存储介质的接口及协议a1-课件

存储介质的接口介绍by-李军华2018年8月2020/10/281前言最近接触到的存储产品，觉得好乱，各种各样的转接线，连接器，协议！搞产品开发，各种协议都要找来看，于是就整理了这份文档。包括三个部分：存储设备接口总线及总线速率标准简介2020/10/282精品资料2020/10/283服务器SAS接口型号太多,下面，从简单的说起。SFF是什么呢：SmallFormFactor(SFF)Connector2020/10/284SFF-8643连接线定义这个线的下载地址：好难找到，淘宝上有卖此线，8643在服务器主板上有这个接口，走的是PCIex4信号还是个交叉线，不是直连线服务器背板链接线基本上用的是这个，如果是接硬盘的走的可能是SATA信号。2020/10/285SASSAS：SerialAttachedSCSISAS支持与SATA设备相兼容，SAS背板可以连接具有双端口高性能的SAS驱动器，也可以链接高容量低成本的SATA驱动器支持点对点（Point-to-Point）连接SCSI接口最多可以连接15个（单通道）或30个（双通道）设备，而SAS则可以连接16384个磁盘设备2020/10/286SAS硬盘接口定义这种硬盘接口和普通的PC机SATA硬盘兼容比SATA多了一组信号S8-S14链接器和SATA长得也一样，中间缺口处多了点东西。2020/10/287SCSIStandardsArchitectureSAS：SerialAttachedSCSISCSI标准架构包含很多的总线，如：SCSIOVPCIeiSCSIinternet2020/10/288HistoryofserialSCSI这是一份比较老的截图，SAS2.1、3.0都没包含进来2003SerialATAintroduced串行SCSI技术在SATA之前就出来了HistoryofparallelSCSISCSI-3有很多型号：Ultra(fast-20)的传输频率20MHz，数据频宽8位，传输率20MBpsUltrawide的传输频率20MHz，数据频宽16位，传输率40MBpsUltra2的传输频率80MHz，数据频宽16位，传输率80MBpsUltra160的传输频率80MHz，数据频宽16位，传输率160MBpsUltra320的传输频率80MHz，数据频宽16位，传输率320MBpsUltra640的传输频率160MHz，数据频宽16位，传输率640MBps2020/10/289再来看下硬盘的发展史1998UltraDMA/33andATAPIstandardized2003SerialATAintroduced2005SerialATA3Gbit/sstandardized2005IntroductionoffasterSAS(SerialAttachedSCSI)2010FirstharddrivemanufacturedbyusingtheAdvancedFormatof4,096bytesablock(4K)insteadof512bytesablock2012WesternDigitalannouncesthefirst2.5-inch,5mmthickdrive,andthefirst2.5-inch,7mmthickdrivewithtwoplatters31(WesternDigital)2012TDKdemonstrates2TBonasingle3.5-inchplatter322020/10/2810这个图画得挺好2020/10/2811SAS经历了4代的发展，速度越来越快历史SAS-1:3.0Gbit/s,introducedin20045SAS-2:6.0Gbit/s,availablesinceFebruary2009SAS-3:12.0Gbit/s,availablesinceMarch2013SAS-4:22.5Gbit/scalled24G,6standardcompletedin201751Multipleconnectortypes:SFF-8482SATAcompatibleInternalfour-laneconnectors:SFF-8484,SFF-8087,SFF-8643Externalfour-laneconnectors:SFF-8470,SFF-8088,SFF-8644红色的我用过你你对这些接口些接口刚到迷茫到迷茫吗？服？服务器上的器上的东西五花八西五花八门2020/10/2812这些接口都见过吗？