AHCI标准其实是为高延时的机械硬盘而设计的,目前主流固态硬盘依然继续使用它们,早期固态硬盘性能不高时可能还不觉得有什么问题,但是随着固态硬盘的性能逐渐增强,这些标准已经成为限制固态硬盘的一大瓶颈,专为机械硬盘而设计的AHCI标准并不太适合低延时的固态硬盘。

NVME标准相比AHCI有许多优点:

1. 低延迟。面向PCIe SSD产品的NVMe标准能有效降低控制器和软件接口部分的延迟,最主要是能让SSD走PCI-E通道直连CPU,有效降低了数据延迟,其次,NVMe精简了调用方式,AHCI每条命令则需要读取4次寄存器,一共会消耗8000次CPU循环,从而造成2.5μs的延迟,而NVMe执行命令时则不需要读取寄存器。

图片来自互联网

2. 新的协议还能大大提高SSD的IOPS(每秒读写次数)性能,理论上,IOPS=队列深度/ IO延迟,所以增加队列深度,就可以有效提升SSD的IOPS。传统的ACHI标准下队列深度最多能达到32,但是在NVMe标准下,这一数值可以达到64000,是以前的2000倍。

图片来自互联网

3. 此外NVMe还加入了自动功耗状态切换、动态能耗管理、免驱等功能,驱动适应性广,低功耗。

下表是不同接口协议的对比速度

接口协议
SATA AHCI 最高速度6Gbps
SATA-Express AHCI 最高速度12Gbps,不常见
M.2 AHCI 最高速度6Gbps或NVME最高速度32Gbps
U.2 NVME最高速度32Gbps
PCI-E NVME最高速度32Gbps

三、PCIE接口尺寸

PCIE有四种接口尺寸:X1/X4/X8/X16,版本有1.0/2.0/3.0


PCI-E Version

我们通过用胶带覆盖显卡PCI-E接口金手指的方法来屏蔽,由于PCI-E每个通道彼此互相独立,并且支持通道数量向下兼容(如果x16设备插在x1槽上,则自动降为x1)

pcie插槽尺寸

四、SSD四种接口SATA/PCIE/mSATA/M.2

SATA接口

SATA是Serial ATA(Serial Advanced Technology Attachment)亦称串行ATA,是由Intel、IBM、Dell、APT、Maxtor和Seagate公司共同提出的硬盘接口规范。
本文的阐述重点是SATA的数据线和电源线接口引脚定义,并以连接SATA硬盘为例。

sata ssd

SATA数据接口和电源接口

下图是数据线(DATA)、电源线(POWER)和硬盘接口示意图

data power

下图是数据线、电源线和硬盘接口实物图

data

下图是SATA数据线(7针)对应硬盘上的数据接口(7针)特写

接口特写

下图是SATAS数据线(母口)特写,(硬盘上接口成为公口)

母口

数据接口(7针)定义

7pin 定义

电源接口(15针)定义

15pin 定义

PCIE接口

主要用于高端机,性能较好

PCI-E

mSATA接口

早期,为了更适应于超极本这类超薄设备的使用环境,针对便携设备开发的mSATA(mini SATA)接口应运而生。你可以把它看作标准SATA接口的mini版,物理接口跟mini PCIe接口一样。

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接口依然是SATA通道,速度是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。

mSATA

M.2接口

分为B key(又称Socket2)和M key(又称Socket3)两种。前者支持SATA、PCI-Ex2接口,理论读写速度分别达到700MB/s、500MB/s;而后者专为高性能存储设计,支持PCI-EX4,理论接口速度高达32Gb/s,超五倍于SATA接口。

B key & M Key

M.2 SSD的尺寸规格如下:

M.2

与之前mSATA SSD类似,M.2 SSD也不带金属外壳。主要有2242、2260、2280三种规格,为了划分不同长度的产品而定的。长度不同,意味着容量就不同。因为长度越长,可布置的闪存颗粒就越多,容量也就越大。以M.2 2242为例,22是宽度22mm,42是长度42mm,2260与2280同为此理,所以选购前也要看看你的设备到底支持哪一种长度的M.2 SSD。至于M.2 SSD的厚度,单面布置芯片厚度2.75mm,双面厚度3.85mm,比mSATA还要薄。

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