本文屬于“硬核”科普系列的第二篇——接口，本系列的起源亦即第一篇——總線【傳送門：“硬核”科普系列之總線】

第一篇本著言簡(jiǎn)意賅的目的，完成時(shí)感覺篇幅還是長(zhǎng)了點(diǎn)。。。接口這篇，發(fā)現(xiàn)能講得更多，索性根據(jù)日常打交道情況，再度整理細(xì)分為三個(gè)主題：視頻接口、USB接口和硬盤接口。

跟計(jì)算機(jī)打交道，自然繞不開接口這個(gè)話題。身處大數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾院蜔o處不在讓接口成了每個(gè)現(xiàn)代人都必備的基礎(chǔ)知識(shí)，所以來幾篇全面又簡(jiǎn)潔的科普文漲漲芝士就顯得很有必要了！

三篇接口文均整理自網(wǎng)絡(luò)，用于自我學(xué)習(xí)的記錄與總結(jié)，也希望能對(duì)同樣渴望知識(shí)的網(wǎng)友們有所幫助，出處注于文末。

本篇是下：硬盤接口。

上篇傳送：“硬核”科普系列之接口（上：視頻），中篇傳送：“硬核”科普系列之接口（中：USB）

首先，要明確總線，協(xié)議與接口的概念及它們之間關(guān)系：

總線，其實(shí)就是一條通道。就像公路，公路的大小與車速，決定了公路上的最大車流量，而總線的位寬大小與傳輸頻率，決定了在一次數(shù)據(jù)傳輸中能提供的最大速度。

接口，就是平時(shí)我們用時(shí)要接入的插口，類似公路的不同出入口。

協(xié)議，就是數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?，不同?jí)別公路會(huì)配套實(shí)行不同的交通規(guī)則，不同接口/總線/設(shè)備也就會(huì)有不同協(xié)議。傳輸協(xié)議限定著硬盤（確切說是硬盤控制器，即常說的主控）與控制器（南橋等）如何傳輸，每當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)控制器，傳輸協(xié)議就規(guī)定這些數(shù)據(jù)以何種方法傳輸?shù)酱鎯?chǔ)設(shè)備上。比如，一次限制傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小，一傳輸數(shù)據(jù)的間隔，傳輸方式等等，從而規(guī)范數(shù)據(jù)的傳輸規(guī)則。

簡(jiǎn)單來說，就是接口連接在總線上面, 按照協(xié)議來傳輸數(shù)據(jù)。

英文全稱為Advanced Technology Attachment，俗稱PATA并口（Serial ATA于2002年推出后，為避免混淆，原有的ATA改名為PATA）。采用傳統(tǒng)的40-pin并口數(shù)據(jù)線連接主板與硬盤，外部接口速度最大為133MB/s，因?yàn)椴⒖诰€的抗干擾性太差，且排線占空間，不利計(jì)算機(jī)散熱，已被SATA取代。

即Serial ATA。2001年，由Intel、APT、Dell、IBM、希捷、邁拓這幾大廠商組成的Serial ATA委員會(huì)正式確立了Serial ATA 1.0規(guī)范，2002年，雖然串行ATA的相關(guān)設(shè)備還未正式上市，但Serial ATA委員會(huì)已搶先確立了Serial ATA 2.0規(guī)范。Serial ATA采用串行連接方式，串行ATA總線運(yùn)用嵌入式時(shí)鐘信號(hào)，具備了更強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，與以往相比其最大的分別在于能對(duì)傳輸指令（不僅僅是數(shù)據(jù)）進(jìn)行檢查如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤會(huì)自動(dòng)矯正。

英文全稱為Peripheral Component Interconnect（外圍設(shè)備互聯(lián)）- Express。最新一代的I/O總線技術(shù)，PCIe屬于高速串行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙通道高帶寬傳輸，所連接的設(shè)備分配獨(dú)享通道帶寬，不共享資源，突破的系統(tǒng)I/O帶寬的瓶頸，主要支持主動(dòng)電源管理，錯(cuò)誤報(bào)告，端對(duì)端的可靠性傳輸，熱插拔以及服務(wù)質(zhì)量（QOS）等功能。PCIe是一種共享總線，可以說是一切的根，所有外設(shè)都是由它演化而來。

英文全稱為Small Computer System Interface（小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口）。SCSI并不是專門為硬盤規(guī)劃的接口，而是一種廣泛使用于小型機(jī)上的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。SCSI接口具有使用范圍廣、多任務(wù)、帶寬大、處理器占用率低，以及熱插拔等優(yōu)點(diǎn)，但較高的價(jià)格使得它很難如IDE硬盤般普及，因此SCSI硬盤主要使用于中、高端服務(wù)器和高檔工作站中。

