硬盘的接口，总线，协议知识点总结

在服务器测试中,关于storage的测试是非常多的,我们会接触很多的盘,比如nvme,m.2,SSD等.当然也有不少概念和协议之类的东西,比如:SATA，PCIe，M.2，NVMe…这些名词想必大家也见得多了，总线，协议，接口也听得耳朵长茧了，但它们分别表示什么，有什么作用呢？作为服务器测试人员,就很有必要对这些知识有一定的了解。
一 .机械硬盘和固态硬盘的区分
机械硬盘即是传统普通硬盘，主要由：盘片，磁头，盘片转轴及控制电机，磁头控制器，数据转换器，接口，缓存等几个部分组成。磁头可沿盘片的半径方向运动，加上盘片每分钟几千转的高速旋转，磁头就可以定位在盘片的指定位置上进行数据的读写操作。信息通过离磁性表面很近的磁头，由电磁流来改变极性方式被电磁流写到磁盘上，信息可以通过相反的方式读取。硬盘作为精密设备，尘埃是其大敌，所以进入硬盘的空气必须过滤。

我们常用来测试的大HDD,如下图所示：就是机械硬盘

固态硬盘，英文名Solid State Disk或Solid State Drive，是一种以存储器作为永久性存储器的电脑存储设备。虽然SSD已不是使用“碟盘”来记存数据，也没有用于“驱动”的马达，但是人们依照命名习惯，仍然称为固态硬盘或固态驱动器。固态硬盘分易失性与非易失性两种，我们着重研究更适合作为传统硬盘替代品的非易失性固态硬盘。非易失性固态硬盘中数据的存取主要由NAND Flash及其主控芯片来实现，没有活动的机械部件，为纯芯片结构。
二.机械硬盘和固态的硬盘的区别

1.形态上

一般情况下，硬盘的形态都是通过接口区分的。常见的HDD形态只有一种，即SATA，其有2.5英寸和3.5英寸两个版本，两者差别就是个头大小，其中2.5英寸出现在笔记本中，两种形态都可出现在台式机中。

常见的SSD形态要多一些，包括SATA（常见只有2.5英寸）、mSATA、M.2、PCIe等，常见的为2.5英寸SATA和M.2，而M.2有多种长度版本，常见三种，分别为2242、2260和2280（笔记本中常见）。大家看下图会更加清晰明了，注意下图的大小与实物没有比例关系（M.2要比2.5英寸硬盘小）。机械硬盘的体积要比固态硬盘大，所以重量也要比固态硬盘重；

2.内部结构

虽然SSD和HDD都能存储内容，但两者结构完全不一样。HDD内部有马达、碟片、磁头等机械结构，工作时碟片转动，所以HDD工作时会有轻微震动，并且伴有声音。

SSD的内部结构更像是U盘，拥有主控、闪存芯片等。由于工作的时候没有机械结构转动或移动，所以SSD工作的时候没有震动，也不会有声音。

由于两者在结构上的不同，所以SSD与HDD的特性区别非常明显。由于HDD在运行时需要转动，所以抗震能力和性能比较弱，而且待机转动时功耗也更高一些（停转除外），读写时会有明显“吱”的声响；由于SSD没有机械结构转动，所以抗震能力很强，性能也更好，同时功耗也低很多，工作时没有声音。

另外容量方面，2.5英寸HDD的容量可以做到最高4TB，主流为1TB和2TB，而SSD即使迎来QLC，目前主流容量还集中在256GB和512GB。SSD是完全可以做大容量的，但由于价格问题，中等容量SSD更容易被接受。

3.读写速度
因为SSD的读写速度远超HDD。一般情况下，HDD的持续读写最高大约200MB/s左右，但普通SATA SSD可以轻松实现500MB/s的读写速度，固态硬盘的读写速度要比机械硬盘的读写速度高，一般要高2倍左右的速度读写能力。另外有一点很重要的是，固态硬盘内部都是使用闪存颗粒的芯片，而机械硬盘是将数据储存在磁碟扇区里，当使用的时候出现碰撞的问题，固态硬盘能够将数据丢失的可能性降到最小，相比这点机械硬盘就要差很多了。
4.售价
虽然SSD相比HDD，在速度、功耗、噪音等方面有着诸多优势，但在价格方面，固态硬盘售价要比机械硬盘贵很多。在一般情况下，台式电脑中的基本都是机械硬盘，但随着固态硬盘的发展，随着市场和用户的各种需求，固态硬盘渐渐成为用户选购的重心。。一般1TB 2.5英寸HDD的价格大约在275元左右，而1TB SSD的价格就高多了，大品牌旗下价格大约在850元-1300元之间，小品牌旗下价格可以做到500元-600元。
三. 硬盘的接口
硬盘接口决定着硬盘与计算机之间的连接速度，所以硬盘接口是大家不能小觑的元件。为了大家更好的掌握硬盘接口相关知识，今天详细解说硬盘接口的类型。

硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件，作用是在硬盘缓存和主机内存之间传输数据。不同的硬盘接口决定着硬盘与计算机之间的连接速度，在整个系统中，硬盘接口的优劣直接影响着程序运行快慢和系统性能好坏。
机械硬盘的接口
1. IDE接口（Integrated Drive Electronics，电子集成驱动器） IDE（Integrated Drive Electronics，电子集成驱动器），包括PIO(Programming I/O)和DMA(Direct Memory Access) 两种传输模式。

ATA（Advanced Technology Attachment，高技术配置），ATA本身可以支持串行或并行。最快的并行ATA(即ATA/133)所能达到133MB/sec，现在市场上几乎没有IDE接口的硬盘了。

IDE接口的硬盘价格低廉、兼容性强、性价比高。但是，数据传输速度慢、线缆长度过短、连接设备少、不支持热插拔、接口速度的可升级性差。
2.SATA接口（Serial ATA，串行ATA）

SATA（Serial ATA，串行ATA，Serial Advanced Technology Attachment），速度比IDE接口更快，SATA不依赖系统总线的带宽，而是内置时钟频率，支持热插拔。SATA 3.0最大的改进之处，就是将总线最大传输带宽提升到6Gbps，实际传输速度大约600MB/S（理论为6Gbps/8=768MB/S)

现在市场上大部分机械硬盘接口几乎都是SATA。虽然SATA具备了热插拔的规范，但连接缆线多是设计给内接式硬盘使用，最大插拔次数仅约200次，超过此插拔数目，缆线接头便会劣化，甚至有可能造成硬盘的损坏。

SATA与并行ATA的不同并行ATA数据线由80根线组成，非常宽；SATA数据线仅有7根弦，较窄，不会影响机箱内部散热风流。SATA数据线最远传输距离可达1米，更有利于机箱内部走线，保障系统散热。

3、SCSI接口（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口）

SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口），使用50针接口，外观和普通硬盘接口有些相似。用在服务器上面比较多，速度快，稳定性很好，比较适合做磁盘阵列。 SCSI的进化型是SAS（Serial Attached SCSI，串行SCSI），而SCSI并不是专门为硬盘设计的接口，是一种广泛应用于小型机上的高速数据传输技术。SCSI接口具有应用范围广、多任务、带宽大、CPU占用率低，以及热插拔等优点。

4、SAS（Serial Attached SCSI，串行SCSI）
SAS（Serial Attached SCSI，串行SCSI）是新一代的SCSI技术，和现在流行的Serial ATA(SATA)硬盘相同，都是采用串行技术以获得更高的传输速度，并通过缩短连结线改善内部空间等。SAS是并行SCSI接口之后开发出的全新接口，此接口的设计是为了改善存储系统的效能、可用性和扩充性，并且提供与SATA硬盘的兼容性。

固态硬盘的接口

1.SATA 3.0是最为常见的固态硬盘接口

这是SATA Revision 3.0（简称SATA3.0或SATA 6Gbps）它代表所使用的是SATA Revision 3.0标准，速度更快，相对SATA Revision 2.0.SATA是硬盘接口的标准规范，事实上，SATA 6Gbps接口是一个不太规范的说法，正确说法是SATA III（SATA3.0），接口速度是6Gbps。当然，大家都习惯这么说。这是市面上最常见的机械硬盘/固态硬盘接口，大多数人买的硬盘都是在用这种接口.

SATA3.0接口

SATA 6Gbps（SATA3.0）最大优势就是非常成熟，能够发挥出主流SSD最大性能。需要注意的是，一些老电脑的主板，可能仅有SATA2.0，这类接口由于最大支持的速度有限，无法完全发挥出SSD的性能，因此一些老爷机或者比较老主板的电脑用户，一般不建议升级SSD，除非更换支持SATA3.0的主板。

2、mSATA接口

mSATA接口，全称迷你版SATA接口（mini-SATA）。是早期为了更适应于超级本这类超薄设备的使用环境，针对便携设备开发的mSATA接口应运而生。可以把它看作标准SATA接口的mini版，而在物理接口上（也就是接口类型）是跟mini PCI-E接口是一样的。

mSATA接口是SSD小型化的一个重要过程，不过mSATA依然没有摆脱SATA接口的一些缺陷，比如依然是SATA通道，速度也还是6Gbps。诸多原因没能让mSATA接口火起来，反而被更具升级潜力的M.2 SSD所取代。

