SATA、mSATA、M.2、M.2（NVMe）、PCIE固態(tài)硬盤接口詳解

態(tài)硬盤接口SATA、mSATA、M.2、M.2（NVMe）、PCIE態(tài)硬盤接口詳解固態(tài)硬盤概念固態(tài)驅(qū)動器（SolidStateDrive）,俗稱固態(tài)硬盤，固態(tài)硬盤是用固態(tài)電子存儲芯片陣列而制成的硬盤，因為臺灣英語里把固體電容稱之為Solid而得名。SSD由控制單元和存儲單元（FLASH芯片、DRAM芯片）組成。固態(tài)硬盤在接口的規(guī)范和定義、功能及使用方法上與普通硬盤的完全相同，在產(chǎn)品外形和尺寸上也完全與普通硬盤一致。被廣泛應(yīng)用于軍事、車載、工控、視頻監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)終端、電力、醫(yī)療、航空、導(dǎo)航設(shè)備等諸多領(lǐng)域。其芯片的工作溫度范圍很寬，商規(guī)產(chǎn)品（0~70。0工規(guī)產(chǎn)品（-40~85弋）。雖然成本較高，但也正在逐漸普及到DIY市場。由于固態(tài)硬盤技術(shù)與傳統(tǒng)硬盤技術(shù)不同，所以產(chǎn)生了不少新興的存儲器廠商。廠商只需購買NAND存儲器，再配合適當(dāng)?shù)目刂菩酒?，就可以制造固態(tài)硬盤了。新一代的固態(tài)硬盤普遍采用SATA-2接口、SATA-3接口、SAS接口、MSATA接口、PCI-E接口、NGFF接口、CFast接口、SFF-8639接口和M.2NVME/SATA協(xié)議。接口目前固態(tài)硬盤的主要接口有：SATA接口作為目前應(yīng)用最多的硬盤接口，SATA3.0接口最大的優(yōu)勢就是成熟。普通2.5英寸SSD以及HDD硬盤都使用這種接口，理論傳輸帶寬6Gbps，雖然比起新接口的10Gbps甚至32Gbps帶寬差多了，但普通2.5英寸SSD也沒這么高的需求，500MB/S多的讀寫速度也夠用。

mSATA接口mSATA接口，全稱迷你版SATA接口(mini-SATA)。是早期為了更適應(yīng)于超級本這類超薄設(shè)備的使用環(huán)境，針對便攜設(shè)備開發(fā)的mSATA接口應(yīng)運而生。可以把它看作標(biāo)準(zhǔn)SATA接口的mini版，而在物理接口上(也就是接口類型)是跟miniPCI-E接口是一樣的。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接口的一些缺陷，比如依然是SATA通道，速度也還是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.2SSD所取代。M?2接口M.2接口是Intel推出的一種替代mSATA的新的接口規(guī)范，也就是我們以前經(jīng)常提到的NGFF，即NextGenerationFormFactor。

M.2接口的固態(tài)硬盤寬度22mm，單面厚度2.75mm，雙面閃存布局也不過3.85mm厚，但M.2具有豐富的可擴(kuò)展性，最長可以做到110mm，可以提高SSD容量。M.2SSD與mSATA類似，也是不帶金屬外殼的，常見的規(guī)格有主要有2242、2260、2280三種，寬度都為22mm，長度則各不相同。不僅僅是長度，M.2的接口也有兩種不同的規(guī)格，分別是"socket2”和”socket3”

M.2SSDisa金手指鉀分的兩個缺口定烽0^：左一?□為MKeySocket:當(dāng)接口連帶"Bkey"亠井便用時.懾fi模式變左一?□為MKeyPa-E2XF支援SS以WWANsE^Mffei:劉ey畀面*Sock董3:當(dāng)接口連帶”怕key”T使用時’瞬模式變?yōu)镾ock董3:當(dāng)接口連帶”怕key”T使用時’瞬模式變?yōu)镻O-E4Xf倚輸?￡BIT4GB/s”可支嚴(yán)高M(jìn)lJ,看似都是M.2接口，但其支持的協(xié)議不同，對其速度的影響可以