民用領(lǐng)域有PATA到SATA的進(jìn)步，服務(wù)器領(lǐng)域也有SCSI到SAS。SAS（Serial Attached SCSI，串行連接SCSI）是新一代的SCSI技術(shù)，和現(xiàn)在流行的Serial ATA（SATA）硬盤相同，都是采用串行技術(shù)以獲得更高的傳輸速度。并通過縮短連結(jié)線改善內(nèi)部空間等。SAS是并行SCSI接口之后開發(fā)出的全新接口。此接口的規(guī)劃是為了改善儲(chǔ)存系統(tǒng)的效能、可用性和擴(kuò)充性，并且提供與SATA硬盤的兼容性。SAS同樣也已經(jīng)更新了三代了，SAS1.0達(dá)到了3Gbps，每代翻2倍。SAS控制器是可以兼容SATA硬盤，但SATA控制器不能兼容SAS硬盤。

一種基于網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議下誕生的接口，起源于SCSI，但在速度上遠(yuǎn)超SCSI，最新的FC通道速度達(dá)到了16Gbps。很少見，知道就行了。

英文全稱為Integrated Drive Electronics（集成驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備）。老牌的硬盤傳輸協(xié)議，很多人經(jīng)常會(huì)和PATA（ATA）搞混淆。一般說來，ATA是一種控制器技術(shù)，而IDE是一種匹配它的磁盤驅(qū)動(dòng)器技術(shù)，但是兩個(gè)術(shù)語經(jīng)?？梢曰ビ?/span>。

可連接兩個(gè)IDE裝置的ATA扁平電纜示意圖

IDE作為非常老牌的傳輸協(xié)議，為計(jì)算機(jī)能夠更輕松地操作硬盤數(shù)據(jù)起到了非常重要的作用。但是隨著計(jì)算機(jī)對(duì)速度的需求，與其配備的總線（ATA-133）以及自身的功能都太少了，漸漸被AHCI與SATA所淘汰。

英文全稱為Serial ATA Advanced Host Controller Interface（串行ATA高級(jí)主控接口/高級(jí)主機(jī)控制器接口），是一種由英特爾制定的技術(shù)協(xié)議。AHCI與SATA接口相匹配，它允許軟件與SATA儲(chǔ)存裝置溝通的硬件機(jī)制，可讓SATA儲(chǔ)存裝置啟用進(jìn)階SATA功能，例如原生指令隊(duì)列及熱插入。相比于IDE，其每次傳輸傳輸一個(gè)隊(duì)列中，攜帶32條指令，同時(shí)優(yōu)化了硬盤隊(duì)列【NCQ技術(shù)：原生指令排序（Native Command Queuing，簡(jiǎn)稱NCQ），是改善服務(wù)器硬盤訪問控制的技術(shù)，可以提高硬盤效能和延長(zhǎng)硬盤壽命】，減少磁頭移動(dòng)帶來的時(shí)間浪費(fèi)，使硬盤能夠快速讀取數(shù)據(jù)。

由于AHCI本身是為高延遲的機(jī)械硬盤而設(shè)計(jì)，SATA接口的AHCI協(xié)議無法完全發(fā)揮固態(tài)硬盤的閃存性能，NVMe應(yīng)運(yùn)而生。

如上文所述，為了能夠讓SSD更好的發(fā)揮速度優(yōu)勢(shì)，NVMe隨之產(chǎn)生。NVM Express，縮寫NVMe，全稱為Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification（縮寫NVMHCI），可譯作「非易失性內(nèi)存主機(jī)控制器接口規(guī)范」。

NVMe是一種建立在M.2接口上的協(xié)議，專門為閃存類存儲(chǔ)而設(shè)計(jì)。與AHCI類似，NVMe是基于設(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），主要用于訪問通過PCIe總線與計(jì)算機(jī)連接的非易失性內(nèi)存設(shè)備（例如采用閃存的固態(tài)硬盤），雖然理論上不一定要求PCIe總線標(biāo)準(zhǔn)。相比于AHCI，NVMe單次提供64*1024個(gè)請(qǐng)求隊(duì)列，每個(gè)隊(duì)列達(dá)到了64*1024個(gè)請(qǐng)求，遠(yuǎn)超AHCI單隊(duì)列32個(gè)請(qǐng)求的規(guī)模。NVMe可以說完全釋放了傳輸協(xié)議的限制，而為了能夠與傳輸協(xié)議的速度匹配，使用NVMe的設(shè)備都直接連接到了PCIe總線上，更直接的總線連接為NVMe設(shè)備提供絕對(duì)強(qiáng)大的傳輸速度。

NVMe充分利用PCI-E通道的低延時(shí)以及并行性，還有當(dāng)代處理器、平臺(tái)與應(yīng)用的并行性，在可控制的存儲(chǔ)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(shí)，徹底解放SATA時(shí)代固態(tài)硬盤的極致性能。NVMe的具體優(yōu)勢(shì)包括：

• 性能有數(shù)倍的提升；
• 可降低延遲超過50%；
• NVMe可以把最大隊(duì)列深度從32提升到64000，SSD的IOPS能力也會(huì)得到大幅提升；
• 自動(dòng)功耗狀態(tài)切換和動(dòng)態(tài)能耗管理功能大大降低功耗；
• NVMe協(xié)議的出現(xiàn)解決了不同PCIe SSD之間的驅(qū)動(dòng)適用性問題，支持未來十年技術(shù)發(fā)展的可擴(kuò)展能力；

