硬盘相关的概念

ATA

ATA 定义了发送给硬盘的命令,标准定义了命令:

  • ech IDENTIFY DEVICE: 获取设备信息
  • 25h READ DMA EXT: 读取扇区
  • 35h WRITE DMA EXT: 写入扇区

ATA 同时也是接口,图片如下。ATA 前身是 IDE,现在 ATA 叫做 PATA。

PATA Pin

AHCI

AHCI 可以简单理解为 PCIe <-> SATA 的转换器。AHCI 暴露为一个 PCIe 设备:

$ lspci -vv
00:1f.2 SATA controller: Intel Corporation C600/X79 series chipset 6-Port SATA AHCI Controller (rev 05)
        Kernel modules: ahci

处理器通过 IO port/MMIO 访问 AHCI,然后 AHCI HBA 连接到 SATA 设备。

SATA

SATA 一般说的是接口。它一般分为两个部分,数据和电源。数据部分只有 7 个 pin,三个 GND 和两对差分线(A+A- B+B-),图片如下:

SATA Data

电源部分有 15 个 pin,有 GND 3.3V 5V 和 12V,图片如下:

SATA Power

常见的 SATA 盘有 2.5 英寸(small form factor, SFF)和 3.5 英寸(large form factor,LFF)两种规格。

M.2

M.2 又称 NGFF,有不同的 key 类型。常见的是 B 和 M:

  • B key: 12-19 notched, PCIe x2, SATA
  • M key: 59-66 notched, PCIe x4, SATA

都有部分引脚的位置是空的:

M.2

这里可以看到两种 key 的 pinout。

  • B key: SATA pin B(41,43) A(47,49), PCIe x2 pin R1(29,31) T1(35,37) R0(41,43) T0(47,49), USB 3.0 pin TX(29, 31) RX(35,37)
  • M key: SATA 同上,PCIe x4 pin R3(5,7) T3(11,13) R2(17,19) T2(23,25) Lane 0,1 同上

可以看到,SATA pin 和 PCIe 的两个 lane 在 B 和 M key 中是一样的,物理上也是可以兼容的。

因为支持 SATA 和 PCIe,就有下面三种可能的使用方式:

  • PCIe – AHCI HBA(Board) – SATA(M.2) – Disk: 传统方式,只不过物理接口从 SATA 变成了 M.2
  • PCIe – PCIe Device(M.2) – Disk(AHCI):硬盘实现了 AHCI 的接口,通过 PCIe 连接到 CPU
  • PCIe – PCIe Device(M.2) – Disk(NVMe):硬盘实现了 NVMe 的接口,通过 PCIe 连接到 CPU

SATA express

SATA express 在 SATA 3.2 引入,它用的很少,被 U.2 取代。提供了 PCIe x2 或者 SATA x2。

U.2

U.2 也叫 SFF-8639。它和 SATA express 接口一样,但提供了 PCIe x4 或者 SATA x2。详见 pinout

U.2

速度比较

不同的协议的速度如下:

  • SATA 3.0: 6Gb/s(8b/10b, 4Gb/s uncoded)
  • SAS-1: 3Gb/s
  • SAS-2: 6Gb/s
  • SAS-3: 12Gb/s
  • SAS-4: 22.5Gb/s
  • PCIe 3.0 x4: 32Gb/s(8GT/s, 128b/130b, 31.5 Gb/s uncoded)

更完整的可以看List of interface bit rates

Intel SSD DC P4618 Series 读写速度可以达到 40~50 Gb/s,它采用的是 PCIe 3.0 x8(64Gb/s) NVMe。

Intel SSD 545s Series 读写速度约 4Gb/s,采用的是 SATA 3.0 6Gb/s。

SAMSUNG 970 EVO 读写速度 20~30 Gb/s,它采用的是 PCIe 3.0 x4(32Gb/s) NVMe。

SAS

SAS 涉及的物理接口比较多,下面举一个具体的例子:DELL SCv2000

文档:https://dl.dell.com/topicspdf/storage-sc2000_owners-manual_en-us.pdf

它的背面:

