SSD接口和協議

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概述傳輸總線PCIESATAPATA(ATA)SCSISASFC傳輸協議IDEAHCISATANVMe傳輸接口SATA接口PCIe接口M.2固態硬盤U.2接口示例

概述

市場上的固態硬盤簡單來說共有SATA、PCIE、M.2和U.2四種接口類型。

早期,為了更適應于超極本這類超薄設備的使用環境,針對便攜設備開發的mSATA(mini SATA)接口應運而生。你可以把它看作標準SATA接口的mini版,物理接口跟mini PCIe接口一樣。

mSATA接口是SSD小型化的一個重要過程,不過mSATA依然沒有擺脫SATA接口依然是SATA通道,速度是6Gbps。諸多原因沒能讓mSATA 接口火起來,反而被更具升級潛力的M.2 SSD所取代。

具體到協議上來說又能分為上層協議和傳輸協議,他們之間錯綜復雜的關系可以用下圖來表述。

傳輸總線

總線就像一條公路,公路上的車好比總線上的電信號;公路的大小和車流量就決定了公路的車流量,故總線的位寬大小和傳輸頻率決定了一次傳輸中能夠提供的最大速度。常見的總線類型有:

PCIE

PCIE是一切的根,所有外設都是由PCIE演化而來。下表給出PCIe 2.0和PCIE 3.0標準速率,實際速率卻很難達到這個理論值。

SATA

PATA(ATA)

SCSI

服務器領域中使用的傳輸總線,已經很少人用了。

SAS

民用領域由PATA到SATA,服務器領域由SCSI到SAS。SAS控制器可以兼容SATA的設備,但是SATA控制器不能兼容SAS設備。

SAS 1.0達到3Gbps,每一代翻2倍。

FC

FC接口很稀缺,是基于網絡傳輸協議下誕生的接口。起源于SCSI,但速度遠遠超過SCSI,最新FC通道速度可以達到16Gbps。

傳輸協議

傳輸規范、傳輸標準,也就是數據傳輸的方式。

IDE

(1)PATA(并行ATA)

(2)PATA只支持數據部分進行CRC校驗

(3)IDE盤不支持熱插拔

(4)需要設置主從盤跳線

AHCI

Serial ATA Advanced Host Controller Interface,串行ATA高級主控接口/高級主機控制器接口,IDE速度太低,協議老舊,所以有了AHCI;但AHCI是為了機械硬板而產生的產物,現在SSD已經普及,所以不再說明。

SATA

協議特性

(1)簡介:Serial Advanced Technology Attachment即為Serial ATA,串行高級技術附件。SATA接口是一種基于行業標準的串行硬件驅動器接口。

(2)優勢:串行接口結構簡單,支持熱插拔,傳輸速度快,執行效率高。

  與傳統ATA相比,具備了更強大的糾錯能力,很大程度上提高了數據傳輸的可靠性。

  還節省空間,有利于機箱內部的散熱,線纜之間的串擾也得到了有效控制。

  對數據和指令封包進行循環冗余校驗(CRC),使得單bit和雙bit的錯誤都能被檢測出來。

  SATA不需要設置主從盤跳線。

支持的接口類型

  主要有5中接口形式:SATA、Half-slim、mSATA、mini-mSATA、B-key M.2、1.8寸 micro-SATA等。

SATA接口pin腳定義

  說明:SATA 3.1之后,沒有3.3V,第3腳為休眠腳。

NVMe

  一種建立在M.2接口上的類似AHCI的一種協議,是專門為閃存類存儲設計的協議。

  具體優勢包括:

  ①性能有數倍的提升;

  ②可降低延遲超過50%;

    面向PCIe SSD產品的NVMe標準能有效降低控制器和軟件接口部分的延遲,最主要是能讓SSD走PCI-E通道直連CPU,有效降低了數據延遲,其次,NVMe精簡了調用方式,AHCI每條命令則需要讀取4次寄存器,一共會消耗8000次CPU循環,從而造成2.5μs的延遲,而NVMe執行命令時則不需要讀取寄存器。

  ③NVMe PCIe SSD可提供的IOPs十倍于高端企業級SATA SSD;

    新的協議還能大大提高SSD的IOPS(每秒讀寫次數)性能,理論上,IOPS=隊列深度/ IO延遲,所以增加隊列深度,就可以有效提升SSD的IOPS。傳統的ACHI標準下隊列深度最多能達到32,但是在NVMe標準下,這一數值可以達到64000,是以前的2000倍。

  ④自動功耗狀態切換和動態能耗管理功能大大降低功耗;

  ⑤支持未來十年技術發展的可擴展能力。

傳輸接口

SATA接口

平時所說的SATA接口通常是指2.5寸規格的固態硬盤,它只使用AHCI協議,最大隊列深度QD32,對于家用完全沒有瓶頸。SATA3.0接口將持續讀寫速度限制在550MB/s左右。

2.5寸這個數值并非很多人想象的硬盤對角線長度,而是機械硬盤內部硬盤盤片的直徑。到了固態硬盤時代,閃存芯片替代了磁盤成為存儲介質。沒有了盤片直徑后固態硬盤依然按照原來2.5寸標準的大小去制造,這樣可以最大限度的兼容各種臺式與筆記本電腦的硬盤位。

PCIe接口

在傳統SATA硬盤中,當我們進行數據操作時,數據會先從硬盤讀取到內存,再將數據提取至CPU內部進行計算,計算后再反饋給內存,最后寫入至硬盤中;

