SATA、mSATA 、PCIe和M.2——SSD硬盘的接口详解

SATAT通道：硬盘——内存——CPU

PCIE通道：硬盘——CPU

一、 硬盘传输标准协议AHCI和NVME

AHCI(serial Advanced Host Controller Interface) 高级串行ATA功能接口标准

NVME标准相比AHCI有许多优点：

1. 低延迟。面向PCIe SSD产品的NVMe标准能有效降低控制器和软件接口部分的延迟，最主要是能让SSD走PCI-E通道直连CPU，有效降低了数据延迟，其次，NVMe精简了调用方式，AHCI每条命令则需要读取4次寄存器，一共会消耗8000次CPU循环，从而造成2.5μs的延迟，而NVMe执行命令时则不需要读取寄存器。

2. 新的协议还能大大提高SSD的IOPS（每秒读写次数）性能，理论上，IOPS=队列深度/ IO延迟，所以增加队列深度，就可以有效提升SSD的IOPS。传统的ACHI标准下队列深度最多能达到32，但是在NVMe标准下，这一数值可以达到64000，是以前的2000倍。

3.  此外NVMe还加入了自动功耗状态切换、动态能耗管理、免驱等功能，驱动适应性广，低功耗。

二、 PCIE  SATA

PCIE有四种接口尺寸：X1/X4/X8/X16，版本有1.0/2.0/3.0

 

我们通过用胶带覆盖显卡PCI-E接口金手指的方法来屏蔽，由于PCI-E每个通道彼此互相独立，并且支持通道数量向下兼容(如果x16设备插在x1槽上，则自动降为x1)。

 

 

三、 SSD有四种接口SATA/PCIE/mSATA/M.2

SATA接口：

 

SATA数据接口（7针）电源接口（15针）定义详解  (原文参考https://blog.csdn.net/u013000139/article/details/50371568)

SATA是Serial ATA（Serial Advanced Technology Attachment）亦称串行ATA，是由Intel、IBM、Dell、APT、Maxtor和Seagate公司共同提出的硬盘接口规范。
本文的阐述重点是SATA的数据线和电源线接口引脚定义，并以连接SATA硬盘为例。

一、SATA数据接口和电源接口

上图是数据线（DATA）、电源线（POWER）和硬盘接口示意图

 

上图是数据线、电源线和硬盘接口实物图

上图是SATA数据线（7针）对应硬盘上的数据接口（7针）特写

 

上图是SATAS数据线（母口）特写，（硬盘上接口成为公口）

 数据接口（7针）定义

电源接口（15针）定义
 

PCIE:

主要用于高端机，性能较好

mSATA:

早期，为了更适应于超极本这类超薄设备的使用环境，针对便携设备开发的mSATA（mini SATA）接口应运而生。你可以把它看作标准SATA接口的mini版，物理接口跟mini PCIe接口一样。

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接口依然是SATA通道，速度是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。

M.2接口:

分为B key（又称Socket2）和M key（又称Socket3）两种。前者支持SATA、PCI-Ex2接口，理论读写速度分别达到700MB/s、500MB/s;而后者专为高性能存储设计，支持PCI-EX4，理论接口速度高达32Gb/s，超五倍于SATA接口。

M.2 SSD的规格：

与之前mSATA SSD类似，M.2 SSD也不带金属外壳。主要有2242、2260、2280三种规格，为了划分不同长度的产品而定的。长度不同，意味着容量就不同。因为长度越长，可布置的闪存颗粒就越多，容量也就越大。以M.2 2242为例，22是宽度22mm，42是长度42mm，2260与2280同为此理，所以选购前也要看看你的设备到底支持哪一种长度的M.2 SSD。至于M.2 SSD的厚度，单面布置芯片厚度2.75mm，双面厚度3.85mm，比mSATA还要薄。

 

 参考：http://news.mydrivers.com/1/561/561881.htm

http://www.desktx.com/news/diannaozhishi/1484.html

 

 

 

 

SATA、mSATA 、PCIe和M.2——SSD硬盘的接口

 

抱歉，原文未知：https://blog.csdn.net/Leo_csdn_/article/details/83621572

 

犹记得当年Windows 7系统体验指数中，那5.9分磁盘分数，在其余四项的7.9分面前，似乎已经告诉我们机械硬盘注定被时代淘汰。势如破竹的SSD固态硬盘，彻底打破了温彻斯特结构的机械硬盘多年来在电脑硬件领域的统治。SSD数倍于HDD机械硬盘的传输性能，让普通用户和发烧玩家的体验均成倍提升。

