固态硬盘SSD及常见硬盘接口介绍
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固态硬盘（SSD）简介
固态硬盘(Solid State Drive、IDE FLASH DISK)是由控制单元和存储单元(FLASH芯片)组成，简单的说就是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，固态硬盘的接口规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的相同，在产品外形和尺寸上也与普通硬盘一致。其芯片的工作温度范围很宽(-40~85℃)。目前广泛应用于军事、车载、工控、视频监控、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空等、导航设备等领域。虽然目前成本较高，但也正在逐渐普及到DIY市场。由于固态硬盘技术与传统硬盘技术不同，所以产生了不少新兴的存储器厂商。厂商只需购买NAND存储器，再配合适当的控制芯片，就可以制造固态硬盘了。新一代的固态硬盘普遍采用SATA-2接口及SATA-3接口。
固态硬盘SSD分类
固态硬盘的存储介质分为两种，一种是采用闪存(FLASH芯片)作为存储介质，另外一种是采用DRAM作为存储介质。
基于闪存的固态硬盘
基于闪存的固态硬盘(IDE FLASH DISK、Serial ATA Flash Disk)：采用FLASH芯片作为存储介质，这也是我们通常所说的SSD。它的外观可以被制作成多种模样，例如：笔记本硬盘、微硬盘、存储卡、U盘等样式。这种SSD固态硬盘最大的优点就是可以移动，而且数据保护不受电源控制，能适应于各种环境，但是使用年限不高，适合于个人用户使用。在基于闪存的固态硬盘中，存储单元又分为两类：SLC(Single Layer Cell 单层单元)和MLC(Multi-Level Cell多层单元)。SLC的特点是成本高、容量小、但是速度快，而MLC的特点是容量大成本低，但是速度慢。MLC的每个单元是2bit的，相对SLC来说整整多了一倍。不过，由于每个MLC存储单元中存放的资料较多，结构相对复杂，出错的几率会增加，必须进行错误修正，这个动作导致其性能大幅落后于结构简单的SLC闪存。此外，SLC闪存的优点是复写次数高达100000次，比MLC闪存高10倍。此外，为了保证MLC的寿命，控制芯片都校验和智能磨损平衡技术算法，使得每个存储单元的写入次数可以平均分摊，达到100万小时故障间隔时间(MTBF)。
基于DRAM的固态硬盘
基于DRAM的固态硬盘：采用DRAM作为存储介质，目前应用范围较窄。它仿效传统硬盘的设计、可被绝大部分操作系统的文件系统工具进行卷设置和管理，并提供工业标准的PCI和FC接口用于连接主机或者服务器。应用方式可分为SSD硬盘和SSD硬盘阵列两种。它是一种高性能的存储器，而且使用寿命很长，美中不足的是需要独立电源来保护数据安全。
SSD接口类型
SSD固态硬盘主流接口类型分为：
SATA接口：SATA SATAII SATA3.0
PATA(IDE接口)：IDE44PIN IDE40PIN
PCIE接口：mSATA PCIE(IDE) PCIE(SATA)ZIF:ZIF接口等
总而言之，SATA，SAS和NVMe是三个主要的SSD接口，它们在几个方面有所不同。相比之下，SATA接口易于管理，可以为网络服务器提供最具成本效益的数据存储解决方案，而SAS和NVMe接口速度更快，延迟更低，可扩展性和性能更好。
PCIE固态硬盘
PCIE固态硬盘是采用了PCIE接口的高速固态硬盘，硬盘通过PCIE数据接口直接从总线与CPU直连，省去内存调用硬盘的过程，传输效率与速度都成倍提升。相比传统的SATA或者M.2固态硬盘，PCIE固态硬盘拥有无法匹敌的传输速度。
以下是对PCIE固态硬盘以及它和传统固态硬盘的区别介绍：
1、传统的SATA接口或者M.2接口的固态硬盘都需要先将数据会从硬盘读取到内存，再将数据提取到CPU处理，然后再依次返回到内存和固态硬盘中存储。而PCIE固态硬盘则直接通过总线与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。
