SATA Express
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![]() 主板上的SATA Express连接端口 | |
英文全名 | Serial Advanced Technology Attachment Express |
---|---|
发明日期 | 2013年 |
带宽 | 最高 1969 MB/s(采用SATA Express物理接口,PCIe 3.0 ×2) |
类别 | 串行 |
热插拔 | 支持,需要其他系统组件配合[1] |
外置接口 | 不支持 |
SATA Express(英文:Serial Advanced Technology Attachment Express,亦可缩写为Serial ATA Express,也有坊间的非官方缩写SATAe)是一种基于SATA和PCI Express(PCIe)而来的高速电脑总线,用于SATA、PCIe存储装置,最初是作为SATA 3.2版标准发表。[1]
来历
[编辑]可用性
[编辑]最初内建SATA Express控制器的是英特尔于2014年的9系列PCH晶片组(H97、Z97),适用于Haswell微架构的处理器(LGA 1150插槽)。[2][3]不过,2013年11月华硕发布了带有SATA Express连接端口的“Z87-Deluxe/SATA Express”主板,使用一颗由祥硕科技提供的SATA/PCIE分配晶片ASM106SE和相应的多工器晶片支持,不过这款主板仅在2014年的CES消费电子展上展出以后便无任何推出市场的计划了。[4][5]
2014年4月,华硕公开展示了一种准量产型的SATA Express硬件,并支持华硕称为“带独立展频时钟的分立式基准时脉”(SRIS)特性。SRIS的要点在于在SATA Express存储装置上增加一个用于资料信号传输的时钟发生器,在主板的固件上予以额外支持,来降低SATA Express资料连接线传输同步PCIe总线信号时屏蔽的技术需求,并降低辐射。[6][7][8]
2014年5月,首批使用Z97和H97晶片组的主板上架贩售,不少主板不仅提供了SATA Express连接端口,还提供了M.2插槽(M.2是一种界面卡式存储器连接结构,安装于主板上,和SATA Express原生物理界面一样提供PCIe和SATA的脚位)。Z97和H97为每个SATA Express连接端口各提供了PCIe 2.0 ×2规格的PCIe通道,每个SATA Express装置可拥有1GB/s的带宽。[3][9][10]不过这两款晶片组的主板都主要用于高阶性能机桌面型平台,对一般主流级市场影响不大。[11][12]而极致性能级桌机平台上,英特尔于2014年8月推出了支持SATA Express的X99晶片组。X99主板上SATA Express界面的PCIe通道仍由X99 PCH提供,而M.2插槽的PCIe通道则是视主板厂商而定,可从X99 PCH上引出两条PCIe 2.0通道,也可从LGA 2011-v3插槽的处理器上引出最多4条PCIe 3.0通道,来供M.2插槽使用。[13]
AMD则于2017年发表了Socket AM4和Socket SP3(r2)/LGA 4094处理器平台,内建SATA Express控制器。[14]
使用度
[编辑]SATA Express的推广使用上,分为两种情况。单就SATA Express控制器本身而言是算成功的,至2017年推出的主板晶片组、x86 CPU/SoC均有支持。然而就SATA Express物理接口上来说则是相当的失败,以至于SATA Express协议被NVMe协议取代,SATA Express物理接口也被后续者M.2和U.2取代,载有SATA Express物理界面的主板可谓是相当的少,早期甚至连驱动程式也欠奉;至于SATA Express物理界面的存储装置也可谓寥寥无几。[15][16]
2015年SATA Express发布了一种兼容SAS、PCI Express x4、SATA总线的的U.2连接器界面,U.2更多用于伺服器等企业应用场合。
特性
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SATA Express本身配备了新的物理连接界面,连接端口可向下兼容原有SATA标准的SATA连接线插头,[18]而实际上SATA Express是使用两条PCIe通道传输资料,其对应的连接端口几乎相当于一个特化的PCIe ×2插槽,所以基于SATA Express的存储装置是通过PCIe总线与SATA Express控制器进行通信的。[19]不像此前的数个SATA标准,由于固态盘机(SSD)的长足发展和越发广泛的使用,SATA 3.0对于SSD来说已不敷使用,能在与旧装置兼容的基础上比SATA 3.0(6 Gbps)提升多倍的总线带宽,SATA 3.2选择使用PCIe和SATA共享技术标准。[20]不过相比原来的SATA标准来说,为了能在PCIe总线上运行而修改了大量的技术参数标准,而为了兼容旧有的SATA,运作时功耗又会比只使用PCIe总线的控制器要高。[21][22]选择与PCIe走在一起的另一个原因是,作为一个可广泛适配的电脑总线,PCIe可在提供足够的带宽的同时,还能通过增加PCIe通道数来达成成倍带宽提升。[23]