在这场存储革命中，为了实现更快的速度、更多的使用环境、更好的体验，SSD的接口也在不断进化革新，像主流的SSD就有SATA接口、M.2接口、PCIe接口和mSATA接口等。这四种常见的接口有什么不同？又适合什么样平台使用呢？下面我们来一一进行讲解。

SATA3.0接口：

作为目前应用最多的硬盘接口，SATA 3.0接口最大的优势就是成熟。普通2.5英寸SSD以及HDD硬盘都使用这种接口，理论传输带宽6Gbps，虽然比起新接口的10Gbps及32Gbps带宽有一定的差距，但普通2.5英寸SSD可以满足大多数用户的日常应用需求，500MB/s左右的读写速度也够用。而对于100MB/s左右读写速度HDD机械硬盘上，6Gbps带宽还远远谈不上瓶颈，只能埋怨HDD硬盘发展太慢，存储速度一直没有质变。

虽然SATA 3.0接口规格已经推出有一段时间，但“廉颇岁老，尚善饭否”。大多数用户对SSD性能的要求谈不上极端苛刻，而且还要考虑选购时的性价比因素，因此SATA 3.0接口在很长一段时间内都将是主流大众的选择。

PCIe接口：

在传统SATA硬盘中，当我们进行数据操作时，数据会先从硬盘读取到内存，再将数据提取至CPU内部进行计算，计算后再反馈给内存，最后写入至硬盘中；而PCIe接口就不一样了，数据直接通过总线与CPU直连，省去了内存调用硬盘的过程，传输效率与速度都成倍提升。简单的说，我们可以把两种通道理解成两辆相同的汽车，PCIe通道的汽车就像是在高速上行驶，而SATA通道的汽车就像是在崎岖山路上行驶。很显然，PCIe SSD的传输速度会远大于SATA SSD。

HyperX Predator PCIe SSD是众多PCIe接口SSD中的佼佼者，它采用PCI-E 2.0x4接口，半高式设计，主控为Marvell 88SS9293，读取速度和写入速度分别达到了1400MB/s和1000MB/s，是HyperX高端固态硬盘产品中速度最快的产品，读写速度也远超SATA接口的SSD产品。

虽然PCIe SSD有诸多好处，但也不是每个人都适合。PCIe SSD由于闪存颗粒和主控品质极高，总体成本也相对较高，相比传统SATA接口固态硬盘的售价要贵一些。另外，由于PCIe会占用总线通道，入门以及中端平台CPU通道数较少，也不太适合使用PCIe SSD。只有配合Z170、X99这样顶级平台，才可以完全发挥PCIe SSD的性能。总的来说，如果你是在组装专业工作室用机，或是骨灰发烧级玩家，亦或是一个不差钱的土豪，那么HyperX Predator PCIe SSD是决对正确的选择！

M.2接口

M.2接口，是Intel推出的一种替代mSATA新的接口规范。其实，对于桌面台式机用户来讲，SATA接口已经足以满足大部分用户的需求了，不过考虑到超极本用户的存储需求，Intel才急切的推出了这种新的接口标准。虽然，我们在华硕、技嘉、微星等发布的新的9系列主板上都看到了这种新的M.2接口，现已普及。

与mSATA相比，M.2主要有两个方面的优势。第一是速度方面的优势。M.2接口有两种类型：Socket 2（B key——ngff）和Socket 3（M key——nvme），其中Socket2支持SATA、PCI-E X2接口，而如果采用PCI-E ×2接口标准，最大的读取速度可以达到700MB/s，写入也能达到550MB/s。而其中的Socket 3可支持PCI-E ×4接口，理论带宽可达4GB/s。

第二个是体积方面的优势。虽然，mSATA的固态硬盘体积已经足够小了，但相比M.2接口的固态硬盘，mSATA仍然没有任何优势可言。M.2标准的SSD同mSATA一样可以进行单面NAND闪存颗粒的布置，也可以进行双面布置，其中单面布置的总厚度仅有2.75mm，而双面布置的厚度也仅为3.85mm。而mSATA在体积上的劣势就明显的多，51mm×30mm的尺寸让mSATA在面积上不占优势，而4.85mm的单面布置厚度跟M.2比起来也显得厚了太多。另外，即使在大小相同的情况下，M.2也可以提供更高的存储容量