2、PCIE固态硬盘在接口传输速度上有着其他类型接口的固态硬盘无法匹敌的优势。PCIE接口的最大传输速度为16Gbps,实际传输速度为1560MBps。SATA接口的最大传输速度为8Gbps,实际传输速度为560MBps。
硬盘接口类型
硬盘接口是硬盘连接主机系统的部位，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。
从整体的角度上，硬盘接口分为IDE、SATA、SCSI、光纤通道、SATA、NVMe、SAS、PCIe等几种：
IDE接口硬盘多用于家用产品中，也部分应用于服务器。IDE的英文全称为“Integrated Drive Electronics”，即“电子集成驱动器”，它的本意是指把“硬盘控制器”与“盘体”集成在一起的硬盘驱动器
SCSI接口的硬盘则主要应用于服务器市场。SCSI的英文全称为“Small Computer System Interface”（小型计算机系统接口），是同IDE（ATA）完全不同的接口，IDE接口是普通PC的标准接口，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。
光纤通道只在高端服务器上，价格昂贵。光纤通道的英文拼写是Fiber Channel，和SCSI接口一样光纤通道最初也不是为硬盘设计开发的接口技术，是专门为网络系统设计的，但随着存储系统对速度的需求，才逐渐应用到硬盘系统中。光纤通道硬盘是为提高多硬盘存储系统的速度和灵活性才开发的，它的出现大大提高了多硬盘系统的通信速度。光纤通道的主要特性有：热插拔性、高速带宽、远程连接、连接设备数量大等。
SATA是种新生的硬盘接口类型，还正处于市场普及阶段，在家用市场中有着广泛的前景。使用SATA（Serial ATA）口的硬盘又叫串口硬盘，是未来和现在PC机硬盘的主流趋势。SAS(Serial Attached SCSI)即串行连接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。
在IDE和SCSI的大类别下，又可以分出多种具体的接口类型，又各自拥有不同的技术规范，具备不同的传输速度，比如ATA100和SATA；Ultra160 SCSI和Ultra320 SCSI都代表着一种具体的硬盘接口，各自的速度差异也较大。
固态硬盘的出现，彻底打破了机械硬盘多年来在电脑硬件领域的统治地位。相比于机械硬盘，固态硬盘更高的传输性能，让普通用户和发烧玩家的使用体验均得到了成倍的提升。在这场存储的革命中，为了实现更快的速度、更广的使用环境和更好的体验，硬盘接口技术也在不断进化革新，从早期的IDE、SCSI接口到主流的SATA、SAS接口，再到M.2、PCIe接口。
接口比较
SATA硬盘采用新的设计结构，数据传输快，节省空间，相对于IDE硬盘具有很多优势：
1.SATA硬盘比IDE硬盘传输速度高。SATA可以提供150MB/s的高峰传输速率。今后将达到300 MB/s和600 MB/s。到时我们将得到比IDE硬盘快近10倍的传输速率。
2.相对于IDE硬盘的PATA40针的数据线，SATA的线缆少而细，传输距离远，可延伸至1米，使得安装设备和机内布线更加容易。连接器的体积小，这种线缆有效的改进了计算机内部的空气流动，也改善了机箱内的散热。
3.相对于IDE硬盘系统功耗有所减少。SATA硬盘使用500毫安的电流就可以工作。
4.SATA可以通过使用多用途的芯片组或串行——并行转换器来向后兼容PATA设备。由于SATA和PATA可使用同样的驱动器，不需要对操作系统进行升级或其他改变。
5.SATA不需要设置主从盘跳线。BIOS会为它按照1、2、3顺序编号。这取决于驱动器接在哪个SATA连接器上（安装方便）。而IDE硬盘需要设置通过跳线来设置主从盘。
6.SATA还支持热插拔，可以像U盘一样使用。而IDE硬盘不支持热插拔。
IDE接口
IDE接口，又叫ATA接口、PATA接口、并口。最早是在1986年由康柏、西部数据等几家公司共同开发。在九十年代初开始应用于台式机系统，最初的设计只能支持两个硬盘。ATA接口从诞生至今，共推出了7个不同的版本，分别是：ATA-1（IDE）、ATA-7（ATA 133）。这种接口比较老款，其最大的表现在于数据线是一条像布条的东西，传输数据慢，ATA-7理论带宽也才1Gbit/s。从图中可以看到ATA接口由三部分组成：电源接口、跳线接口（用于区别主盘和从盘）、数据接口。由于数据传输速度慢、线缆长度过短、不支持热插拔等原因，这种接口已经被淘汰。