2020/10/2813电子硬盘和机械硬盘机械盘3.5寸和2.5寸的很常见SSD的接口就多了，外形不同接口不同pU.2:SFF-8639(nowcalledU.2)pPCIe3.0 x4NVMe1.2pM.2M-KEY(2242or2280)pPCIepSATApmSATA2020/10/2814SSD接口及总线U.2:SFF-8639(nowcalledU.2)PCIe3.0 x4NVMe1.2M.2M-KEY(2242or2280)PCIeSATAmSATAPCIE2020/10/2815ssd750系列接口PCIeNVMe3.0 x4SFF-8639(nowcalledU.2)NVMe，又称NVMExpress，全名为Non-VolatileMemoryHostControllerInterfaceSpecification(简称NVMHCI)，中文名为非易失性存储主机控制器接口规范，2020/10/2816PCIExpressM.2(MiniPCIev2)Mini-SATA(mSATA)variant2020/10/2817总线速率及介绍2020/10/2818CPU运算速度每秒钟执行的指令数，单位MIPS(百万条指令/秒)，p4cup运算速度已超过1000MIPS(10亿次/秒)2020/10/2819BPS理论值和实际值BPS，是指比特率bps（bitspersecond），即比特率、比特/秒、位/秒、每秒传送位数，数据传输速率的常用单位。详见Mbps。比特（bit）是信息技术中的最小单位。文件大小（例如文本或图像文件）通常以字节（Byte）为单位。一字节对应八比特。在数据传输中，数据通常是串行传输的，即一个比特接一个比特地传输。数据速率的单位是比特每秒（bps），含义是每秒串行通过的位数。Bps(Bytespersecond),即字节每秒，因为一字节对应八比特，所以1Bps=8bps。数据传输理论速度和实际的数据是不一样的，如果采用8b/10b的编码方式，其实际传输带宽要打个8折2020/10/2820计量单位差异PCI的带宽常被引述为132MB/秒，这是文稿数据，它的实际带宽是127.2MB/秒。造成如此差异是因为：1.对工作频率具体数值引用的不同。2.容量单位上存在二进制计量与十进制计量，132MB/秒来源于十进制计量，127.2MB/秒来源于二进制计量。并行总线带宽(MB/s)=并行总线时钟频率(MHz)*并行总线位宽(bit/8=B)*每时钟传输几组数据(cycle)B/s=Hz*bytes*cycleMB/s=MHz*bytes*cycle132MB/秒：PCI的工作频率是33MHz,即33MHz*1000000=33000000Hz。PCI的位宽是32bits,即4bytes。PCI每时钟传输1组数据。33000000Hz*4bytes*1cycle=132000000byte/s除以10的6次方(容量以十进制计量)=132megabyte/s=132MB/s而127.2MB/秒：PCI的工作频率是以30ns来表示，Xns的倒数*1000=YMHz，即30ns的倒数*1000=33.333333MHz，33.333333MHz*1000000=33333333Hz。PCI的位宽是32bits,即4bytes。PCI每时钟传输1组数据。33333333Hz*4bytes*1cycle=133333332byte/s除以2的20次方(容量以二进制计量)=127.1566mebibyte/s=127.2MB/s=1017.6Mb/s串行总线带宽(MB/s)=串行总线时钟频率(MHz)*串行总线位宽(bit/8=B)*串行总线管线*编码方式*每时钟传输几组数据(cycle)2020/10/2821各种介质的速率比较PCIExpress*BaseSpecificationRevision3.0，withtransferratesupto8GT/s(Gen3)1x实际速率984.6MBps；4x实际速率3.938GBpsSATARevision3.0,理论速率6Gb/s（约750MBps）,实际速率600MBps（750*80%）；USB3.0速率5Gbps(640MBps),实际速率512MBps（640*80%）；USB3.1速率10Gbps（1280MBps），SAS2020/10/2822PCIE速率1.0，2.0标准中，采用的是8b/10b的编码方式，也就是说，每传输8比特有效数据，要附带两比特的校验位，实际要传输10比特数据。因此，有效带宽=原始数据传输带宽*80%。3.0标准中，使用了更为有效的128b/130b编码方案从而避免20%带宽损失，3.0的浪费带宽仅为1.538%，基本可以忽略不计，因此8GT/s的信号不再仅仅是一个理论数值，它将是一个实在的传输值PCIExpress*BaseSpecificationRevision3.0，withtransferratesupto8GT/s(Gen3)1x实际速率984.6MBps；4x实际速率3.938GBps2020/10/2823PCIE速率（续）几个概念：p传输速率为每秒传输量GT/s，而不是每秒位数Gbps，因为传输量包括不提供额外吞吐量的开销位；比如PCIe1.x和PCIe2.x使用8b/10b编码方案，导致占用了20%（=2/10）的原始信道带宽。pGT/sGigatransationpersecond（千兆传输/秒），即每一秒内传输的次数。重点在于描述物理层通信协议的速率属性，可以不和链路宽度等关联。pGbpsGigaBitsPerSecond（千兆位/秒）。GT/s与Gbps之间不存在成比例的换算关系。