硬盘接口技术大观园

来源：互联网 2023-02-20 20:49:53 384

古老的磁盘接口...1

IDE接口...1

SCSI接口...3

FC接口...4

串行ATA接口...5

SATA接口...6

mSATA接口...8

SATA Express.10

串行SCSI接口...10

SAS接口...10

SAS内部连接线缆...13

SAS外部互连线缆...17

NVMe SSD接口...21

SFF-8639.21

M.2接口...22

硬盘技术发展至今，历经了多次接口技术的发展和变革，存储老吴带领大家一起走进硬盘接口大观园，去一睹硬盘接口的往昔和未来。

工具/原料

硬盘接口

方法/步骤

古老的磁盘接口

IDE接口

IDE（Integrated DriveElectronics）接口是一种在个人电脑中曾经广泛使用的磁盘接口。其采用并行数据传输的方式，接口体积比较大，如下图所示：

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IDE总线是一条共享总线，为了增加一条IDE总线上的设备数量，每个IDE总线可以支持两个设备，分别为主设备和从设备。连接主机和IDE设备的连接线缆如下图所示，其中蓝色接口接到主机；白色接口为从设备接口；黑色接口为主设备接口。

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IDE接口有两种数据传输模式，一种为PIO（ProgrammingIO）；另一种为DMA模式。在数据传输量不是很大的年代，DMA由于需要不断的对DMA控制器进行配置操作，效率反而不如PIO。但是在大量高性能数据传输需求的拉动下，DMA终于发挥出了应有的性能。起初IDE的DMA数据传输模式是采用简单单倍率的工作方式，即在一个时钟周期内，只发生一次总线数据传输操作。后来IDE总线引入了UDMA（Ultra DMA）的数据传输方式，在这种传输方式下，一个时钟周期内的上升沿和下降沿都会进行数据传输操作，从而使得传输效率提高了一倍。这种数据传输方式也被称之为双沿数据传输方式。这种思路和内存中的DDR是相似的。

在IDE接口之上会运行ATA磁盘控制协议，因此这种接口通常也被称之为PATA（并行ATA）。对于不同的访问性能和特性，PATA拥有多种接口标准ATA1至ATA7。其中ATA7性能达到了将近133MB/s的带宽。由于受限于并行信号传输之间的干扰，并行信号的采样会出现非常大的相位误差，从而导致IDE接口性能提升遇到了严重的瓶颈。因此，目前没有硬盘会采用这种古老的IDE接口，全部被串行ATA接口技术所取代。

IDE采用40Pin的接口形式，接口信号定义如下：

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2000年初自己组装的第一台电脑采用了当时容量最大的迈拓30GB硬盘，就是这种IDE接口的硬盘。组装的时候硬盘做主设备；光驱做从设备。目前IDE已经无法支撑硬盘数据传输的业务，已经被淘汰。但是在IDE上所发展起来的ATA协议（命令集）被SATA所传承，继续得以延续。SCSI（Small ComputerSystem Interface）为小型计算机系统接口，是一种连接主机和外围设备的接口。采用SCSI接口的硬盘如下图所示：

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和IDE相比，SCSI接口具有更好的传输性能，因此通常应用在服务器硬盘中。采用这种接口的硬盘具有更好的稳定性、更快的性能。但是价格也会比IDE硬盘贵很多。SCSI的连接器接口和规范有很多种，常用的几种连接器接口如下图所示：

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SCSI硬盘和IDE硬盘相比，最核心的区别不是在于接口。作为企业级应用的磁盘，其需要具备较高的数据访问性能，因此在盘片转速方面，SCSI硬盘具有更高的转速。一旦转速提升，盘片的温度就会升高，与此同时寻道的定位难度也会提升。因此，SCSI等企业级盘在盘片的材料、磁盘的控制、数据的纠错等方面都和普通的硬盘存在非常大的差别，从而导致企业级硬盘具有更高的稳定性和性能。

SCSI物理总线接口在硬盘上已经不再使用了，但是在SCSI总线技术上发展起来的应用层协议（SCSI命令集）还一直保留，并被SAS互连网络所一直传承。

FC接口

FC硬盘是指采用FC-AL（FiberChannel Arbitrated Loop，光纤通道仲裁环）接口模式的磁盘。这种接口采用40针的信号定义。这种串行硬盘接口如下所示：

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FC硬盘采用FC-AL的总线协议，在实际应用过程中，所有硬盘都串联起来形成一个仲裁环，如下图所示：