SCSI接口
ATA接口是应用于PC的接口技术，与他同一时期用于服务器的接口是SCSI接口。
SCSI全称为小型计算机系统接口。最早于1986年提出的SCSI Ⅰ最大传输速率为5MB/s，支持7个设备。后来的SCSI Ⅱ规定了两种提高速率的选择：
提高数据发送的频率，即Fast SCSI（1994年，最大支持7个设备），由于频率提高一倍，达10MB/s（10MHz）；
提高速度的选择是传输频率提高一倍的同时也增大数据通路的宽度，由8位增至16位。即Wide SCSI，其最大同步传输速度为20MB/s (时钟频率为10MHz，1996年，最大支持15个设备)。
大概在1995年左右出现了第三代SCSI，SCSI有太多的型号，这里就不一一介绍了，感兴趣的同学可以下去查阅以下。SCSI-3的典型特点是将总线频率大大地提高，并降低信号的干扰。由于设计的局限性，以上两种硬盘接口已经被SATA和SAS取代。
SATA接口
SATA接口（串口硬盘），以连续串行的方式传送数据，可以在较少的位宽下使用较高的工作频率来提高数据传输的带宽。这个硬盘接口大概是在2003年出现的，可以算是最为主流的硬盘接口形态。由于存在时间很长，SATA接口兼容性极强，几乎所有种类的主板都有SATA接口。市面上固态硬盘SATA接口在性能标准上，一般采用SATA Ⅲ标准，理论最高速度为6Gbps。大部分基于SATA接口的固态硬盘的读取性能正常会在500MB/S以上。
SATA数据接口（7针）电源接口（15针）
在SATA接口的基础上，后面又衍生出了两款产品。
mSATA接口
mSATA接口是早期为了适应于超极本这类超薄设备而基于SATA开发的。可以看作SATA接口的mini版。
物理形态上有两种尺寸：全高（30mm50mm）和半高（30mm25mm）。
mSATA接口，SSD小型化的一个重要过程。不过mSATA并没有摆脱SATA接口的一些缺陷，比如依然是SATA通道，速度也还是6Gbps。
SATA-e接口
另一个和mSATA一样由SATA接口发展而来的是SATA-e接口，SATA + PCI-Express的混合体，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。由于SATA接口在传输速率上的局限性，mSATA和SATA-e在推出后不久也就销声匿迹。
SAS接口
SATA接口常见于PC，与之对应的服务器端接口是2005年由SCSI进化而来的SAS接口。
sas是新一代的 SCSI 技术，全称为串行连接SCSI(Serial Attached SCSI) 。SAS结合了SATA和SCSI的优点。
SAS 的接口可以向下兼容 之前介绍的SATA。具体来说，二者的兼容性主要体现在物理层和 协议层的兼容。
在物理层，SAS 接口和 SATA 接口完全兼容，SATA 硬盘可以直接使用在 SAS 的 环境中，从接口标准上而言，SATA 是 SAS 的一个子标准，因此 SAS 控制器可以直接操 控 SATA 硬盘，但是 SAS 却不能直接使用在 SATA 的环境中，因为 SATA 控制器并不能 对 SAS 硬盘进行控制；
在协议层，SAS 由 3 种类型协议组成，根据连接的不同设备使用相应的协议进行数据传输。其中串行 SCSI 协议(SSP)用于传输 SCSI 命令；SCSI 管理协议(SMP)用于对连接设备的维护和管理；SATA 通道协议(STP)用于 SAS 和 SATA 之间数据的传输。因此在 这 3 种协议的配合下，SAS 可以和 SATA 以及部分 SCSI 设备无缝结合。
M.2接口
在SATA和SAS接口之后，目前正火的是2013年诞生的M.2接口。M.2接口又叫NGFF(Next Generation Form Factor)接口。
M.2常见规格：2242、2260、2280，其中22表示硬盘的宽度为22mm，42、60、80分别表示不同长度。PCB板越长可容纳的内存颗粒越多，容量也就越大。目前比较主流的是2280。
