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SATA、mSATA、M.2、M.2（NVMe）、PCIE固態(tài)硬盤接口詳解（轉(zhuǎn)）
發(fā)布時(shí)間：2022-08-23 點(diǎn)擊：576
發(fā)布時(shí)間：2022-08-23 點(diǎn)擊：576
固態(tài)硬盤
概念
固態(tài)驅(qū)動(dòng)器（Solid State Drive），俗稱固態(tài)硬盤，固態(tài)硬盤是用固態(tài)電子存儲(chǔ)芯片陣列而制成的硬盤，因?yàn)榕_(tái)灣英語(yǔ)里把固體電容稱之為Solid而得名。SSD由控制單元和存儲(chǔ)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℃）工規(guī)產(chǎn)品（-40~85℃）。雖然成本較高，但也正在逐漸普及到DIY市場(chǎng)。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(chǔ)器廠商。廠商只需購(gòu)買NAND存儲(chǔ)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.2 NVME/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，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。
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(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 PCI-E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(lái)，反而被更具升級(jí)潛力的M.2 SSD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”和”socket3”
看似都是M.2接口，但其支持的協(xié)議不同，對(duì)其速度的影響可以說是千差萬(wàn)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)
NVM Express（NVMe），或稱非易失性內(nèi)存主機(jī)控制器接口規(guī)范(Non-Volatile Memory express),是一個(gè)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(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(lái)的高延時(shí)，徹底解放SATA時(shí)代固態(tài)硬盤的極致性能。
NVMe具體優(yōu)勢(shì)包括：
①性能有數(shù)倍的提升；
②可大幅降低延遲；
③NVMe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；
④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；
⑤NVMe標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)解決了不同PCIe SSD之間的驅(qū)動(dòng)適用性問題。
延時(shí)更低：
說到NVMe標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比AHCI標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)，其中之一就是低延時(shí)。因?yàn)锳HCI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(chǔ)時(shí)出現(xiàn)的高延遲，就是其要解決的問題之一。
NVMe SSD可有效降低延遲（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
在軟件層方面，NVMe標(biāo)準(zhǔn)的延時(shí)只有AHCI的一半不到，NVMe精簡(jiǎn)了調(diào)用方式，執(zhí)行命令時(shí)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(huì)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(gè)重點(diǎn)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(cuò)的SATA接口SSD，最多只會(huì)測(cè)試到隊(duì)列深度為32的IOPS能力，其實(shí)終究原因這是AHCI的上限，其實(shí)許多閃存主控可以提供更好的隊(duì)列深度。而NVMe則可以把最大隊(duì)列深度從32提升到64000，SSD的IOPS能力也會(huì)得到大幅提升。
隊(duì)列深度的大幅提升（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
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，這是950PRO系列SSD的現(xiàn)場(chǎng)跑分，它的隨機(jī)性能表現(xiàn)絕對(duì)是一流的，在任何隊(duì)列深度下都能發(fā)揮出極佳的速度。
功耗更低：
更先進(jìn)的能耗管理（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
NVMe加入了自動(dòng)功耗狀態(tài)切換和動(dòng)態(tài)能耗管理功能，設(shè)備從能耗狀態(tài)0閑置50ms后可以迅速切換到能耗狀態(tài)1，在500ms閑置后又會(huì)進(jìn)入能耗更低的狀態(tài)2。雖然切換能耗狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生短暫延遲，但閑置時(shí)這兩種狀態(tài)下的功耗可以控制在非常低的水平，因此在能耗管理上，相比起主流的SATA接口SSD擁有較大優(yōu)勢(shì)，這一點(diǎn)對(duì)增加筆記本電腦等移動(dòng)設(shè)備的續(xù)航尤其有幫助。
驅(qū)動(dòng)適用性廣：
主流操作系統(tǒng)逐漸開始支持NVMe（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
NVMe標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)解決了不同PCIe SSD之間的驅(qū)動(dòng)適用性問題，NVMe SSD可以很方便的匹配不同的平臺(tái)、系統(tǒng)，無(wú)需廠家提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)就可以正常工作，目前Windows、Linux、Solaris、Unix、VMware、UEFI等都加入了對(duì)NVMe SSD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(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(jiǎn)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-E SSD傳輸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于SATA SSD。
目前PCI-E接口通道有PCI-E 2.0 x2及PCI-E 3.0 x4兩種，最大速度達(dá)到32Gbps，可以滿足未來(lái)一段時(shí)間的使用，而且早期PCI-E硬盤不能做啟動(dòng)盤的問題早解決，現(xiàn)在旗艦級(jí)SSD大多會(huì)選擇PCI-E接口。
雖然PCI-E SSD有諸多好處，但也不是每個(gè)人都適合。PCI-E 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PCI-E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PCI-E 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PCI-E SSD的性能?？偟膩?lái)說，如果你是一個(gè)不差錢的土豪，那么就 PCI-E SSD吧！
好了，帶客官看過這么多固態(tài)硬盤的接口，相信這篇文章也一定能讓你學(xué)到不少的知識(shí)。對(duì)于固態(tài)硬盤又多了更多的了解，希望可以幫助到大家。