3、M.2接口

M.2接口是Intel推出的一种替代mSATA的新的接口规范，也就是我们以前经常提到的NGFF，即Next Generation Form Factor。，主要用来取代mSATA接口。不管是从非常小巧的规格尺寸上讲，还是说从传输性能上讲，这种接口要比mSATA接口好很多。正是因为SATA的接口瓶颈越来越突出，现在很多主板厂商都开始在产品线上预留出M.2接口。

M.2接口则是固态硬盘独有的。最近几年新出的主板一般都带有这种接口，一些高端主板甚至会有两个M.2接口，足以满足用户的需要。

这种接口的固态硬盘根据传输协议不同分为M.2接口（SATA总线）、M.2接口（NVMe协议）两种。

M.2接口（SATA总线）：这种固态硬盘虽说是M.2接口，但它的数据传输走的还是SATA通道，因为这种固态硬盘所支持的AHCI协议是针对SATA接口设计的。

这是一种由英特尔制定的技术标准，它的英文全称为Advanced Host Controller Interface，中文意思为进阶主机控制器接口。它是一种让软件与SATA储存装置进行沟通的硬件机制，可让SATA储存装置启用进阶SATA功能，如热插拔。但它的读写速度不及NVMe协议。

M.2接口（NVMe协议）：NVMe是NVM Express的进一步缩写，它与AHCI类似，二者都属于总线传输协议规范。但NVMe是通过PCI Express（PCIe）总线与计算机连接的非易失性内存装置。

这是是新一代的总线接口，拥有延时低、并行性强的优点。所以，支持NVMe协议的固态硬盘传输速度更快，能耗更低。

需要注意的是，NVMe协议需要操作系统、主板、固态三者全部支持才可开启。如果你想要购买一块基于NVMe协议的M.2接口固态硬盘，需要查看下自己的主板是否支持。

4、PCI-E接口：

如果说SATA固态硬盘是固态硬盘中的老大哥，PCI-E接口就是固态硬盘接口中的贵族，与闪存颗粒可以说是天生一对，能够非常好的展现闪存的读写速度。

PCI-E是PCI Express的简写，是新一代的总线接口，是由20多家业界主导公司共同起草并完成的新技术规范，采用点对点的串行连接，可以将数据传输率提高到一个很高的频率，以此提供更高的带宽。

而PCI Express的接口根据总线位宽不同，还可分为X1、X4、X8和X16。目前使用较多的是PCIe X4，市面上流通较多的是PCI-E 2.0版本和3.0版本，对应的X4带宽为16Gbps/32Gbps，折算成传输速率约为2GB/s和3.93GB/s，相比SATA接口，这已经是非常恐怖的速率了。

当然，另一方面，PCI-E接口的固态硬盘，其价格昂贵到令许多普通用户望而却步，无法承受，多数使用这类接口的用户都是游戏发烧友，或者设计师这一类，对性能要求很高又有不错的经济实力的用户群体。

5、SATA Express接口

在SATA 6Gbps速度之后，SATA接口再想提升速度就比较困难了。SAS接口虽然说能达到12Gbps的速度，不过这也只是针对企业级市场，并且对原接口做了很大变动，而且后者的成本更大。但是，面对消费市场时就不能这样了，必须考虑到现实问题，SATA-IO最终拿出了SATA Express接口的解决方案。

SATA Express接口

SATA-Express是SATA接口 +PCI-Express 的混合体，其理论带宽达10Gbps，比SATA3.0高了4Gbps，它能兼容SATA标准的老硬盘，也能使用SATA-Express接口的高速SSD，每个SATA-Express接口可以接1个SATA-Express硬盘，或者2个SATA硬盘。

其实，它的物理接口是由SATA 6Gbps接口改造而来，已经在市场上推出了好几年。不过，从目前市场占有率来看，该产品还有很长一段普及之路。该产品做得唯一比较明智的地方就是向下兼容了SATA 6Gbps接口。

6、U.2接口
U2的别称是SFF-8639，是由固态硬盘形态工作组织（SSD Form Factor Work Group）推出的接口规范。U.2不但能支持SATA-Express规范，还能兼容SAS、SATA等规范。U.2接口的最大特色就是高速低延迟低功耗，支持NVMe标准协议，并且走的是PCI-E 3.0 x4通道，理论传输速度高达32Gbps，而SATA只有区区6Gbps，比SATA快了足足5倍多。因此大家可以把它当做是四通道版本的SATA-Express接口。比较常见的Intel的750系列。