M.2接口按照插槽来划分可以分为BKey和MKey
从图中金手指上的缺口可以看到这他们在物理形态上的的区别。
其中B key支持SATA通道PCI-E X 2通道，Mkey支持PCI-E x 4通道，在PCI-E*4通道上可以支持NVME协议，理论带宽32Gbps。
当前台式机上的NGFF插槽主要是M模式的，笔记本上B模式比较常见。
Key怎么定的
同是M.2接口，为什么会有PCI-E和SATA之分？
购买M.2接口的SSD的时候，除了区分不同插槽外，还要注意分辨他的上层协议。
据上层协议的不同，M.2接口内部又可以简单划分为走传统的SATA AHCI协议的接口和走PCIe 通道NVMe协议的接口。
假如你买了一个M.2接口的SSD，它走的是SATA通道，那么他的上层协议依然是传统的ACHI，最大读写性能和走SATA3.0接口的SSD没有任！何！区！别！
理解什么是NVMe的最简单的方法就是打个比方——假设你刚买了一辆跑车，速度能达到400公里每小时，但是一般城市道路限速几十公里每小时。如果你想要让跑车更快，就需要换一条路开。
PCIe接口
图中是金士顿HyperX Predator的固态硬盘，PCIe接口下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。可以这么理解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。
NVMe是现在固态硬盘采用的一种技术协议。支持这种协议的固态硬盘采用PCIE高速通道(总线)进行数据传输，其理论速度在四通道PCIE3.0模式下，最大可达到32G版bps，接近4GB/S，大幅超越SATA接口。在物理接口上，采用PCIE通道的固态硬盘接口除了PCIE插槽外，还有M.2、U.2。M.2接口在消费级固态硬盘领域最常见，U.2则主要用于企业级服务器固态硬盘。需要说明，M.2只是一种物理接口或插槽，它既能支持PCIE通道，也可支持SATA通道，具体取决于电脑主板和固态硬盘的设计。
nvme和pcie的区别
首先要说明的是，硬盘中所表述的PCI-e和NVMe并非是同一个东西，PCI-e是指通道，NVMe是硬盘的协议（接口规范）。一般目前支持NVMe协议的固态硬盘都是占用主板和CPU的PCI-e通道的，不过有一部分占用的是PCI-e 3.0×2通道，一部分占用的是PCI-e 3.0×4通道，比较明显的区分方式就是，PCI-e 3.0×2通道的固态硬盘顺序读写速度在1000~2000MB/s之间，而PCI-e 3.0×4通道的固态硬盘可以轻松突破3000MB/s。
区别：
1、首先我们需要了解的是，nvme协议在使用时，会用到pcie协议栈。
2、因此，nvme硬盘和pcie4.0没有本质上的区别，只是性能略有不同。
3、在实际的性能测试上，pcie4.0传输速度比nvme快了20%左右。
4、但是这主要是在大文件的打开速度上才能体现。（一般为超过1G大小的文件）
5、而且必须要连续、多次的打开、关闭，才能体验到比较明显的差距。
6、因此，除非我们需要长时间使用大型文件，或者游玩大型游戏，才会有区别。
PCIe指插槽，nvme指协议，M.2 nvme或PCIe nvme两种
M.2有SATA和nvme两种，PCIe GAN3.0×4是最大速度(32GB/s)，肯定是PCIe固态好！
NVMe和PCIe是绝配：
NVMe标准的诞生，就是基于PCIe通道的无延时特性，直接连接计算机CPU，使得固态硬盘不会因为通道转换导致的延时而丢失相当的性能，特别是在固态硬盘自身性能接近极限速度的今天，降低延时，提高通道带宽，是从另一个维度极大的提高固态硬盘读写性能。
因此PCI-e和NVMe没有谁更快的说法，而是NVMe协议必须使用PCI-e通道，占用PCI-e通道越多的固态硬盘越快。
实际上，在我们日常接触到的消费级固态硬盘中，根据固态硬盘的体积形态区分，有普通SATA接口和M.2接口；而在M.2接口阵营里，根据主控协议不同，又可以分为NVMe协议的M.2固态和AHCI协议的M.2固态，其中AHCI协议的M.2固态在性能上和普通SATA几乎没有什么区别。
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