p吞吐量=传输速率*编码方案2020/10/2824PCIE速率计算例如：PCI-e2.0协议支持5.0GT/s，即每一条Lane上支持每秒钟内传输5G个Bit；但这并不意味着PCIe2.0协议的每一条Lane支持5Gbps的速率。为什么这么说呢？因为PCIe2.0的物理层协议中使用的是8b/10b的编码方案。即每传输8个Bit，需要发送10个Bit；这多出的2个Bit并不是对上层有意义的信息。那么，PCIe2.0协议的每一条Lane支持5*8/10=4Gbps=500MB/s的速率。以一个PCIe2.0 x8的通道为例，x8的可用带宽为4*8=32Gbps=4GB/s。PCI-e3.0协议支持8.0GT/s,即每一条Lane上支持每秒钟内传输8G个Bit。而PCIe3.0的物理层协议中使用的是128b/130b的编码方案。即每传输128个Bit，需要发送130个Bit。那么，PCIe3.0协议的每一条Lane支持8*128/130=7.877Gbps=984.6MB/s的速率。一个PCIe3.0 x16的通道，x16的可用带宽为7.877*16=126.031Gbps=15.754GB/s。4*1000/8=5001G=1000M而不是1024M计量方式不同：二进制还是十进制2020/10/2825串行总线带宽(MB/s)=串行总线时钟频率(MHz)*串行总线位宽(bit/8=B)*串行总线管线*编码方式*每时钟传输几组数据(cycle)2020/10/2826USB接口-1：速率随着IT行业不断进步，USB历经以下几个阶段：pUSB1.0：1.5Mbps(192KB/s)低速(Low-Speed)500mA1996年1月；pUSB1.1：12Mbps(1.5MB/s)全速(Full-Speed)500mA1998年9月；pUSB2.0：480Mbps(60MB/s)高速(High-Speed)500mA2000年4月；pUSB3.0：5Gbps(640MB/s)超速(Super-Speed)900mA2008年11月；。pUSB3.1：传输速度为10Gbit/s，三段式电压5V/12V/20V，最大供电100W。lUSB3.0的实际读取只能到428MB/s，写入则刚达到400MB/slUSB3.1的实际读取822.3MB/s、写入826.0MB/s，超过了800MB/s2020/10/2827USB接口-1：速率（续）USB3.0也采用了8b/10b的编码方式，因此实际传输带宽也要打个8折：640MB/s*80%=512MB/s5*1024/8=6401G=1024M而不是1000M2020/10/2828USB接口-2：外观USBTYPE-A（2.0和3.0兼容）pUSB2.0黑色的pUSB3.0蓝色的pUSB3.1通常为蓝绿色USBTYPE-C(3.1)USB3.1GEN1：USB3.1规范分为USB3.1GEN1与USB3.1GEN2，目前苹果新款macbook属于USB3.1GEN1，其带宽为5Gbps；只有USB3.1GEN2规范，带宽才能达到10Gbps；一般来说，PC上的USB接口均为标准Type-A，而外部设备则多采用Type-BMicro-USB3.0的A型及B型接口数高速移动硬盘了，其中绝大多数均为Type-B类型2020/10/2829USB接口-3：外观pMini-USB被广泛应用在数码产品上，诸如MP3，数码相机以及移动硬盘等等。Mini-B型用的多，这是因为Mini-A型就接口的防呆性较差，数据线可通用。pMicro-USB接口是Mini-USB接口的改良版，它再次缩小了体积，更适用于现在越来越轻薄的移动设备。目前我们所使用的便携设备，绝大多数都采用了Micro-USB接口，Mini-USB已基本被淘汰。，Micro-USB接口的Type-B型也是Type-A型的改良版，Micro-B防呆设计优秀p我们接触最多的Micro-USB3.0接口设备就要数高速移动硬盘了，其中绝大多数均为Type-B类型2020/10/2830Type-CUSB3.112020/10/2831SATASATA的全称是SerialAdvancedTechnologyAttachment，是由Intel、IBM、Dell、APT、Maxtor和Seagate公司共同提出的硬盘接口规范ATA（AdvancedTechnologyAttachment）2001-SerialATA1.0标准，硬盘的外部传输速率理论值提高到了150MB/sSATA3.0又称SATA6Gbps，SATA2.0则为SATA3Gbps支持热插拔2020/10/2832HistoryofserialATASATA1.0理论传输速度为1.5Gbit/sSATA2.0理论传输速度为3Gbit/sSATA3.0理论传输速度为6Gbit/sSATA2的理论传输速度为3Gb/s，即375MB/S的数据量，实际速度在8成左右，300MB/SSATA3的理论传输速度为6Gb/s，即750MB/S的数据量，实际速度在8成左右，600MB/SSerialATA接口采用了一套用来确保数据流特性的编码机制，这套编码机制将原本每字节所包含的8位数据(即1Byte=8bit)编码成10位数据(即1Byte=10bit)，这样一来，SerialATA接口的每字节串行数据流就包含了10位数据，经过编码后的SerialATA传输速率就相应地变为SerialATA实际传输速率的十分之一，所以1.5Gbps=150MB/sec，而3.0Gbps=300MB/sec。