說是千差萬別，M.2接口目前支持兩種通道總線，一個是SATA總線，

一個是PCI-E總線。當(dāng)然，SATA通道由于理論帶寬的限制（6Gb/s）,

極限傳輸速度也只能到600MB/S，但PCI-E通道就不一樣了，帶寬可以達(dá)到10Gb/s，所以看似都為M.2接口，但走的“道兒”不一樣，速度自然也就有了差別。

上圖為M.2接口走SATA通道的速率上圖為M.2接口走PCIE通道的速率M.2接口（NVMe協(xié)議）NVMExpress（NVMe）,或稱非易失性內(nèi)存主機(jī)控制器接口規(guī)范（Non-VolatileMemoryexpress）,是一個邏輯設(shè)備接口規(guī)范。他是與AHCI類似的、基于設(shè)備邏輯接口的總線傳輸協(xié)議規(guī)范（相當(dāng)于通訊協(xié)議中的應(yīng)用層），用于訪問通過PCI-Express（PCIe）總線附加的非易失性內(nèi)存介質(zhì)，雖然理論上不一定要求PCIe總線協(xié)議。此規(guī)范目的在于充分利用PCI-E通道的低延時以及并行性，還有當(dāng)代處理器、平臺與應(yīng)用的并行性，在可控制的存儲成本下，極大的提升固態(tài)硬盤的讀寫性能，降低由于AHCI接口帶來的高延時，徹底解放SATA時代固態(tài)硬盤的極致性能。NVMe具體優(yōu)勢包括:①性能有數(shù)倍的提升；②可大幅降低延遲；NVMe可以把最大隊列深度從32提升到64000,SSD的IOPS能力也會得到大幅提升；自動功耗狀態(tài)切換和動態(tài)能耗管理功能大大降低功耗；NVMe標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)解決了不同PCIeSSD之間的驅(qū)動適用性問題。延時更低：說到NVMe標(biāo)準(zhǔn)對比AHCI標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢，其中之一就是低延時。因為AHCI標(biāo)準(zhǔn)本身就是為高延遲的機(jī)械硬盤而設(shè)，雖然SSD發(fā)展至今，主流產(chǎn)品已經(jīng)開始不能滿足性能的高速發(fā)展，特別是在延遲方面。而面向SSD產(chǎn)品的NVMe標(biāo)準(zhǔn)，降低存儲時出現(xiàn)的高延遲，就是其要解決的問題之一。SSDTechnologyEvolutionKicSASTranslationQueueFileSystemPCIExjpress*1rpciei1removescontrollerlatenNVMeSSD可有效降低延遲（片來自網(wǎng)絡(luò)）在軟件層方面，NVMe標(biāo)準(zhǔn)的延時只有AHCI的一半不到，NVMe精簡了調(diào)用方式，執(zhí)行命令時不需要讀取寄存器;而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(huán)，從而造成大概2.5微秒的延遲。IOPS大增：NVMe的另一個重點則是提高SSD的IOPS（每秒讀寫次數(shù)）性能。目前市面上性能不錯的SATA接口SSD，最多只會測試到隊列深度為

32的IOPS能力，其實終究原因這是AHCI的上限，其實許多閃存主控可以提供更好的隊列深度。而NVMe則可以把最大隊列深度從32提升到64000,SSD的IOPS能力也會得到大幅提升。AHCI皿?工UncacheableRegisterReadsEachconsumes2000CPUcycles4perctjmmsnd8000cycles,?250percommandMSI-XandInterruptSteeringEnsuresonecerenotlOPsbottleneckNoYesParallelism&MuttEpleThreadsEnsuresonecorenotlOPsbottleneckRequiressynchranizatjonlocktoissuecommandNolocking,doorbellregTsterperQueueMaximumQueueDepthEnsuresoriecorenotlOPsbottleneck1Queue^2CommandsperQ64KQueues64KCommandsperQEfficiencyfor4KBCommands4KBcriticalinClientandEnterpriseCornmandparametersrequiretwoserializedhostDFtAMfetchesCommandparametersinone640fetch隊列深度的大幅提升（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）低延時和良好的并行性的優(yōu)勢就是可以讓SSD的隨機(jī)性能得到大幅度提升，這是950PRO系列SSD的現(xiàn)場跑分，它的隨機(jī)性能表現(xiàn)絕對是一流的，在任何隊列深度下都能發(fā)揮出極佳的速度。功耗更低：

