硬盘接口那些事

  1. 1. 硬盘类型
  2. 2. 总线(Bus)
    1. 2.1. 系统总线
      1. 2.1.1. - PCIe
    2. 2.2. 外部总线(I/O 总线)
      1. 2.2.1. - SATA
  3. 3. 硬盘接口
    1. 3.1. - PATA (Parallel ATA)
    2. 3.2. - SATA (Serial ATA)
    3. 3.3. - mSATA (mini-SATA, SATA 3.1)
    4. 3.4. - M.2
  4. 4. iMac 中的标准
  5. 5. REF::

想入新 iMac,本着自己动手其乐无穷的精神,准备自己 DIY 升级,于是在配置上看了下,新的内存是可以方便的拆换的,但硬盘就麻烦了。无论是 HDD,或 PCIe 的 SSD,更纠结的是这个 SSD 到底是什么接口。

于是一个关于硬盘接口的科普文产生。


硬盘类型

  • HDD
  • SSD

传统 HDD 过渡到 SSD 带来的变化是翻天覆地,SSD 正在影响着每一个人,而且由于技术的原因,它可以做的更小,被用做更多的地方,所以再次引发一次新的总线、接口变革。


总线(Bus)

提到硬盘,就不能不提总线。总线是指计算机组件间规范化的交换数据的方式。

方面 包含 说明
分类 系统总线 前端总线 后端总线 控制总线 地址总线 -
标准 PCI, PCI Extended(PCI-X), AGP, PCIe, SATA -
存储 并行 ATA(PATA), DMA, USB, 串行ATA(SATA), mSATA, m.2 -

总线可同时传输的数据数就称为宽度(width),以比特为单位,总线宽度愈大,传输性能就愈佳。总线的带宽(即单位时间内可以传输的总数据数)为:总线带宽 = 频率x宽度(Bytes/sec)。

系统总线

总线有不同的级别,顶级的是系统总线,往下分级调度,常见系统总线主要有以下两种,(x86 架构):

  • PCI
  • PCIe (也称 PCI-E) 2001 年提出 / 第三代 / 目前版本为 3.0

- PCIe

PCIe 每个设备自己的专用连接,不需要向整个总线请求带宽,而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率,达到 PCI 所不能提供的高带宽。

规格 理论传输速度(带宽) 实际 说明
PCIe 3.0 x1 - - -
PCIe 3.0 x4 32 Gb/s (4 GB/s) 31.5 Gb/s (3.9 GB/s) m.2 接口用的是这个
PCIe 3.0 x8 - - -
PCIe 3.0 x16 - 一般显卡会用这个 -

外部总线(I/O 总线)

今天我们讨论的存储是 外部总线,用作主板和大量存储设备之间的数据传输。

题外:
以前系统中有北桥、南桥。北桥其实就是 PCI/PCIe 总线,然后边围的设备,像 USB,硬盘,通过南桥芯片进行通信,降低对北桥的带宽消耗。后来,Intel 北桥总线由 FSB 技术进化到 QPI,再后来,直接将北桥集成入 CPU。CPU 直接连接南桥、显卡、内存,这根总线叫 DMI。DMI 总线带宽需要分配给 SATA 3.0、USB 3.0、PCIe 等端口。

它们之前的通信关系如下:

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PCIe < DMI < SATA

接口后面所对应的数据标准和总线。

- SATA

SATA 适配器 (DMI总线) 从属 PCI/PCIe,其设备除备限于 PCI/PCIe,还受限于 SATA 自身带宽的限制(主控)。

PCIe 直接走系统总线,可以接近最大传输速率。

规格 理论传输速度(带宽) 实际 说明
SATA III 6.0 Gb/s (750 MB/s) 4.8 Gb/s (600 MB/s) mSATA 还是用了 SATA 总线,限制了它的最高速度
USB III 5.0 Gb/s (625 MB/s) - -


硬盘接口

对应存储,每种标准后都有自己的接口。标准升级带动的是设备升级和不兼容。

  • PATA (我用电脑时的东东,太古老了)
  • SATA (1,2,3)
  • mSATA (金手指不大一样)
  • M.2(NGFF)
  • PCIe (就像显卡的那种大型接口,一般会用在服务器上吧。)

- PATA (Parallel ATA)

一般叫 IDE 较多,硬盘用 40 针的数据线,很宽每次插拔起来都不大方便,而且线长度受限,传输速率也不高。

ATA (Advanced Technology Attachment) 技术是一个关于 IDE(Integrated Device Electronics)的技术规范族。最初,IDE 只是一项企图把控制器与盘体集成在一起为主要意图的硬盘接口技术。 随着日益广泛的应用,全球标准化协议将其纳成为全球硬盘标准,这样就产生了 ATA。

ATA 一共有 7 个版本。

- SATA (Serial ATA)

SATA 1.0 提供 150 MB/s 的高峰传输速率,相对于 IDE,功耗也有所降低,接口也变得更小。

SATA 2.0 则升级为 300m/s。

而 3.0 运行速度 6Gb/s, 最高传输速度可达 600m/s,速度再翻一番。

- mSATA (mini-SATA, SATA 3.1)

时间再往后推,硬盘从主流的 3.5 都换成了 2.5,更小尺寸的存储设备也都普及了,SATA 的接口显得过于巨大,小巧的设备需要更小巧的接口。

SATA 协会推出新的 mSATA 接口。

它走的通道是 PCIe,理论传输速率可达 6 G/s。

- M.2

由于 SSD 的飞速发展,mSATA 刚推出不久,M.2 接口就来了。其是 Intel 带领制定的新一代接口标准,具有体积更小,接口更快的特点。

M.2 在设计之初,借鉴 mSATA 的缺陷,在兼容性上做了改进,根据金手指缺口区分 PCIe/SATA 总线

  • Socket 2:支持 SATA 3(6Gbps 速率PCIe x2 总线,降低生产成本。
  • Socket 3:为高性能设计,支持 PCIe 3.0 x4,提升性能,弥补 mSATA 的遗憾。

B+M keyed drive (left, Socket 2) and a M keyed drive (right, Socket 3)

目前 M.2 SSD 的主要规格有 3 种,主要是长度不一样,通过长度增加容量。


iMac 中的标准

看完这些,再看 iMac 中,你会发现,它用的是 mSATA 的接口,但却突破了 600 MB/s 的速度限制,怎么做到的?

因该是主板做了一些变通,直接连到了 PCIe 总线上(猜测)。


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