它有四个前端接口 Mini-SAS High Density (HD),即 SFF-8644;两个后端接口 Mini-SAS,即 SFF-8088。

RAID 卡例子:MegaRAID SAS 9361-8i

文档:https://docs.broadcom.com/doc/12351995

它的接口有:

  1. 两个 mini-SAS SFF-8643(Mini Multilane 4/8X 12 Gb/s Unshielded Connector (HD12un)) 内部连接器,连接到硬盘
  2. PCIe 3.0 8x 连接主板

SAS 标准:

  • INCITS 417 Serial Attached SCSI 1.1 (SAS-1.1)
  • INCITS 457 Serial Attached SCSI 2 (SAS-2)
  • INCITS 478 Serial Attached SCSI 2.1 (SAS-2.1)
  • INCITS 519 Serial Attached SCSI - 3 (SAS-3)
  • INCITS 534 Serial Attached SCSI - 4 (SAS-4)

可以从 https://www.t10.org/drafts.htm#SCSI3_SAS 免费下载尚未成为标准的 SAS-4.1 Working Draft。

SAS 相关的物理接口

查找 SFF 标准:https://www.snia.org/technology-communities/sff/specifications

中文介绍:https://www.163.com/dy/article/H8TGPEUA0532B75P.html

SFF-8087

Mini Multilane 4X Unshielded Connector Shell and Plug

介绍:https://cs-electronics.com/sff-8087/

Mini SAS 4i 连接器就是 36 pin 的 SFF-8087,支持四路 SAS。i 表示用于 internal 连接。对应的 external 接口是 SFF-8088。

标准下载地址:https://members.snia.org/document/dl/25823

相关标准:

  • SFF-8086: Mini Multilane 10 Gb/s 4X Common Elements Connector

SFF-8088

Mini Multilane 4X Shielded Connector Shell and Plug

标准下载地址:https://members.snia.org/document/dl/25824

Mini SAS 4x 连接器就是 26 pin 的 SFF-8088,支持四路 SAS。用于 external 连接。对应的 internal 接口是 SFF-8087。

SFF-8482/SFF-8678/SFF-8680/SFF-8681

SFF-8482: Serial Attachment 2X Unshielded Connector (EIA-966)

介绍:https://cs-electronics.com/sff-8482/

支持两路 SAS,29 个引脚。和 SATA 的接口大小一样,目的是为了可以兼容 SATA 和 SAS 盘,比较常见。

标准下载地址:https://members.snia.org/document/dl/25920

不同速率的版本:

  • SFF-8678: Serial Attachment 2X 6Gb/s Unshielded Connector
  • SFF-8680: Serial Attachment 2X 12Gb/s Unshielded Connector, 支持 SAS-2.x 和 SAS-3
  • SFF-8681: Serial Attachment 2X 24Gb/s Unshielded Connector, 支持 SAS-4

SFF-8614/8644

SFF-8614: Mini Multilane 4/8X Shielded Cage/Connector (HDsh)

标准下载地址:https://members.snia.org/document/dl/25939

对应的 internal 版本是 SFF-8643: Mini Multilane 4/8X 12 Gb/s Unshielded Connector

名称:External Mini-SAS HD(High Density)

升级版本:

SFF-8644: Mini Multilane 4/8X 12 Gb/s Shielded Cage/Connector (HD12sh)

标准下载地址:https://members.snia.org/document/dl/25952

支持 SAS-3 和 PCIe 3.0

SFF-8639

Multifunction 6X Unshielded Connector

又称 U.2

标准下载地址:https://members.snia.org/document/dl/26489

用途:

  • Single port SATA (as defined by Serial ATA revision 3.1)
  • Two port SATA Express (as defined in Serial ATA Technical Proposal #TPR_C109, currently under development)
  • Dual port SAS (as defined by SFF-8482)
  • MultiLink SAS (as defined by SFF-8630)
  • Up to 4 lanes of PCIe (as defined in this specification)

SFF-8611

MiniLink 4/8X I/O Cable Assemblies

又称 OCuLink 1.0

标准下载地址:https://members.snia.org/document/dl/27937

用途:

  • PCIe
  • SAS
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