qa&jo^a^jnogjoa[qe|i?Ae」BALipdt」nosU3do?!IJ3Q￥=Jjr—HOEHIvije-^upxnuiMiuA?*8」巳皿園/\i—3“Suidii|s||im」刪」p豈」epg+卜…’""墜—亠'，一一月」BIOSr~LU^BJ4Sdn」9A|JpQ5^B3JJ*cx(unf-~.....~'7~:―''；~7IOITIBUJB科,XrtLin^3U|SJSAUpso3-IQG3S?b.xnunV^QLIliMuoqejoqE||03uijsaijpa^jnosuacfo?」aAijpqai^japnput◎ZTDZ記zms^swopuiAApueT'0.smdpuim?sasO4o^wuoiuauido|3AaaueAua。明卑早茸QA?篦曲男鍥購參曉購審傘a^OdBTW-xj'ass□哥v丄vs図堅王冉不畀’TSIS^IWH7丞WE曲廩菲丑闿涉旳也畀逍曲丄翠#也図刃4僵國百廠図孩顯蚤弔睪老宰他甥翳幽逐爭°乙翠#曲馬矗畀羽Y率老注馬屠國smoos丑zI翠#生甥卽丟尋叫鄆imi也馬smogBK0羽M男鍥’羽直產(chǎn)易畀羽翠購?fù)聦そ写?畀直購目工YDd9NAN()￡?卿関翦重sri0TSriQT0A=u田叮sri0TSriQT0A=u田叮4陽A^uaijeie^uej^ua」9MOdxewiieuoft-ej&dOJdMOd5UJ0€5U1ST阿ITONt$VJ55U1oi州UfPTDNT田Sja/vioy^idiuex^aiPlBJEM^josXqpauJUJ^-jSQJduoqisu^j;04joudpcuedB|p【一pouedd]p!wea自丁eja);e說它薦jawodj^moieojsuonisueji」3||0」jucD9NAN'uoiiusajsiuiajewijos4aoqi!AA?suokiEq<JSLiJ3|dLuipasnooj」aModiuatpjojsjn^esjuoiiisuejj.?ieis」awojsnoLuouoinypsppe「t0hI/\N*suoiiezioji^doJamod主流操作系統(tǒng)逐漸開始支持NVMe（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）NVMe標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)解決了不同PCIeSSD之間的驅(qū)動適用性問題，NVMeSSD可以很方便的匹配不同的平臺、系統(tǒng)，無需廠家提供相應(yīng)的驅(qū)動就可以正常工作，目前Windows、Linux、Solaris、Unix、VMware、UEFI等都加入了對NVMeSSD的支持。PCI-E接口：在傳統(tǒng)SATA硬盤中，當(dāng)我們進(jìn)行數(shù)據(jù)操作時，數(shù)據(jù)會先從硬盤讀取到內(nèi)存，再將數(shù)據(jù)提取至CPU內(nèi)部進(jìn)行計算，計算后寫入內(nèi)存，存儲至硬盤中；而PCI-E就不一樣了，數(shù)據(jù)直接通過總線與CPU直連，省去了內(nèi)存調(diào)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，PCI-E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，PCI-ESSD傳輸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于SATASSD。目前PCI-E接口通道有PCI-E2.0x2及PCI-E3.0x4兩種，最大速度達(dá)到32Gbps，可以滿足未來一段時間的使用，而且早期PCI-E