此外,因为SATA Express支持原来在SATA逻辑接口层(面向操作系统)上运作的AHCI,使得支持只有逻辑接口层标准的NVMe(AHCI的继任者)也成为了可实现的目的,只要SATA Express的存储装置支持。支持AHCI可确保能兼容现时大量的旧型SATA装置和旧版的操作系统(如Windows 7),对NVMe的支持则可全力发挥PCIe存储装置的功能与性能,像是大量I/O操作的并行化执行。[17]
SATA Express接口同时支持PCIe存储装置和SATA存储装置,其物理连接接口占用两条PCIe 2.0/3.0通道和两个SATA 3.0(6.0 Gbps)连接端口(两种连接接口重用一个物理连接端口),主机和存储装置之间的连接是纯PCIe总线连接的,不需要额外的总线抽象层。[19][22] 2013年8月的SATA 3.2版本规范中,正式将SATA Express总线标准推出,并公布其硬件规格以及电气特性参数。[1][24]
SATA Express选择使用PCIe,使得其性能可以通过多条并行的或是更高版本的PCIe总线来获得性能的提升。举个例子,使用PCIe 2.0 ×2时,可在8b/10b编码及2×5 GT/s的吞吐量时获得1GB/s的带宽;而使用PCIe 3.0 ×2时,同样通道下使用128b/130b编码、2×8 GT/s的吞吐量时可获得接近2 GB/s(实际1,969MB/s)的带宽。[19][23]作为对比,SATA 3.0(6 Gbps)仅拥有0.6 GB/s的带宽,使用的是效率相对较低的8b/10b编码。
运行模式
[编辑]对于SATA Express控制器和其连接的存储装置,它们可使用3种不同的逻辑器件接口和命令集:[22][17]
传统SATA
[编辑]用于向下兼容传统的SATA装置(包括使用AHCI逻辑接口的SATA装置)、SATA Express控制器提供的SATA 3.0连接端口。
使用AHCI的PCI Express
[编辑]一来是用于使用PCIe总线并通过AHCI逻辑接口与主机连接的PCIe SSD;而二来是在操作系统中以兼容性为目的,提供非性能优化,以广泛使用的SATA模式(通过AHCI逻辑接口)存取PCIe SSD(即AHCI模式,方便安装不支持NVMe的旧版操作系统,如Windows 7)。在AHCI开发的时代,系统的主机适配器将CPU/存储器子系统与相对慢得多的、基于旋转磁性介质的存储子系统,AHCI是针对这种悬殊的速度差来进行优化设计的。而到了固态盘广泛使用的时代,AHCI便出现了一些与固态盘的运作原理不相适应之处而导致的性能低落,现时固态盘机采用的闪存,存储原理与DRAM有类似之处(尽管速度仍是慢得多),不同于旋转存储介质。
使用NVMe的PCI Express
[编辑]用于使用PCIe总线并通过NVMe逻辑器件接口与主机连接的PCIe SSD。NVMe是一种转为闪存设计的高性能、可扩展的主机控制器接口,其高性能主要在于低延时和I/O操作的并列性,现代CPU、系统平台及应用均可受益。相比AHCI,NVMe提供在主机硬件和软件可支持的情况下提供原生的存储并发性支持,更少的资料存储层级、更深的命令队列和更高效的中断处理。
物理界面
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SATA Express原生物理接口
[编辑]共有五种物理是SATA Express可用的,取决于装置的用途:[18]
- Host plug:即原生SATA Express物理接口,用于主板、附加控制器(如扩展接口卡)上。与旧型SATA装置无缝兼容、不需要额外的适配器或转换器的保守设计。[18]主板一侧的连接器可选择连接两个旧型SATA装置或是一个SATA Express连接线的PCIe固态盘。而连接端口上的总线工作在PCIe模式还是SATA模式,取决于所连接的存储装置。[25]
- Host cable receptacle:SATA Express资料连接在线的插头,用于连接主板上的Host plug插座,不兼容于旧SATA插座。
- Device cable receptacle:SATA Express资料连接在线的插头,用于连接存储装置,兼容旧型SATA插座,一个Device cable receptacle插座可插上一条旧SATA连接线与主板的SATA插座连接,不过这样的话装置只会在SATA模式运作。
- Device plug:使用于SATA Express存储装置上,这种连接端口是部分向下兼容设计,可令装置与多链接SAS(MultiLink SAS)或与下面提到的U.2主板插头配合使用。[26][a][b]然而,SATA Express在装置与主板连接后,需要装置支持PCIe连接时方能开启PCIe通道。
- Host receptacle:与M.2类似的板上连接方式,不需要连接线。这种连接方式间接兼容连接一个旧型SATA装置。
这五种SATA Express物理连接器仅提供两个PCIe通道(即PCIe ×2规格),毕竟一开始就是基于旧版SATA及SAS物理接口改造的保守设计,注重向下兼容性和成本效益,以便降低推广成本,而且就算因性能接受度问题(仅支持到PCIe ×2)没有厂商愿意推出搭载这类连接器的主板或装置,兼容SATA接口的设计也能保证其可用性及重用性。