3*1024/8=3843*1000/8=375应该是384，,为什么会写成375呢？1G=1000M而不是1024M计算时要注意下这个问题2020/10/2833ASSSDBenchmark是一个专门为SSD测试而设计的软件。可以测试出固态硬盘的持续读写性能，包括4KB小文件的传输性能等等，成绩显示可以分为两种，一种是MB/S的形式，另一种是IOPS形式。2020/10/2834iSCSINFS2020/10/2835SFF-8644TheSFF-8644isthelatestHDMiniSASconnectordesignforimplementingHDSASExternalinterconnectsolutions.TheSFF-8644isa36-pinHighDensitySASconnector,andutilizesametaloutershellcompatiblewithshieldedexternalconnections.TypicalapplicationwouldbeaSASlinkbetweenaSASHBAtoaSASdrivesubsystem.TheSFF-8644iscompliantwiththelatestSAS3.0spec,andsupports12Gb/sdatatransferprotocolTheSFF-8644sHDMiniSASinternalcounterpartistheSFF-8643whichisalsoSAS3.0compliant,andalsosupports12Gb/sSASdatatransferspeeds.BoththeSFF-8644andtheSFF-8643cansupportupto4-ports(4lanes)ofSASdata.CSElectronicshasincorporatedthisconnectorontobothcableassembliesandpcbadapters.ThesenewerSFF-8644andSFF-8643HDSASconnectorinterfaceshaveessentiallyreplacedtheolderSFF-8088externalandtheSFF-8087internalSASinterfaces,howeverCSElectronicscontinuestosupportourcustomersneedsfortheolderinterfacecablesandadapters.2020/10/2836SFF-8643TheSFF-8643isthelatestHDMiniSASconnectordesignforimplementingHDSASInternalinterconnectsolutions.TheSFF-8643isa36-pinHighDensitySASconnector,andutilizesaplasticbodytypicallyusedininternalconnections.TypicalapplicationwouldbeaINTERNALSASlinkbetweenaSASHBAtoSASdrives.TheSFF-8643iscompliantwiththelatestSAS3.0spec,andsupports12Gb/sdatatransferprotocolTheSFF-8643sHDMiniSASexternalcounterpartistheSFF-8644whichisalsoSAS3.0compliant,andalsosupports12Gb/sSASdatatransferspeeds.BoththeSFF-8643andtheSFF-8644cansupportupto4-ports(4lanes)ofSASdata.CSElectronicshasincorporatedthisconnectorontobothcableassembliesandpcbadapters.ThesenewerSFF-8643andSFF-8644HDSASconnectorinterfaceshaveessentiallyreplacedtheolderSFF-8088externalandtheSFF-8087internalSASinterfaces,howeverCSElectronicscontinuestosupportourcustomersneedsfortheolderinterfacecablesandadapters.2020/10/2837SFF8643信号定义Cabeentry2020/10/2838SFF-8680TheSFF-8680isthelatestconnectordesignforinterfacingaconnectiontoaSASdrivebothSASHarddrivesandSASSSDdrives.TheSFF-8680isa29-pinconnectorwithaplasticbody,andconfiguredwith15pinsthatsupportthepowerrequirementsofthedrive,and(2)groupsof7pinsthatcarrytheSASdatasignals.TheSFF-8680supports2SASports(lanes)to/fromthedrive.TheSFF-8680canbeincorporatedontoapcb“dockingbackplane”formultipledrives,ontoasingle-drive“T-Card”adapterssuchasCSElectronicsADP-4480andADP-4380,orevenusedasacableinterfacetoplugdirectlyontoadrive.TheSFF-8680iscompliantwiththelatestSAS3.0spec,andsupports12Gb/sdatatransferprotocolThisnewerSFF-8680driveinterfaceconnectorinterfaceshasessentiallyreplacedtheolderSFF-8482driveinterfaceconnector2020/10/2839SFF-8639(nowcalledU.2)TheSFF-8639isthelatestconnectordesignforinterfacingaconnectiontoaeitheraMultiLinkSASdriveoraPCIedrivebothHarddrivesandSSDdrives.Itwasrecentlyre-namedbytheSSDSmallFormFactorWorkingGroupasU.2.TheSFF-8639isarevisionoftheSFF-8680,whichisa29-pin2-LaneSASdriveinterface.TheSFF-8639U.2isa68-pindriveinterfaceconnectorwhichhashighersignalqualitiestosupport12Gb/sSASandGen3x4PCIe,orPCIExpressNVMe.TheSFF-8639/U.2connectorcanbeincorporatedontoapcb“dockingbackplane”formultipledrives,orontoasingle-drive“T-Card”adapterssuchasCSElectronicsADP-4439,ADP-43V39,andthenew2.5PCIeNVMeSSDCableadapterkitADP-PCIe-43V39.TheSFF-8639U.2connectorhasatotalof6High-Speedsignalpaths,howeverboththeSASandPCIespecificationsonlyeveruseupto4lanesatanytime.Itiscompliantwiththelatest12Gb/sSAS3.0specaswellasx4Gen3PCIeandSSDFormFactorV1.0.2020/10/2840太网的传输速度使用8B/10B编码方式2020/10/2841网线种类及参数T2020/10/2842TotusoftLANSpeedTest对千兆网进行传输速度测试（双机互联，XP操作系统）PCI总线频率为33MHz，总线位宽为32bit，PCI总线的带宽为127MB/s，换算下来即为1016Mbps，理论上刚好达到千兆网卡的带宽的。但实际上，所有的PCI设备都是共享一个总线带宽，包括IDE总线、集成的声卡都是通过PCI总线工作的，这样分配给PCI千兆网卡的带宽自然也就不够了。某些主板集成的网卡就是使用PCI总线，所以，网络传输速度一般很难超过600Mbps。2020/10/2843网卡速率PCIE(Gen3)1x984MB/s=7872Mb/s4x3.938GB/s=31.5Gb/s2020/10/2844XFP（10GSmallFormFactorPluggable）传输光的波长是850nm,1310nm或1550nm10GBaseEthernetSONET/SDHSupport传输速率9.953Gbps10.3Gbps2020/10/2845NVMENVME是协议，最新版本3.0符合NVME协议的存储设备接口有多种SFF-8639(nowcalledU.2)intel的ssd750M.2PCIESSD2020/10/2846