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这种连接方式可以扩展容量，但是缺点也非常的明显，一个环路中如果存在一个故障连接，那么整个链路的访问将会受到影响。在EMC的高端存储Vmax产品中曾经采用了FC盘，直到2014年发布Vmax3的时候，才将这种FC盘换成SAS盘。采用SAS盘之后，可以通过SAS Expander将所有的SAS或者SATA盘形成一个后端磁盘存储网络，如下图所示：

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当年在高端存储系统中，为了提高磁盘性能、扩展存储容量，导致FC盘在后端存储网络中大量使用。随着SAS技术的不断推进、发展，最终SAS网络在后端替代了FC网络。

串行ATA接口

并行和串行数据传输哪个快？当问到这个问题的时候，潜意识会认为并行传输性能高。一个时钟周期，并行传输可以传送多个字节；但是串行通信的一个时钟最多传输两个比特位。但由于并行数据传输过程中存在的信号干扰、相差所导致的数据采样问题，并行传输无法提高时钟频率。而采用低压差分串行传输过程中，不存在采样相位差问题，可以采用非常高的时钟频率进行数据传输，因此串行传输的性能要远高于并行传输。串行数据传输的发展解决了并行总线所存在的问题，在2000年以后，不仅ATA向串行方向发展，SCSI、PCI都面临同样的问题。因此，在ATA的基础上发展形成了SATA；在SCSI基础之上发展形成SAS；在PCI的基础上诞生了PCI Express。

SATA接口

SATA接口硬盘是消费级、民用普通硬盘所普遍采用的接口技术。采用SATA接口的硬盘如下图所示：

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SATA接口是串行ATA的缩写。其采用串行数据传输的方式实现高速磁盘访问接口。至今SATA接口已经形成三个标准，其中SATA1可以达到1.5Gbps传输性能；SATA2可以实现3Gbps；SATA3达到了6Gbps的通信速度。SATA接口的数据传输效率远高于磁盘本身的性能，因此，磁盘的性能局限在磁盘本身的机械寻道开销上。SATA接口如下图所示：

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SATA接口主要分为信号区和电源区两大部分，并且信号区和电源区是相互分离的。特别需要注意这两个区域之间的空缺（豁口），这是区别SATA和SAS的标志。一个普通主板上的SATA接口如下图所示：

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目前，消费类硬盘基本都采用了SATA接口，包括磁盘和SSD。由于SSD采用了NAND Flash技术，属于半导体存储，不存在机械寻址的问题，因此，存储访问的性能大为提升，导致SATA接口本身再次成为存储盘的性能瓶颈点。

SATA标准发展到今天最高通信速度可以达到6Gbps，是SAS接口性能的一半。SATA接口采用了7根信号线的模式，具体定义如下：

1, GND地信号

2, A 数据发送差分信号

3, A-数据发送差分信号

4, GND地信号

5, B-数据接收差分信号

6, B 数据接收差分信号

7, GND地信号

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从上述定义可以看出，SATA接口采用了一对差分信号线进行全双工数据传输。和SAS接口相比不提供双端口的功能。在企业级应用，通常需要双端口的功能支持，所以需要通过接口转换板将一个端口的SATA改造成两个端口。这两个端口之间通过模拟开关进行切换。

SATA接口是硬盘接口技术发展过程中的一个里程碑，其提供了非常高速的性能，并且可以无缝的融入SAS体系架构中，所以无论在消费级应用还是在企业级应用中，SATA硬盘都有其不可替代的位置。但随着SSD技术的蓬勃发展，SATA接口又遇到了性能问题，新型的NVMe标准不断对SATA进行冲击。

SATA接口电源部分提供3.3V、5V以及12V。具体定义如下：

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17该信息未经许可获取自百度经验

mSATA接口

在笔记本等对体积有要求的系统中，经常会采用DOM盘，该类硬盘会采用接口形式更加小巧的mSATA接口。mSATA是标准SATA的迷你型号，在笔记本中和一些服务器系统中得到了广泛的应用。

需要注意的是mSATA接口外观和mini PCI-E是完全相同的，但是，在信号定义上这两种接口是截然不同的，mSATA需要与SATA控制器相连；mini PCI-E需要和PCIe桥相连。如果需要同一个接口同时支持mSATA和mini PCI-E，那么需要在这个接口处引入一个双向多路复用器。在mSATA接口中的43Pin是接地的；mini PCI-E是悬空的，因此，可以通过该引脚实现接口的自动选择。双向多路复用器可以采用NXP的CBTL02042芯片来实现。

采用mSATA接口的固态盘如下图所示：

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