M.2接口，最初叫做NGFF（Next Generation Form Factor），宽度22mm，单面厚度2.75mm，双面闪存布局也不过3.85mm厚。M.2接口产品有丰富的可扩展性，最长可以做到110mm，可以提高SSD容量。此外，M.2接口可以同时支持SATA及PCI-E通道，后者更容易提高带宽，如果是采用SATA通道的M.2接口固态硬盘，则读写速度在550MB/s左右。

其实前面介绍的HyperX Predator PCIe SSD产品本身拥有双重接口，从PCIe转接卡中取下，即可转换为M.2接口的SSD，并且读取速度和写入速度同样可以达到1400MB/s和1000MB/s。

a) 三星 850 EVO M.2 接口，SATA 总线，AHCI 协议

b) 三星 SM951 M.2 接口，PCIe 总线，AHCI 协议

c) 三星 SM951 M.2 接口，PCIe 总线，NVMe 协议

d) 采用NVMe协议的M.2接口固态硬盘三星960 PRO，这是目前世面上读写速度最快的一款固态硬盘，最高读取速度可达3.5GB/s。

NVMe的一大优势就是低延迟。这主要是因为流线型的存储堆栈，NVMe无需读取寄存器就可以发出命令。AHCI的每个命令都需要读取4个不可缓存寄存器，从而导致大约2.5μs的额外延迟。低延时和良好的并行性的优势就是可以让SSD的随机性能得到大幅度提升，在任何队列深度下都能发挥出极佳的速度。

NVMe对固态硬盘的IOPS性能提升也比较大。因为在制定AHCI规范时，并行性的想法没有完全加入到规范内，利用NCQ功能可以对传输能力进行优化，但是接口并不允许SSD真正最大限度地发挥其应有的并行性。此外，对于移动设备用户来言，使用NVMe存储设备可以对电池续行起到很大帮助。NVMe加入了自动功耗状态切换和动态能耗管理功能，设备从能耗状态0闲置50ms后可以迅速切换到能耗状态1，在500ms闲置后又会进入能耗更低的状态2。虽然切换能耗状态会产生短暂延迟，但闲置时这两种状态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接口固态硬盘也拥有较大优势。

上面两款都是M.2接口，如何分辨出哪个是PCI-E SSD哪个是SATA SSD？在弄清楚这个问题之前，我们先来解答几个常见问题。

1、同是M.2接口，为什么会有PCI-E和SATA之分？

这是因为两者所走的通道不同，M.2有两种接口定义：Socket 2和Socket 3。Socket 2支持SATA、PCI-EX2通道的SSD，Socket 3专为高性能存储设计，支持PCI-EX4。

2、有M.2接口的主板都能使用M.2 SSD？

非也非也，不同主板的M.2接口所支持的通道是不同的，有的仅持PCI-E通道，其规格说明里关于M.2的描述有标明。而有的则兼容SATA和PCI-E两种通道。所以如果您想购买 M.2 SSD，先要清楚了解自己的主板上的M.2接口是支持哪种通道的。

3、什么决定M.2 SSD所走的通道？

主控决定了接入M.2接口的SSD是走PCI-E通道还是SATA通道。例如HyperX Predator SSD的主控是Marvell 88SS9293主控，这是一款PCI-E控制器，而金士顿G2系列 M.2 2280 SSD采用的是SATA控制器。

4、性能差别有多大呢？

走的通道不一样，速度自然有差别。SATA3.0通道的理论带宽是6Gb/s.理论极限传输速度600MB/s,所以跟市面所有的SATA接口SSD一样，金士顿G2系列 M.2 2280 SSD的最高读取速度不超过600MB/s,而主板M.2接口走PCI-E通道传输通道带宽为10Gb/s。HyperX Predator SSD的连续读写达到1400MB/s和1000MB/s，完全超过了SATA3.0的极限传输速度。

mSATA 接口

早期，为了更适应于超极本这类超薄设备的使用环境，针对便携设备开发的mSATA（mini SATA）接口应运而生。你可以把它看作标准SATA接口的mini版，物理接口跟mini PCIe接口一样。

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接口依然是SATA通道，速度是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。

在计算机发展的这60年中，从最初的打孔卡记录到今天的高性能SSD，存储介质发生了翻天覆地的变化。近几年SSD更是发展迅速，从接口形态的进化可窥探一二。目前拥有SATA、mSATA、M.2、PCIe等接口，在各种平台设备都有所运用。