而PCIe接口就不一樣了,數據直接通過總線與CPU直連,省去了內存調用硬盤的過程,傳輸效率與速度都成倍提升。

簡單的說,我們可以把兩種通道理解成兩輛相同的汽車,PCIe通道的汽車就像是在高速上行駛,而SATA通道的汽車就像是在崎嶇山路上行駛。很顯然,PCIe SSD的傳輸速度會遠大于SATA SSD。

雖然PCIe SSD有諸多好處,但也不是每個人都適合。PCIe SSD由于閃存顆粒和主控品質極高,總體成本也相對較高,相比傳統SATA接口固態硬盤的售價要貴一些。另外,由于PCIe會占用總線通道,入門以及中端平臺CPU通道數較少,也不太適合使用PCIe SSD。只有配合Z170、X99這樣頂級平臺,才可以完全發揮PCIe SSD的性能。

M.2固態硬盤

M.2是當前最復雜、最多變的固態硬盤接口。它和當前已經被淘汰的mSATA一樣,屬于多功能接口,再相同的外觀下可以支持不同的針腳定義(傳輸協議)以及不同的上層協議。最早出現的M.2固態硬盤使用了與2.5寸SSD相同的SATA AHCI協議,除了外觀不同,他們在性能表現上和2.5寸SATA版本基本沒有區別。

SATA協議的M.2固態硬盤在接口處有2個缺口,學名叫B Key和M Key,他們的存在是為了向電腦主機表明自己的身份(選擇需要使用的協議)。

一個SATA缺口的M.2固態硬盤通常可以肯定使用了NVMe協議。但是兩個缺口卻不能作為判定SATA協議的依據,因為兩個缺口下也能支持PCIE傳輸協議,同樣可以是NVMe固態硬盤

與mSATA相比,M.2主要有兩個方面的優勢。第一是速度方面的優勢。M.2接口有兩種類型:Socket 2(B key——ngff)和Socket 3(M key——nvme),其中Socket2支持SATA、PCI-E X2接口,而如果采用PCI-E ×2接口標準,最大的讀取速度可以達到700MB/s,寫入也能達到550MB/s。而其中的Socket 3可支持PCI-E ×4接口,理論帶寬可達4GB/s。

第二個是體積方面的優勢。雖然,mSATA的固態硬盤體積已經足夠小了,但相比M.2接口的固態硬盤,mSATA仍然沒有任何優勢可言。M.2標準的SSD同mSATA一樣可以進行單面NAND閃存顆粒的布置,也可以進行雙面布置,其中單面布置的總厚度僅有2.75mm,而雙面布置的厚度也僅為3.85mm。而mSATA在體積上的劣勢就明顯的多,51mm×30mm的尺寸讓mSATA在面積上不占優勢,而4.85mm的單面布置厚度跟M.2比起來也顯得厚了太多。另外,即使在大小相同的情況下,M.2也可以提供更高的存儲容量

M.2接口,最初叫做NGFF(Next Generation Form Factor),寬度22mm,單面厚度2.75mm,雙面閃存布局也不過3.85mm厚。M.2接口產品有豐富的可擴展性,最長可以做到110mm,可以提高SSD容量。此外,M.2接口可以同時支持SATA及PCI-E通道,后者更容易提高帶寬,如果是采用SATA通道的M.2接口固態硬盤,則讀寫速度在550MB/s左右。

上面兩款都是M.2接口,如何分辨出哪個是PCI-E SSD哪個是SATA SSD?在弄清楚這個問題之前,我們先來解答幾個常見問題。

1、同是M.2接口,為什么會有PCI-E和SATA之分?

這是因為兩者所走的通道不同,M.2有兩種接口定義:Socket 2和Socket 3。Socket 2支持SATA、PCI-EX2通道的SSD,Socket 3專為高性能存儲設計,支持PCI-EX4。

2、有M.2接口的主板都能使用M.2 SSD?

非也非也,不同主板的M.2接口所支持的通道是不同的,有的僅持PCI-E通道,其規格說明里關于M.2的描述有標明。而有的則兼容SATA和PCI-E兩種通道。所以如果您想購買 M.2 SSD,先要清楚了解自己的主板上的M.2接口是支持哪種通道的。

3、什么決定M.2 SSD所走的通道?

主控決定了接入M.2接口的SSD是走PCI-E通道還是SATA通道。例如HyperX Predator SSD的主控是Marvell 88SS9293主控,這是一款PCI-E控制器,而金士頓G2系列 M.2 2280 SSD采用的是SATA控制器。

4、性能差別有多大呢?

走的通道不一樣,速度自然有差別。SATA3.0通道的理論帶寬是6Gb/s.理論極限傳輸速度600MB/s,所以跟市面所有的SATA接口SSD一樣,金士頓G2系列 M.2 2280 SSD的最高讀取速度不超過600MB/s,而主板M.2接口走PCI-E通道傳輸通道帶寬為10Gb/s。HyperX Predator SSD的連續讀寫達到1400MB/s和1000MB/s,完全超過了SATA3.0的極限傳輸速度。

U.2接口

目前主要用在服務器領域

示例

a) 三星 850 EVO M.2 接口,SATA 總線,AHCI 協議

b) 三星 SM951 M.2 接口,PCIe 總線,AHCI 協議

c) 三星 SM951 M.2 接口,PCIe 總線,NVMe 協議

d) 采用NVMe協議的M.2接口固態硬盤三星960 PRO,這是目前世面上讀寫速度最快的一款固態硬盤,最高讀取速度可達3.5GB/s。

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