四.硬盘的协议
看完上文后,我们应该对硬盘有一个大概的了解,咱们来深度解析一下固态硬盘的总线，协议。

首先大家需要有一个清晰的认识，我们在固态硬盘领域常常提起的SATA、AHCI、PCI-e、NVMe这四个英文其实指的都是协议，不过是两两对应的。SATA和PCI-E指的是接口协议，AHCI和NVMe指的是传输协议，而SATA和AHCI对应的是高延时的机械硬盘，PCI-E和NVMe对应的是低延时的板卡。

我们先了解一个词：总线

一台服务器由多个电子元器件组成，如CPU，内存，硬盘等，各元器件之间往往需要相互传递数据。

数据传输的公用通道，就是总线。

通道就好似公路，公路有乡间小道、柏油马路和高速公路之分，总线自然也有其区分标准。

区分总线承载能力的名词，称为带宽，也就是单位时间内能够传递的数据量。带宽越大，单位时间内能够传递的数据量自然就越多。

我们常见的总线（通道）有SATA总线，PCIe总线。

SATA总线常见的就是SATA 3.0，理论最高速度只有6Gbps，此类接口的固态硬盘理论传输速度600MB/s。PCIe总线常见的有PCIe 3.0和PCIe 4.0，通道数量不同，速度也会不同。以PCIe 3.0×4总线为例，它的带宽高达32Gbps，此类接口的固态硬盘实际传输速度可以轻松突破1000MB/s，顶级产品甚至可以到达4000MB/s以上。

若继续用公路来类比，那SATA 3.0是乡间小路的话，PCIe 3.0就是柏油马路了。综上，同为固态硬盘，走的是哪种总线，至关重要。

说完了总线，我们再来看协议。

协议，是网络协议的简称，是数据传递双方共同遵循的一种规定、准则。

举个例子，A向B传输视频数据，但是B不接收视频，只接收图片，这就会导致视频数据无法传输。这个时候，只有双方都使用图片格式，才可以正常传输数据，这就是协议。

目前，硬盘常用的协议，主要有AHCI和NVMe两种。

AHCI（Serial ATA Advanced Host Controller Interface）串行ATA高级主控接口/高级主机控制器接口，是用来替代上一代IDE的。本质上讲还都是基于机械硬盘的设计，所以已经逐渐被淘汰，目前的主流SSD产品在安装前一定要在BIOS设置中打开AHCI模式才可以将性能发挥到最大，许多用户安装了SSD产品后发现速度只有300MB/s不到400，大部分是因为没有开启AHCI模式。

NVMe (Non-Volatile Memory express)，是一种建立在M.2接口上类似AHCI的一种协议，是专门为闪存类存储设计的协议。就是因为大家发现AHCI标准并不适合低延时的SSD产品，所以为了解放SSD的性能，重新制定了新的存储规范标准，使用PCI-E通道，目前的高速SSD产品都必须支持NVMe协议才行，而速度普遍都在2000MB/s以上，性能出色的可以轻松超过3000MB/s。

NVMe与AHCI都是逻辑设备接口的一种标准，不过NVMe相比AHCI在延时性、功耗、IPOS等一些方面性能要强。

不过，并非是说NVMe协议的固态硬盘一定比AHCI协议的速度快，具体的速度还要看走的是哪种总线，以及硬盘本身的性能。

一块固态硬盘的性能究竟如何，并不是由某一个因素决定的，除了硬盘本身的性能外，总线，协议和接口都能限制它的性能发挥。

比如说，硬盘的协议十分强大，但是总线和接口不给力，无法承载协议的性能，那么固态硬盘的性能自然受到限制。

因此，除了固态硬盘自身的性能外，总线，协议，接口也是相辅相成的。

厂商在设计的时候，一般会将总线，协议，接口匹配在同一水平线上，因此，我们在选择固态硬盘时，主要看一下固态硬盘的总线承载能力，就基本可以判断出这块固态硬盘的速率上限了。

当然了，这个只是硬盘接口的速率上限，硬盘实际性能的发挥，还要看硬盘本身的设计与用料。

从理论上来说，一款固态硬盘选择M.2接口，走PCIe总线，用NVMe协议，性能发挥是最好的。

五.硬盘的性能

了解这些基本概念后,我们在在以后测试Storage的时候,应该会对测试的硬盘的性能有一个大致的性能判断,比如：

SATA1.0的频率最高1.5Gb/s,接口速率最大约150MB/s;

SATA2.0的频率最高3Gb/s,接口速率最大约300MB/s;

SATA3.0的频率最高6Gb/s,接口速率最大约600MB/s;

而一个PCIe 3.0 x16的通道，x16 的可用带宽为 7.877 * 16 = 126.031 Gbps = 15.754 GB/s，也就是我们所说的16GB/s的高速。

按照上文所说.一个m.2接口的固态硬盘,走PCIE通道,用nvme协议，拥有高达 20Gbps 的理论传输速度。

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