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版權(quán)聲明：本文為CSDN博主「shuai0845」的原創(chuàng)文章，遵循CC 4.0 BY-SA版權(quán)協(xié)議，轉(zhuǎn)載請(qǐng)附上原文出處鏈接及本聲明。
原文鏈接：https://blog.csdn.net/shuai0845/article/details/98330290
概念
固態(tài)驅(qū)動(dòng)器（Solid State Drive），俗稱固態(tài)硬盤，固態(tài)硬盤是用固態(tài)電子存儲(chǔ)芯片陣列而制成的硬盤，因?yàn)榕_(tái)灣英語(yǔ)里把固體電容稱之為Solid而得名。SSD由控制單元和存儲(chǔ)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℃）工規(guī)產(chǎn)品（-40~85℃）。雖然成本較高，但也正在逐漸普及到DIY市場(chǎng)。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(chǔ)器廠商。廠商只需購(gòu)買NAND存儲(chǔ)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.2 NVME/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，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。
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(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 PCI-E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(lái)，反而被更具升級(jí)潛力的M.2 SSD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”和”socket3”
看似都是M.2接口，但其支持的協(xié)議不同，對(duì)其速度的影響可以說是千差萬(wàn)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)
NVM Express（NVMe），或稱非易失性內(nèi)存主機(jī)控制器接口規(guī)范(Non-Volatile Memory express),是一個(gè)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(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(lái)的高延時(shí)，徹底解放SATA時(shí)代固態(tài)硬盤的極致性能。
NVMe具體優(yōu)勢(shì)包括：
①性能有數(shù)倍的提升；
②可大幅降低延遲；
③NVMe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；
④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；
⑤NVMe標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)解決了不同PCIe SSD之間的驅(qū)動(dòng)適用性問題。
延時(shí)更低：
說到NVMe標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比AHCI標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)，其中之一就是低延時(shí)。因?yàn)锳HCI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(chǔ)時(shí)出現(xiàn)的高延遲，就是其要解決的問題之一。
NVMe SSD可有效降低延遲（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
在軟件層方面，NVMe標(biāo)準(zhǔn)的延時(shí)只有AHCI的一半不到，NVMe精簡(jiǎn)了調(diào)用方式，執(zhí)行命令時(shí)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(huì)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(gè)重點(diǎn)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(cuò)的SATA接口SSD，最多只會(huì)測(cè)試到隊(duì)列深度為32的IOPS能力，其實(shí)終究原因這是AHCI的上限，其實(shí)許多閃存主控可以提供更好的隊(duì)列深度。而NVMe則可以把最大隊(duì)列深度從32提升到64000，SSD的IOPS能力也會(huì)得到大幅提升。
隊(duì)列深度的大幅提升（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
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，這是950PRO系列SSD的現(xiàn)場(chǎng)跑分，它的隨機(jī)性能表現(xiàn)絕對(duì)是一流的，在任何隊(duì)列深度下都能發(fā)揮出極佳的速度。
功耗更低：
更先進(jìn)的能耗管理（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
NVMe加入了自動(dòng)功耗狀態(tài)切換和動(dòng)態(tài)能耗管理功能，設(shè)備從能耗狀態(tài)0閑置50ms后可以迅速切換到能耗狀態(tài)1，在500ms閑置后又會(huì)進(jìn)入能耗更低的狀態(tài)2。雖然切換能耗狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生短暫延遲，但閑置時(shí)這兩種狀態(tài)下的功耗可以控制在非常低的水平，因此在能耗管理上，相比起主流的SATA接口SSD擁有較大優(yōu)勢(shì)，這一點(diǎn)對(duì)增加筆記本電腦等移動(dòng)設(shè)備的續(xù)航尤其有幫助。
驅(qū)動(dòng)適用性廣：
主流操作系統(tǒng)逐漸開始支持NVMe（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
NVMe標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)解決了不同PCIe SSD之間的驅(qū)動(dòng)適用性問題，NVMe SSD可以很方便的匹配不同的平臺(tái)、系統(tǒng)，無(wú)需廠家提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)就可以正常工作，目前Windows、Linux、Solaris、Unix、VMware、UEFI等都加入了對(duì)NVMe SSD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(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(jiǎn)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-E SSD傳輸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于SATA SSD。
目前PCI-E接口通道有PCI-E 2.0 x2及PCI-E 3.0 x4兩種，最大速度達(dá)到32Gbps，可以滿足未來(lái)一段時(shí)間的使用，而且早期PCI-E硬盤不能做啟動(dòng)盤的問題早解決，現(xiàn)在旗艦級(jí)SSD大多會(huì)選擇PCI-E接口。
雖然PCI-E SSD有諸多好處，但也不是每個(gè)人都適合。PCI-E 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PCI-E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PCI-E 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PCI-E SSD的性能?？偟膩?lái)說，如果你是一個(gè)不差錢的土豪，那么就 PCI-E SSD吧！
好了，帶客官看過這么多固態(tài)硬盤的接口，相信這篇文章也一定能讓你學(xué)到不少的知識(shí)。對(duì)于固態(tài)硬盤又多了更多的了解，希望可以幫助到大家。
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