U.2和M.2
[编辑]事实上SATA-IO并不满足于让SATA Express仅支持到PCIe x2的规格。SFF-8639连接器规格(即后来的U.2)支持PCI Express x4、SAS、SATA总线,但采用线缆结构,主要用于企业级、伺服器固态存储装置。[26][29][30][31]至2015年3月,一些厂商推出了使用U.2连接器、支持NVMe的固态盘产品(如Intel 750系列)[27][32][33],预料本规格在性能上会获得更广的接受度,因为和M.2一样可以使用PCIe x4的规格,比原生SATA Express的高出一倍的PCIe通道,能达成最高约32Gbps(约4GB/s)的带宽,同时保有SATA等旧型总线的间接兼容性。因针脚定义相同,SATA Express也可直接使用M.2物理接口来实现板上连接,而市面上也有M.2与U.2的被动转接器贩售。[34]也有SATA Express装置直接采用PCIe物理规格的例子。
U.2支持热插拔而M.2不支持热插拔;U.2可使用3.3V电源电压和12V电源电压,而M.2只能使用3.3V电源电压;M.2可应用于固态硬盘、无线网卡等装置,而U.2仅用于2.5英寸固态盘。
下表简略展示SATA Express不同连接器之间的兼容度:
SATA Express 主机线缆 插座 |
SATA Express 装置线缆 插座 |
SATA Express 主机插座 |
SATA线缆 插座 |
U.2背板 插座[a] |
SAS MultiLink 插座[b] | |
---|---|---|---|---|---|---|
SATA Express 主机插头 |
是 | 否 | 否 | 是 | 否 | 否 |
SATA Express 装置插头 |
否 | 是 | 是 | 否 | 是[c] | 是[c] |
SATA 装置插头 |
否 | 是 | 是 | 是 | 是[d] | 是[d] |
兼容度
[编辑]SATA Express向下兼容是装置层级的,只要存储装置支持SATA均可使用;而PCIe模式,只要主板晶片组/SoC有SATA Express控制器,也只需装置支持即可正确开启。不过无论是何种模式,仍然需要操作系统驱动程式的支持。
机械参数上,无论是原生SATA Express连接器还是U.2连接器,针脚的功能设置类似于USB 3.0向下兼容USB 2.0的做法,原生SATA Express在两个旧型SATA 7针连接器的基础上另外新增了其它PCIe所需针脚位,也因此可让旧型SATA资料传输线适配(最多插入两个装置)。[18][25]而U.2则是采用与M.2类似的针脚定义,U.2需要额外的被动适配器才能与旧型SATA装置连接。另外,现时不是所有的主板都配备U.2连接端口,与M.2类似的,需要PCIe转接卡(被动或主动的,无桥接晶片的被动接口卡一般用于纯PCIe装置,带桥接晶片的主动接口卡一般用于转接SATA连接端口装置);如果主板上配备了M.2连接端口,除了使用M.2规格的装置以外,也可通过被动转接器使用U.2的装置而无带宽损失。[34]
软件层面上,操作系统只要有AHCI驱动程式即可开启SATA Express的SATA模式(AHCI接口)存取旧型SATA装置,或是通过AHCI接口存取SATA Express连接器的PCIe固态盘,与使用普通的SSD无甚区别。但是NVMe的支持上,则需要较新的操作系统才有内建的驱动程式支持,旧操作系统(包括Windows 8及之前版本的Windows、Linux内核版本3.3以前的Linux内核、FreeBSD 9.2[35]以前的FreeBSD、Mac OS X 10.10以前的Mac OS X)需要额外的驱动程式方能支持。[17]虽然一些支持NVMe的SSD有兼容模式以便安装旧版操作系统,不过像是Intel 600p这样的SSD,本身无AHCI兼容模式支持的,需要在加载NVMe驱动的情况下安装旧版操作系统。
参见
[编辑]备注
[编辑]参考资料
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外部链接
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- Intel SSD DC P3700 Review: Understanding NVM Express, Tom's Hardware, August 13, 2014, by Drew Riley
- PCIe SSD 101: An Overview of Standards, Markets and Performance, SNIA, August 2013, archived from the original on February 2, 2014
- Interface card mount – US patent 20130294023, November 7, 2013, assigned to Raphael Gay
- MultiLink SAS presentations, press releases and roadmaps, SCSI Trade Association
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