硬盘接口技术大观

硬盘接口技术大观园

目录

古老的磁盘接口 (1)

IDE接口 (1)

SCSI接口 (3)

FC接口 (4)

串行ATA接口 (5)

SATA接口 (6)

mSATA接口 (8)

SATA Express. 10

串行SCSI接口 (10)

SAS接口 (10)

SAS内部连接线缆 (13)

SAS外部互连线缆 (17)

NVMe SSD接口 (21)

SFF-8639. 21

M.2接口 (22)

硬盘技术发展至今，历经了多次接口技术的发展和变革，存储老吴带领大家一起走进硬盘接口大观园，去一睹硬盘接口的往昔和未来。

古老的磁盘接口

IDE接口

IDE（Integrated DriveElectronics）接口是一种在个人电脑中曾经广泛使用的磁盘接口。其采用并行数据传输的方式，接口体积比较大，如下图所示：

IDE总线是一条共享总线，为了增加一条IDE总线上的设备数量，每个IDE总线可以支持两个设备，分别为主设备和从设备。连接主机和IDE设备的连接线缆如下图所示，其中蓝色接口接到主机；白色接口为从设备接口；黑色接口为主设备接口。

IDE接口有两种数据传输模式，一种为PIO（ProgrammingIO）；另一种为DMA模式。在数据传输量不是很大的年代，DMA由于需要不断的对DMA控制器进行配置操作，效率反而不如PIO。但是在大量高性能数据传输需求的拉动下，DMA终于发挥出了应有的性能。起初IDE 的DMA数据传输模式是采用简单单倍率的工作方式，即在一个时钟周期内，只发生一次总线数据传输操作。后来IDE总线引入了UDMA（Ultra DMA）的数据传输方式，在这种传输方式下，一个时钟周期内的上升沿和下降沿都会进行数据传输操作，从而使得传输效率提高了一倍。这种数据传输方式也被称之为双沿数据传输方式。这种思路和内存中的DDR是相似的。

在IDE接口之上会运行ATA磁盘控制协议，因此这种接口通常也被称之为PATA（并行ATA）。对于不同的访问性能和特性，PATA拥有多种接口标准ATA1至ATA7。其中ATA7性能达到了将近133MB/s的带宽。由于受限于并行信号传输之间的干扰，并行信号的采样会出现非常大的相位误差，从而导致IDE接口性能提升遇到了严重的瓶颈。因此，目前没有硬盘会采用这种古老的IDE接口，全部被串行ATA接口技术所取代。

IDE采用40Pin的接口形式，接口信号定义如下：

2000年初自己组装的第一台电脑采用了当时容量最大的迈拓30GB硬盘，就是这种IDE接口的硬盘。组装的时候硬盘做主设备；光驱做从设备。目前IDE已经无法支撑硬盘数据传输的业务，已经被淘汰。但是在IDE上所发展起来的ATA协议（命令集）被SATA所传承，继续得以延续。

SCSI接口

SCSI（Small ComputerSystem Interface）为小型计算机系统接口，是一种连接主机和外围设备的接口。采用SCSI接口的硬盘如下图所示：

和IDE相比，SCSI接口具有更好的传输性能，因此通常应用在服务器硬盘中。采用这种接口的硬盘具有更好的稳定性、更快的性能。但是价格也会比IDE硬盘贵很多。SCSI的连接器接口和规范有很多种，常用的几种连接器接口如下图所示：

SCSI硬盘和IDE硬盘相比，最核心的区别不是在于接口。作为企业级应用的磁盘，其需要具备较高的数据访问性能，因此在盘片转速方面，SCSI硬盘具有更高的转速。一旦转速提升，盘片的温度就会升高，与此同时寻道的定位难度也会提升。因此，SCSI等企业级盘在盘片的

材料、磁盘的控制、数据的纠错等方面都和普通的硬盘存在非常大的差别，从而导致企业级硬盘具有更高的稳定性和性能。

SCSI物理总线接口在硬盘上已经不再使用了，但是在SCSI总线技术上发展起来的应用层协议（SCSI命令集）还一直保留，并被SAS互连网络所一直传承。

FC接口

FC硬盘是指采用FC-AL（FiberChannel Arbitrated Loop，光纤通道仲裁环）接口模式的磁盘。这种接口采用40针的信号定义。这种串行硬盘接口如下所示：

FC硬盘采用FC-AL的总线协议，在实际应用过程中，所有硬盘都串联起来形成一个仲裁环，如下图所示：

这种连接方式可以扩展容量，但是缺点也非常的明显，一个环路中如果存在一个故障连接，那么整个链路的访问将会受到影响。在EMC的高端存储Vmax产品中曾经采用了FC盘，直到2014年发布Vmax3的时候，才将这种FC盘换成SAS盘。采用SAS盘之后，可以通过SAS Expander将所有的SAS或者SATA盘形成一个后端磁盘存储网络，如下图所示：

当年在高端存储系统中，为了提高磁盘性能、扩展存储容量，导致FC盘在后端存储网络中大量使用。随着SAS技术的不断推进、发展，最终SAS网络在后端替代了FC网络。

串行ATA接口

并行和串行数据传输哪个快？当问到这个问题的时候，潜意识会认为并行传输性能高。一个时钟周期，并行传输可以传送多个字节；但是串行通信的一个时钟最多传输两个比特位。但由于并行数据传输过程中存在的信号干扰、相差所导致的数据采样问题，并行传输无法提高时钟频率。而采用低压差分串行传输过程中，不存在采样相位差问题，可以采用非常高的时钟频率进行数据传输，因此串行传输的性能要远高于并行传输。串行数据传输的发展解决了并行总线所存在的问题，在2000年以后，不仅ATA向串行方向发展，SCSI、PCI都面临同样的问题。因此，在ATA的基础上发展形成了SATA；在SCSI基础之上发展形成SAS；在PCI 的基础上诞生了PCI Express。

SATA接口

SATA接口硬盘是消费级、民用普通硬盘所普遍采用的接口技术。采用SATA接口的硬盘如下图所示：