计算机存储接口经历了SATA、mSATA、SATAExpress、M.2、U.2多次迭代，这些是物理上的接口形式。我们无法通过外观分别具体使用的通信协议。存储系统的性能与兼容性，不仅取决于硬件设备的容量和速度，更与 物理接口、传输协议、以及上层逻辑协议 密切相关。
存储【接口、协议介绍】#
硬件接口#
物理接口是指存储设备与计算机主板之间进行 物理连接 的硬件接口，包括 连接器类型、引脚定义、电气特性、传输速率上限 等。
接口形态#
| 接口名称 | 描述 |
|---|---|
| SATA（Serial ATA） | L 形接口；7 针连接器传输数据 、 15 针连接器用于供电 |
| mSATA | mSATA 是一种专为小型化设备设计的接口。它的出现是为了在不牺牲性能的前提下，将 SSD 集成到更薄、更小的设备中。采用 52 针连接器，直接插入主板上类似于 Mini PCIe 的插槽中。 |
| M.2 | 扁平卡式接口，直接插入主板插槽；B-Key、M-Key 或 B+M Key 决定了支持的协议和 PCIe Lane 数量。 |
| U.2 | 2.5 英寸 硬盘形态，但连接器更大、更复杂；企业级标准：专为高性能和高可靠性设计，支持 NVMe (PCIe) 协议。支持热插拔。 |
| PCIe插槽 | 标准 PCIe 扩展卡形态 (AIC - Add-In Card)，直接插入主板长槽；最高性能：利用主板上的 PCIe Lane，通常用于最高端的 NVMe SSD 或 RAID 解决方案。 |
传输协议#
传输协议定义了 数据在物理接口上是如何被组织、调度和传输的 ，定义了如何在物理线缆上传输数据、握手、错误检测和链路管理等；是存储设备与主机控制器之间的"通信语言"。
| 传输协议 | 层次 | 标准 | 作用 |
|---|---|---|---|
| SATA | 通道协议 | SATA (Serial ATA) | 物理和链路层协议。定义了串行信号如何在 SATA 线缆上传输、握手和错误控制。 |
| PCIe | 通道协议 | PCIe (PCI Express) | 物理和链路层。定义了数据如何在 PCIe Lane 上并行传输（例如 x2, x4, x8, x16）。 |
一、SATA#
历史悠久，简单稳定，是传统 HDD 和早期 SSD 的标准。速度上限通常为 600 MB/s (SATA 3.0)。
二、PCIe#
PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）本身是一个高速串行总线标准，定义了数据如何在主板上的插槽和芯片之间传输，它是一种通道协议。在其之上，有多种协议用于不同类型的设备。在高性能 SSD（如 M.2 NVMe SSD）的标准。速度可达数 GB/s，远超 SATA。
PCIe 不仅用于存储，还是现代计算机中连接所有高速外设的基础通道：
- GPU (显卡)： 直接使用 PCIe 协议传输图形数据。
- 网卡 (NICs)： 高速网卡（如 10G/25G/40G/100G/200G/400G Ethernet）通过 PCIe 传输网络数据。
- USB 控制器： USB 主控制器通过 PCIe 与 CPU 通信。
- linux查看PCIe通道、速率
- Width与插槽、配件带宽有很大关系。通常这里也可以在BIOS中调整（X8X8、X16、X8X4X4）
[root@debian ~]# lspci -s 9b:00.0 -vvv | grep LnkSta
LnkSta: Speed 16GT/s (ok), Width x16 (ok)
LnkSta2: Current De-emphasis Level: -6dB, EqualizationComplete+ EqualizationPhase1+
上层协议#
| 协议名称 | 兼容接口 | 特点 | 优势 | 局限 |
|---|---|---|---|---|
| AHCI | SATA | 为 SATA 设计，支持 NCQ（原生指令队列） | 兼容性好，支持热插拔 | 延迟较高，不适用于 NVMe SSD |
| NVMe | PCIe、M.2、U.2 | 专为 闪存/非易失性存储 设计，基于 PCIe | 极低延迟，高并发，高吞吐 | 需要 PCIe 接口，不兼容 SATA |
一、AHCI#
上层协议理解为 主机控制器接口 ，定义了操作系统（Host，主机）如何与 SATA 硬盘的控制器进行通信和编程的标准。Intel 提出的一种新的编程标准，用于定义操作系统如何与 SATA 芯片组/控制器交互。
核心功能：
- NCQ (Native Command Queuing, 原生命令队列)： 允许硬盘优化读取和写入命令的执行顺序。这对于机械硬盘（HDD）尤其重要，因为它能通过优化磁头移动来显著提高性能。对于 SSD 也有性能提升。
- 热插拔 (Hot-Plugging)： 允许用户在不关闭计算机电源的情况下连接或断开 SATA 硬盘。
二、NVMe#
NVMe（非易失性内存主机控制器接口规范） 是专门为 SSD 闪存设计的全新标准，它通过 PCIe 通道直接连接 CPU，并取代了 AHCI：
- 消除瓶颈： 绕过了 SATA 接口的 600MB/s 速度限制。
- 优化队列： NVMe 支持高达 64000 个命令队列，每个队列支持 64000 个命令。而 AHCI 只有一个队列，最多只能处理 32 个命令。这极大地提高了固态硬盘的并发性能和低延迟表现。
NVMe-oF#
为什么需要 NVMe-oF？
机械硬盘时代，因为硬盘性能太低，需要把多个机械硬盘连接在一起形成磁盘阵列，从而提供更高的性能或更大的容量。随着固态硬盘的发展，固态硬盘结合机械硬盘可以做成缓存分层，或者全闪存满足应用需求。随着近一步发展，NVMe SSD普及，计算机已经不能完全发挥NVMe SSD的性能。目前有两种方式：减少软件开销、计算与存储分离。计算与存储分离带来了新问题，如何解决网络带宽和延迟。
对于 NVMe-oF ，使用 RDMA （包含InfiniBand、RoCE、iWARP） 的 NVMe-oF和使用 FC-NVMe 的NVMe-oF。RMDA 支持在不涉及处理器的情况下将数据传输到两台计算机的内存。提供低延迟和高吞吐量。
- NVMe over RDMA对比NVMe over PCIe；NVMe over RDMA在软件上的开销很小，基本可以忽略，可以认为跨网络访问和本地访问一样快。
结语#
存储接口的演进史，就是一部计算机追求速度、效率与小型化的历史。从最初的 IDE/PATA 到串行化的 SATA，再由 AHCI 引入 NCQ 优化机械性能。然而，固态硬盘（SSD）的出现彻底颠覆了格局，催生了基于 PCIe 通道的 NVMe 协议，从而打破了 SATA 的速度瓶颈，极大提升了数据并发处理能力和延迟表现。未来，存储将继续向更高带宽、更低延迟，以及更紧凑的 M.2 形态迈进。
参考