低延時(shí)和良好的并行性的優(yōu)勢(shì)就是可以讓SSD的隨機(jī)性能得到大幅度提升。電腦王的一項(xiàng)NVMe和AHCI的對(duì)比測(cè)試表明，不管是在效能測(cè)試或影片轉(zhuǎn)檔應(yīng)用上，NVMe可說是擁有相當(dāng)強(qiáng)勁的讀寫效能，尤其是在4K讀寫效能上，更是完勝支持AHCI。

硬盤通過接口與計(jì)算機(jī)主板進(jìn)行連接，而硬盤的讀取和寫入速度與接口有很大關(guān)系。大家都見過大禮堂吧，大禮堂中可以容納很多人，但是如果只有一扇很小的門，那么人是很難進(jìn)入或出來的，這樣會(huì)造成擁堵，甚至?xí)霈F(xiàn)事故。機(jī)械硬盤的讀取和寫入也是一樣的，如果接口的性能很差，則同樣會(huì)影響機(jī)械硬盤的性能。

目前，常見的機(jī)械硬盤接口有以下幾種：

英文全稱為Integrated Drive Eectronics（電子集成驅(qū)動(dòng)器），也稱作ATA硬盤或PATA硬盤，并口。IDE是早期機(jī)械硬盤的主要接口，ATA-133硬盤的理論速度可以達(dá)到133MB/s（此速度為理論平均值）。

SATA是速度更高的硬盤接口，具備了更高的傳輸速度，并具備了更強(qiáng)的糾錯(cuò)能力。目前已經(jīng)是SATA 3.0，理論傳輸速度達(dá)到600MB/s（此速度為理論平均值）。

作為目前應(yīng)用最多的硬盤接口，SATA 3.0接口最大的優(yōu)勢(shì)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。需要注意的是，eSATA，mSATA，mini-SATA甚至是SATA Express接口實(shí)際上都只是SATA接口的變種而已。尤其SATA Express接口，從推出起就沒多少人用過，相當(dāng)失敗，大部分人都只把它當(dāng)兩個(gè)SATA口拆開用。

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(jí)本這類超薄設(shè)備的使用環(huán)境，針對(duì)便攜設(shè)備開發(fā)的mSATA接口應(yīng)運(yùn)而生?？梢园阉醋鳂?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mini PCIe接口是一樣的。

mSATA接口是SSD小型化的一個(gè)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(jí)潛力的M.2 SSD所取代。

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Next Generation Form Factor。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(zhǎng)可以做到110mm，可以提高SSD容量。M.2 SSD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(zhǎng)度則各不相同。

不僅僅是長(zhǎng)度，M.2的接口也有兩種不同的規(guī)格，分別是socket2（SATA/PCIe 2X）和socket3（PCIe 4X）：

看似都是M.2接口，但其支持的總線和協(xié)議不同，對(duì)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(gè)是SATA總線，一個(gè)是PCIe總線。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PCIe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。M.2支持的協(xié)議也有兩種：AHCI和NVMe，后者相較前者的優(yōu)勢(shì)，在上節(jié)已做討論。

多用于服務(wù)器的接口，也是支持NVMe協(xié)議，與M.2本質(zhì)區(qū)別不大。可以說它和M.2的關(guān)系類似SATA與mSATA的關(guān)系。

在傳統(tǒng)SATA硬盤中，當(dāng)我們進(jìn)行數(shù)據(jù)操作時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)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(jì)算，計(jì)算后寫入內(nèi)存，存儲(chǔ)至硬盤中；而PCIe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(jiǎn)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傳輸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于SATA SSD。

PCIe接口通道分為：PCIe 1X，4X，8X，16X等，可以滿足未來一段時(shí)間的使用，而且早期PCIe硬盤不能做啟動(dòng)盤的問題早已解決，現(xiàn)在旗艦級(jí)SSD大多會(huì)選擇PCIe接口。

雖然PCIe SSD有諸多好處，但也不是每個(gè)人都適合。PCIe SSD由于閃存顆粒和主控品質(zhì)問題，總體成本較高，相比傳統(tǒng)SATA固態(tài)硬盤價(jià)格貴一些。另外，由于PCIe會(huì)占用總線通道，入門以及中端平臺(tái)CPU通道數(shù)較少，都不太適合添加PCIe SSD，只有Z170，或者是X79、X99這樣頂級(jí)平臺(tái)，才可以完全發(fā)揮PCIeSSD的性能。總的來說，如果你是一個(gè)不差錢的土豪，那么就 PCIe SSD吧！

VPX無標(biāo)準(zhǔn)，信號(hào)自定義，是定制化的。

USB DOM

有關(guān)硬盤的詳細(xì)知識(shí)，比如構(gòu)造、原理、類別及選購(gòu)建議，請(qǐng)見硬核系列最后一篇：“硬核”科普系列之硬盤

參考資料：

http://c./view/879.html

https://blog.csdn.net/ds1130071727/article/details/95355718

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI3NTIzNTYwMQ%3D%3D&mid=2247483930&idx=1&sn=4cd2a151f0c35a0a18253c7c10eda988&scene=45

https://blog.csdn.net/qq_39560607/article/details/81714143

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